的透镜组合而成，这会使整个系统的重量和体积增大。因此通常采用非球面镜和球面镜组合来完成像差的矫正，由于单个非球面镜即可矫正像差中的一些要求，从而给系统的整体结构及重量带来了益处。由于现代光学加工技术的发展，自由曲面技术也被应用于像差矫正中，因此可结合自由曲面技术来实现光学系统微型化的要求。
[0025]耦合输入面12是采用镜面反射的原理利用棱镜来改变光线的传播方向。来自准直系统的光线入射到耦合输入面12后，经输入面的反射进入到平面波导衬底中。由于采用了斜面来对光波进行耦合，使其进入衬底，可以有效的避免由于色差的存在而出现的反射光线对原始图像像质的影响。通常为了进一步提高光波的耦合输入效率，可在耦合输入面12的有效通光口径内蒸镀相应的多层增透膜，以提高光波的耦合输入效率。另外通过在耦合输入面的外表面旋涂相应的反射膜可以进一步提高进入到波导衬底的光波能量。
[0026]平面波导衬底13的加工材料有很多种，如玻璃材料几31、几32、1(9、81(7等，塑料材料有PET、PMMA等。由于每种材料的折射率、色散系数不同，导致全反射临界角、材料的透过率、吸收系数和重量不同。考虑到实际应用条件以及加工工艺的限制，需要根据具体要求进行选择。光波在衬底中传播时需要满足全反射的条件，以保证光线没有折射出衬底，同时应尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则会使大量的光波能量在传输过程中损失而影响图像的可见度以及对比度。另外平面衬底材料本身限制了在衬底中传输的图像的范围，为了扩大传输图像的范围，通常在衬底表面按照需求镀上一定反射率的膜层或者选用高折射率的萤火玻璃材料，对材料的全反射角给予一定的扩展。为此，平面波导衬底的材料通常选择具备合适折射率、透过率以及机械性能的光学材料，如塑料亚克力PMMA。且塑料亚克力PMMA (nd=l.49)的全反射临界角为42.2°，高于一般的K9玻璃(nd=l.52)的全反射临界角41.8°，另外PMMA的重量较轻，对于同等体积的K9玻璃和PMMA塑料，PMMA的重量是K9玻璃的一半，这种优势可以用来减轻穿戴显示应用设备的重量。
[0027]锯齿槽结构14用于实现视场的扩展以及将光波耦合输出到衬底外。光波在平面波导衬底中传输一定的距离后到达锯齿槽结构14，锯齿的外表面旋涂了一定反射率的膜层，从而使得光线发生反射，偏离了原来的传输方向，使一部分的能量折射出衬底，折射出衬底的光线进入到人眼中形成了图像信息。由于锯齿槽结构的存在可以使整个齿形表面都实现对光线的反射，经过反射的光线能够覆盖衬底的大部分表面，从而实现了观察者视场的扩展，即出瞳的扩展。但是齿形结构表面加工需要达到镜面(表面粗糙度Ra应小于成像光的波长尺寸，如10_20nm)的效果，否则由于漫反射的存在会使图像的清晰度降低，严重的将导致观察不到需要显示的图像信息。通常齿形结构采用注塑、金刚石切割等办法实现，这些加工工艺相对应的表面粗糙度可满足要求。
[0028]本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的工作步骤以及实例应用:
图2为传统潜望式光学显示系统的光线传播示意图。如图2所示，传统的潜望式光学显示系统主要由I禹合输入面Surf-1nput、相互平行的波导衬底上下表面Surf I和Surf2以及率禹合输出面Surf-output组成。为了保证I禹合输入光线的空间方向和I禹合输出光线的空间方向相同，显示系统的各参数需满足一定的条件，如下:β -145.=45°
其中，β-w。为稱合输入面Surf-1nput和衬底下表面Surf2的夹角。
[0029]β_245° =45°
其中，β -245.为稱合输出面Surf-output和衬底上表面Surfl的夹角。
[0030]来自显示光源同一物点的光束20进入衬底以后，经过耦合输入面Surf-1nput的反射，使光线20与衬底上表面法线的夹角大于全反射临界角，从而继续在衬底中无损耗地传输。光束在衬底中经过传输到达I禹合输出面Surf-output,经过f禹合输出面的反射,一部分光线按照光学设计的要求折射出衬底形成成像光束21，一部分光线折射出波导衬底形成成像光束22。虽然光束21和光束22是由来自同一物点的光束经折反射之后产生的，但经过输出面的反射，光束21和22的空间方向以对称形式出现，变成了空间两个物点发出的光线，导致鬼影的出现，影响原始图像的清晰度。再者为了扩大观察视场，需要通过增加衬底的厚度H-45来实现，这将导致显示系统的整体重量增加，为此需要采用新的视场扩展结构方式以减轻系统的重量。
