CN107884159A - 虚拟图像显示设备光电测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学图像测量装置，尤其涉及一种虚拟图像显示设备光电测量装置。包括光电测量仪器、测量支架、运动台、基座及虚拟图像显示设备;以虚拟图像显示设备为前方，其特征在于：所述的光电测量仪器包括成像镜头、光电探测仪和位置调节装置，所述的位置调节装置和成像镜头连接，所述的位置调节装置还和光电探测仪连接。本发明解决了现有的光学测量设备无法或难以测量虚拟图像显示设备光学性能的问题，提供一种能够更加真实地模拟人的眼睛，准确、便捷地测量虚拟图像显示设备光学性能的测量装置。

Description

虚拟图像显示设备光电测量装置

技术领域

本发明涉及一种光学图像测量装置，尤其涉及一种虚拟图像显示设备光电测量装置。

背景技术

现代社会中，虚拟成像的技术发展越来越完善，各种虚拟成像的设备也越来越多，如各种AR、VR的智能穿戴设备，驾驶工具中的HUD设备等等。由于虚拟图像显示设备的应用领域越来越广泛，越来越深入，再加上虚拟图像显示设备的本身特点即其图像接收端往往是人类的双眼，因此对虚拟图像显示设备的各种光学性能的测量越来越重要。

现有的显示图像光学测量装置，如亮度计、成像色度计等，测量方式是在一定的距离上通过成像镜头将测量区域的光信号会聚到光电传感器上从而采集各项指标，通过移动或者转动光学测量装置，测量得到图像不同区域的亮度、色度等光学性能参数。

在虚拟图像显示设备中，需要测量虚拟图像的光学性能，图像上不同区域的光信号从虚拟图像显示设备的出瞳或眼盒中出射，光学测量装置的入瞳必须位于虚拟图像显示设备的出瞳或者眼盒内才能测量虚拟图像的光学性能，某些虚拟图像显示设备的出瞳或者眼盒比较小，当用较大入瞳的仪器进行测量时，会产生错误的读数。传统光学测量装置（如亮度计）的孔径光阑通常位于成像镜头的后方，测量装置的入瞳是该孔径光阑通过该程序镜头所成的像，位于镜头后方，而且是一个虚像，孔径比较大；当测量不同距离的图像时，镜头聚焦移动时，入瞳位置和孔径会随着图像的测量距离而变化，无法与虚拟图像显示设备的出瞳或者眼盒进行匹配测量；要测量虚拟图像上不同区域的光学性能，必须使光学测量设备的光轴绕着虚拟图像显示设备的出瞳或者眼盒中心旋转，对准相应角度方向上的虚拟图像；有时候还要从虚拟图像显示设备的眼盒不同区域测量虚拟图像性能等等。现有的光学测量设备不具备这些功能。

发明内容

本发明的目的主要是解决现有的光学测量设备无法或难以测量虚拟图像显示设备光学性能的问题，提供一种能够更加真实地模拟人的眼睛，准确、便捷地测量虚拟图像显示设备光学性能的测量装置。

本发明主要通过以下技术方案实现：虚拟图像显示设备光电测量装置，包括光电测量仪器、测量支架、运动台、基座及虚拟图像显示设备; 以虚拟图像显示设备为前方，其特征在于：所述的光电测量仪器包括成像镜头、光电探测仪和位置调节装置，所述的位置调节装置和成像镜头连接，所述的位置调节装置还和光电探测仪连接；所述的光电测量仪器还包括入瞳，所述的入瞳中心位于成像镜头的前方的光轴上; 所述的光电测量仪器设置在测量支架上; 所述的测量支架设置在运动台上; 所述的运动台设置在基座上；所述的运动台包括水平轴转动台和垂直轴转动台,且水平轴转动台和垂直轴转动台的两个转动轴的轴线正交，正交点位于光电测量仪器的光轴上，正交点同时还位于虚拟图像显示设备的出瞳或眼盒内；所述的位置调节装置可使光电探测仪沿光轴的轴线方向移动，使虚拟成像设备的虚像经过成像镜头后在光电探测仪的探测面上形成实像；所述的入瞳直径不大于6mm。

