用于AR/VR測試的抬頭顯示和近眼顯示測試方法
什么是“虛擬”圖像？最基本的，虛擬圖像是投射到空間的圖像。產(chǎn)生虛擬圖像的典型設(shè)備包括矯正眼鏡、雙筒望遠(yuǎn)鏡、放大鏡、眼鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、步槍瞄準(zhǔn)鏡、近眼顯示器和平視顯示器。這些設(shè)備中的每一個都形成一個近場圖像，用眼睛觀看并適應(yīng)基于儀器設(shè)計的距離。在創(chuàng)建“虛擬圖像”時，亮度和顏色測量是關(guān)鍵因素。這兩個都受到瞳孔的物理大小的影響
圖像測量有四種不同的物理類別。他們是：
1.虛擬現(xiàn)實-不涉及環(huán)境照明，近眼顯示
2.增強(qiáng)現(xiàn)實-包括部分環(huán)境照明和近眼顯示
3.數(shù)字眼鏡-需要全環(huán)境照明和近眼顯示
4.汽車/航空電子設(shè)備-需要全環(huán)境照明和平視顯示器
標(biāo)準(zhǔn)亮度產(chǎn)品通常可用于測量抬頭顯示，但近眼顯示由于光學(xué)元件緊湊，需要特別考慮。其中一個考慮因素是環(huán)境照射的影響，這使設(shè)計和測量都變得復(fù)雜。
A光源是所有制造商用于標(biāo)定光源特性的基本標(biāo)準(zhǔn)。A光源的優(yōu)點(diǎn)是A光源的物理特性很好測量，在穩(wěn)定供電時，A光源非常穩(wěn)定，在實驗室中表現(xiàn)出高相關(guān)性，光譜是連續(xù)的，沒有拐點(diǎn)等特點(diǎn)。然而，A光源的藍(lán)光含量非常低，不能代表任何現(xiàn)代顯示，并且相對于現(xiàn)代照明/顯示標(biāo)準(zhǔn)來說，其色溫也是非常低的。
這造成在使用A光源作為校準(zhǔn)源時產(chǎn)生不確定性。 大多數(shù)設(shè)備都以A光源為參考，但是典型的非A光源的光源的測量不確定性相對較高，并且儀器間一致性也會受到影響。 因此，大多數(shù)電子顯示測量都不是基于A光源的。
抬頭顯示和近眼顯示由于圖像刷新而具有變化的時間特性。 同步時序?qū)τ谠诟吡炼认露唐毓鈺r間的測量至關(guān)重要。 出瞳均勻性是另一個影響亮度準(zhǔn)確性的問題。 這些不確定性也使儀器間一致性更加難以把控。
增強(qiáng)現(xiàn)實與透明度問題
虛擬現(xiàn)實（VR）是一種封閉現(xiàn)實世界的數(shù)字環(huán)境。而增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）則是一種建立在現(xiàn)實世界之上的數(shù)字內(nèi)容。
環(huán)境照明的動態(tài)范圍決定了顯示元件的動態(tài)范圍。 傳統(tǒng)的抬頭顯示與增強(qiáng)現(xiàn)實顯示之間的區(qū)別在于，抬頭顯示通常用于向場景提供輔助信息，而不是使用另一個場景來增強(qiáng)場景。
上面的這個眼盒（eye box)例子是一個簡單的放大鏡，真實物體放在鏡頭焦平面的前面。光線軌跡顯示虛擬圖像是在真實物體后面形成的。必須執(zhí)行第二次光軌跡，才能知道觀察者將如何看到圖像的。
那么怎么測量虛擬圖像與真實圖像有何不同呢？ 上面的眼盒（eye box)框示例中的虛像顯示范圍受出瞳限制。 這意味著正確測量亮度需要滿足三個必不可少的條件：
1.出瞳的照明范圍必須超過測量儀器的入瞳范圍；
2.測量儀器的視場必須小于“眼盒（eye box)”或出瞳范圍；
3.在測量儀器的入瞳處，必須保證光源的均勻性。 這是比較不同儀器的數(shù)據(jù)時，降低儀器性能的重要元素。