[0031]图3为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的平面波导衬底示意图。为了使图像信息能够在既定的位置输出，必须借用相应的波导衬底来实现光波的传播。如图3所示，带有锯齿夹层结构的平面波导衬底分为parti和part2两个部分。其中parti部分由两个相互平行的上下表面30和31以及凸出锯齿结构32组成，相互平行的两表面主要用于使光波无损耗地传输到需要显示的输出位置。Part2部分由两个相互平行的上下表面33和34以及凹陷锯齿结构35组成。parti和part2的锯齿结构相互成啮合的形状，因此更易于两者的结合。对于平面波导衬底的上下两表面，其粗糙度、平行度以及平面度等方面必须满足基本光学加工的要求，否则会由于光线在衬底中无法按照镜面反射的要求传输，导致来自同一物点的光束在输出衬底以后夹角大于人眼的分辨率角，从而使得在人眼直接观察时出现重影，降低了图像的清晰度和对比度。再者锯齿结构在光线的输出中起到关键作用，对其的加工必须满足镜面要求，这样才能保证图像的清晰度不会降低。
[0032]图4为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构示意图。本发明中，图像水平视场角的扩展和图像的耦合输出主要借助于锯齿结构的数量和锯齿结构的镜面反射原理来实现的。图4左下角为两个平面波导衬底的锯齿结构40和41的放大示意图，可知锯齿结构是由两个相互倾斜的超光滑斜面Mirror-b和Surf-s组成,斜面Surf-s主要完成光线路径的改变使其耦合出波导，Mirror-b主要使光线按照原始路径继续传播，为了避免由于Mirror-b和Surf-s之间的距离W-H过小而引起的衍射效应,通常W-H的长度应大于一个成像光波长，否则由于衍射效应的存在将导致原始图像的清晰度降低。为了实现光线传播路径的偏转以及原始路径的继续，图中各参数关系应为:
W-H= sin ( β _cl) /h + sin ( β _c2) /h
其中爲吣和β _。2分别为斜面Surf-s和Mirror-b与水平面的夹角，h为锯齿的高度。由于β -cl^P β _。2的存在，锯齿的高度h不应过大，否则将导致斜面Surf-s和Mirror-b的接壤处无法形成需要的夹角，最终影响光学设计的要求。
[0033]对于水平视场角的扩展，主要借助于锯齿结构的数量来实现，其基本过程为:由于扩展视场结构的出现，可使光线反射由单一的反射面变成多个反射面的反射，这样将增大光学器件出瞳的面积，通过增加出瞳的面积，可以实现观察范围的增加。为了实现水平视场角的扩展，对于锯齿结构倾斜面的粗糙度有着严格的要求，即必须符合相应的镜面要求，同时锯齿结构倾斜角的精度必须符合设计的要求，否则将会出现鬼影。
[0034]图5为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的旋涂示意图。为了使锯齿结构能够改变平面波导衬底中光线的传输路径，需要在锯齿结构外表面旋涂具有一定折射率的膜层来实现。由于平面波导衬底的锯齿结构是由相互嵌套的两个锯齿构成，因此只需要在平面波导衬底中的锯齿部分按照设计的需要旋涂相应的膜50即可。另外平面波导衬底是采用PMMA材料加工而成的，在蒸镀膜层时必须考虑到加热对材料本身带来的影响，因此不宜采用传统的热蒸发镀膜工艺蒸镀，需要采用冷镀的方式进行。新兴的离子镀技术可以很好地解决这个问题。离子镀加工出的膜层虽然不如热蒸发时的牢固，但是由于膜层位于材料之间，牢固度不会受到周围环境的影响。
[0035]图6为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的光线传播示意图。如图6所示，来自图像显示光源的光线60垂直入射到平面波导衬底中与耦合输入面61相碰，经过耦合面61的反射，光线到达平面导光衬底的下表面Surf-down，此时主光线与下表面法线的夹角应满足大于材料的全反射临界角，紧接着被面Surf-down反射，与平面波导衬底的上表面Surf-up碰撞,又被面Surf-up反射,如此往复以全反射的形式传播到锯齿结构所在位置。当和锯齿结构斜面相碰撞以后，由于锯齿结构的斜面处旋涂着有一定反射率的膜层，使光线60被分成两部分,一部分按照原路径继续传播形成光线62,—部分被锯齿斜面反射出平面导光衬底，形成光线63，如此反复使来自同一物点的光线按照上述设计的路径传播，实现了图