CN115931303B - 一种多色衍射光波导的测试方法 - Google Patents

一种多色衍射光波导的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多色衍射光波导的测试方法，包括：建立衍射光波导测试模型；将微光机产生的单个波长的图像耦入待测多色衍射光波导形成第一耦出图像；判断各第一耦出图像是否具有方形边界，若是，提取边界的四个角点计算出视场角，并在保证视场角完整的情况下根据光强确定眼眶尺寸，否则，提取边界的角点，以具有两个角点的完整边界作为第一边界，并在对应的第一耦出图像区域内获取第二边界，提取两边界范围内的有效区域的四个角点计算出视场角，在保证视场角完整的情况下根据光强确定眼眶尺寸。该方法可获取不同颜色下耦出的视场角大小和眼眶尺寸，尤其是视场缺失情况下，从而确定光波导性能，为后续模组装配、调整及使用提供指导。

Description

一种多色衍射光波导的测试方法
技术领域
本发明属于衍射光波导测试技术领域，具体涉及一种多色衍射光波导的测试方法。
背景技术
AR(增强现实)、MR(混合现实)以及HMD(头戴式显示)是一种可穿戴式透明或者半透明的显示设备，此显示设备一般分为微光机以及衍射光波导两大部分，其中，微光机作用是提供虚拟的图像内容，而衍射光波导的作用是对图像进行复制扩展并传输到人眼中，用户看到虚拟图像的同时能够观察到真实世界的场景，甚至可以与之进行交互。因此，需要对所设计及加工出来的衍射光波导的性能进行分析与评估，从而确定衍射光波导的性能。
当前衍射光波导技术，逐渐从传统的三层波导，即每一层波导负责微光机提供的视场角下的其中一种颜色(如R或G或B)光，逐步转换为两层波导，即一层波导负责微光机提供的视场角下的两种颜色(如G和B)光，另外一层波导负责微光机提供的视场角下的第三种颜色(如R)光，最终转换为单层波导，即一层波导负责微光机提供的视场角下的R、G、B三种颜色。对于三层或者两层的光波导，由于其仅负责单个颜色或者两个颜色的光谱带宽，一般情况下能够将每种颜色所对应的完整视场耦入光光波导中并最终耦出具有完整视场的图像，在此情况下可以方便的衍射光波导性能进行评估，如视场角、眼眶尺寸、亮度均匀性及颜色均匀性等参数。
对于单层光波导，由于其需要负责三种颜色的光谱带宽，而微光机的光谱带宽在440nm～650nm范围内，以及当前可用的高折光波导最大折射率在2.0左右，因此难以将整个带宽范围内完整视场的光都耦入到光波导中，如图1所示，kx、ky分别表示X方向和Y方向的波矢，蓝光(黑色粗实线)的下部分视场可以耦入到光波导中，绿光(灰色虚线)的完整视场可以耦入到光波导中，而红光(点式虚线)的上部分视场可以耦入光波导中，因此，最终耦出图像仅绿光具有完整的视场，而蓝光及红光会缺失部分视场；或者红光的完整视场可以耦入光波导中，而绿光和蓝光仅有部分视场可以耦入光波导中，最终耦出图像仅有红光具有完整的视场，而绿光和蓝光会缺失部分视场等；因此，需要对具有缺失视场的衍射光波导进行测试与分析，以确定其性能，如视场角的大小、眼眶的大小等。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种多色衍射光波导的测试方法，可获取不同颜色下耦出的视场角大小和眼眶尺寸，尤其是视场缺失情况下无法同时让R、G、B光的所有视场都耦入其中的情况，从而确定多色衍射光波导的性能，为后续模组装配、调整及使用提供指导。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种多色衍射光波导的测试方法，包括如下步骤：
S1、建立衍射光波导测试模型，衍射光波导测试模型包括微光机和光学检测设备，微光机用于将具有R、G、B三个波长和预设视场角的图像耦入待测多色衍射光波导，光学检测设备用于对待测多色衍射光波导的耦出图像进行边界检测和光强检测；
