CN114577443A - 一种ar眼镜光瞳视差测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AR眼镜光瞳视差测试装置，包括一次成像光路和二次成像光路；所述一次成像光路相对二次成像光路的光轴对称设置并分别对应待测光瞳；所述一次成像光路依次包括光阑、一次成像组和反射镜I；所述二次成像光路包括合束棱镜I、二次成像组I和接收装置；测试时两路待测光瞳分别投射出十字光标图像，十字光标图像依次穿过光阑、一次成像组并由反射镜进行反射；合束棱镜将反射镜反射后的两路十字光标图像合束反射，经合束棱镜反射的十字光标图像穿过二次成像组并投射到接收装置上进行成像。本发明测试装置可通过垂直驱动机构调整一次成像光路的相对距离，从而能够兼顾AR眼镜整机及单独投影模组的光瞳视差测试，瞳距检测范围覆盖53mm～135mm，可以兼顾AR眼镜整机及单独投影模组的光瞳视差测试，配合后续CCD相机，可快速精确的检测出光瞳视差的偏离量。

Description

一种AR眼镜光瞳视差测试装置
技术领域
本发明涉及一种AR眼镜光瞳视差测试装置，属于光学检测领域。
背景技术
AR眼镜为获得最佳的视觉效果，人眼瞳孔、眼镜出瞳、投影模组光阑中心应该在一条直线即光轴上，光瞳视差指眼镜出瞳光轴及投影模组光轴与以上系统理想光轴的角度偏差。成年人的瞳距在53毫米～73毫米之间，投影模组一般布置在镜片外端靠近耳朵的位置，其光阑中心距在110-130mm之间；由于加工、装调误差的不可避免，如何检测投影模组光轴、AR眼镜整机的光瞳视差具有重要的实际应用价值。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种AR眼镜光瞳视差测试装置，该测试装置瞳距覆盖53mm～135mm，可以兼顾AR眼镜整机及单独投影模组的光瞳视差测试，配合后续CCD相机，可快速精确的检测出光瞳视差的偏离量。
技术方案：本发明所述的AR眼镜光瞳视差测试装置，包括一次成像光路和二次成像光路；所述一次成像光路相对二次成像光路的光轴对称设置并分别对应待测光瞳；所述一次成像光路依次包括光阑、一次成像组和反射镜；所述二次成像光路包括合束棱镜、二次成像组和接收装置；测试时两路待测光瞳分别投射出十字光标图像，十字光标图像依次穿过光阑、一次成像组并由反射镜进行反射；合束棱镜将反射镜反射后的两路十字光标图像合束反射，经合束棱镜反射的十字光标图像穿过二次成像组并投射到接收装置上进行成像。
本发明所述的AR眼镜光瞳视差测试装置，包括一次成像光路和二次成像光路；所述一次成像光路包括左成像光路和右成像光路；所述左成像光路包括光阑和反射镜组；所述右成像光路包括光阑和反射镜；所述二次成像光路包括分光棱镜、二次成像组和接收装置；测试时两路待测光瞳分别投射出左右十字光标图像，左侧十字光标图像穿过光阑，经反射镜组两次折射后进入分光棱镜并由分光棱镜透射；右侧十字光标图像穿过光阑经反射镜进行90度反射后进入分光棱镜并由分光棱镜进行90度反射；由分光棱镜透射的左侧十字光标图像和由分光棱镜反射的右侧十字光标图像从分光棱镜出射后通过二次成像组，最终投射到接收装置上进行成像。
其中，所述装置既可以对AR眼镜的眼镜模组的光瞳进行测试，又可以对AR眼镜的投影模组的光瞳进行测试；当对AR眼镜的眼镜模组光瞳测试时，所述光阑和眼镜模组出瞳重合；对AR眼镜的投影模组光瞳测试时，所述光阑和投影模组出瞳重合。
