CN111795800B - 一种视觉散斑对比度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视觉散斑对比度测量装置及方法，该装置包括依次布置在光轴上的孔径光阑、成像镜头、光电图像传感器以及数据处理器，所述光电图像传感器前设置有平面光学滤光器，所述平面光学滤光器的中心法线与光电图像传感器的光敏面垂直；所述成像镜头的光谱透射比、光电图像传感器的光谱响应以及平面光学滤波器的光谱透射比，三者结合后的相对光谱响应与人眼的光谱光视效率函数一致，符合人眼对不同波长的灵敏度特性；所述数据处理器与光电图像传感器相连，用于接收来自光电图像传感器各个像素亮度信号，根据视觉散斑对比度公式计算获得视觉散斑对比度。

Description

一种视觉散斑对比度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，尤其涉及一种视觉散斑对比度测量装置及方法。

背景技术

激光显示散斑是激光光束经屏幕反射后，通过人眼成像在视网膜，主要是在中央凹上形成强度起伏的散粒状分布图像，这样会引起人眼观看激光显示图像的不舒适，长期观看有损于视觉健康。因此需要采用模拟类似人眼特性的光学测量装置来测量激光显示散斑。

传统测量方法是，激光显示设备发出的光束经过窄带滤色片滤光后，单一波长的激光照射在投影屏幕上，屏幕的反射光通过光阑，由成像透镜成像在CCD相机的光电传感器上。光电图像传感器上的每一个像素单元分别接收屏幕上反射光在该像面上形成的散斑点光强度信号，并转换成电信号，由计算机接收并进行数据处理分析。

激光显示散斑大小，通常采用散斑对比度C来表示，即：

其中：σ_I是由CCD相机采集图像像素的强度信号起伏的标准偏差；I₀是CCD相机采集图像像素的平均强度信号。

现有技术没有考虑人眼视网膜中央凹感光细胞分布对散斑点图形的真实感知关系。人眼对激光显示散斑的感知，主要是视网膜中凹的2度至5度视角范围内的锥体细胞；锥体细胞在中凹分布是极不均匀，呈尖峰状分布，中心的锥体细胞密度最高。而常规CCD相机光电面的像素是均匀规则排列，与人眼视网膜差距极大；其结果在于当用CCD相机模拟人眼测量时在中心区CCD相机的像素密度过低；离开中心区外围的像素密度相对于视网膜又太低。此外，现有技术按照上述公式，各个像素信号都是等权重来计算散斑对比度，与人眼真实感知差距大。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种视觉散斑对比度测量装置及方法，以解决现有散斑对比度与人眼真实感知差距大的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

本发明实施提供一种视觉散斑对比度测量装置，包括数据处理器以及依次布置在光轴上的孔径光阑、成像镜头和光电图像传感器，所述光电图像传感器前设置有平面光学滤光器，所述平面光学滤光器的中心法线与光电图像传感器的光敏面垂直；所述成像镜头的光谱透射比、光电图像传感器的光谱响应以及平面光学滤波器的光谱透射比，三者结合后的相对光谱响应与人眼的光谱光视效率函数一致；所述数据处理器与光电图像传感器相连，用于接收来自光电图像传感器各个像素亮度信号，视觉散斑对比度根据下列公式进行计算：

其中，σ_L是光电图像传感器上散斑图像的视场范围内各个图像单元亮度起伏的标准偏差，L是视场范围上的平均亮度，图像单元亮度由光电图像传感器的像素亮度计算得到。

进一步地，所述平面光学滤光器是由多个平面光学材料叠合而成，每一种平面光学材料的厚度不小于测量激光波长的20倍。

进一步地，所述孔径光阑位于成像镜头前方焦点上；所述成像镜头的焦距f与光电图像传感器的像素间距d有关联，其中(21600/π)·d＜f＜(D/θ)，D是光电图像传感器的短边尺寸，θ是测量的散斑图像视场范围。

