头戴式显示设备是目前增强现实领域的发展热点。视场角和出瞳尺寸是头戴式显示设备的两个重要参数。传统的目视系统由于受到拉格朗日不变式的限制,无法同时使两者达到最大值。而光波导技术由于其独特的复制和传播过程则可以将两者相互独立设计。实现性能优秀的光波导必须要考虑选择何种耦合元件。偏振体全息光栅凭借优越的波长和角度带宽以及独特的偏振特性成为近年来备受关注的光学器件,利用其作为光波导的耦合元件能够实现具有大视场角和优秀的色彩表现力的头盔显示设备。但是目前针对偏振体全息光栅的研究主要集中将其应用于一维出瞳的波导结构,其出瞳尺寸仍然比较小。因此十分有必要对基于偏振体全息光栅的二维扩瞳波导结构的设计要点进行深入的研究。本文从设计基于偏振体全息光栅的二维扩瞳波导结构和实验验证两个部分展开论述,并且实际搭建了二维扩瞳波导系统观察成像质量,具体如下:（1）分析设计了具备二维扩瞳功能的波导结构,并且建立仿真模型加以验证所设计结构的正确性。首先研究设计了二维扩瞳波导结构中每个光栅的具体参数,接着利用所建仿真模型探究了总光效最高时的中间光栅偏转角度,还针对出瞳连续性的问题分析了满足出瞳连续性的光栅尺寸和光栅之间的距离应该满足的关系,还根据仿真出的MTF曲线总结了影响二维扩瞳系统成像质量的关键因素。并且用建立的光迹追踪模型进行成像仿真验证所设计的二维扩瞳结构的正确性。接着根据红绿蓝单色成像仿真结果图存在的缺陷,从偏振体全息光栅的形状、和图像均匀性两个方面提出了优化成像的方法,并加以成像仿真验证。此外还初步对二维扩瞳波导显示结构的彩色成像效果进行了仿真。（2）制备了具备二维扩瞳功能的波导结构。首先从取向层材料的选取、溶剂的选取、溶液的固液比以及环境湿度的选择进行了实验研究。接着介绍了实验中所用的光路以及光路中所用到的光学仪器的作用以及相关参数的具体计算方法。之后对液晶溶液的制配以及液晶层的制配过程进行了实验探索。最后将实际测量的衍射效率和仿真结果做了对比,说明了制备方法的正确性。（3）从应用角度搭建了具备二维出瞳扩展功能的全息光波导显示样机。先后研究和制备了红绿蓝三种颜色的单色波导系统,并用样机测试成像效果。成像结果显示,该样机能够实现的出瞳尺寸为18mm×18mm,视场角为30°,对三种单色图像成像的光学效率分别为65.5nit/lm,67.57 nit/lm和57.90 nit/lm,对外界环境光的透过率为74%。从此结果也可以看出本课题所研究的基于偏振体光栅的全息波导二维扩瞳应用在成像系统中具备优秀的光学耦合功能,极具应用前景。并且针对可以彩色成像二维扩瞳的波导结构进行了进一步分析,设计了兼顾体积和成像效果的双层二维扩瞳波导结构。针对传统目视系统出瞳尺寸较小的问题并且结合偏振体全息光栅目前的应用现状,本论文将偏振体全息光栅的应用拓展到二维出瞳扩展波导结构上。并且通过一系列的仿真和实验验证了基于偏振体全息光栅的二维扩瞳波导结构的扩瞳效果和优秀成像质量。