位置调节装置用于调节成像镜头和光电探测仪之间的距离，保证虚拟图像显示设备形成的虚拟图像经过成像镜头之后成实像到光电探测仪的光探测面上。水平轴转动台的转动轴线平行于水平面，垂直轴转动台的转动轴线垂直于水平面；测量时，光电测量仪器的运动可以完美模拟人眼球的实际运动，从而更加真实全面地测得各类参数，反映人眼对虚拟图像显示设备所成虚拟图像的视觉感受。同时两个转动轴的轴线的正交点位于光电测量仪器的光轴上，也符合人眼的旋转中心始终位于人眼的光轴上的构造；正交点同时还位于虚拟图像显示设备的出瞳或眼盒内，使得在其它部件固定的情况下，两个转动台无论如何旋转，光电测量仪器的测量角度始终符合人眼佩戴虚拟图像显示设备时的观察角度，提高测得的结果准确度。入瞳可以为一个实际光阑，也可以是通过某些成像镜头所成的实像，其直径不大于6mm，符合人眼在观看AR、VR设备等虚拟图像情况下，瞳孔的直径不大于6mm，更加真实地模拟人眼构造，使得测量所得的数据更加接近人眼实际观察的效果。

作为优选，所述的水平轴转动台和垂直轴转动台的两个转动轴线的正交点与入瞳中心重合。采用这种结构，使得光电测量仪器通过水平轴转动台和垂直轴转动台的旋转，对虚拟图像显示设备产生的虚拟图像上的不同点进行测量时,光电测量仪器的入瞳中心始终位于虚拟图像显示设备的出瞳或眼盒内，准确测得整个虚拟图像上各个位置的光学参数。

作为优选，所述的水平轴转动台和垂直轴转动台的两个转动轴线的正交点还可以位于入瞳中心的后方，且到入瞳中心的距离是13mm-14mm。采用这种结构，光电测量仪器通过水平轴转动台和垂直轴转动台的旋转，其旋转方式更加真实地模拟人眼球的运动方式，即人眼的转动中心位于瞳孔后方13-14mm。从而当分别对虚拟图像显示设备的虚拟图像上的不同点进行测量时,测得的数据与人眼实际使用虚拟图像显示设备时的光学参数更加一致。

作为优选，所述的光电测量仪器的入瞳位于成像镜头的前焦点上，且入瞳光的通光面与成像镜头的光轴垂直。入瞳置于成像镜头之前，可使得入瞳前方的结构简化，在测量一些头戴式虚拟图像显示设备时，光电测量仪器的运动不受限于狭小的测量空间，更准确地将光电测量仪的入瞳置于需要接收光线的特定位置，与虚拟图像显示设备的眼盒进行匹配测量。入瞳设于成像镜头的前焦点上，可以使得光电测量仪器的测量视场角恒定，无论测量图像的远近，光电探测仪的探测面上的任何一个区域、像素始终接收固定视场角的图像光信号，提高测量准确度。

作为优选，所述的虚拟图像显示设备光电测量装置还包括固定支架；所述的固定支架设置在基座上，所述的虚拟图像显示设备设置在固定支架上；所述的水平轴转动台设置在垂直轴转动台的转动轴上; 水平轴转动台的转动轴与测量支架连接。这样设置，测量时光电测量仪器的运动相当于经纬线，使得测量数据与地球的地理经纬线所构成的坐姿一致，而且符合常规习惯的横向方位和上下俯仰的数据表示方法，也符合人眼的运动方式；同时，光电测量仪器通过水平轴转动台或垂直轴转动台的转动，实现不同方向上的虚拟图像光学参数的测量，而且此时虚拟图像显示设备可以始终保持不动，避免一些带有运动感应的虚拟图像显示设备产生的图像变化，保证显示的测试图像稳定，测量可靠、精确。

作为优选，所述的水平轴转动台包括两个相互分离的转动轴架；所述的两个转动轴架与垂直轴转动台的转动轴上的台板连接，且两个转动轴架的转动轴线重合；所述的测量支架包括“U"形支架和中心臂；所述的光电测量仪设置在中心臂上；所述的“U”形支架的两个侧臂分别与两个转动轴架连接，且两侧臂之间的分离距离大于虚拟图像显示设备的最大横向外壳尺寸。这样设置，通过两侧分别设置转动轴架，测量运转平稳；两个侧臂距离足够的“U"形支架，使得在水平方向转动时不会碰上虚拟图像显示设备，而且测量时虚拟图像显示设备可以进入到“U"形开口内，光电测量仪器和虚拟图像显示设备之间的相对位置更加灵活自由，保证测量精度。

