CN212674284U - 一种模拟人眼视角的亮度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟人眼感知亮度检测系统，包括孔径光阑、成像镜头、光学滤光器、光电图像传感器、基座及数据处理系统；所述孔径光阑的中心法线、光电图像传感器的中心法线、光学滤光器的中心法线均与成像镜头的光轴重合；所述光学滤光器位于光电图像传感器前；光学滤光器的光谱透射比与成像镜头的光谱透射比和光电图像传感器的光谱响应组合后的相对光谱响应与人眼明视觉光谱光视效率函数一致；所述数据处理系统与光电图像传感器相连。所述孔径光阑位于成像镜头前方焦点上；成像镜头的焦距f与光电图像传感器的像素单元等效面积的圆形直径d有关联，焦距f大于(21600/π)·d。

Description

一种模拟人眼视角的亮度检测装置

技术领域

本实用新型涉及光度测量技术领域，尤其涉及一种模拟人眼视角的亮度检测装置。

背景技术

在照明、显示及工业检测等领域中，亮度测量是非常常见的光度测量技术。随着二维图像传感器的发展，图像传感器广泛用于二维分布的亮度图像测量。每一个图像传感器像素单元上的信号对应于测量目标上某一点(小区域)的亮度。如采用CCD图像传感器的图像亮度计用来测量显示器屏幕的平均亮度、亮度均匀性、对比度、分辨率等参数。

现有采用图像传感器的亮度图像测量系统通常包括镜头和图像传感器，图像传感器上的像素是均匀排布，某区域的平均亮度是从该区域的每一像素信号累加平均得到。现有亮度测量装置和方法没有考虑人眼的视觉特性，例如:1)人眼是恒定视角的图像亮度感知系统，即正常眼睛聚焦于远、近目标时的视角分辨力恒定，而目标的实际表面最小分辨的线度(尺寸)与距离相关；2)人眼感光细胞(杆体细胞和锥体细胞)在视网视上分布极不均匀，在中凹中心区域锥体细胞密度高、杆体细胞密度底，在离开中凹中心区域则杆体细胞密度高、锥体细胞密度底；3)人眼对周围环境观看，涉及眼球运动和头部运动，将眼睛中央凹对准需精确分辨的目标。

在头戴虚拟显示设备(如AR、VR眼镜)的图像测量、激光显示视觉散斑测量中，现有方法存在精度差、与实际人眼感知结果差异大等问题。

发明内容

本实用新型目的是提供一种模拟人眼视角的亮度检测装置，以解决现有方法存在精度差、与实际人眼视角的感知结果差异大问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种模拟人眼视角的亮度检测装置，包括孔径光阑、成像镜头、光学滤光器、光电图像传感器、基座及数据处理系统；所述孔径光阑的中心法线、光电图像传感器的中心法线、光学滤光器的中心法线均与成像镜头的光轴重合；所述孔径光阑、成像镜头、光学滤光器(3)、光电图像传感器均安装于基座上，所述光学滤光器位于光电图像传感器前；光学滤光器的光谱透射比与成像镜头的光谱透射比和光电图像传感器的光谱响应组合后的相对光谱响应与人眼明视觉光谱光视效率函数一致；所述数据处理系统与光电图像传感器相连，所述孔径光阑位于成像镜头前方焦点上；成像镜头的焦距f与光电图像传感器的像素单元等效面积的圆形直径d有关联，焦距f大于(21600/π)·d。

进一步地，所述光电图像传感器的光电面像素单元是环带分布，从中心往外的环带上像素单元面积逐渐增大，同一环带上的像素单元面积相同。

进一步地，所述成像镜头的焦距f与光电图像传感器测量的总视场范围θ有关联，焦距f 小于(D/θ)，D是光电图像传感器光敏面的短边尺寸，θ是测量图像的总视场范围，为2度至 10度之间。