S2、分别将微光机产生的R、G、B单个波长的图像耦入待测多色衍射光波导形成第一耦出图像；
S3、判断各第一耦出图像是否具有方形边界，若是，认为对应的第一耦出图像具有完整的视场角，提取边界的四个角点计算出视场角，执行步骤S4，否则，认为对应的第一耦出图像具有不完整的视场角，提取边界的角点，以具有两个角点的完整边界作为第一边界，并在对应的第一耦出图像区域内获取第二边界，第二边界与第一边界的最大亮度相同且相互平行，将第一边界和第二边界范围内的第一耦出图像区域作为有效区域，并提取有效区域的四个角点计算出视场角，并执行步骤S5；
S4、在保证视场角完整的情况下，沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，获取对应的第一耦出图像的最大光强位置并记录最大光强I0，然后在保证视场角完整的情况下，再次从最大光强位置开始沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，使当前第一耦出图像的最大光强IMax＝εI0并记录对应位置，将水平方向和垂直方向移动时所产生IMax位置形成的方框作为眼眶的边界，根据边界位置计算出眼眶尺寸，结束流程，其中，ε为第一预设阈值；
S5、在保证视场角完整的情况下，沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，获取对应的第一耦出图像的最大光强位置并记录最大光强I1，然后在保证视场角完整的情况下，再次从最大光强位置开始沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，使当前第一耦出图像的最大光强IMax＝ηI1并记录对应位置，将水平方向和垂直方向移动时所产生IMax位置形成的方框作为眼眶的边界，根据边界位置计算出眼眶尺寸，结束流程，其中，η为第二预设阈值。
优选地，微光机为DLP、LCOS、Micro-LEDs、Micro-OLEDs其中一种。
优选地，微光机的预设视场角为40°，且微光机提供图像的分辨率为1280×720。
优选地，光学检测设备与待测多色衍射光波导的间距为12mm～25mm。
优选地，待测多色衍射光波导为单层多色衍射光波导、双层多色衍射光波导、三层多色衍射光波导其中一种。
优选地，边界检测具体如下：
比较在完整视场角下的第一耦出图像区域与背景图像区域的图像对比度是否超过第三预设阈值，若是，认为检测到方形边界，否则，认为未检测到方形边界。
优选地，第一预设阈值和第二预设阈值满足：ε＜η，ε、η为均正数且小于1。
优选地，第一预设阈值ε＝0.5，第二预设阈值η＝0.8。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
通过对多色衍射光波导进行测试，获得不同颜色下耦出的视场角大小和眼眶尺寸，从而确定多色衍射光波导的性能，相比于传统测试方法，此测试方法可以用于解决多色衍射光波导在视场缺失情况下的视场角大小以及眼眶尺寸的获取，尤其是单层多色衍射光波导，由于无法同时让R、G、B光的所有视场都耦入其中的问题，通过对多色衍射光波导耦出的不同颜色光的图像使用不同的方式进行测量评估其性能，从而确定产品的关键技术指标，包括视场角大小和眼眶尺寸，为后续模组装配、调整及使用提供指导，为不同使用人群和使用场景提供准确定位。
附图说明
图1为单层三色衍射光波导的K-Layout图；
图2为本发明多色衍射光波导的测试方法的流程图；
图3为本发明实施例单层多色衍射光波导在R单色波长下的第一耦出图像示意图；
图4为本发明实施例单层多色衍射光波导在G单色波长下的第一耦出图像示意图；
图5为本发明实施例单层多色衍射光波导在B单色波长下的第一耦出图像示意图；
图6为本发明在完整视场角下第一耦出图像的最大光强位置示意图；
图7为本发明在完整视场角下第一耦出图像移动检测光强示意图；
