一种目镜系统和头戴显示设备的制作方法

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种目镜系统和头戴显示设备。

背景技术：

目前，随着科技的不断发展，头戴显示器进入民用市场，越来越多的人开始使用此类产品，通过头戴显示器中的目镜系统享受浸入式的视觉体验。但是，在目前市面上的头戴显示器的目镜系统设计方案中，人眼仅能观看到显示屏发出的光经光学系统后形成的像，功能较为单一。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本实用新型提供了一种目镜系统和头戴显示设备，以解决现有目镜系统功能单一的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一方面，本实用新型提供了一种目镜系统，该目镜系统包括：发光屏幕、图像传感器、菲涅尔透镜组和滤光片，所述发光屏幕相对光路光阑的中心线平行设置，所述菲涅尔透镜组相对所述发光屏幕倾斜设置，相对所述菲涅尔透镜组所述滤光片设置在靠近外界环境的一侧，而所述图像传感器设置在靠近光路光阑的一侧；

所述发光屏幕，用于发出携带有图像信息的入射光；

所述菲涅尔透镜组，用于将所述发光屏幕发射的入射光反射至人眼中，同时将人眼的漫反射光反射至图像传感器中，以及将滤光片透射过来的外界环境光投射到人眼中；

所述滤光片，用于控制外界环境光的进光量；

所述图像传感器，用于接收所述菲涅尔透镜组反射过来的人眼漫反射光，根据人眼漫反射光生成人眼图像，并对生成的人眼图像进行识别，根据识别结果调整所述滤光片的进光量。

优选地，所述菲涅尔透镜组包括第一菲涅尔镜片和第二菲涅尔镜片；

所述第一菲涅尔镜片具有面向光路光阑的第一表面和面向滤光片的第二表面，所述第一表面为菲涅面，所述第二表面为平面，所述第一菲涅尔镜片的反射率和透过率均为50％；

所述第二菲涅尔镜片具有面向光路光阑的第三表面和面向滤光片的第四表面，所述第三表面为平面，所述第四表面为菲涅面，所述第二菲涅尔镜片的透过率为100％。

优选地，所述第一菲涅尔镜片的第二表面与所述第二菲涅尔镜片的第三表面胶合，构成双胶合结构；或者，所述第一菲涅尔镜片和所述第二菲涅尔镜片一体加工成型。

优选地，所述滤光片包括至少两个折叠在一起的偏振片，其中至少有一个偏振片可转动。

优选地，所述图像传感器具体用于对人眼图像进行识别，得到瞳孔口径变化信息和/或眼球转动信息；

在识别到所述瞳孔口径变小，或所述眼球转动频率变大时，调整可转动的偏振片，使所述至少两个偏振片的偏振方向趋近不同，以减少外界环境光的进光量；

在识别到所述瞳孔口径变大，或所述眼球转动频率变小时，调整可转动的偏振片，使所述至少两个偏振片的偏振方向趋近相同，以增大外界环境光的进光量。

优选地，所述发光屏幕为LCOS屏幕或DLP屏幕。

优选地，所述菲涅尔透镜组为亚克力材质。

另一方面，本实用新型还提供了一种头戴显示设备，包括对称的左眼目镜系统和右眼目镜系统，所述左眼目镜系统和右眼目镜系统采用上述技术方案提供的目镜系统。

优选地，所述头戴显示设备为增强现实设备。

本实用新型实施例的有益效果是：1、本实用新型的目镜系统仅由发光屏幕、菲涅尔透镜组、滤光片和图像传感器四种光学元件构成，具有结构简单的优点；2、在设计过程中，通过倾斜设置菲涅尔透镜组，并合理安排发光屏幕、滤光片和图像传感器，使目镜系统结构紧凑、减少目镜系统的体积；3、在设计过程中，通过采用对通光口径限制更小的菲涅尔透镜组替代传统的球面反射镜，以进一步节省设计空间并获得较大的视场角。