进一步地，所述基座上还装有测距激光器和平移机构，所述测距激光器的测量光束与成像镜头的光轴平行，并指向测量目标方向；所述测距激光器的测距起点位置与孔径光阑对应的入瞳一致；所述孔径光阑和成像镜头与基座固定连接，光电图像传感器安装在平移机构上，可沿成像镜头光轴方向移动，移动的位置根据测距激光器的距离信息而改变。

进一步地，所述基座上装有眼动旋转运动台；眼动旋转运动台至少含有俯仰旋转轴和左右旋转轴，俯仰旋转轴和左右旋转轴的轴线互相正交，且与成像镜头的光轴互相正交；正交点位于孔径光阑对应的入瞳中心后10mm处。

进一步地，所述基座上装有眼动旋转运动台；眼动旋转运动台至少含有俯仰旋转轴和左右旋转轴，俯仰旋转轴和左右旋转轴的轴线互相正交；正交点与孔径光阑对应的入瞳的中心重合。

进一步地，所述基座上还装有头动旋转运动台；头动旋转运动台含有可180度俯仰旋转的水平轴、与水平轴正交并可360度旋转的垂直轴；垂直轴与成像镜头的光轴正交，且正交点位于水平轴与垂直轴正交点上方100mm至130mm之间。

进一步地，所述基座上还装有头动旋转运动台；头动旋转运动台含有可180度俯仰旋转的水平轴、与水平轴正交并可360度旋转的垂直轴；垂直轴与成像镜头的光轴相互垂直但不相交且相分离27mm至36mm之间，且成像镜头的光轴在垂直轴上垂直投影的垂足点位于水平轴与垂直轴正交点上方100mm至130mm之间。

进一步地，所述光电图像传感器的光电面像素单元按人眼视网膜中央凹的视锥感光细胞的密度倒数的比例关系；光电图像传感器的光电面中心像素单元，对应的视场角为1/60度至 1/120度(平面角)，离开中心区域的光电面像素单元对应的视场角逐渐增大。

系统的有益效果是：实现模拟人眼光亮度的感知特性模拟，与人眼真实感知效果一致，检测精度高、应用范围广。所述成像镜头的焦距与光电图像传感器测量的总视场范围有关联，使光电图像传感器视场范围，接近于人眼视网膜中央凹的视角范围。孔径光阑和成像镜头与基座固定连接，光电图像传感器安装在平移机构上，可沿成像镜头光轴方向移动，移动的位置根据测距激光器的距离信息而改变，实现模拟人眼聚焦于不同距离目标时，观看点不变，且自动调节对焦距离，方便测量，精度高。

附图说明

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

图1为本实用新型实施例提供的一种模拟人眼感知亮度检测系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供中人眼光谱光视效率函数曲线示意图；

图3为本实用新型实施例提供中成像镜头焦距与光电图像传感器像素间距的关系示意图；

图4为本实用新型实施例提供中孔径光阑位于成像镜头前焦点上的成像示意图；

图5为本实用新型实施例提供中光电图像传感器光电面像素单元分布示意图；

图6为本实用新型实施例提供中提供头动旋转运动台的垂直旋转轴和水平旋转轴结构两种示意图

图中：A-测量目标；1-孔径光阑；2-成像镜头；3-光学滤光器；4-光电图像传感器，4-1 光电面区域，4-2光电面像素单元，4-3等效面积圆形；5-数据处理系统；6-测距激光器；7- 平移机构；8-旋转运动台。

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。

本实用新型实施例提供一种模拟人眼视角的亮度检测装置，结合图1-6，包括孔径光阑1、成像镜头2、光学滤光器3、光电图像传感器4、基座9及数据处理系统5；所述孔径光阑1 的中心法线、光电图像传感器4的中心法线、光学滤光器3的中心法线均与成像镜头2的光轴重合；所述孔径光阑1、成像镜头2、光学滤光器3、光电图像传感器4均安装于基座9上，所述光学滤光器3位于光电图像传感器4前；光学滤光器3的光谱透射比与成像镜头2的光谱透射比和光电图像传感器4的光谱响应组合后的相对光谱响应与人眼明视觉光谱光视效率函数一致；所述数据处理系统5与光电图像传感器4相连，用于获取光电图像传感器4测量的图像数据。所述孔径光阑1位于成像镜头2前方焦点上；成像镜头2的焦距f与光电图像传感器4的像素单元等效面积圆形4-3直径d有关联，焦距f大于(21600/π)·d。