进一步地，一种视觉散斑对比度测量装置，还包括有视野亮度探测器，所述孔径光阑4通光孔径根据视野亮度探测器检测到的前方人眼视野的光亮度而变化。

进一步地，所述视野亮度探测器包括有限制光阑和光度探测器，所述光度探测器可以在运动装置驱动下置成像镜头的光轴上，接收从限制光阑入射的来自测量屏幕方向的视野光；所述视野亮度探测器接收光的中心方向与成像镜头的光轴一致；所述限制光阑与光度探测器构成视野亮度探测器接收光的立体角大于由孔径光阑、成像镜头及光电图像传感器所构成的测量散斑图像的立体角。

进一步地，一种视觉散斑对比度测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤S101，获取光电图像传感器采集的图像像素亮度信号；

步骤S102，提取所述图像中心区域的一部分，作为计算视觉散斑对比度的视场范围；

步骤S103，将所述视场范围从视场中心到外围按不等面积分区，分成一系列的视场微分区7-2，其中接近视场中心的视场微分区小、远离视场中心的视场微分区大，视场微分区包含至少一个以上的像素区域；

步骤S104，计算光电图像传感器每个图像单元亮度，所述图像单元亮度由所述视场微分区中涉及到的像素单元的像素亮度信号计算得到；

步骤S105，计算视觉散斑对比度C_s，公式如下：

其中，σ_L是视场范围内各个图像单元亮度起伏的标准偏差，L是视场范围上的平均亮度。

进一步地，所述步骤S103，具体为：

将所述视场范围按同心圆环在径向进行不等面积分区，分成一系列不等宽的圆环，再对圆环在圆周方向进行等比例分割成一系列视场微分区，其中接近视场中心的视场微分区小、远离视场中心的视场微分区大，每个视场微分区上涉及到的像素亮度信号用来计算图像单元亮度。

进一步地，所述视场范围是光电图像传感器测量图像中间区域的一个圆形区，为人眼视网膜中央凹的视角范围，为2度至5度。

进一步地，所述光电图像传感器视场范围不等面积分区方式，按照人眼视网膜中央凹的锥体感光细胞密度分布进行分割；视场范围中心是一个圆形的视场微分区，对应的视场角为1/60度至1/120度(平面角)；离开中心区域的视场微分区在径向进行不等面积分区，在各圆环的圆周方向按照接近于对应圆环的宽度进行分割；图像单元亮度由对应视场微分区上涉及到的像素亮度信号的累加平均来计算。

进一步地，所述步骤S103，具体为：

将所述视场范围从中心至外围按照近似六棱形进行分割，分割成一系列近似六棱形的视场微分区；近似六棱形的视场微分区面积，按照人眼视网膜中央凹的锥体感光细胞密度的倒数一致；进一步地，视场范围中心是一个棱形的视场微分区，对应的视场角为1/60度至1/120度(平面角)；离开中心区域的视场微分区对应的视场角逐渐变大；图像单元亮度由对应视场微分区涉及到的像素亮度信号的累加平均来计算。

有益效果是：将平面光学滤光器、成像镜头及光电图像传感器的光谱响应结合后的相对光谱响应函数，与人眼光谱光视效率函数一致，光电图像传感器各个像素上测得是亮度信号，最终得到的是亮度散斑对比度，符合实际人眼特性，亮度散斑对比度的计算采用符合人眼视网膜中央凹感光细胞分布的方式，对光电图像传感器像素亮度信号进行分区计算使检测结果更符合人眼观看结果；可变光阑位于镜头前焦点，可以实现不同距离上的散斑检测时，光电图像传感器的像素单元始终接收对应视场角方向上的光信号，测量视场角恒定，与人眼一致；同时，来自任何方向的测量光束均以相同的接收立体角、垂直地入射在光电图像采集器的光敏面对应的像素上，精度高。总之，使激光显示散斑测量精度高、与人眼实际观看效果一致、使用灵活、操作方便、结构紧凑、应用面广。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种视觉散斑对比度测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中人眼视觉光谱光视效率函数曲线示意图；

