CN220120361U - 近眼显示设备的光学自动化测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种近眼显示设备的光学自动化测量系统，具体手段为，控制器先控制近眼显示设备显示特定图案；且控制位移产生模块以驱使影像感测模块朝成像模块趋近或远离，并控制影像感测模块分别拍摄特定图案以获取多个对焦影像；而控制器便根据多个对焦影像进行对焦。最后，控制器控制测量近眼显示设备的光学特性。据此，本新型所采用的对焦手段是一边移动影像感测模块，而一边拍摄近眼显示设备所显示特定图案，并通过比对该拍摄结果来进行自动对焦。本实用新型可显著提升对焦效率和测试效率，并可有效提升光学检测的准确率。

Description

近眼显示设备的光学自动化测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种近眼显示设备的光学自动化测量系统，尤其涉及一种AR、VR、MR及XR等穿戴式近眼显示设备的检测设备，特别涉及光学特性的测试。

背景技术

近眼显示设备(NEAR EYE DISPLAYS，缩写NED)的开发进展越趋成熟，且在市场上的接受度也越来越高，即例如扩增实境(AR)、虚拟现实(VR)与混合实境(MR)等穿戴式装置逐渐地普及。

然而，近眼显示设备的光学特性质测量试却一直是各大制造商的痛点；其主要原因在于，近眼显示设备为了因应穿戴者不同视力状态(如近视、远视或正常视力)，将容许设定为不同屈光度来进行显示。因此，在不同屈光度条件下进行光学特性测试是质测量试中不可或缺一环，然而此将直接加重了检测上的复杂程度。

以传统的检测方式而言，于不同屈光度条件下，将先以人工进行对焦，而后才进行各项光学特性的测试。然而，传统人工方式不确定性高，且耗费人力资源，成本高昂，又效率不佳。

另外，公开第WO2022204029号专利文献中采用了具备电动对焦功能的市售摄影镜头，只是该市售镜头毕竟不是专为近眼显示设备所设计，所以无法完全符合近眼显示设备的需求及相关显示特性，成像质量恐未尽理想，而测量结果的准确性也恐有待商榷。而且，就硬件设计而言，为了将市售镜头整合于测试设备，将造成整体体积庞大，又必须增加一些额外安装组件，建置成本高昂，或将直接影响检测效率。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种近眼显示设备的光学自动化测量系统，从而取代或仿真人工进行近眼显示设备的成像质量检测。于不同屈光度条件下的投射影像，可实现仿人眼的测量仪器快速自动对焦，所以可显著提升测试效率，并可得到绝佳的光学影像质量。

为达成上述目的，本实用新型一种近眼显示设备的光学自动化测量系统，其主要包括成像模块、影像感测模块、位移产生模块及控制器。成像模块用于连接近眼显示设备；影像感测模块连接成像模块；而位移产生模块适于在至少一个维度方向上使影像感测模块产生位移；控制器电连接至该近眼显示设备、影像感测模块及位移产生模块。其中，控制器控制近眼显示设备显示特定图案；控制器控制影像感测模块拍摄特定图案以获取至少一个对焦影像；控制器根据对焦影像控制位移产生模块，以驱使影像感测模块朝成像模块趋近或远离，从而进行对焦。

据此，本实用新型于进行光学特性的检测时，所采用的对焦手段是一边移动影像感测模块，并一边拍摄近眼显示设备所显示特定图案，而通过比对该拍摄结果(对焦影像)来进行对焦位置的定位。然而，这一机制可实现快速自动对焦，且可适用于任一屈光度条件，并可适用于所有种类的近眼显示设备，又可大幅提升检测效率及检测精度。

另一方面，由于执行对焦的移动构件为影像感测模块，而因影像在经过成像模块后，成像的焦距范围可显著地缩小，所以让影像感测模块自动对焦的移动行程距离将可大幅缩短；且因影像感测模块体积小重量轻，所以可使位移产生模块小型化，而测量系统的整体体积可更紧凑。再者，本实用新型可采用专为近眼显示设备所设的专用成像模块，所以在整个测试阶段可得到绝佳的光学影像质量，从而利于提升检测质量及检测效率。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的系统示意图。

图2A是本实用新型的一个实施例的光路示意图。

图2B是本实用新型的一个实施例的系统架构图。

图3是本实用新型的一个实施例的测量流程图。

图4A是本实用新型的一个实施例采用对比度分析的对焦曲线图。

图4B是本实用新型的一个实施例采用MTF数值分析的对焦曲线图。

具体实施方式

本实用新型近眼显示设备的光学自动化测量系统在本实施例中被详细描述之前，要特别注意的是，以下的说明中，类似的组件将以相同的组件附图标记来表示。再者，本实用新型的附图仅作为示意说明，其未必按比例绘制，且所有细节也未必全部呈现于附图中。