结合图4，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，视场方向恒定，与人眼一致；

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为像素单元等效面积圆形 4-3直径，f为镜头8焦距，r为光电图像传感器4测量图像的分辨视场角(弧度)，这会使得光电图像传感器4测量图像的分辨力大于人眼中心最高空间分辨力1/120度(平面角)。

结合图5，所述光电图像传感器4的光电面像素单元4-2是环带分布，从中心往外的环带上像素单元面积逐渐增大，同一环带上的像素单元面积相同。

所述成像镜头2的焦距f与光电图像传感器4测量的总视场范围θ有关联，焦距f小于(D/θ)， D是光电图像传感器4光敏面的短边尺寸，θ是测量图像的总视场范围，为2度至10度之间。

本实施例中，所述基座9上还装有测距激光器6和平移机构7，所述测距激光器6的测量光束与成像镜头2的光轴平行，并指向测量目标A方向；所述测距激光器6的测距起点位置与孔径光阑1(孔径光阑1位于成像镜头2前)或孔径光阑1对应的入瞳(孔径光阑1位于成像镜头2后或其中的镜片中间)一致；所述孔径光阑1和成像镜头2与基座9固定连接，光电图像传感器4安装在平移机构7上，可沿成像镜头2光轴方向移动，移动的位置根据测距激光器6的距离信息而改变。实现模拟人眼聚焦于不同距离目标时，观看点不变，且自动调节对焦距离，方便测量，精度高。

具体的：所述基座9上装有眼动旋转运动台8；眼动旋转运动台8至少含有俯仰旋转轴和左右旋转轴，俯仰旋转轴和左右旋转轴的轴线互相正交，且与成像镜头2的光轴互相正交；正交点位于孔径光阑1对应的入瞳(孔径光阑1位于成像镜头2前方时，孔径光阑1就是入瞳)中心后10mm处。模拟眼球转动中心的运动方式，使测量更精确、方便。

具体的：所述基座9上装有眼动旋转运动台8；眼动旋转运动台8至少含有俯仰旋转轴和左右旋转轴，俯仰旋转轴和左右旋转轴的轴线互相正交；正交点与孔径光阑1对应的入瞳(孔径光阑1位于成像镜头2前方时，孔径光阑1就是入瞳)的中心重合。模拟人眼转动绕瞳孔的运动方式，使测量更精确、方便。

具体的：结合图6，所述基座9上还装有头动旋转运动台8；头动旋转运动台8含有可180 度俯仰旋转的水平轴、与水平轴正交并可360度旋转的垂直轴；垂直轴与成像镜头2的光轴正交，且正交点位于水平轴与垂直轴正交点上方100mm至130mm之间。模拟人头转动、单眼观看方式，使测量更精确、方便。

具体的：结合图6，所述基座9上还装有头动旋转运动台8；头动旋转运动台8含有可180度俯仰旋转的水平轴、与水平轴正交并可360度旋转的垂直轴；垂直轴与成像镜头2的光轴相互垂直但不相交且相分离27mm至36mm之间，且成像镜头2的光轴在垂直轴上垂直投影的垂足点位于水平轴与垂直轴正交点上方100mm至130mm之间。模拟人头转动、双目观看方式，使测量更精确、方便。

本实施例中，光电图像传感器4的光电面像素单元按人眼视网膜中央凹的视锥感光细胞的密度倒数的比例关系；光电图像传感器4的光电面中心像素单元，对应的视场角为1/60度至 1/120度(平面角)，离开中心区域的光电面像素单元对应的视场角逐渐增大。

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 (9)