图8为本发明在不完整视场角下第一耦出图像的最大光强位置示意图；
图9为本发明在不完整视场角下第一耦出图像移动检测光强示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1-9所示，一种多色衍射光波导的测试方法，包括如下步骤：
S1、建立衍射光波导测试模型，衍射光波导测试模型包括微光机和光学检测设备，微光机用于将具有R、G、B三个波长和预设视场角的图像耦入待测多色衍射光波导，光学检测设备用于对待测多色衍射光波导的耦出图像进行边界检测和光强检测。
在一实施例中，微光机为DLP、LCOS、Micro-LEDs、Micro-OLEDs其中一种。
在一实施例中，微光机的预设视场角为40°，且微光机提供图像的分辨率为1280×720。具体取值还可根据实际需求确定。
在一实施例中，光学检测设备与待测多色衍射光波导的间距为12mm～25mm。
在一实施例中，待测多色衍射光波导为单层多色衍射光波导、双层多色衍射光波导、三层多色衍射光波导其中一种。
在一实施例中，边界检测具体如下：
比较在完整视场角下的第一耦出图像区域与背景图像区域的图像对比度是否超过第三预设阈值，若是，认为检测到方形边界，否则，认为未检测到方形边界。其中，背景图像区域(即非期望图像光形成区域)，由多色衍射光波导结构产生。
S2、分别将微光机产生的R、G、B单个波长的图像耦入待测多色衍射光波导形成第一耦出图像。
S3、判断各第一耦出图像是否具有方形边界，若是，认为对应的第一耦出图像具有完整的视场角，提取边界的四个角点计算出视场角，执行步骤S4，否则，认为对应的第一耦出图像具有不完整的视场角，提取边界的角点，以具有两个角点的完整边界作为第一边界，并在对应的第一耦出图像区域内获取第二边界，第二边界与第一边界的最大亮度相同且相互平行，将第一边界和第二边界范围内的第一耦出图像区域作为有效区域，并提取有效区域的四个角点计算出视场角，并执行步骤S5。
S4、在保证视场角完整的情况下，沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，获取对应的第一耦出图像的最大光强位置并记录最大光强I0，然后在保证视场角完整的情况下，再次从最大光强位置开始沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，使当前第一耦出图像的最大光强IMax＝εI0并记录对应位置，将水平方向和垂直方向移动时所产生IMax位置形成的方框作为眼眶的边界，根据边界位置计算出眼眶尺寸，结束流程，其中，ε为第一预设阈值。
S5、在保证视场角完整的情况下，沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，获取对应的第一耦出图像的最大光强位置并记录最大光强I1，然后在保证视场角完整的情况下，再次从最大光强位置开始沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，使当前第一耦出图像的最大光强IMax＝ηI1并记录对应位置，将水平方向和垂直方向移动时所产生IMax位置形成的方框作为眼眶的边界，根据边界位置计算出眼眶尺寸，结束流程，其中，η为第二预设阈值。
在一实施例中，第一预设阈值和第二预设阈值满足：ε＜η，ε、η为均正数且小于1。
在一实施例中，第一预设阈值ε＝0.5，第二预设阈值η＝0.8。具体取值还可根据实际需求确定。
以下通过具体实施例进行详细说明。