图3是本发明实施例中镜头焦距与光电图像传感器像素间距的关系示意图；

图4是本发明实施例中人眼锥体感光细胞以中央为中心不同视觉区域的分辨力示意图；

图5是本发明实施例中光电图像传感器散斑图像的视场范围的微分区示意图；

其中：1-测量屏幕；2-限制光阑；3-光度探测器；4-孔径光阑；5-成像镜头；6-平面光学滤光器；7-光电图像传感器；7-1视场范围，7-2视场微分区；8-视野亮度探测器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1，本发明实施例提供一种视觉散斑对比度测量装置，包括数据处理器以及依次布置在光轴上的孔径光阑4、成像镜头5以及光电图像传感器7，所述光电图像传感器7前设置有平面光学滤光器6，所述平面光学滤光器6的中心法线与光电图像传感器7的光敏面垂直；所述成像镜头5的光谱透射比、光电图像传感器7的光谱响应以及平面光学滤波器6的光谱透射比，三者结合后的相对光谱响应与人眼的光谱光视效率函数一致，人眼光谱光视效率函数如图2所示。所述数据处理器与光电图像传感器7相连，用于接收来自光电图像传感器7各个像素亮度信号，视觉散斑对比度根据下列公式进行计算：

其中，σ_L是光电图像传感器7上散斑图像的视场范围7-1内各个图像单元亮度起伏的标准偏差，L是视场范围7-1上的平均亮度，图像单元亮度由光电图像传感器7的像素亮度计算得到。

本实施例中，所述平面光学滤光器6是由多个平面光学材料叠合而成，每一种平面光学材料的厚度不小于测量激光波长的20倍。进一步地，所述平面光学滤光器6由几种不同规格的有色光学玻璃，采用光学透明树脂胶合而成，防止激光光束透过平面光学滤光器6时产生干涉效应。

本实施例中，所述孔径光阑1位于成像镜头2前方焦点上；所述成像镜头5的焦距f与光电图像传感器7的像素间距d有关联，其中(21600/π)·d＜f＜(D/θ)，D是光电图像传感器7的短边尺寸，θ是测量的散斑图像视场范围。

θ指光电图像传感器测量图像(总视场)中的全部或一部分。

结合图3，光电图像传感器测量图像的分辨力：r＝d/f，其中d为光电图像传感器7像素间距，f为镜头8焦距，r为光电图像传感器7测量图像的分辨视场角(弧度)，为使得光电图像传感器7测量图像的分辨力大于人眼的最高空间分辨率1/120度(平面角)，焦距f大于(21600/π)·d，并且小于D/θ。

本实施例中，一种视觉散斑对比度测量装置还包括有视野亮度探测器8，所述孔径光阑4的通光孔径根据视野亮度探测器8检测到的前方人眼视野的光亮度而变化，当视野光亮度变强，光阑孔径变小；反之，光阑孔径变大。实现了模拟人眼随外界环境光的变化而进行瞳孔大小调节的特性。

具体地，视野亮度探测器8包括有限制光阑2和光度探测器3；所述光度探测器3可以在运动装置驱动下置成像镜头2的光轴上，接收从限制光阑2入射的来自测量屏幕1方向的视野光；所述视野亮度探测器(8)接收光的中心方向与成像镜头5的光轴一致；所述限制光阑2与光度探测器3构成视野亮度探测器8接收光的立体角大于由孔径光阑4、成像镜头5及光电图像传感器7所构成的测量散斑图像的立体角本实施例还提供一种视觉散斑对比度测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤S101，获取光电图像传感器7采集的图像像素亮度信号；

步骤S102，提取所述图像中心区域的一部分，作为视觉散斑对比度的视场范围7-1，如图5所示；

步骤S103，将所述视场范围7-1从视场中心到外围按不等面积分区，分成一系列的视场微分区7-2，其中接近视场中心的视场微分区7-2小、远离视场中心的视场微分区7-2大，视场微分区7-2包含至少一个以上的像素区域，如图5所示；