查看上面的虛擬圖像演示了執(zhí)行第二條光線軌跡以顯示查看條件。 現(xiàn)在，虛擬圖像在光線軌跡中被定義為“真實”對象。 “最佳”眼睛位置被任意定義為由近軸主光線（以紅色顯示）和近軸邊緣光線（以綠色顯示）表示的平面。 從這一點(diǎn)觀察可以查看整個區(qū)域。 “眼盒（eye box)”范圍平面表示觀察者可以查看整個圖像區(qū)域的極限距離。
那么問題出在哪里呢？ 從理論上講，應(yīng)該沒有問題。 保持亮度恒定，因此在光學(xué)系統(tǒng)中的任何位置亮度都完全相同。 然而，問題在于測量裝置的物理結(jié)構(gòu)引起的。 需要保證瞳孔和“眼盒（eye box)”的光學(xué)特性需要嚴(yán)格一致。 并且要滿足一個必不可少的條件：眼盒（eye box)中的照明必須完全均勻。 如果在近眼情況下虛擬圖像的物理范圍小于抬頭顯示中的物理范圍，則儀器間的一致性將成為另一個需要考慮的問題。
在抬頭顯示/近眼顯示在測量方面還面臨其他挑戰(zhàn)。許多客戶不理解這兩個基本要求：從出瞳處照射范圍必須超過測量儀器的入瞳范圍，并且測量儀器的視場必須小于“眼盒（eye box)”或出瞳的范圍。
亮度在光學(xué)系統(tǒng)中的任何地方都是恒定的，只能通過光傳輸過程進(jìn)行改變。 在最近的眼鏡討論中“眼鏡顯示測量方法：測量設(shè)備中瞳孔大小的依賴性”，”大島康介等人強(qiáng)調(diào)了這個問題，照明設(shè)備的不正確使用或設(shè)計會導(dǎo)致固定孔徑和亮度的很大變化。 兩種儀器類型之間的基本數(shù)據(jù)即使在小孔徑尺寸下也有相當(dāng)大的差異。 而顯示不均勻加大這些差異。
屏幕中心亮度與入瞳尺寸關(guān)系
固定孔徑解決方案
在現(xiàn)實世界中，固定的孔徑附件可以在眼盒（eye box)中進(jìn)行測量。 遠(yuǎn)心設(shè)計可以消除焦點(diǎn)，但一定要知道視場范圍。 該固定孔徑系統(tǒng)的視野為18度。 在現(xiàn)實世界中，沒有標(biāo)準(zhǔn)的眼鏡配置。 必須用夾具來固定耳鉤和模擬鼻梁。有限的空間使測量變得困難，但是如果滿足上述三個必不可少的條件，則可以使用光譜輻射度計進(jìn)行測試。
可以測量近眼設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射儀可以比較固定孔徑和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之間的亮度測量結(jié)果。 這可能要低三倍。 在一個測試示例中，沒有填充標(biāo)準(zhǔn)儀器的入射光瞳，因此將光譜輻射度計放置得更遠(yuǎn)可以產(chǎn)生更好的相關(guān)性。 但是，在兩個系統(tǒng)的視場相等之前，不可能使兩種配置都達(dá)成一致。
如果光纖適配器安裝在標(biāo)準(zhǔn)鏡頭上，則可以使用光纖探頭安裝在“head box”內(nèi)。 然后將光纖探針安裝在夾具中。 這可以使固定物理入瞳位置容易定位。 在中等亮度下人眼的平均瞳孔尺寸為3-5mm。 這在心理物理研究中是非常有用的，因為視網(wǎng)膜照度很容易計算。這里采用了一種被稱為“遠(yuǎn)心”技術(shù)的概念。
固定孔徑測量與標(biāo)準(zhǔn)亮度計有相關(guān)性。這并不簡單，因為顯示器與光學(xué)系統(tǒng)耦合的不均勻性。使用標(biāo)準(zhǔn)光度計/光譜輻射度計，標(biāo)準(zhǔn)裝置的出瞳孔徑必須被填滿，以便進(jìn)行精確的光點(diǎn)測量。因此，當(dāng)使用固定孔徑系統(tǒng)時，對測量區(qū)域進(jìn)行“填充”是非常重要的。
