一種目鏡系統和頭戴顯示設備的制作方法

本實用新型涉及光學技術領域，特別涉及一種目鏡系統和頭戴顯示設備。

背景技術：

目前，隨著科技的不斷發展，頭戴顯示器進入民用市場，越來越多的人開始使用此類產品，通過頭戴顯示器中的目鏡系統享受浸入式的視覺體驗。但是，在目前市面上的頭戴顯示器的目鏡系統設計方案中，人眼僅能觀看到顯示屏發出的光經光學系統后形成的像，功能較為單一。

技術實現要素：

鑒于上述問題，本實用新型提供了一種目鏡系統和頭戴顯示設備，以解決現有目鏡系統功能單一的問題。

為達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的：

一方面，本實用新型提供了一種目鏡系統，該目鏡系統包括：發光屏幕、圖像傳感器、菲涅爾透鏡組和濾光片，所述發光屏幕相對光路光闌的中心線平行設置，所述菲涅爾透鏡組相對所述發光屏幕傾斜設置，相對所述菲涅爾透鏡組所述濾光片設置在靠近外界環境的一側，而所述圖像傳感器設置在靠近光路光闌的一側；

所述發光屏幕，用于發出攜帶有圖像信息的入射光；

所述菲涅爾透鏡組，用于將所述發光屏幕發射的入射光反射至人眼中，同時將人眼的漫反射光反射至圖像傳感器中，以及將濾光片透射過來的外界環境光投射到人眼中；

所述濾光片，用于控制外界環境光的進光量；

所述圖像傳感器，用于接收所述菲涅爾透鏡組反射過來的人眼漫反射光，根據人眼漫反射光生成人眼圖像，并對生成的人眼圖像進行識別，根據識別結果調整所述濾光片的進光量。

優選地，所述菲涅爾透鏡組包括第一菲涅爾鏡片和第二菲涅爾鏡片；

所述第一菲涅爾鏡片具有面向光路光闌的第一表面和面向濾光片的第二表面，所述第一表面為菲涅面，所述第二表面為平面，所述第一菲涅爾鏡片的反射率和透過率均為50％；

所述第二菲涅爾鏡片具有面向光路光闌的第三表面和面向濾光片的第四表面，所述第三表面為平面，所述第四表面為菲涅面，所述第二菲涅爾鏡片的透過率為100％。

優選地，所述第一菲涅爾鏡片的第二表面與所述第二菲涅爾鏡片的第三表面膠合，構成雙膠合結構；或者，所述第一菲涅爾鏡片和所述第二菲涅爾鏡片一體加工成型。

優選地，所述濾光片包括至少兩個折疊在一起的偏振片，其中至少有一個偏振片可轉動。

優選地，所述圖像傳感器具體用于對人眼圖像進行識別，得到瞳孔口徑變化信息和/或眼球轉動信息；

在識別到所述瞳孔口徑變小，或所述眼球轉動頻率變大時，調整可轉動的偏振片，使所述至少兩個偏振片的偏振方向趨近不同，以減少外界環境光的進光量；

在識別到所述瞳孔口徑變大，或所述眼球轉動頻率變小時，調整可轉動的偏振片，使所述至少兩個偏振片的偏振方向趨近相同，以增大外界環境光的進光量。

優選地，所述發光屏幕為LCOS屏幕或DLP屏幕。

優選地，所述菲涅爾透鏡組為亞克力材質。

另一方面，本實用新型還提供了一種頭戴顯示設備，包括對稱的左眼目鏡系統和右眼目鏡系統，所述左眼目鏡系統和右眼目鏡系統采用上述技術方案提供的目鏡系統。

優選地，所述頭戴顯示設備為增強現實設備。

本實用新型實施例的有益效果是：1、本實用新型的目鏡系統僅由發光屏幕、菲涅爾透鏡組、濾光片和圖像傳感器四種光學元件構成，具有結構簡單的優點；2、在設計過程中，通過傾斜設置菲涅爾透鏡組，并合理安排發光屏幕、濾光片和圖像傳感器，使目鏡系統結構緊湊、減少目鏡系統的體積；3、在設計過程中，通過采用對通光口徑限制更小的菲涅爾透鏡組替代傳統的球面反射鏡，以進一步節省設計空間并獲得較大的視場角。

基于本使用新型的設計方案能夠在滿足目鏡系統輕量化、小型化、大視場角的要求下，實現具有增強現實功能的目鏡系統。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的目鏡系統的結構示意圖；