本实施例中微光机采用DLP微光机，待测多色衍射光波导为单层多色衍射光波导，光学检测设备采用瑞淀光学系统，型号为IC-PMI29-ND3。其中，微光机能够为待测多色衍射光波导提供R、G和B三个波长且具有一定视场、强度分布均匀的图像(即提供具有一定视场角的全彩均匀性分布的图像)，如对角线视场角为40°，强度分布均匀的分辨率为1280×720的图像，其依次为单层多色衍射光波导提供R、G和B单色波长，且至少一种颜色不完整视场的图像能够耦入单层多色衍射光波导中并最终耦出。光学检测设备能够对耦出图像的视场角、眼眶尺寸等参数进行检测和数据分析。图3-5为光学检测设备与待测多色衍射光波导的间距为16mm时所获得的第一耦出图像(依次对应R、G和B单色波长)，图4和5中的白色竖线为后续增加的第二边界的示意。
由图3-5可知，图3耦出的红光图像边界较清晰，其整个视场都耦入到单层多色衍射光波导中并最终耦出，图4耦出的绿光图像右边界模糊，小部分边缘视场未耦入到单层多色衍射光波导中，图5耦出的蓝光右边界更加模糊，一部分边缘至中心视场未能耦入到单层多色衍射光波导中。因此，对耦出的红光图像，对于视场角(FOV)的计算，通过抓取具有明显边界区域的四个点，以计算其FOV；对于眼眶尺寸的计算，在保证FOV完整性的情况下，通过在水平方向(X)和垂直方向(Y)移动光学检测设备，找到整个区域最大光强位置并记录下最大光强I0，如图6所示，之后再次在水平方向和垂直方向移动光学检测设备，在保证FOV完整的情况下，使当前视场最大光强IMax＝0.5I0，以此确定眼眶的边界及大小，眼眶的边界即为水平方向和垂直方向(为上下左右移动)形成的四个当前视场最大光强IMax位置形成的方框，如图7所示，为移动寻找当前视场最大光强IMax的示意。如图6显示出最大光强I0＝908cd/m2，倾斜角度Inclination＝5.90(Deg)，方位角度Azimuth＝331.1(Deg)，坐标位置即为Col＝1658，Row＝937，Col、Row依次表示列、行。
对于耦出的绿色图像和蓝色图像，如图4、5所示，由于右边视场的缺失导致图像右侧不存在明显的边界，但图像左侧存在较为明显的边界，因此在本测试方法中，通过以各自图像左侧边界(第一边界)处的最大亮度作为参考，以确定图像的右边界，即图4、5中白线(第二边界)的位置，在第一边界和第二边界范围内的第一耦出图像区域作为有效区域，并提取有效区域从而确定耦出的绿色图像和蓝色图像所对应的视场角；对于眼眶尺寸的计算，通过在水平方向和垂直方向移动光学检测设备，找到整个区域最大光强位置并记录下最大光强I1，如图8所示，然后再次在水平方向和垂直方向移动光学检测设备，使当前视场内最大光强IMax＝0.8I1，以此确定眼眶的边界及大小，眼眶的边界即为水平方向和垂直方向(为上下左右移动)形成的四个当前视场最大光强IMax位置形成的方框，如图9所示，为移动寻找当前视场最大光强IMax的示意(与图7同理，此处仅显示一个移动方位的当前视场最大光强IMax测试位置)。
本实施例采用一种单层多色衍射光波导，其能够耦出微光机提供的不同颜色图像的全部或者部分视场，并通过光学检测设备及数据分析确定眼眶的尺寸。基于上述测试方法，测试结果如下表1、表2所示：
表1
HFOV(°) VFOV(°) DFOV(°)
R 35.037 19.140 39.924
G 28.497 19.529 34.546
B 19.677 20.14 28.157
表2
R G B
EYEBOX(mm) 13x9 5x12 4x7
表1体现了单层多色衍射光波导的R、G、B视场角测试结果，其中，HFOV(°)、VFOV(°)、DFOV(°)依次为水平视场角、竖直视场角、对角线视场角。表2中体现了单层多色衍射光波导的R、G、B眼眶尺寸(EYEBOX)测试结果。实验结果表明视场角的大小会影响眼眶的大小，与理论相符合。