步骤S104，计算光电图像传感器7每个图像单元亮度，所述图像单元亮度由所述视场微分区7-2中涉及到的像素单元的像素亮度信号计算得到；

步骤S105，计算视觉散斑对比度C_s，公式如下：

其中，σ_L是视场范围7-1内各个图像单元亮度起伏的标准偏差，L是视场范围7-1上的平均亮度。

本实施例中，所述步骤S103，具体为：结合图5，将所述视场范围7-1按同心圆环在径向进行不等面积分区，分成一系列不等宽的圆环，再对圆环在圆周方向进行等比例分割成一系列的视场微分区7-2，其中接近视场中心的视场微分区7-2小、远离视场中心的视场微分区7-2大，每个视场微分区7-2上涉及到的像素亮度信号用来计算图像单元亮度。

所述视场范围7-1是光电图像传感器7测量图像中间区域的一个圆形区，为人眼视网膜中央凹的视角范围，为2度至5度。

本实施例中，所述光电图像传感器7视场范围7-1不等面积分区方式，按照人眼视网膜中央凹的锥体感光细胞密度分布进行分割；视场范围7-1中心是一个圆形视场微分区7-2，对应的视场角为1/60度至1/120度(平面角)；离开中心区域的视场微分区7-2在径向进行不等面积分区，在各圆环的圆周方向按照接近于对应圆环的宽度进行分割；图像单元亮度由对应视场微分区7-2上涉及到的像素亮度信号的累加平均来计算。

结合图4，人眼视网膜上感光细胞分布是不均匀的，人眼对散斑的视觉感知仅在中央凹的视角小范围的锥体细胞，以中央凹为中心，人眼的锥体细胞密度分布曲线呈尖峰状，人眼在中央凹中心区域的空间分辨率达到1/120度(平面角)，而在中心区两侧急剧下降。

本实施例中，更进一步地，所述步骤S103，具体为：将所述视场范围7-1从中心至外围按照近似六棱形进行分割,分割成一系列近似六棱形的视场微分区7-2；近似六棱形的视场微分区7-2面积,按照人眼视网膜中央凹的锥体感光细胞密度的倒数一致；进一步的，视场范围7-1中心是一个棱形视场微分区7-2,对应的视场角为1/60度至1/120度(平面角)；离开中心区域的视场微分区7-2对应的视场角逐渐变大；图像单元亮度由对应视场微分区7-2上涉及到的像素亮度信号的累加平均来计算。按照近似六棱形分割，更符合人眼视网膜感光细胞形状特征。

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，对于本领域的技术人员来说，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 (8)

1.一种视觉散斑对比度测量装置，其特征在于，包括数据处理器以及依次布置在光轴上的孔径光阑(4)、成像镜头(5)和光电图像传感器(7)，所述光电图像传感器(7)前设置有平面光学滤光器(6)，所述平面光学滤光器(6)的中心法线与光电图像传感器(7)的光敏面垂直；所述成像镜头(5)的光谱透射比、光电图像传感器(7)的光谱响应以及平面光学滤光器(6)的光谱透射比，三者结合后的相对光谱响应与人眼的光谱光视效率函数一致；所述数据处理器与光电图像传感器(7)相连，用于接收来自光电图像传感器(7)各个像素亮度信号，视觉散斑对比度根据下列公式进行计算：

其中，σ_L是光电图像传感器(7)上散斑图像的视场范围(7-1)内各个图像单元亮度起伏的标准偏差，L是视场范围(7-1)上的平均亮度，图像单元亮度由光电图像传感器(7)的像素亮度计算得到；

其中，所述平面光学滤光器(6)是由几种不同规格的有色光学玻璃，采用光学透明树脂胶合而成，每一种平面光学材料的厚度不小于测量激光波长的20倍；

所述孔径光阑(4)位于成像镜头(5)前方焦点上；所述成像镜头(5)的焦距f与光电图像传感器(7)的像素间距d有关联，其中(21600/π)·d＜f＜(D/θ)，D是光电图像传感器(7)的短边尺寸，θ是测量的散斑图像视场范围(7-1)。

