CN109031688B - 一种光学模组中显示屏的定位方法以及定位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学模组中显示屏的定位方法以及定位装置。所述光学模组中显示屏的定位方法，包括以下步骤；产品的光学镜片和图像接收设备光路同轴设置；提供显示屏并激活显示屏，显示屏显示出图像，图像的光线形成的光路经过光学镜片；图像接收设备实时接收经过光学镜片的光路，得到虚像；计算显示屏的斜度偏差；计算显示屏到光学镜片的距离偏差；计算显示屏的平面位置偏差；根据计算结果校准显示屏的相对位置。本发明的一个技术效果在于，能够检测出显示屏相对光学镜片之间六个自由度的位置偏离量。

Description

一种光学模组中显示屏的定位方法以及定位装置
技术领域
本发明涉及生产检测技术领域，更具体地，本发明涉及一种光学模组中显示屏的定位方法以及定位装置。
背景技术
在AR，VR，手机微投，车载UHD等当前的主要消费类电子产品中，光学模组是其最核心的显示组件，一般是显示屏作为光学模组的成像元件,通过其光学镜片将虚像呈现在人眼中，如果显示屏与其光学镜片之间的相对位置不能满足公差要求，会出现虚像不清晰，边缘虚像距离与中心虚像距离差距较大，虚像显示不对称等等问题，严重制约成像质量及用户体验，因此，保证显示屏与其光学镜片之间精密对准，提高产品的良品率，成为业内亟待解决的技术难题。为了实现显示屏与光学镜片之间的精密对准，必须先定位显示屏相对于光学镜片当前所处的位置。
因此，有必要提供一种光学模组中显示屏的定位方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光学模组中显示屏的定位方法。
根据本发明的一个方面，提供一种光学模组中显示屏的定位方法，包括以下步骤；
产品的光学镜片和图像接收设备光路同轴设置；
提供显示屏并激活显示屏，显示屏显示出图像，图像的光线形成的光路经过光学镜片；
图像接收设备实时接收经过光学镜片的光路，得到虚像；
计算显示屏的斜度偏差：驱动显示屏沿着光路轴线移动，根据虚像各区域清晰度随坐标的变化，计算显示屏的倾斜角和仰俯角；
计算显示屏到光学镜片的距离偏差：驱动显示屏沿着光路轴线移动，根据虚像清晰度峰值的坐标，计算出需要在光路轴线上移动的距离；
计算显示屏的平面位置偏差：图像接收设备的靶面具有十字叉丝，图像中具有参照中心点和参照叉丝线，根据虚线与十字叉丝的位置关系计算平面位移坐标和旋转角度；
根据计算结果校准显示屏的相对位置。
可选地，所述产品的光学镜片和图像接收设备光路同轴设置的具体步骤为：使用产品标准件来标定光学镜片的出光面与图像接收设备的光路同轴，固定图像接收设备与光学镜片的相对位置，或者固定图像接收设备与用于固定光学镜片的载台的相对位置。
可选地，所述计算显示屏的斜度偏差的具体步骤包括：
设定虚像ROI区域，包括位于虚像中央的第一区域，围绕第一区域依次且十字对称设置的第二区域、第三区域、第四区域和第五区域；
显示屏沿着光路轴线移动，记录第二区域、第三区域、第四区域和第五区域的清晰度达到峰值时的轴向坐标，依次对应为Z2、Z3、Z4和Z5；
使用公式k1*|Z2-Z4|和k2*|Z3-Z5|计算显示屏的倾斜角和俯仰角，其中k1和k2是修正系数。
可选地，所述计算显示屏到光学镜片的距离偏差的具体步骤包括：
设定虚像ROI区域，包括位于虚像中央的第一区域；
显示屏沿着光路轴线移动，记录第一区域的清晰度达到峰值时的轴向坐标Z1；
计算当前显示屏的轴向坐标与Z1之间的差值。
可选地，所述计算显示屏的平面位置偏差的具体步骤包括：
标定出虚像的参照中心点和参照叉丝线的位置；
计算参照中心点与靶面上的十字叉丝的中心点之间的平面坐标差值；