综上，对于多色衍射光波导，尤其是单层多色衍射光波导，由于无法同时让R、G、B光的所有视场都耦入其中，因此对多色衍射光波导耦出的不同颜色光的图像需要使用不同的方式进行测量评估其性能，通过本发明中所提供的测试方法，可以确定在预设视场角情况下，衍射光波导在不同颜色光入射下的性能，尤其是其承担的视场角大小及眼眶尺寸，而通过获得待测多色衍射光波导的准确测试结果，从而确定产品的关键技术指标，包括视场角大小和眼眶尺寸，能够为后续组装及使用人群和使用场景提供准确定位，如便于根据实际需求选取视场角以及根据眼眶尺寸可以确定组装后的产品所适用的瞳距。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种多色衍射光波导的测试方法，其特征在于：所述多色衍射光波导的测试方法包括如下步骤：
S1、建立衍射光波导测试模型，所述衍射光波导测试模型包括微光机和光学检测设备，所述微光机用于将具有R、G、B三个波长和预设视场角的图像耦入待测多色衍射光波导，所述光学检测设备用于对待测多色衍射光波导的耦出图像进行边界检测和光强检测；
S2、分别将所述微光机产生的R、G、B单个波长的图像耦入待测多色衍射光波导形成第一耦出图像；
S3、判断各第一耦出图像是否具有方形边界，若是，认为对应的第一耦出图像具有完整的视场角，提取边界的四个角点计算出视场角，执行步骤S4，否则，认为对应的第一耦出图像具有不完整的视场角，提取边界的角点，以具有两个角点的完整边界作为第一边界，并在对应的第一耦出图像区域内获取第二边界，所述第二边界与第一边界的最大亮度相同且相互平行，将第一边界和第二边界范围内的第一耦出图像区域作为有效区域，并提取有效区域的四个角点计算出视场角，并执行步骤S5；
S4、在保证视场角完整的情况下，沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，获取对应的第一耦出图像的最大光强位置并记录最大光强I0，然后在保证视场角完整的情况下，再次从最大光强位置开始沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，使当前第一耦出图像的最大光强IMax＝εI0并记录对应位置，将水平方向和垂直方向移动时所产生IMax位置形成的方框作为眼眶的边界，根据边界位置计算出眼眶尺寸，结束流程，其中，ε为第一预设阈值；
S5、在保证视场角完整的情况下，沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，获取对应的第一耦出图像的最大光强位置并记录最大光强I1，然后在保证视场角完整的情况下，再次从最大光强位置开始沿水平方向和垂直方向移动光学检测设备，使当前第一耦出图像的最大光强IMax＝ηI1并记录对应位置，将水平方向和垂直方向移动时所产生IMax位置形成的方框作为眼眶的边界，根据边界位置计算出眼眶尺寸，结束流程，其中，η为第二预设阈值。
2.如权利要求1所述的多色衍射光波导的测试方法，其特征在于：所述微光机为DLP、LCOS、Micro-LEDs、Micro-OLEDs其中一种。
3.如权利要求1所述的多色衍射光波导的测试方法，其特征在于：所述微光机的预设视场角为40°，且所述微光机提供图像的分辨率为1280×720。
4.如权利要求1所述的多色衍射光波导的测试方法，其特征在于：所述光学检测设备与待测多色衍射光波导的间距为12mm～25mm。
5.如权利要求1所述的多色衍射光波导的测试方法，其特征在于：所述待测多色衍射光波导为单层多色衍射光波导、双层多色衍射光波导、三层多色衍射光波导其中一种。
6.如权利要求1所述的多色衍射光波导的测试方法，其特征在于：所述边界检测具体如下：
比较在完整视场角下的第一耦出图像区域与背景图像区域的图像对比度是否超过第三预设阈值，若是，认为检测到方形边界，否则，认为未检测到方形边界。
7.如权利要求1所述的多色衍射光波导的测试方法，其特征在于：所述第一预设阈值和第二预设阈值满足：ε＜η，ε、η为均正数且小于1。
8.如权利要求7所述的多色衍射光波导的测试方法，其特征在于：所述第一预设阈值ε＝0.5，所述第二预设阈值η＝0.8。
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