首先说明，本实施例的近眼显示设备D以AR眼镜为例进行说明，只是本实用新型并不以此为限，其它诸如VR、MR及XR等近眼显示设备均可适用于本实用新型。

请同时参阅图1、图2A及图2B，图1是本实用新型的一个实施例的系统示意图，图2A是本实用新型的一个实施例的光路示意图，图2B是本实用新型的一个实施例的系统架构图。如图中所示，本实施例主要包括成像模块2、影像感测模块3、位移产生模块4及控制器5。成像模块2的一端用于对接近眼显示设备D，另一端邻接影像感测模块3；而位移产生模块4用于载置影像感测模块3，并适于在至少一个维度方向上使该影像感测模块3产生位移；控制器5电连接至近眼显示设备D、影像感测模块3及位移产生模块4。

再者，成像模块2可由微距镜(macro lens)、光隔板(baffle)、光圈(aperture)组件及目镜(eyepiece)等光学构件所组成。需要特别说明的是，本实用新型的成像模块2为专用的镜头模块，其是针对不同待测物(即近眼显示设备D)的光学特性所特别配置的，例如针对AR眼镜、或VR眼镜所设计的专属成像模块2，甚至可针对不同制造商的近眼显示设备D设计各自专属的成像模块2。然而，本实施例的成像模块2即是针对AR眼镜专设的光学镜头模块。

进一步说明，由于AR眼镜中的显示器被配置为只在用户的视野范围(FOV；FieldOf View)的一小部分中呈现信息，所以用于测量AR眼镜显示器所定制设计的成像模块2大部分都是一个小的角度视野范围(例如，±20度)。然而，VR眼镜则完全相反，因VR眼镜中的显示器通常被配置为尽可能多地填填满用户的视野范围，让用户沉浸其中，所以视野范围通常选用相当大的角度。据此，本实用新型针对不同待测物(即近眼显示设备D)的光学特性采用专属的成像模块2，因此在整个测试阶段可得到绝佳的光学影像质量，从而利于提升检测质量及检测效率，且整个系统的体积也可以进一步缩减。

另外，关于影像感测模块3可包括单纯撷取影像的CCD或CMOS传感器以及光学特性检测的相关测量仪器，例如亮度计及色度计等。另外，本实施例的位移产生模块4主要包括致动器41、滑架42及导杆43，影像感测模块3配置于滑架42上，且滑架42滑设于导杆43，而致动器41动力连结于滑架42。据此，致动器41可驱动滑架42前后滑移，然因影像在经过成像模块2后，成像的焦距范围已经显著地缩小，所以针对不同极限屈光度的情况下，滑架42滑移的范围也仅于2-5厘米之间，所以位移产生模块4的体积可以相当紧凑。

本实施例的控制器5可为桌面计算机、笔记本电脑、平板计算机、工业计算机、服务器或其它具有数据处理功能的计算机装置；控制器5电连接至近眼显示设备D、影像感测模块3及位移产生模块5，并控制这些构件的动作。

以下说明本实施例的运作流程，请一并参阅图3，其是本实用新型的一个实施例的测量流程图。首先将近眼显示设备D(AR眼镜)架设于成像模块2的目镜前方，接着控制器5设定位移产生模块4的初始位置，又称位置归零，即步骤S100。接着，步骤S110，控制器5控制近眼显示设备D显示特定图案Ps，这一特定图案Ps关联于后续的对焦比对的技术方案，后有详述。步骤S120，控制器5先控制影像感测模块3拍摄特定图案Ps以获取对焦影像Pa。

接着，步骤S130，以下提供对比度分析对焦法及MTF数值分析对焦法。于对比度分析对焦法中，特定图案Ps包括多个黑白条纹，控制器5计算所拍摄到的对焦影像Pa的对比度(Contrast Ratio)，计算公式为对比度＝(Lmax-Lmin)/(Lmax+Lmin)；其中Lmax是对焦影像Pa中最大亮度值，Lmin是对焦影像Pa中最小亮度值。在步骤S140中，控制器5便判断所计算出的对比度数值是否已经达到最佳对焦后的数值。