固定孔徑解決方案的好處在于，它可以將測量結(jié)構(gòu)最小化。 根據(jù)定義，此解決方案對成像位置要求很寬泛。 可以將孔徑定義為與瞳孔尺寸相同。 止動透鏡(stop lens)造成的誤差小于3% 。
Photo Research的固定孔徑附件
Photo Research的固定孔徑附件在測量設(shè)備的較大運(yùn)動范圍內(nèi)可以變化很小。 當(dāng)被測光源不再充滿透鏡的入射光瞳時，測得亮度會快速變化。但經(jīng)過校準(zhǔn)在2-6mm的孔徑之間，亮度幾乎沒有變化。
參考上圖，位于L1后焦點(diǎn)的遠(yuǎn)心光圈定義了圖像尺寸隨對象位置的變化。 第二個鏡頭將光圈聚焦到固定點(diǎn)。 L1位于L2的前焦點(diǎn)，因此使L1的出瞳變?yōu)檫h(yuǎn)心。 L1和L2的位置之間的關(guān)系提供了高度的瞳孔混合。 通過在L1的前表面放置一個物理擋塊，可以調(diào)整該系統(tǒng)的視場。 通過將MS-75鏡頭用作光學(xué)系統(tǒng)中的L2，可以將該設(shè)計體現(xiàn)為PRISM-75鏡頭的附件。
二維測量
那么，二維測量到底怎么樣？二維測量對于缺陷檢測（即MURA）和其他標(biāo)準(zhǔn)（如MTF、圖像運(yùn)動涂抹、固定模式噪聲、失真等）是非常重要。固定瞳孔在眼鏡中是非常有挑戰(zhàn)性的，但它可能不是這些空間測量所必需的。必須通過完全均勻地裝滿入瞳孔。但由于眼盒（eye box)幾何結(jié)構(gòu)和顯示均勻性的限制，這通常是不可能的。如果絕對輻射測量/色度測不重要，就沒這么多問題了。
通常，如果可以捕獲整個視場，由于入射光瞳問題，測得的亮度值將偏低，但這可以通過使用具有正確幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)輻射度計來進(jìn)行校正。同理也可以進(jìn)行MTF測量，但必須對MTF圖像捕獲系統(tǒng)進(jìn)行表征，并校正成特性。這會導(dǎo)致在高頻下的噪聲更大。
殘影的測量需要非常精確地控制曝光時間。 傳感器的電子快門的特性可能會使數(shù)據(jù)變得復(fù)雜化。 因此，與固定孔徑系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)將非常困難。 對眼盒（eye box)參數(shù)的了解不足，無法開發(fā)適用于所有情況的通用解決方案。 成像器的特性對所得數(shù)據(jù)有很大的影響，因此，使用之前必須對成像器進(jìn)行完全校準(zhǔn)。
結(jié)論
對于抬頭顯示（用于航空電子設(shè)備/汽車），建議使用標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射度計，并注意確保設(shè)備的入瞳孔正確填充。
對于近眼顯示，應(yīng)使用固定孔徑解決方案。 也可以在支座位置使用標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射度計，以確保入瞳孔填滿。
請記住，方法之間的相關(guān)性會因顯示不均勻而受到影響。應(yīng)進(jìn)行重復(fù)性測量（不少于七個），以確保時間同步?jīng)]有問題。 還應(yīng)該進(jìn)行可靠性測量，以確認(rèn)測量過程準(zhǔn)確性。
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