1.一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，包括孔径光阑(1)、成像镜头(2)、光学滤光器(3)、光电图像传感器(4)、基座(9)及数据处理系统(5)；所述孔径光阑(1)的中心法线、光电图像传感器(4)的中心法线、光学滤光器(3)的中心法线均与成像镜头(2)的光轴重合；所述孔径光阑(1)、成像镜头(2)、光学滤光器(3)、光电图像传感器(4)均安装于基座(9)上，所述光学滤光器(3)位于光电图像传感器(4)前；光学滤光器(3)的光谱透射比与成像镜头(2)的光谱透射比和光电图像传感器(4)的光谱响应组合后的相对光谱响应与人眼明视觉光谱光视效率函数一致；所述数据处理系统(5)与光电图像传感器(4)相连，所述孔径光阑(1)位于成像镜头(2)前方焦点上；成像镜头(2)的焦距f与光电图像传感器(4)的像素单元等效面积圆形(4-3)直径d有关联，焦距f大于(21600/π)·d。

2.根据权利要求1所述的一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，所述光电图像传感器(4)的光电面像素单元(4-2)是环带分布，从中心往外的环带上像素单元面积逐渐增大，同一环带上的像素单元面积相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，所述成像镜头(2)的焦距f与光电图像传感器(4)测量的总视场范围θ有关联，焦距f小于(D/θ)，D是光电图像传感器(4)光敏面的短边尺寸，θ是测量图像的总视场范围，为2度至10度之间。

4.根据权利要求1所述的一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，所述基座(9)上还装有测距激光器(6)和平移机构(7)，所述测距激光器(6)的测量光束与成像镜头(2)的光轴平行，并指向测量目标(A)方向；所述测距激光器(6)的测距起点位置与孔径光阑(1)对应的入瞳一致；所述孔径光阑(1)和成像镜头(2)与基座(9)固定连接，光电图像传感器(4)安装在平移机构(7)上，可沿成像镜头(2)光轴方向移动，移动的位置根据测距激光器(6)的距离信息而改变。

5.根据权利要求1所述的一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，所述基座(9)上装有眼动旋转运动台(8)；眼动旋转运动台(8)至少含有俯仰旋转轴和左右旋转轴，俯仰旋转轴和左右旋转轴的轴线互相正交，且与成像镜头(2)的光轴互相正交；正交点位于孔径光阑(1)对应的入瞳中心后10mm处。

6.根据权利要求1所述的一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，所述基座(9)上装有眼动旋转运动台(8)；眼动旋转运动台(8)至少含有俯仰旋转轴和左右旋转轴，俯仰旋转轴和左右旋转轴的轴线互相正交；正交点与孔径光阑(1)对应的入瞳的中心重合。

7.根据权利要求1、5或6所述的一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，所述基座(9)上还装有头动旋转运动台(8)；头动旋转运动台(8)含有可180度俯仰旋转的水平轴、与水平轴正交并可360度旋转的垂直轴；垂直轴与成像镜头(2)的光轴正交，且正交点位于水平轴与垂直轴正交点上方100mm至130mm之间。

8.根据权利要求1、5或6所述的一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，所述基座(9)上还装有头动旋转运动台(8)；头动旋转运动台(8)含有可180度俯仰旋转的水平轴、与水平轴正交并可360度旋转的垂直轴；垂直轴与成像镜头(2)的光轴相互垂直但不相交且相分离27mm至36mm之间，且成像镜头(2)的光轴在垂直轴上垂直投影的垂足点位于水平轴与垂直轴正交点上方100mm至130mm之间。

9.根据权利要求2所述的一种模拟人眼视角的亮度检测装置，其特征在于，光电图像传感器(4)的光电面像素单元按人眼视网膜中央凹的视锥感光细胞的密度倒数的比例关系；光电图像传感器(4)的光电面中心像素单元，对应的视场角为1/60度至1/120度平面角，离开中心区域的光电面像素单元对应的视场角逐渐增大。

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