其中，所述一次成像光路还包括水平驱动机构和垂直驱动机构，所述光阑、一次成像组和反射镜沿直线设置并由垂直驱动机构驱动整体沿垂直于光轴方向运动；所述水平驱动机构驱动一次成像组及光阑沿平行于光轴方向相对反射镜运动。
其中，所述一次成像光路还包括垂直驱动机构，垂直驱动机构驱动左成像光路的光阑和反射镜组中的第一反射镜以及右成像光路的光阑和反射镜沿垂直于光轴方向运动。
其中，所述十字光标由待测AR眼镜的投影模组进行投射；对AR眼镜的投影模组光瞳测试时，十字光标直接由投影模组将十字光标图像投射进入光阑；对AR眼镜的眼镜模组光瞳测试时，十字光标由投影模组投射并穿过眼镜模组，从眼镜模组的出瞳中心穿过后进入光阑。
其中，所述装置分别测试投影模组光瞳视差与测试AR眼镜的眼镜模组光瞳视差时，反射镜到一次成像组距离与反射镜到合束棱镜距离之和保持不变。
其中，所述一次成像组由凸面朝前的负焦距透镜L1/L3和双凸形正焦距透镜L2/L4组成；所述二次成像组依次由双凸形正焦距透镜L5、凸面朝前的正焦距透镜L6、双凹形负焦距透镜L7和双凸形正焦距透镜L8组成。
其中，所述二次成像组依次由正焦距透镜L1’、负焦距透镜L2’、正焦距透镜L3’、正焦距透镜L4’、负焦距透镜L5’、正焦距透镜L6’、负焦距透镜L7’和负焦距透镜L8’组成。
其中，所述接收装置为CCD相机，光瞳视差测试结果由CCD相机采集的图像计算得出，还包括用于驱动CCD相机的驱动机构，驱动机构驱动CCD相机沿光轴方向运动实现像质补偿。
有益效果：本发明测试装置可通过垂直驱动机构调整一次成像光路的相对距离，从而能够兼顾AR眼镜整机及单独投影模组的光瞳视差测试，瞳距检测范围覆盖53mm～135mm，可以兼顾AR眼镜整机及单独投影模组的光瞳视差测试，配合后续CCD相机，可快速精确的检测出光瞳视差的偏离量；同时投影图像借助AR眼镜本身进行投影，可简化测试装置本身的结构。
附图说明
图1为待测AR眼镜投影模组示意图；
图2为实施例1瞳距53-73mm测试AR眼镜的光瞳视差系统图；
图3为实施例1瞳距110-135mm测试投影模组的光瞳视差系统图；
图4为实施例1去掉反射镜展开系统图；
图5为实施例1测试光路的光学传递函数；
图6为实施例1测试光路的场曲及畸变；
图7为实施例2测试装置的光路布局图；
图8为实施例2去掉反射镜展开测试光路图；
图9为实施例2测试光路的光学传递函数；
图10为实施例2测试光路的场曲及畸变；
图11为测试的左右光路的视差偏移量示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案作进一步的说明。
实施例1
本发明AR眼镜光瞳视差测试装置，包括一次成像光路和二次成像光路，一次成像光路相对二次成像光路的光轴对称设置并分别对应待测光瞳；一次成像光路依次包括光阑S1、S2、一次成像组和反射镜M1、M2；一次成像组包括凸面朝前的负焦距透镜L1、L2和双凸形正焦距透镜L3、L4；二次成像光路包括合束棱镜P1、二次成像组和接收装置C1；二次成像组包括双凸形正焦距透镜L5、凸面朝前的正焦距透镜L6、双凹形负焦距透镜L7和双凸形正焦距透镜L8。
如图1所示，一般布置在镜腿上的投影模块P0、P2投射出文字、影像，耦合进入AR眼镜片，θ1表示投影模组中心轴线的角度偏差，一般在5°～8°。