作为优选，所述的运动台还包括可上下、左右、前后移动的三轴平移台；所述的三轴平移台的三个平移方向互相垂直，其中前后移动方向与虚拟图像显示设备的实际中心光轴或设计光轴方向平行；横向移动方向处于水平面上；所述的三轴平移台设置在基座上，所述的垂直轴转动台设置在三轴平移台上。这样设置使得在测量开始时，可以通过调节三轴平移台，使得光电测量仪的入瞳和水平转台和垂直转台的轴线相交点位于虚拟图像显示设备的出瞳或眼盒内进行测量；同时，三个轴向上还可以增加锁定、刻度等结构，用于虚拟图像显示设备的出瞳或眼盒尺寸的测量。

作为优选，所述的固定支架包括虚拟图像显示设备连接板和可上下、左右、前后移动的三轴平移架；所述的三轴平移架的三个平移方向互相垂直，其中前后移动方向与虚拟图像显示设备的实际中心光轴或设计光轴方向平行；横向移动方向处于水平面上。这样设置使得测量开始时，可以通过调节三轴平移架，使得光电测量仪的入瞳和水平转台和垂直转台的轴线相交点位于虚拟图像显示设备的出瞳或眼盒内进行测量。

作为优选，所述的光电测量仪还包括位于成像镜头和光电探测仪之间的光学分束器; 所述的光学分束器和光电探测仪连接并可通过调节装置相对成像成像镜头运动；所述的光学分束器上设有反射出光口和透射出光口;所述的光电探测仪还包括图像探测器和单元探测器；所述的图像探测器与反射出光口对应；所述的单元探测器与透射出光口对应。该方案中，单元探测器可以是光谱辐射亮度计、用滤光片精确匹配的光度计或色度计，图像探测器可以是CCD相机或CMOS相机等；因为人眼在视网膜上的感光细胞分布不均匀，使得中心观看区可以精确分辨亮度和颜色，而同时其它区域的感光细胞对大视场又要有一定的感知能力。因此，同时用图像探测器和单元光探测器分别模拟人眼较大视场和中心一个小区域，对测量图像光信号进行测量，测量方便、精度高。通过光学分束器将测量图像分成两部分，共用同一光学成像机构也保证了测量数据的准确。用图像探测器检测图像的二维亮度、色度分布，同时又用单元光探测器测量图像上一个小区域的亮度、光谱或色度参数，模拟人眼中心视觉和旁侧视觉，测量功能更多，且精确。

作为优选，所述的光学分束器的分光面为设有中心通光孔的反射面，所述的图像探测器与反射光路对接，所述的单元光探测器与从中心通光孔透射的光路对接；所述的图像探测器是带光学镜头的二维探测器件；所述的单元光探测器可以由一个聚光镜头和一个带光管的光谱仪组成，所述的单元光探测器还可以是带导光管的光谱仪。许多虚拟图像显示设备产生的图像信号会存在部分偏振光，偏振光束经过一个反射面后，其反射特性与入射光的偏振有关系，从而影响测量精度；光学分束器的分光面采用设有中心通光孔的反射面，使得中心测量光束直接从该通光孔透射，不存在反射状态，提高了测量精度。这里的图像探测器可由一个光学镜头和二维探测器件（如CCD）组成，光学镜头将经过反射的图像成像到二维探测期间的光敏面上。这里的单元光探测器可由一个聚光透镜和带导光管的光谱仪组成；聚光透镜将从中心通光孔透射的光束汇聚到导光管的接收口上。因为透射后的光束是发散光束，所以采用聚光透镜可以更好地将全部测量光信号汇聚到导光管中；入射到导光管的光束经过导光管的混光，使光谱仪接收到均匀的光信号，更加有利于测量。

根据以上方案，本发明的优点是：1.精确地还原了人眼的运动结构，使得测量结果更加准确，测量方式更加便捷；2.需要测量虚拟图像显示设备不同角度或部位的图像时，不需要移动虚拟图像显示设备，保证了图像的稳定性，从而使得测量数据更加精准；3.测量时光电探测仪的接收视场角始终恒定，保证测量数据精确；4.可同时测量多个光学参数，并且多个光学参数符合人眼实际观察的效果，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是运动台的一种结构示意图。