基于本使用新型的设计方案能够在满足目镜系统轻量化、小型化、大视场角的要求下，实现具有增强现实功能的目镜系统。

附图说明

图1为本实用新型提供的目镜系统的结构示意图；

图2为本实用新型提供的基于菲涅尔透镜组的光路示意图；

图3为本实用新型提供的具有一个菲涅尔镜片的菲涅尔透镜组的结构示意图；

图4为本实用新型提供的具有两个菲涅尔镜片的菲涅尔透镜组的结构示意图；

图5为本实用新型提供的具有两个偏振偏的滤光片结构示意图；

图6a为图5中两个偏振片的第一状态示意图；

图6b为图5中两个偏振片的第二状态示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

图1为本实施例提供的目镜系统的结构示意图，如图1所示，该目镜系统包括：发光屏幕101、图像传感器103、菲涅尔透镜组102和滤光片104，发光屏幕101相对光路光阑105的中心线平行设置，菲涅尔透镜组102相对发光屏幕倾斜设置，滤光片104相对菲涅尔透镜组102设置在靠近外界环境的一侧，图像传感器103相对菲涅尔透镜组102设置在靠近光路光阑105的一侧；

发光屏幕101，用于发出携带有图像信息的入射光；

菲涅尔透镜组102，用于将发光屏幕101发射的入射光反射至人眼中，同时将人眼的漫反射光反射至图像传感器103中，以及将滤光片104透射过来的外界环境光投射到人眼中；

滤光片104，用于控制外界环境光的进光量；

图像传感器103，用于接收菲涅尔透镜组102反射过来的人眼漫反射光，根据人眼漫反射光生成人眼图像，并对生成的人眼图像进行识别，根据识别结果调整滤光片104的进光量。

可见，图1中的目镜系统包含三个光路：

光路1：光线由发光屏幕发出，经过菲涅尔透镜组，菲涅尔透镜组的有效面将光线以合适的角度反射至人眼中，最终在人眼前形成一个正立、放大的虚像。

光路2：发光屏幕发出的光线照亮了人眼，人眼的漫反射光经过菲涅尔透镜组的非有效面反射后进入图像传感器，图像传感器根据人眼漫反射光生成人眼图像，识别人眼信息。

光路3：外界环境光依次透过滤光片和菲涅尔透镜组后进入人眼。

其中，由于菲涅尔透镜通过将透镜划分出为一系列理论上无数多个同心圆纹路，其表面上呈现出环形的锯齿结构，本实施例将锯齿结构中能够将发光屏幕发出的光线反射至人眼中的一面定义为有效面，能够将人眼的漫反射光反射至图像传感器中的一面定义为非有效面。如图2所述，图2为本实施例提供的基于菲涅尔透镜组的光路示意图，菲涅尔透镜组的锯齿结构的有效面1021将光屏幕发出的光线反射至人眼中，锯齿结构的非有效面1022将人眼的漫反射光反射至图像传感器中。

本实施例提供了一种具有增强现实功能的目镜系统，该目镜系统仅由发光屏幕、菲涅尔透镜组、滤光片和图像传感器四种光学元件构成，具有结构简单的优点；在设计过程中，本实施例一方面，通过倾斜设置菲涅尔透镜组，并合理安排发光屏幕、滤光片和图像传感器，使目镜系统结构紧凑、减少目镜系统的体积；另一方面通过采用对通光口径限制更小的菲涅尔透镜组替代传统的球面反射镜，以进一步节省设计空间并获得较大的视场角，基于本实施例的设计方案能够在保证目镜系统轻量化、小型化、大视场角的情况下，实现具有增强现实功能的目镜系统。

需要说明的是，本实施例中的菲涅尔透镜组可以包括一个菲涅尔镜片，也可以包括两个或者多个菲涅尔镜片；当菲涅尔透镜组只包括一个菲涅尔镜片时，如图3所示，菲涅尔透镜组只包括菲涅尔透镜102’，菲涅尔透镜102’对滤光片透射过来的外界环境光产生屈光现象，影响人眼光看发光屏幕所成的虚像。