如图2所示，S1、S2为光阑，分别与双目AR眼镜模组出瞳重合，L1～L8组成系统测试光路的第一至第八透镜，L1、L2以及L3、L4分别作为一次成像组，起到压缩系统外形体积的作用，L5～L8作为二次成像组，将前面一次成像组所成的像成像至CCD相机C1；M1、M2是用来折转光路的反射镜，P1表示合束棱镜，是用来对两路光进行合束，在分光面镀半透半反膜，通光效率可以达到25％。图2中53-73表示测试AR眼镜整机模组光瞳距间隔可以从53mm变化到73mm，测试时S1、S2分别与AR眼镜模组左右出瞳重合。
图3中，110-135表示眼镜投影模组瞳距间隔可以从110mm变化到135mm，测试时S1、S2与投影模组的出瞳重合。
考虑到AR眼镜整机模组在实际使用中，工作距离可以从+1.5米到无穷远，甚至-1.5米，当工作距离变到最近的+1.5m或-1.5米时，该成像模组变为有限共轭系统，像质变差，为此通过调整CCD相机C1相对于合束棱镜P1做前后调焦(通过驱动机构驱动实现)补偿前述工作距离改变导致的像质恶化，可以有效提高成像效果。整个光路系统相对于合束棱镜P1对称，避免了左右两路光程不一致造成的两个十字线像大小不一致的缺陷。
测试时两路待测光瞳分别投射出十字光标图像，十字光标图像依次穿过光阑S1、S2、一次成像组并由反射镜M1、M2进行反射。合束棱镜P1将反射镜M1、M2反射后的两路十字光标图像合束反射，经合束棱镜P1反射的十字光标图像穿过二次成像组并投射到接收装置CCD相机C1上进行成像。
测试装置分别对AR眼镜的眼镜模组和投影模组的光瞳进行测试，对AR眼镜的眼镜模组光瞳测试时，光阑S1、S2和眼镜模组出瞳重合；对AR眼镜的投影模组光瞳测试时，光阑S1、S2和投影模组出瞳重合。
一次成像光路还包括水平驱动机构和垂直驱动机构(左右两侧光路的水平驱动机构和垂直驱动机构结构一致)，光阑S1、一次成像组(左侧一次成像组由L1和L2组成)和反射镜M1由左侧垂直驱动机构整体驱动并沿垂直于光轴方向运动。同理光阑S2、一次成像组(右侧一次成像组由L3和L4组成)和反射镜M2由右侧垂直驱动机构整体驱动并沿垂直于光轴方向运动。光阑S1和一次成像组通过左侧水平驱动机构沿平行于光轴方向相对反射镜M1运动，同理，光阑S2和一次成像组通过右侧水平驱动机构沿平行于光轴方向相对反射镜M2运动，测试装置分别测试投影模组光瞳视差与测试AR眼镜的眼镜模组光瞳视差时，反射镜到一次成像组距离与反射镜到合束棱镜距离之和保持不变，即图2～3中d1+d2＝d1’+d2’。驱动机构驱动CCD相机沿平行于光轴方向相对合束棱镜P1运动。
十字光标由待测AR眼镜的投影模组进行投射；对AR眼镜的投影模组光瞳测试时，十字光标直接由投影模组将十字光标图像投射进入光阑S1、S2；对AR眼镜的眼镜模组光瞳测试时，十字光标由投影模组投射并穿过眼镜模组，从眼镜模组的出瞳中心穿过后进入光阑S1、S2。
接收装置C1为CCD相机，光瞳视差测试结果由CCD相机采集的图像计算得出。CCD像面上捕捉到十字线像，可以通过软件计算出十字线像相对于中心轴线的偏差，与相机镜头的焦距相除，即为左右投影模组的光瞳视差。
合束棱镜P1包含相互垂直交叉的分光面，分光面上镀有半透半反膜。如图4将光路展开，系统从左到右由光阑S1，透镜L1，透镜L2，合束棱镜P1，透镜L5，透镜L6，透镜L7，透镜L8，成像面S16(CCD相机接收面)组成；透镜L1和透镜L3均为焦距-125.8mm为凸面朝前的负焦距透镜，透镜L2和透镜L4均为焦距54.13mm为双凸形正焦距透镜，合束棱镜P1为镀50％分光比的四个三棱镜胶合组成，透镜L5焦距34.66mm为双凸形正焦距透镜，透镜L6焦距27.14为凸面朝前的正焦距透镜，透镜L7焦距-7.14mm为双凹形负焦距透镜，透镜L8焦距12.89mm为双凸形正焦距透镜，系统的组合焦距为55mm，各个透镜的曲率半径在表1中列出，面型为球面或平面，间隔表示透镜的厚度或者透镜间的空气间隔，所使用的玻璃折射率及阿贝数表示玻璃的光学特性。