圖2為本實用新型提供的基于菲涅爾透鏡組的光路示意圖；

圖3為本實用新型提供的具有一個菲涅爾鏡片的菲涅爾透鏡組的結構示意圖；

圖4為本實用新型提供的具有兩個菲涅爾鏡片的菲涅爾透鏡組的結構示意圖；

圖5為本實用新型提供的具有兩個偏振偏的濾光片結構示意圖；

圖6a為圖5中兩個偏振片的第一狀態示意圖；

圖6b為圖5中兩個偏振片的第二狀態示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型實施方式作進一步地詳細描述。

實施例一：

圖1為本實施例提供的目鏡系統的結構示意圖，如圖1所示，該目鏡系統包括：發光屏幕101、圖像傳感器103、菲涅爾透鏡組102和濾光片104，發光屏幕101相對光路光闌105的中心線平行設置，菲涅爾透鏡組102相對發光屏幕傾斜設置，濾光片104相對菲涅爾透鏡組102設置在靠近外界環境的一側，圖像傳感器103相對菲涅爾透鏡組102設置在靠近光路光闌105的一側；

發光屏幕101，用于發出攜帶有圖像信息的入射光；

菲涅爾透鏡組102，用于將發光屏幕101發射的入射光反射至人眼中，同時將人眼的漫反射光反射至圖像傳感器103中，以及將濾光片104透射過來的外界環境光投射到人眼中；

濾光片104，用于控制外界環境光的進光量；

圖像傳感器103，用于接收菲涅爾透鏡組102反射過來的人眼漫反射光，根據人眼漫反射光生成人眼圖像，并對生成的人眼圖像進行識別，根據識別結果調整濾光片104的進光量。

可見，圖1中的目鏡系統包含三個光路：

光路1：光線由發光屏幕發出，經過菲涅爾透鏡組，菲涅爾透鏡組的有效面將光線以合適的角度反射至人眼中，最終在人眼前形成一個正立、放大的虛像。

光路2：發光屏幕發出的光線照亮了人眼，人眼的漫反射光經過菲涅爾透鏡組的非有效面反射后進入圖像傳感器，圖像傳感器根據人眼漫反射光生成人眼圖像，識別人眼信息。

光路3：外界環境光依次透過濾光片和菲涅爾透鏡組后進入人眼。

其中，由于菲涅爾透鏡通過將透鏡劃分出為一系列理論上無數多個同心圓紋路，其表面上呈現出環形的鋸齒結構，本實施例將鋸齒結構中能夠將發光屏幕發出的光線反射至人眼中的一面定義為有效面，能夠將人眼的漫反射光反射至圖像傳感器中的一面定義為非有效面。如圖2所述，圖2為本實施例提供的基于菲涅爾透鏡組的光路示意圖，菲涅爾透鏡組的鋸齒結構的有效面1021將光屏幕發出的光線反射至人眼中，鋸齒結構的非有效面1022將人眼的漫反射光反射至圖像傳感器中。

本實施例提供了一種具有增強現實功能的目鏡系統，該目鏡系統僅由發光屏幕、菲涅爾透鏡組、濾光片和圖像傳感器四種光學元件構成，具有結構簡單的優點；在設計過程中，本實施例一方面，通過傾斜設置菲涅爾透鏡組，并合理安排發光屏幕、濾光片和圖像傳感器，使目鏡系統結構緊湊、減少目鏡系統的體積；另一方面通過采用對通光口徑限制更小的菲涅爾透鏡組替代傳統的球面反射鏡，以進一步節省設計空間并獲得較大的視場角，基于本實施例的設計方案能夠在保證目鏡系統輕量化、小型化、大視場角的情況下，實現具有增強現實功能的目鏡系統。

需要說明的是，本實施例中的菲涅爾透鏡組可以包括一個菲涅爾鏡片，也可以包括兩個或者多個菲涅爾鏡片；當菲涅爾透鏡組只包括一個菲涅爾鏡片時，如圖3所示，菲涅爾透鏡組只包括菲涅爾透鏡102’，菲涅爾透鏡102’對濾光片透射過來的外界環境光產生屈光現象，影響人眼光看發光屏幕所成的虛像。