图3是本发明的一种结构示意图。

图4是测量支架的一种结构示意图。

图5是本发明的一种结构示意图。

图6是本发明的一种结构示意图。

图中：1. 光电测量仪器、10.光轴、11.入瞳、12.镜头、13.光电探测仪、131.图像探测器、132.单元探测器、14.位置调节装置、2.测量支架、20.中心臂、 21.“U”形支架、3.运动台、31.水平轴转动台、311. 转动轴架、32.垂直轴转动台、33.三轴平移台、4.基座、5.光学分束器、51.反射出光口、52. 透射出光口、6.虚拟图像显示设备、61.虚拟图像、62.固定支架、621.虚拟图像显示设备连接板、622. 三轴平移架。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：参照图1，测量支架2与水平轴转动台31连接，水平轴转动台31与垂直轴转动台32连接，垂直轴转动台32设置在三轴平移台33上，三轴移动台33设置在基座4上；测量支架2上设有光电测量仪器1；固定支架62设置在基座4上，其中虚拟图像显示设备连接板621和三轴平移架622连接，三轴平移台622和基座4连接；虚拟图像显示设备连接板621上设有虚拟图像显示设备6；虚拟图像显示设备6位于光电测量仪器1的前方；光电测量仪器1中，入瞳11位于镜头12的前焦点上，且其通光面与光轴10垂直；成像镜头12和光电探测仪13都与位置调节装置14连接；工作时，先调节三轴平移台33和三轴平移架622，使得入瞳11到达虚拟图像显示设备6的出瞳或观察眼盒位置；然后通过位置调节装置14调节镜头12与光电探测仪13之间的距离，使得虚拟图像显示设备6产生的虚拟图像61经过入瞳11和镜头12后，在光电探测仪13的探测面上形成实像，保证准确测量各类光学参数。

实施例2：参照图2和图3，运动台3中，垂直轴转动台32设置在三轴平移台33上，水平轴转动台31设置在垂直轴转动台32上，水平轴转动台31还包括两个分离的转动轴架311；光电测量仪器1和测量支架2连接，测量支架2通过两个分离的转动轴架311与水平轴转动台31连接；水平轴转动台31和垂直轴转动台32的转动轴线正交于光电测量仪器1的入瞳11中心。工作时，在光电测量仪器1的入瞳11进入到虚拟图像显示设备6的出瞳后，通过旋转水平轴转动台31和垂直轴转动台32，带动光电测量仪器1相对虚拟图像显示设备6进行旋转，对虚拟图像显示设备6的不同部位和角度进行测量；且此时入瞳11的中心始终不会相对虚拟图像显示设备6产生位移，保证测量数据的准确性。

实施例3：参照图4，测量支架2由“U"形支架21及中心臂20组成，中心臂20与“U"形支架21的底部连接；“U”形支架21的两个侧臂分别与两个转动轴架311连接；“U"型支架两侧臂之间的分离距离大于虚拟图像显示设备6的最大横向外壳尺寸；此时水平转动轴轴线与垂直转动轴轴线正交于入瞳11的后方13mm处。工作时，由于“U”形支架两侧臂之间的开口存在，允许虚拟图像显示设备6尤其是一些AR/VR眼镜外壳进入到两侧臂之间的开口以内，使得即使这些设备的出瞳内凹在其外壳内，入瞳11仍然能够到达并进行准确测量；同时水平转动轴轴线与垂直转动轴轴线正交于入瞳11的后方13mm处，与人眼的旋转中心位于瞳孔后方13mm处附近结构相同，使得旋转时，入瞳11的旋转方式与人眼一致，从而测得的参数更加符合人眼观察时的实际数据。

实施例4：参照图5，相比实施例1，本实施例在成像镜头12和光电探测仪13之间增加了光学分束器5，光学分束器5上设有反射出光口51和透射出光口52；光电探测仪13还包括图像探测器131和单元探测器132；图像探测器131与反射出光口51对应，单元探测器132与透射出光口52对应。工作时，虚拟图像61的光线经过透镜12后，被光学分束器5分为了两路，中心部分透过光学分束器5后被单元探测器132接收，用于测量图像上中心小区域的亮度、光谱或色度等参数；光线周围部分被光学分束器5反射并被图像探测器131接收，用于检测图像的二维亮度、色度分布。这种测量方式模拟人眼在视网膜上的感光细胞分布不均匀，使得中心观看区可以精确分辨亮度和颜色，而同时其它区域的感光细胞对大视场又要有一定的感知能力的特点，使得测得的数据更加符合人眼实际观察时的数据。