系统的通光孔径为20mm，视场角为15度，覆盖白光波段450nm～650nm。
表1
Figure BDA0003494061240000051
实施例2
实施例2相对于实施例1无一次成像组，使用直接成像方式捕捉十字线目标；同时将合束棱镜P1调整成分光棱镜P1’，只反射一个垂直方向的光，提高了一倍的能量利用率，降低了左右两目光路的信号干扰。
如图7所示，实施例2的测试装置包括一次成像光路和二次成像光路；一次成像光路包括左成像光路和右成像光路；左成像光路包括光阑S1和反射镜组，反射镜组由第一反射镜M1’和第二反射镜M2’组成；右成像光路包括光阑S2和反射镜M3；二次成像光路包括分光棱镜P1’、二次成像组和接收装置；测试时两路待测光瞳分别投射出左右十字光标图像，左侧十字光标图像穿过光阑S1，经反射镜组两次折射后进入分光棱镜P1’并由分光棱镜P1’透射；右侧十字光标图像穿过光阑S2经反射镜M3进行90度反射后进入分光棱镜P1’并由分光棱镜P1’进行90度反射；由分光棱镜P1’透射的左侧十字光标图像和由分光棱镜P1’反射的右侧十字光标图像从分光棱镜出射后通过二次成像组，最终投射到接收装置上进行成像；接收装置C1为CCD相机。
与实施例1相同，一次成像光路也包括垂直驱动机构(左右两侧光路的垂直驱动机构结构一致)，左侧垂直驱动机构驱动左成像光路的光阑S1和反射镜组中的第一反射镜M1’沿垂直于光轴方向运动，右侧垂直驱动机构驱动右成像光路的光阑S2和反射镜M3沿垂直于光轴方向运动，从而实现调整瞳距检测范围。
如图8所示，将光路展开，测试光路从左到右由光阑S1，分光棱镜P1’，透镜L1’，透镜L2’，透镜L3’，透镜L4’，透镜L5’，透镜L6’，透镜L7’，透镜L8’，成像面S17(CCD相机入射面)组成；透镜L1’焦距101.3mm，为正焦距透镜，透镜L2’焦距-79.2mm，为负焦距透镜，透镜L3’焦距64.9mm，为正焦距透镜，透镜L4’焦距47.7mm，为正焦距透镜，透镜L5’焦距-33.6mm，为负焦距透镜，透镜L6’焦距30.1mm，为正焦距透镜，透镜L7’，焦距-47.5mm为负焦距透镜，透镜L8’焦距-206.9mm，为负焦距透镜，系统的组合焦距为150mm，透镜的曲率半径在表2中列出，面型为球面或平面，间隔表示透镜的厚度或者透镜间的空气间隔，所使用的玻璃折射率及阿贝数表示玻璃的光学特性。
系统的通光孔径为10mm，视场角为15度，覆盖白光波段450nm～650nm。
表2
Figure BDA0003494061240000061
Figure BDA0003494061240000071
相比于图5～6，图9为实施例2测试光路在30线对/度的传递函数，所有值大于0.75，基本达到衍射极限；图10为实施例2测试光路的场曲及畸变图，场曲小于0.1mm，畸变值小于0.5％；说明实施例2测试光路优于实施例1测试光路；另外实施例2测试光路采用分光棱镜P1’，加工装调难度降低，同时光能利用率比实施例1高一倍。图11为采用本发明测试装置对AR眼镜光瞳视差的测量结果，通过图11可以看出，左右两侧光瞳视差的偏差程度。

Claims (10)