计算参照叉丝线与对应的十字叉丝的叉丝线之间的夹角，所述夹角为显示屏的旋转角度。
可选地，所述图像包括第一图像和第二图像，计算显示屏的斜度偏差和显示屏到光学镜片的距离偏差时，显示屏显示第一图像；所述第二图像为十字叉丝，计算显示屏的平面位置偏差时显示第二图像。
可选地，所述图像接收设备的像素值是显示屏的像素值的10倍以上。
可选地，所述光学镜片为单片的菲涅尔镜片、多片的光学系统或胶合的光学棱镜。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种光学模组中显示屏的定位装置，包括第一六轴调整机构、载台、图像接收设备和第二六轴调整机构，所述第一六轴调整机构用于与显示屏连接并能够带动显示屏移动，所述载台用于固定光学镜片，图像接收设备的镜头与所述载台正对，所述第二六轴调整机构与所述图像接收设备连接并能够带动所述图像接收设备移动。
可选地，还包括点屏板，所述点屏板用于与所述显示屏电连接，控制所述显示屏显示图像。
本发明的一个技术效果在于，能够检测出显示屏相对光学镜片之间六个自由度的位置偏离量。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是一些实施例的结构示意图；
图2是本发明的原理示意图；
图3是一些实施例中第一图像示意图；
图4是一些实施例中第二图像示意图；
图5是一些实施例中调整前的虚像示意图；
图6是图5中调整前各位置清晰度沿光路轴线变化曲线；
图7是一些实施例中调整后的虚像示意图；
图8是图7中调整后各位置清晰度沿光路轴线变化曲线；
图中：1显示屏，2光学镜片，3图像接收设备，4第一图像，41第一区域，42第二区域，43第三区域，44第四区域，45第五区域，5第二图像，6第一六轴调整机构，7载台，8第二六轴调整机构，9点屏板。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供的一种光学模组中显示屏的定位方法，在一些实施例中，包括以下步骤；
产品的光学镜片2和图像接收设备3光路同轴设置，确定光学镜片2和图像接收设备3之间的相对位置。所述光学镜片2可以为单片的菲涅尔镜片、多片的光学系统或胶合的光学棱镜等。所述图像接收设备3可以为工业相机，然后可以进一步的配合使用长焦镜头、开到最大光圈来提高检测精度，或者是其他能够接收光线的图像接收设备，本申请对此并不限制。
提供显示屏1并激活显示屏1，使得显示屏1上显示出图像，显示屏1发出的光线形成的光路经过光学镜片2，因为在设置显示屏1时，其与光学镜片2之间的大体位置是确定的，因此显示屏1发出的光线必然是经过光学镜片2的，然后经过光学镜片2折射或/和反射从光学镜片2的出光面射出。
图像接收设备3位于从光学镜片2的出光面射出的光线的光路上，实时接收经过光学镜片2的光路，得到虚像。为了进一步的提高检测精度和效率，可以再增设信息处理设备，例如计算机等设备，来代替人工从得到的虚像中获取所需要的信息。
计算显示屏1的斜度偏差：驱动显示屏1沿着光路轴线移动，根据虚像各区域清晰度随坐标的变化，根据预设的算法，提取所需要的坐标值进行计算，计算出移动后显示屏1的倾斜角和仰俯角。
计算显示屏1到光学镜片2的距离偏差：驱动显示屏1沿着光路轴线移动，找到虚像清晰度峰值的坐标，可以计算得到移动到该坐标，显示屏1需要在光路轴线上移动的距离。
计算显示屏1的平面位置偏差：图像接收设备3的靶面具有十字叉丝，图像中具有参照中心点和参照叉丝线，根据虚线与十字叉丝的位置关系计算平面位移坐标和旋转角度，使得参照中心点和参照叉丝线与靶面上的十字叉丝重合。
