透射式波导近眼显示系统是一种将微显示器、成像目镜与波导相结合的紧凑双通道目视光学系统,在军用和民用领域都表现出了巨大的应用潜力和价值。使用者能够在透过波导观察到外界真实环境的同时,观察到微显示器所提供的虚拟信息,在特殊环境下对虚拟显示信息进行实时有效地获取。光波导技术可以使图像偏转180°,不仅简化了光路,还对目镜的出瞳进行了扩展,使得小出瞳直径的目镜就可以满足系统的使用要求,有利于光学系统的小型化和轻型化设计。出瞳扩展后形成的窥视窗可以放宽眼睛位置的公差,满足不同人群及多种功能的使用。然而,一维出瞳扩展仅对目镜出瞳的水平方向进行扩展,所形成的窥视窗垂直方向仍然较小,存在图像丢失的可能。全息波导二维扩展存在窥视窗内亮度较小的问题,影响人眼对虚拟信息的观察。因此本文针对进一步扩大窥视窗范围及提高窥视窗内的显示亮度,对透射式波导近眼显示系统进行设计与优化。本文对目前两种主要的波导耦合结构:几何波导和全息波导进行了仿真,对各自的出瞳扩展方式及优缺点做了深入分析。提出了将几何波导和全息波导结合对目镜出瞳进行二维扩展的设计方案,扩大窥视窗的同时保证窥视窗内的亮度。首先,针对两个波导的耦合过程中,产生的杂散光及光能量损失的问题,建立了目镜出瞳位置与几何波导中部分反射镜长度及间隔的数据模型。然后根据光线的约束条件及波导结构特性,确定了几何波导和全息波导的结构参数。其次,根据波导参数及人眼视觉特性,采用光学设计软件Zemax设计了配套的小出瞳直径(2.5mm)的目镜光学系统。最后借助光学仿真软件Lighttools将目镜系统和几何波导、全息波导系统集成并对整个光学系统进行仿真,针对仿真中出现的水平扩展间隔过大导致的图像丢失问题进行了系统改进,在全息波导中央加入水平的半反半透镜来防止窥视窗内图像缺失。并对系统多个典型视场的成像质量、出瞳辐照度分布、光学效率及亮度均匀性等方面进行了分析,各方面均满足人眼视觉特性。设计的系统视场为30°×40°,各视场MTF在40lp/mm均大于0.5。系统最终形成的窥视窗形状类似直角梯形,其上底为13mm,下底为18mm,高为28mm。在窥视窗内系统的最小光学效率达到48.1%。