增强现实（Augmented Reality,AR）技术可以将虚拟的图像信息叠加到外部的真实环境中,使观察者既能沉浸在现实世界中又能接受到显示设备提供的信息,被普遍认为是下一代主流显示技术。作为实现AR显示的重要手段,基于衍射光栅的波导式近眼显示设备在紧凑性和便携性等方面有着突出的优势,逐渐取代了传统的折反射式设备,成为目前AR设备的首选设计方案。出瞳扩展作为光波导近眼显示系统的优点之一,可以为人眼提供更大的观察范围,提高用户的佩戴舒适性。然而,光线在扩瞳过程中存在能量损失,造成显示系统出瞳范围内的亮度分布不均匀,直接影响了虚拟信息的完整性,降低了设备的图像显示质量。中国科学技术大学衍射光栅团队,承担了惯性约束聚变的高功率激光系统所急需的大口径脉冲压缩光栅的研制,发展了米量级口径的全息-离子束刻蚀光栅技术。本文以提高出瞳亮度均匀性为研究目标,对近眼显示系统的光栅光波导结构进行设计与优化,并进行了初步试验验证。论文的主要工作及成果包括以下几个方面:1、根据近眼显示系统的成像原理和光栅衍射理论对作为光学耦合元件的两块一维表面浮雕光栅进行分析与设计,并通过Rsoft软件对设计出的光栅结构进行仿真,根据仿真实验结果和矢量衍射理论优化光栅槽形。2、提出了一种具有可变占宽比结构的输出耦合光栅,目的是使输出光线的衍射效率在扩瞳方向上尽可能保持一致,以提高显示系统的出瞳亮度均匀性。通过LightTools软件对光栅光波导显示系统的进行建模,仿真模拟了出瞳的亮度分布情况,验证了变占宽比结构对于提高出瞳亮度均匀性的可行性。仿真模拟结果表明,当耦出光栅的占宽比分布采用最优组合参数时,相比于占宽比均匀分布时,显示系统的出瞳亮度均匀性得到了将近40%的提升,高达92.83%。3、设计了一系列占宽比调制实验,利用光刻胶灰化技术使光栅侧壁发生一定程度的收缩以实现变占宽比结构。分别研究了灰化时间和灰化位置对光刻胶光栅占宽比的影响,实验结果表明,可以利用纵向等离子体分布不均匀这一特性使得光栅表面不同位置处占宽比出现不同程度的减小。最终经过多轮实验条件探索确定了合适的灰化参数并制作出符合优化结果的变占宽比结构。光栅形貌的测试结果表明,本文提出的方法可以实现光栅占宽比的有效调制,为基于光栅光波导技术的近眼显示系统提供了提高出瞳亮度均匀性的新方案。