实施例5：参照图6，相比实施例4，本实施例中的光学分束器5的分光面为设有中心通光孔的反射面；图像探测器131采用由一个光学镜头和CCD组成；单元光探测器由一个聚光透镜和带导光管的光谱仪组成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。在上述实施例中，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.虚拟图像显示设备光电测量装置，包括光电测量仪器(1)、测量支架(2)、运动台(3)、基座(4)及虚拟图像显示设备(6); 以虚拟图像显示设备(6)为前方，其特征在于：所述的光电测量仪器(1) 包括成像镜头(12)、光电探测仪(13)和位置调节装置(14)，所述的位置调节装置(14)和成像镜头(12)连接，所述的位置调节装置(14)还和光电探测仪(13)连接；所述的光电测量仪器(1)还包括入瞳(11)，所述的入瞳(11)中心位于成像镜头(12)的前方的光轴上; 所述的光电测量仪器(1)设置在测量支架(2)上; 所述的测量支架(2)设置在运动台(3)上; 所述的运动台(3)设置在基座(4)上；所述的运动台(3)包括水平轴转动台(31)和垂直轴转动台(32),且水平轴转动台(31)和垂直轴转动台(32)的两个转动轴的轴线正交，正交点位于光电测量仪器(1)的光轴(10)上，正交点同时还位于虚拟图像显示设备（6）的出瞳或眼盒内；所述的位置调节装置(14)可使光电探测仪(13)沿光轴(10)的轴线方向移动，使虚拟成像设备(6)的虚像经过成像镜头(12)后在光电探测仪(13)的探测面上形成实像；所述的入瞳（11）直径不大于6mm。

2.根据权利要求1所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于所述的水平轴转动台(31)和垂直轴转动台(32)的两个转动轴线的正交点与入瞳(11)中心重合。

3.根据权利要求1所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于所述的水平轴转动台(31)和垂直轴转动台(32)的两个转动轴线的正交点还可以位于入瞳(11)中心的后方，且到入瞳(11)中心的距离是13mm-14mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于所述的光电测量仪器的入瞳（11）位于成像镜头（12）的前焦点上，且入瞳光（11）的通光面与成像镜头（12）的光轴垂直。

5.根据权利要求1或2或3所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于还包括固定支架(62)；所述的固定支架(62)设置在基座(4)上，所述的虚拟图像显示设备(6)设置在固定支架(62)上；所述的水平轴转动台(31)设置在垂直轴转动台(32)的转动轴上; 水平轴转动台(31) 的转动轴与测量支架(2)连接。

6.根据权利要求5所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于所述的水平轴转动台(31)包括两个相互分离的转动轴架(311)；所述的两个转动轴架(311)与垂直轴转动台（32）的转动轴上的台板连接，且两个转动轴架(311)的转动轴线重合；所述的测量支架（2）包括“U"形支架（21）和中心臂（20），所述的中心臂（20）与“U"形支架（21）的底部连接；所述的光电测量仪(1)设置在中心臂（20）上；所述的“U”形支架（21）的两个侧臂分别与两个转动轴架（311）连接，且两侧臂之间的分离距离大于虚拟图像显示设备（6）的最大横向外壳尺寸。

7.根据权利要求6所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于所述的运动台（3）还包括可上下、左右、前后移动的三轴平移台（33）；所述的三轴平移台（33）的三个平移方向互相垂直，其中前后移动方向与虚拟图像显示设备（6）的实际中心光轴或设计光轴方向平行；横向移动方向处于水平面上；所述的三轴平移台（33）设置在基座（4）上，所述的垂直轴转动台（32）设置在三轴平移台（33）上。

8.根据权利要求6所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于固定支架（62）包括虚拟图像显示设备连接板（621）和可上下、左右、前后移动的三轴平移架（622）；所述的三轴平移架（622）的三个平移方向互相垂直，其中前后移动方向与虚拟图像显示设备（6）的实际中心光轴或设计光轴方向平行；横向移动方向处于水平面上。

9.根据权利要求1所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于，所述的光电测量仪(1)还包括位于成像镜头(12)和光电探测仪(13）之间的光学分束器(5); 所述的光学分束器(5)和光电探测仪(13）连接并可通过调节装置（14）相对成像成像镜头(12)运动；所述的光学分束器(5)上设有反射出光口(51)和透射出光口(52);所述的光电探测仪(13）还包括图像探测器(131)和单元探测器(132)；所述的图像探测器(131)与反射出光口(51)对应；所述的单元探测器(132)与透射出光口(52)对应。

10.根据权利要求9所述的虚拟图像显示设备光电测量装置，其特征在于，所述的光学分束器(5)的分光面为设有中心通光孔的反射面，所述的图像探测器(131)与反射光路对接，所述的单元光探测器(132)与从中心通光孔透射的光路对接；所述的图像探测器(131)是带光学镜头的二维探测器件；所述的单元光探测器(132)可以由一个聚光镜头和一个带光管的光谱仪组成，所述的单元光探测器(132)还可以是带导光管的光谱仪。