本实施例的一个实现方案中，如图4所示，菲涅尔透镜组102包括第一菲涅尔镜片L1和第二菲涅尔镜片L2；

第一菲涅尔镜片L1具有面向光路光阑的第一表面S1和面向滤光片的第二表面S2，第一表面S1为菲涅面，第二表面S2为平面；第二菲涅尔镜片L2具有面向光路光阑的第三表面S3和面向滤光片的第四表面S4，第三表面S3为平面，第四表面S4为菲涅面。

需要说明的是，为实现目镜系统的增强现实功能，要求本实现方案中的第一菲涅尔镜片为半反半透的镜片，第二菲涅尔镜片为高透过率的镜片；优选地，第一菲涅尔镜片L1的反射率和透过率均为50％，第二菲涅尔镜片L2的透过率为100％。

其中，第一菲涅尔镜片L1的第二表面S2与第二菲涅尔镜片L2的第三表面S3胶合，构成双胶合结构；或者，第一菲涅尔镜片L1和第二菲涅尔镜片L2一体加工成型。

在本实施例的另一个实现方案中，滤光片104包括至少两个折叠在一起的偏振片，其中至少有一个偏振片可转动。

图像传感器103对人眼图像进行识别，得到瞳孔口径变化信息和/或眼球转动信息；在识别到瞳孔口径变小，或眼球转动频率变大时，调整可转动的偏振片，使至少两个偏振片的偏振方向趋近不同，以减少外界环境光的进光量；在识别到瞳孔口径变大，或眼球转动频率变小时，调整可转动的偏振片，使至少两个偏振片的偏振方向趋近相同，以增大外界环境光的进光量。

示例地，图5为本实用新型提供的具有两个偏振偏的滤光片结构示意图，如图5所示，滤光片104包括两个折叠在一起的偏振片1041、1042，假设偏振片1042可转动。

图6a为两个偏振片的第一状态示意图，图6b为两个偏振片的第二状态示意图，其中当两个偏振片处于第一状态时，滤光片的进光量最大，当两个偏振片处于第一状态时，滤光片的进光量最小。

具体的，在图像传感器103对人眼图像进行识别时，如果识别到瞳孔口径变小，或眼球转动频率变大，调整可转动的偏振片1042，使两个偏振片的偏振方向趋近不同，即将两个偏振片由第一状态向第二状态调整，以减少外界环境光的进光量；如果识别到瞳孔口径变大，或眼球转动频率变小，调整可转动的偏振片1042，使两个偏振片的偏振方向趋近相同，即将两个偏振片由第二状态向第一状态调整，以增大外界环境光的进光量。

优选地，本实施例的发光屏幕为LCOS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅)屏幕或DLP(Digital Light Processing，数字光处理)屏幕，菲涅尔透镜组为亚克力材质。

实施例二：

基于与实施例一相同的实用新型构思，本实施例提供了一种头戴显示设备，该头戴显示设备，包括对称的左眼目镜系统和右眼目镜系统，左眼目镜系统和右眼目镜系统采用实施例一中的目镜系统。

优选地，该头戴显示设备为增强现实设备。

本实施例通过在头戴设备中设置应用上述左、右眼目镜系统，给使用者更为完美的视觉体验。

综上所述，本实用新型提供了一种目镜系统和头戴显示设备，本实用新型的目镜系统仅由发光屏幕、菲涅尔透镜组、滤光片和图像传感器四种光学元件构成，具有结构简单的优点；在设计过程中，本实用新型一方面通过倾斜设置菲涅尔透镜组，并合理安排发光屏幕、滤光片和图像传感器，使目镜系统结构紧凑、减少目镜系统的体积；另一方面通过采用对通光口径限制更小的菲涅尔透镜组替代传统的球面反射镜，以进一步节省设计空间并获得较大的视场角。基于本使用新型的设计方案能够在满足目镜系统轻量化、小型化、大视场角的要求下，实现具有增强现实功能的目镜系统。

为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。