根据计算结果校准显示屏1的相对位置，可以是在每一步计算出相应的数据后进行即刻校准，也可以是全部计算出后进行一次性校准。在校准完成后，还可以重复上述计算步骤进行二次校准，以保证校准的精度。计算顺序可以为上述的计算顺序一次完成，也可以不按照上述计算顺序，经过多次重复计算校准也能够进行高精度的定位，因此，本申请对其先后顺序并不限制。定义显示屏1的初始位置为原点，那么校准后的显示屏位置的三维坐标即显示屏1调整前的整体偏差量，从而对显示屏1进行了准确定位。
采用本发明的定位方法，能够检测出显示屏1相对光学镜片2之间六个自由度的位置偏离量。进一步的，根据上述检测结果，再结合自动调整机构可形成闭环定位系统，例如六轴调节平台，实现显示屏1的自动精密调整，达到装配要求，提高良品率。进一步的，使用此方法还能够验证不影响使用的情况下的允许偏差范围，例如通过外部机构固定好装配好且满足使用要求的光学模组中的显示屏1和光学镜片2后，拆除光学模组的外壳和支架即可，进行检测和计算。
在一些实施例中，所述产品的光学镜片2和图像接收设备3光路同轴设置的具体步骤为：使用产品标准件来标定光学镜片2的出光面与图像接收设备3的光路同轴，固定产品标准件，然后通过调整图像接收设备3的相对位置来进行标定，标定过程可以参见上述计算过程；或者是固定产品标准件后，通过在图像接收设备3的镜头前设置反光镜，当光线能全部按原路反射时，就校准好了斜度偏差，然后只计算距离偏差和平面位置偏差即可。产品标准件即光学性能完全符合要求的样件。
在标定好相对位置后，固定图像接收设备3与光学镜片2的相对位置，用于每次只定位显示屏的相对坐标，然后再自动化生产线上输入该坐标信息以及光学镜片的坐标信息完成对应的显示屏的定位和装配；或者固定图像接收设备3与用于固定光学镜片2的载台7的相对位置，每次定位完成后，保持其之间的相对位置，然后将其连接在一起，保证产品的精度，连接方式可以通过粘接等方式将两者直接连接或者通过粘接在支架上间接固定，都是可以的，能够有效的保障产品的精准定位以及良品率。
在一些实施例中，所述计算显示屏1的斜度偏差的具体步骤包括：
设定虚像ROI区域，包括位于虚像中央的第一区域41，围绕第一区域41依次且十字对称设置的第二区域42、第三区域43、第四区域44和第五区域45；
显示屏1沿着光路轴线移动，光路轴线定义为Z轴，初始位置可以定义为原点，记录第二区域42、第三区域43、第四区域44和第五区域45的清晰度达到峰值时的Z轴坐标，依次对应为Z2、Z3、Z4和Z5；
使用公式k1*|Z2-Z4|和k2*|Z3-Z5|计算显示屏1的倾斜角和俯仰角，其中k1和k2是修正系数，针对不同视场处测试图样的不同修正系数，可以标定给出。倾斜角和俯仰角即显示屏1的斜度偏差，即显示屏1的光路轴线与标准件的光路轴线方向之间的偏差。
在一些实施例中，所述计算显示屏1到光学镜片2的距离偏差的具体步骤包括：
设定虚像ROI区域，包括位于虚像中央的第一区域41；
显示屏1沿着光路轴线移动，记录第一区域的清晰度达到峰值时的轴向坐标Z1；
计算当前显示屏1的轴向坐标与Z1之间的差值，即显示屏1到光学镜片2的距离偏差。
在一些实施例中，所述计算显示屏1的平面位置偏差的具体步骤包括：
标定出虚像的参照中心点和参照叉丝线的位置；
计算参照中心点与靶面上的十字叉丝的中心点之间的平面坐标差值，定义为相互垂直的Z轴、X轴和Y轴中的XY平面；
计算参照叉丝线与对应的十字叉丝的叉丝线之间的夹角，所述夹角为显示屏1的旋转角度，即围绕Z轴的旋转角度。本领域技术人员可以理解，前述的倾斜角和俯仰角即需要X轴和Y轴旋转的角度。
在一些实施例中，所述图像包括第一图像4和第二图像5，例如图3和图4中所示的图像。计算显示屏1的斜度偏差和显示屏1到光学镜片2的距离偏差时，显示屏1显示第一图像4；所述第二图像5为十字叉丝，计算显示屏1的平面位置偏差时显示第二图像。
