增强现实（AR）能够实现沉浸式三维信息显示,通过实时叠加声音、视频、图形等信息来增强人们与周围真实世界的交互体验。AR显示在军用、民用等领域有着广泛的应用场景,具有重要的研究价值。随着增强现实显示技术的不断发展,光波导方案在设备体积、出瞳面积以及视场角等方面具有优势,逐渐成为AR显示的主流方案。光波导方案利用波导介质的全反射条件,将光场以极低的损耗进行传输。衍射光波导通过光栅器件实现对光场的耦合调控,具有更高的设计自由度且易于集成。本文着眼于提高表面浮雕型光栅（SRG）光波导方案的出瞳扩展均匀性以及扩展体全息光栅（VHG）波导方案中VHG的角度带宽,基于光栅衍射、全息干涉、严格耦合波分析等理论,探究了光栅结构对波导中光场的调制作用,提升了光栅耦合器件的性能。具体研究工作如下:第一,光波导方案中光栅耦合器的衍射特性分析方法的研究。通过严格耦合波理论建立了SRG与VHG的电磁场模型,探究SRG不同光栅槽形结构对衍射特性的影响,优化光波导中SRG耦合器的结构参数,匹配波导系统中出瞳扩展的设计需求;根据VHG独特的记录与再现方式,探究VHG在布拉格条件下的衍射特性,为VHG通过复用等周期变倾角干涉条纹扩展角度带宽奠定理论基础。第二,SRG光波导大出瞳面连续性及均匀性的研究。建立光波导一维出瞳扩展模型,满足出射面光瞳扩展连续性及均匀性的设计要求,并通过增加矩形槽转折光栅,改变耦入光线在波导内全反射的传播方向,实现了光波导的二维出瞳扩展,扩大了动眼范围。本文模拟了530 nm波长的TM偏振下光波导的一维扩瞳设计结果,获得了1×4阵列的出瞳面,出瞳面的均匀性误差为3.37%;在二维扩瞳设计结果中,获得3×4阵列的出瞳面,出瞳面的均匀性误差为8.83%。第三,VHG复用扩展角度带宽的研究。基于VHG布拉格条件及复用理论,本文提出了复用多幅等周期变倾角干涉条纹的VHG结构,建立复用VHG折射率计算理论模型,探究了不同记录条件对复用等周期变倾角干涉条纹VHG角度带宽的影响。仿真分析了在波长为530 nm的TE和TM偏振态下,复用三幅等周期变倾角干涉条纹后的VHG角度带宽分别扩展为3.6°和3.3°,与记录单幅干涉条纹的VHG相比,角度带宽扩展了1倍。本论文针对SRG光波导建立了出瞳扩展设计的仿真模型,优化了出瞳面光强的连续性和均匀性;提出VHG复用等周期变倾角干涉条纹方法,扩展了VHG耦合器角度响应带宽,为实现大出瞳宽视场光波导近眼显示提供理论指导。