本實施例的一個實現方案中，如圖4所示，菲涅爾透鏡組102包括第一菲涅爾鏡片L1和第二菲涅爾鏡片L2；

第一菲涅爾鏡片L1具有面向光路光闌的第一表面S1和面向濾光片的第二表面S2，第一表面S1為菲涅面，第二表面S2為平面；第二菲涅爾鏡片L2具有面向光路光闌的第三表面S3和面向濾光片的第四表面S4，第三表面S3為平面，第四表面S4為菲涅面。

需要說明的是，為實現目鏡系統的增強現實功能，要求本實現方案中的第一菲涅爾鏡片為半反半透的鏡片，第二菲涅爾鏡片為高透過率的鏡片；優選地，第一菲涅爾鏡片L1的反射率和透過率均為50％，第二菲涅爾鏡片L2的透過率為100％。

其中，第一菲涅爾鏡片L1的第二表面S2與第二菲涅爾鏡片L2的第三表面S3膠合，構成雙膠合結構；或者，第一菲涅爾鏡片L1和第二菲涅爾鏡片L2一體加工成型。

在本實施例的另一個實現方案中，濾光片104包括至少兩個折疊在一起的偏振片，其中至少有一個偏振片可轉動。

圖像傳感器103對人眼圖像進行識別，得到瞳孔口徑變化信息和/或眼球轉動信息；在識別到瞳孔口徑變小，或眼球轉動頻率變大時，調整可轉動的偏振片，使至少兩個偏振片的偏振方向趨近不同，以減少外界環境光的進光量；在識別到瞳孔口徑變大，或眼球轉動頻率變小時，調整可轉動的偏振片，使至少兩個偏振片的偏振方向趨近相同，以增大外界環境光的進光量。

示例地，圖5為本實用新型提供的具有兩個偏振偏的濾光片結構示意圖，如圖5所示，濾光片104包括兩個折疊在一起的偏振片1041、1042，假設偏振片1042可轉動。

圖6a為兩個偏振片的第一狀態示意圖，圖6b為兩個偏振片的第二狀態示意圖，其中當兩個偏振片處于第一狀態時，濾光片的進光量最大，當兩個偏振片處于第一狀態時，濾光片的進光量最小。

具體的，在圖像傳感器103對人眼圖像進行識別時，如果識別到瞳孔口徑變小，或眼球轉動頻率變大，調整可轉動的偏振片1042，使兩個偏振片的偏振方向趨近不同，即將兩個偏振片由第一狀態向第二狀態調整，以減少外界環境光的進光量；如果識別到瞳孔口徑變大，或眼球轉動頻率變小，調整可轉動的偏振片1042，使兩個偏振片的偏振方向趨近相同，即將兩個偏振片由第二狀態向第一狀態調整，以增大外界環境光的進光量。

優選地，本實施例的發光屏幕為LCOS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅)屏幕或DLP(Digital Light Processing，數字光處理)屏幕，菲涅爾透鏡組為亞克力材質。

實施例二：

基于與實施例一相同的實用新型構思，本實施例提供了一種頭戴顯示設備，該頭戴顯示設備，包括對稱的左眼目鏡系統和右眼目鏡系統，左眼目鏡系統和右眼目鏡系統采用實施例一中的目鏡系統。

優選地，該頭戴顯示設備為增強現實設備。

本實施例通過在頭戴設備中設置應用上述左、右眼目鏡系統，給使用者更為完美的視覺體驗。

綜上所述，本實用新型提供了一種目鏡系統和頭戴顯示設備，本實用新型的目鏡系統僅由發光屏幕、菲涅爾透鏡組、濾光片和圖像傳感器四種光學元件構成，具有結構簡單的優點；在設計過程中，本實用新型一方面通過傾斜設置菲涅爾透鏡組，并合理安排發光屏幕、濾光片和圖像傳感器，使目鏡系統結構緊湊、減少目鏡系統的體積；另一方面通過采用對通光口徑限制更小的菲涅爾透鏡組替代傳統的球面反射鏡，以進一步節省設計空間并獲得較大的視場角。基于本使用新型的設計方案能夠在滿足目鏡系統輕量化、小型化、大視場角的要求下，實現具有增強現實功能的目鏡系統。

為了便于清楚描述本實用新型實施例的技術方案，在實用新型的實施例中，采用了“第一”、“第二”等字樣對功能和作用基本相同的相同項或相似項進行區分，本領域技術人員可以理解“第一”、“第二”等字樣并不對數量和執行次序進行限定。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的保護范圍。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護范圍內。