在一些实施例中，所述图像接收设备3的像素值是显示屏1的像素值的10倍以上，能够提高检测精度，保证定位的准确定，减少偏差。
如图5-图8中所示的，可以看出，在进行显示屏调整之前，5个不同位置处达到最大清晰度的Z值不一致，经过显示屏调整之后，5个位置处达到最大清晰度的Z值基本一致；调整前虚像与相机靶面之间既有平面内的旋转也有平面内的偏移，调整后虚像的位置基本与相机靶面叉丝重合，使得本发明能够有效的应用于工业生产检测过程中去。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种光学模组中显示屏的定位装置，在一些实施例中，如图1中所示的，包括第一六轴调整机构6、载台7、图像接收设备3和第二六轴调整机构8。所述第一六轴调整机构用于与显示屏1连接并能够带动显示屏1移动。所述载台7用于固定光学镜片2。所述图像接收设备3的镜头与所述载台7正对，所述第二六轴调整机构与所述图像接收设备3连接并能够带动所述图像接收设备3移动。所述第一六轴调整机构6或/和第二六轴调整机构8为自动六轴调整机构，在一些实施例中，也可以是手动的。所述第一六轴调整机构6或/和第二六轴调整机构8可以为高精度的并联六轴机构。根据图2中所示的原理图，采用本发明的定位装置，能够检测出显示屏1相对光学镜片2之间六个自由度的位置偏离。进一步的，根据上述检测结果，再结合六轴自动调整机构可形成闭环定位系统，实现显示屏1的自动精密调整，达到装配要求，提高良品率。进一步的，使用此方法还能够验证不影响使用的情况下的允许偏差范围，例如通过外部机构固定好装配好且满足使用要求的光学模组中的显示屏1和光学镜片2后，拆除光学模组的外壳和支架即可，进行检测和计算。
在一些实施例中，如图1中所示的，所述定位装置还包括点屏板9，所述点屏板9用于与在设置所述显示屏1后与所述显示屏1电连接，控制所述显示屏1显示图像。所述点屏板9可以是触控屏。
在一些实施例中，所述定位装置还包括处理设备，所述处理设备与第一六轴调整机构6、图像接收设备3，第二六轴调整机构8、点屏板9等电子设备电连接，控制其动作及信息。
本发明的一个具体实施例：
工业相机连接到第二六轴调整机构上，处于光学镜片的出光面处，模拟人眼，之后利用产品标样标定工业相机的相对位置，通过调整第二六轴调整机构使得镜头的进光轴与光学镜片的出光轴重合。
将显示屏与第一六轴调整机构固连，并将显示屏通过FPCB与点屏板连接。
利用点屏板控制显示屏显示第一图像，利用第一六轴调整机构带动显示屏沿图像的光轴平移，并利用相机实时拍摄虚像，分析其中ROI区域第一区域、第二区域、第三区域、第四区域、四五区域4处的清晰度值，找到他们达到最大值时对应的Z轴坐标Z1，Z2，Z3，Z4，Z5。
利用k1*|Z1-Z3|和k2*|Z2-Z4|计算当前显示屏与光学镜片之间的相对倾斜角和俯仰角，然后反馈给第一六轴调整机构进行倾斜和俯仰的对齐；
利用Z1值和显示屏当前Z值得差值，调整显示屏与光学镜片之间的间隔，使得ROI区域第一区域处的清晰度达到最大值。
再利用点屏板控制显示屏显示第二图像，利用相机拍摄图片，通过分析其中十字叉丝线与相机靶面自身叉丝的夹角得到当前显示屏与光学镜片之间的绕Z轴的相对旋转角，通过分析十字叉丝中心点与相机靶面中心的距离得到显示屏相对光学镜片在平面内的二维平移，然后反馈给第一六轴调整机构进行相应的调整。
经过以上步骤，完成显示屏相对光学镜片之间的6自由度调整。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种光学模组中显示屏的定位方法，其特征在于，包括以下步骤；
产品的光学镜片和图像接收设备光路同轴设置；
提供显示屏并激活显示屏，显示屏显示出图像，图像的光线形成的光路经过光学镜片；
