随着信息时代的发展,近眼显示技术在军用、商用、民用领域获得广泛应用,其结构也从传统的折返式透镜向平面光波导变化。传统的近眼显示器的光学系统较为复杂,存在多个折返光路,导致系统体积庞大;而平面光波导结构则降低了光学系统的复杂性,使整个系统更加紧凑、轻巧化。目前基于光波导近眼显示技术还不算成熟,一直存在着光能利用率低、视场小、高质量的衍射光栅制备难度大等问题。因此本文针对光波导系统现存的常见问题进行分析和解决。为了克服电子束加工成本高、周期长的问题,本文首先对光栅结构进行了设计,令光栅周期为固定值,以光栅的衍射效率为设计目标,标量理论为计算方法,得出最优的光栅结构为直角三角形;然后用矢量理论优化了光栅结构的各个参数。随后将设计的光栅结构代入光波导系统进行分析,由于设计的光栅周期为微米级,导致入射光需要以较大角度入射才能在波导中实现全反射,而入射角度过大时会导致光栅衍射效率的下降,从而降低整个系统的光能利用率。为了使垂直入射光也能发生全反射,提出了一种楔形光波导结构,不仅提高了系统的光能利用率并且增加了视场角和角度均匀性;为了实现较大的出瞳显示区域,对提出的楔形光波导系统进行出瞳扩展,为了保证扩展后出瞳图像的连续性和均匀性,对出瞳扩展后的楔形波导结构进行优化。最后采用无掩膜光刻直写技术制备了直角三角光栅,针对实际制备光栅衍射效率低于理论值的问题,提出了从傅里叶级数的角度分析高频信息对光栅表面结构的影响,理论分析了光栅结构误差和衍射效率之间的关系。