随着时代的进步,人们对于信息获取的能力显得尤为重要,为了提升人们的视觉感知能力,越来越多的技术得到广泛应用,增强现实显示系统便是其中之一。当虚拟图像叠加在真实场景上时,人们能够获得更多关于所见场景的信息,从而提升依靠视觉获得的信息量,并进一步提高生产生活的效率。在增强现实显示系统中,真实场景的获取以及虚拟图像的叠加显示是系统的重要功能,为了实现上述功能,本文提出了不同的解决方案。针对真实场景信息的捕获功能,本文基于同心多尺度原理设计了一种宽视场高分辨的增强现实场景捕获系统。该系统结合同心物镜与多孔径镜头阵列的光学结构与排布设计,在传统同心多尺度系统的基础上消除了中间成像面,优化了整体结构。基于分视场图像拼接算法进行了图像拼接。将设计好的样机加工装配后,进行了成像效果和图像拼接结果的分析。本文提出的场景捕获系统能够实现近60°水平视场的成像,图像的分辨率能够达到四千万级像素,整体结构紧凑、轻便,能够较好地满足增强现实系统对于真实场景的宽视场高分辨图像捕获要求。针对平视显示系统中的虚拟图像叠加显示功能,本文结合微透镜阵列全息光学元件与平板光波导设计了一种彩色显示且透明的全息光波导增强现实平视显示系统。基于传统微透镜阵列显示图像的原理,提出了将光波导与微透镜阵列全息光学元件结合的设计模式,并通过对光波导尺寸及全息光学元件的优化设计消除了零级光。通过全息记录实验制作了微透镜阵列全息光学元件,并基于显示分辨率与视场角的要求,搭建了透明显示屏形式的平视显示系统。通过全息曝光参数测试实验得到合适的全息光学元件制备参数,曝光时间为15s,显影时间为270s时效果最佳。通过观察角度测试实验得到系统最佳观察角为±7.4°。通过显示实验验证了透明显示屏的叠加显示功能,使观察者能够接收到真实场景的信息以及叠加于真实场景上的彩色虚拟图像信息。系统中光波导的使用提高了结构的紧凑性,提升了装配的整体性,提高了观察的舒适性。该系统设计能够较好地满足增强现实平视显示系统对虚拟图像叠加显示的要求。针对头戴显示系统中的近眼虚拟图像叠加显示功能,本文结合衍射光学元件与平板光波导设计了一种彩色显示且透明的衍射光波导增强现实近眼显示系统。基于严格耦合波理论与单纯形法对衍射光波导中的光栅元件进行了优化,在保证了不同视场亮度的一致性的同时满足了扩展出瞳的要求。采用纳米压印加工的方式对光栅元件量产加工,并结合平板波导进行显示实验。通过显示实验验证了衍射光波导近眼显示系统的叠加显示功能,使观察者能够接收到真实场景的信息以及叠加于真实场景上的彩色虚拟图像信息。同时,通过衍射效率测试实验与亮度均匀性测试实验验证了衍射光栅的衍射效率与设计的一致性,系统衍射效率在10%左右,且该系统能够实现亮度均匀的显示效果。光波导的使用提高了结构的紧凑性,光波导与衍射光栅的结合扩展了出瞳,提高了设备的适配性,针对光栅的优化提升了观察的舒适性。该系统设计能够较好地满足增强现实系统对近眼虚拟图像显示的要求。本文最后分析了所提出真实场景信息获取和虚拟图像叠加显示方案的不足之处,对可能的发展前景进行了展望,同时,结合现有系统的不足对接下来的研究提供了可能的方向。