图像接收设备实时接收经过光学镜片的光路，得到虚像；
计算显示屏的斜度偏差：驱动显示屏沿着光路轴线移动，根据虚像各区域清晰度随坐标的变化，计算显示屏的倾斜角和仰俯角；
计算显示屏到光学镜片的距离偏差：驱动显示屏沿着光路轴线移动，根据虚像清晰度峰值的坐标，计算出需要在光路轴线上移动的距离；
计算显示屏的平面位置偏差：图像接收设备的靶面具有十字叉丝，图像中具有参照中心点和参照叉丝线，根据虚线与十字叉丝的位置关系计算平面位移坐标和旋转角度；
根据计算结果校准显示屏的相对位置。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述产品的光学镜片和图像接收设备光路同轴设置的具体步骤为：使用产品标准件来标定光学镜片的出光面与图像接收设备的光路同轴，固定图像接收设备与光学镜片的相对位置，或者固定图像接收设备与用于固定光学镜片的载台的相对位置。
3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述计算显示屏的斜度偏差的具体步骤包括：
设定虚像ROI区域，包括位于虚像中央的第一区域，围绕第一区域依次且十字对称设置的第二区域、第三区域、第四区域和第五区域；
显示屏沿着光路轴线移动，记录第二区域、第三区域、第四区域和第五区域的清晰度达到峰值时的轴向坐标，依次对应为Z2、Z3、Z4和Z5；
使用公式k1*|Z2-Z4|和k2*|Z3-Z5|计算显示屏的倾斜角和俯仰角，其中k1和k2是修正系数。
4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述计算显示屏到光学镜片的距离偏差的具体步骤包括：
设定虚像ROI区域，包括位于虚像中央的第一区域；
显示屏沿着光路轴线移动，记录第一区域的清晰度达到峰值时的轴向坐标Z1；
计算当前显示屏的轴向坐标与Z1之间的差值。
5.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述计算显示屏的平面位置偏差的具体步骤包括：
标定出虚像的参照中心点和参照叉丝线的位置；
计算参照中心点与靶面上的十字叉丝的中心点之间的平面坐标差值；
计算参照叉丝线与对应的十字叉丝的叉丝线之间的夹角，所述夹角为显示屏的旋转角度。
6.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述图像包括第一图像和第二图像，计算显示屏的斜度偏差和显示屏到光学镜片的距离偏差时，显示屏显示第一图像；所述第二图像为十字叉丝，计算显示屏的平面位置偏差时显示第二图像。
7.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述图像接收设备的像素值是显示屏的像素值的10倍以上。
8.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述光学镜片为单片的菲涅尔镜片、多片的光学系统或胶合的光学棱镜。
9.一种光学模组中显示屏的定位装置，其特征在于，所述定位装置实现权利要求1-8任意一项所述的光学模组中显示屏的定位方法；所述定位装置包括第一六轴调整机构、载台、图像接收设备和第二六轴调整机构，所述第一六轴调整机构用于与显示屏连接并能够带动显示屏移动，所述载台用于固定光学镜片，图像接收设备的镜头与所述载台正对，所述第二六轴调整机构与所述图像接收设备连接并能够带动所述图像接收设备移动。
10.根据权利要求9所述的定位装置，其特征在于，还包括点屏板，所述点屏板用于与所述显示屏电连接，控制所述显示屏显示图像。
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