2.根据权利要求1所述的一种视觉散斑对比度测量装置，其特征在于，还包括有视野亮度探测器(8)，所述孔径光阑(4)的通光孔径根据视野亮度探测器(8)检测到的前方视野的光亮度而变化。

3.根据权利要求2所述的一种视觉散斑对比度测量装置，其特征在于，所述视野亮度探测器(8)包括有限制光阑(2)和光度探测器(3)，所述光度探测器(3)接收从限制光阑(2)入射的来自测量屏幕(1)方向的视野光；所述视野亮度探测器(8)接收光的中心方向与成像镜头(5)的光轴一致；所述限制光阑(2)与光度探测器(3)构成视野亮度探测器(8)接收光的立体角大于由孔径光阑(4)、成像镜头(5)及光电图像传感器(7)所构成的测量散斑图像的立体角。

4.一种视觉散斑对比度测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤S101，获取光电图像传感器(7)采集的图像像素亮度信号；

步骤S102，提取所述图像中心区域的一部分，作为计算视觉散斑对比度的视场范围(7-1)；

步骤S103，将所述视场范围(7-1)从视场中心到外围按不等面积分区，分成一系列的视场微分区(7-2)，其中接近视场中心的视场微分区(7-2)小、远离视场中心的视场微分区(7-2)大，视场微分区(7-2)包含至少一个以上的像素区域；

步骤S104，计算光电图像传感器(7)每个图像单元亮度，所述图像单元亮度由所述视场微分区(7-2)中涉及到的像素单元的像素亮度信号计算得到；

步骤S105，计算视觉散斑对比度C_s，公式如下：

其中，σ_L是视场范围(7-1)内各个图像单元亮度起伏的标准偏差，L是视场范围(7-1)上的平均亮度。

5.根据权利要求4所述的一种视觉散斑对比度测量方法，其特征在于，所述步骤S103，具体为：

将所述视场范围(7-1)按同心圆环在径向进行不等面积分区，分成一系列不等宽的圆环，再对圆环在圆周方向进行等比例分割成一系列视场微分区(7-2)，其中接近视场中心的视场微分区(7-2)小、远离视场中心的视场微分区(7-2)大，每个视场微分区(7-2)上涉及到的像素亮度信号用来计算图像单元亮度。

6.根据权利要求5所述的一种视觉散斑对比度测量方法，其特征在于，所述视场范围(7-1)是光电图像传感器(7)测量图像中间区域的一个圆形区，为人眼视网膜中央凹的视角范围，为2度至5度。

7.根据权利要求4所述的一种视觉散斑对比度测量方法，其特征在于，所述光电图像传感器(7)视场范围(7-1)不等面积分区方式，按照人眼视网膜中央凹的锥体感光细胞密度分布进行分割；视场范围(7-1)中心是一个圆形的视场微分区(7-2)，对应的视场角为1/60度至1/120度(平面角)；离开中心区域的视场微分区(7-2)在径向进行不等面积分区，在各圆环的圆周方向按照接近于对应圆环的宽度进行分割；图像单元亮度由对应视场微分区(7-2)上涉及到的像素亮度信号的累加平均来计算。

8.根据权利要求4所述的一种视觉散斑对比度测量方法，其特征在于，所述步骤S103，具体为：

将所述视场范围(7-1)从中心至外围按照近似六棱形进行分割，分割成一系列近似六棱形的视场微分区(7-2)；近似六棱形的视场微分区(7-2)面积，按照人眼视网膜中央凹的锥体感光细胞密度的倒数一致；进一步地，视场范围(7-1)中心是一个棱形的视场微分区(7-2)，对应的视场角为1/60度至1/120度(平面角)；离开中心区域的视场微分区(7-2)对应的视场角逐渐变大；图像单元亮度由对应视场微分区(7-2)上涉及到的像素亮度信号的累加平均来计算。

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