若尚未达到最佳对焦值，则进行步骤S150，即控制器5控制位移产生模块4以驱使影像感测模块3朝成像模块2趋近或远离后，再重新获取对焦影像Pa并计算其对比度，即重复步骤S120、S130、S140及S150。若对比度值已经达到最佳对焦值，则完成对焦程序，而继续进行步骤S160，即控制器5控制相关测量仪器去测量近眼显示设备D的光学特性，包括但不限于成像质量、色亮度、视像距离(AID)、虚像距离(VID)以及双目屈光度等。

另一方面，于MTF数值分析对焦法中，特定图案包括高对比度斜边图案(slantededge pattern)，只是不限于该图案，其它可呈现高对比度度的图案也可适用，例如十字图案。控制器5计算所拍摄到的对焦影像Pa的MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)数值，计算公式为MTF＝M*/M，其中M为特定图案Ps的对比度，M*为对焦影像Pa的对比度。至于，对焦方式如前段对比度分析对焦法所述，重复步骤S120、S130、S140及S150，直到对焦影像Pa的MTF数值已经达到最佳对焦值。

值得一提的是，在对比度分析对焦法中，须针对不同空间频率来变换投影黑白条纹间距周期；而在MTF数值分析对焦法中，只需投影固定间距的斜边条纹，则可选取任意空间频率计算之。更简单地说，MTF数值分析对焦法相较于对比度分析对焦法还具有一次计算即可产生任意空间频率数值的优势，所以在运用上可更具弹性。

此外，本实施例另外提供以下的变形例，请先参阅图4A，其是本实用新型的一个实施例采用对比度分析的对焦曲线图。其中，控制器5控制位移产生模块4以驱使影像感测模块3在不同位置移动，可采步进式移动，而获取多个对焦影像Pa。控制器5计算该多个对焦影像的对比度(Contrast Ratio)并得到对焦曲线；控制器5求出该对焦曲线的峰值，此即为最佳对焦位置。之后，控制器5控制位移产生模块4以驱使影像感测模块3位于该峰值所对应的位置，即完成对焦。

另外，关于MTF数值分析对焦法的变形例，类似地，控制器5控制位移产生模块4以驱使影像感测模块3在不同位置移动，而获取多个对焦影像Pa，并计算MTF数值得到对焦曲线。请见图4B上方，具体手段为根据高对比度斜边图案的边缘信息微分处理得到线扩散函数，再经由FFT傅立叶变换运算，可得到MTF数值和空间频率的曲线波形图(图4B上方)，再将其转换成为最终的对焦曲线(图4B下方)，而该对焦曲线的峰值即为最佳对焦位置。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本实用新型所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

附图标记说明

2：成像模块

3：影像感测模块

4：位移产生模块

5：控制器

51：内存

D：近眼显示设备

GS：模板影像

Pa：对焦影像

Ps：特定图案。

Claims (5)

1.一种近眼显示设备的光学自动化测量系统，其包括：

成像模块，其用于连接该近眼显示设备；

影像感测模块，其连接该成像模块；

位移产生模块，其适于在至少一个维度方向上使该影像感测模块产生位移；以及

控制器，其电连接至该近眼显示设备、该影像感测模块及该位移产生模块；

其特征是，该控制器控制该近眼显示设备显示特定图案；该控制器控制该影像感测模块拍摄该特定图案以获取至少一个对焦影像；该控制器根据该对焦影像控制该位移产生模块，以驱使该影像感测模块朝该成像模块趋近或远离，从而进行对焦。

2.根据权利要求1所述的光学自动化测量系统，其特征是，该控制器控制该影像感测模块分别拍摄该特定图案以获取多个对焦影像，该控制器根据该多个对焦影像进行对焦。

3.根据权利要求2所述的光学自动化测量系统，其特征是，该特定图案包括多个黑白条纹；该控制器计算该多个对焦影像的对比度并得到对焦曲线；该控制器求出该对焦曲线的峰值，并控制该位移产生模块以驱使该影像感测模块位于该峰值所对应的位置。

4.根据权利要求2所述的光学自动化测量系统，其特征是，该特定图案包括高对比度斜边图案或十字图案；该控制器计算该多个对焦影像的MTF数值并得到对焦曲线；该控制器求出该对焦曲线的峰值，并控制该位移产生模块以驱使该影像感测模块位于该峰值所对应的位置。

5.根据权利要求1所述的光学自动化测量系统，其特征是，该控制器进一步控制该影像感测模块测量该近眼显示设备的成像质量、色亮度、视像距离(AID)、虚像距离(VID)以及双目屈光度中至少一者。