1.一种AR眼镜光瞳视差测试装置，其特征在于：包括一次成像光路和二次成像光路；所述一次成像光路相对二次成像光路的光轴对称设置并分别对应待测光瞳；所述一次成像光路依次包括光阑、一次成像组和反射镜；所述二次成像光路包括合束棱镜、二次成像组和接收装置；测试时两路待测光瞳分别投射出十字光标图像，十字光标图像依次穿过光阑、一次成像组并由反射镜进行反射；合束棱镜将反射镜反射后的两路十字光标图像合束反射，经合束棱镜反射的十字光标图像穿过二次成像组并投射到接收装置上进行成像。
2.一种AR眼镜光瞳视差测试装置，其特征在于：包括一次成像光路和二次成像光路；所述一次成像光路包括左成像光路和右成像光路；所述左成像光路包括光阑和反射镜组；所述右成像光路包括光阑和反射镜；所述二次成像光路包括分光棱镜、二次成像组和接收装置；测试时两路待测光瞳分别投射出左右十字光标图像，左侧十字光标图像穿过光阑，经反射镜组两次折射后进入分光棱镜并由分光棱镜透射；右侧十字光标图像穿过光阑经反射镜进行90度反射后进入分光棱镜并由分光棱镜进行90度反射；由分光棱镜透射的左侧十字光标图像和由分光棱镜反射的右侧十字光标图像从分光棱镜出射后通过二次成像组，最终投射到接收装置上进行成像。
3.根据权利要求1或2所述的光瞳视差测试装置，其特征在于：当对AR眼镜的眼镜模组光瞳测试时，所述光阑和眼镜模组出瞳重合；对AR眼镜的投影模组光瞳测试时，所述光阑和投影模组出瞳重合。
4.根据权利要求1所述的光瞳视差测试装置，其特征在于：所述一次成像光路还包括水平驱动机构和垂直驱动机构，所述光阑、一次成像组和反射镜沿直线设置并由垂直驱动机构驱动整体沿垂直于光轴方向运动；所述水平驱动机构驱动一次成像组及光阑沿平行于光轴方向相对反射镜运动。
5.根据权利要求2所述的光瞳视差测试装置，其特征在于：所述一次成像光路也包括垂直驱动机构，垂直驱动机构驱动左成像光路的光阑和反射镜组中的第一反射镜以及右成像光路的光阑和反射镜沿垂直于光轴方向运动。
6.根据权利要求1或2所述的光瞳视差测试装置，其特征在于：所述十字光标由待测AR眼镜的投影模组进行投射；对AR眼镜的投影模组光瞳测试时，十字光标直接由投影模组将十字光标图像投射进入光阑；对AR眼镜的眼镜模组光瞳测试时，十字光标由投影模组投射并穿过眼镜模组，从眼镜模组的出瞳中心穿过后进入光阑。
7.根据权利要求1所述的光瞳视差测试装置，其特征在于：所述装置分别测试投影模组光瞳视差与测试AR眼镜的眼镜模组光瞳视差时，反射镜到一次成像组距离与反射镜到合束棱镜距离之和保持不变。
8.根据权利要求1所述的光瞳视差测试装置，其特征在于：所述一次成像组由凸面朝前的负焦距透镜L1/L3和双凸形正焦距透镜L2/L4组成；所述二次成像组依次由双凸形正焦距透镜L5、凸面朝前的正焦距透镜L6、双凹形负焦距透镜L7和双凸形正焦距透镜L8组成。
9.根据权利要求2所述的光瞳视差测试装置，其特征在于：所述二次成像组依次由正焦距透镜L1’、负焦距透镜L2’、正焦距透镜L3’、正焦距透镜L4’、负焦距透镜L5’、正焦距透镜L6’、负焦距透镜L7’和负焦距透镜L8’组成。
10.根据权利要求1或2所述的光瞳视差测试装置，其特征在于：所述接收装置为CCD相机，光瞳视差测试结果由CCD相机采集的图像计算得出，还包括用于驱动CCD相机的驱动机构，驱动机构驱动CCD相机沿光轴方向运动实现像质补偿。
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