一种近眼成像设备的光学参数检测方法及系统

技术领域

本发明属于光学参数测量技术领域，具体涉及一种近眼成像设备的光学参数检测方法及系统。

背景技术

在现代社会中，近眼成像技术的发展逐渐完善，各类近眼成像设备也越来越多，如各类AR、VR和MR等只能设备以及驾驶工具中的HUD设备等。在增强现实系统中，虚拟世界与现实世界叠加在一起，用有用的信息对人们看到的现实世界进行补充。

由于近眼显示设备本身成像后接收端主要是人眼，且近眼显示设备与人眼距离较近，且由于近眼显示的特殊性和大视场的特性，适应于近眼端的检测需求是无法避免的，必须进行相关的参数检测。

目前的近眼成像设备的光学性能测试过程中，关于眼盒、眼点和光谱路径等的测量尤为重要，而目前涉及到眼盒、眼点以及光谱路径的测试算法还处于发展和测试阶段，还没有较好地得到近眼成像设备各项光学参数的测试方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种近眼成像设备的光学参数检测方法，用以获得近眼成像设备的眼盒、眼点和光谱路径等参数。

为实现上述目的，本发明提供一种近眼成像设备的光学参数检测方法，其通过光学测量设备对待检设备进行检测，包括如下步骤：

调整光学测量设备的入瞳中心与待检设备的出瞳中心正对设置；

固定所述入瞳中心与待检设备在第一方向上的距离，摆动调整光学测量设备在与第一方向垂直的平面上的位移距离，并使得所述入瞳中心在第二方向进行位移，获得所述待检设备在所述第二方向上的眼盒边界；

摆动调整所述光学测量设备在与所述第二方向垂直的平面上的位移距离，并使得所述光学测量设备在第三方向上进行位移，获得待检设备在第三方向上的眼盒边界，以获取入瞳中心处于第一方向的固定坐标值时在与第一方向垂直平面上的眼盒边界，其中，所述第一方向、第二方向和第三方向两两垂直；

调整所述入瞳中心与待检设备在第一方向上的距离，以分别获取入瞳中心处于第一方向的不同坐标值时在与第一方向垂直平面上的眼盒边界，以获取第一方向、第二方向和第三方向下的眼盒参数。

作为本发明的进一步改进，所述光学测量设备放置于所述调节台上，所述调节台可带动所述光学测量设备旋转或平移。

作为本发明的进一步改进，所述眼盒边界的获取方式为：

根据入瞳中心旋转角度、光学测量设备质心到其旋转中心的距离和光学测量设备入瞳中心到旋转中心的距离，计算得到该调节台的第一方向、第二方向、入瞳中心旋转角度的输出量，将输出量输入到调节台，利用调节台带动光学测量设备运动并测算眼盒边界。

作为本发明的进一步改进，所述入瞳中心旋转角度为根据光学测量设备测算眼盒边界参数迭代计算获得。

作为本发明的进一步改进，所述光学测量设备的质心在与第三方向垂直平面上的位移输出量的获取方式为：

利用光学测量设备入瞳中心到旋转中心的距离、光学测量设备质心到其旋转中心的距离以及光学测量设备在与第三方向垂直平面上的旋转角度计算得到光学测量设备的质心在第一方向和第二方向上的位移距离。

作为本发明的进一步改进，所述调节台在与第三方向垂直平面上的输出量的获取方式为：

利用光学测量设备的质心在第二方向上的位移距离、光学测量设备质心与调节台运动中心连线与水平面之间的夹角、光学测量设备的质心在第一方向上的位移距离计算得到调节台在第一方向和第二方向上的位移距离；

利用光学测量设备在与第三方向垂直平面上的旋转角度计算得到调节台运动中心在第二方向上的角度变换值。

作为本发明的进一步改进，所述光学测量设备质心与调节台运动中心连线与水平面之间的夹角为根据光学测量设备质心距离调节台运动中心在第二方向上的距离和旋转中心距离调节台运动中心在第一方向上的距离计算得到。

作为本发明的进一步改进，所述调节台在与第二方向垂直平面上的输出量的获取方式为：

利用光学测量设备质心到其旋转中心的距离、光学测量设备入瞳中心到旋转中心的距离和光学测量设备在与第二方向垂直平面上的旋转角度计算得到调节台在第一方向和第三方向上的位移距离；

利用光学测量设备在与第二方向垂直平面上的旋转角度获得调节台在第三方向上的角度变换值。

作为本发明的进一步改进，还包括如下步骤：根据待检设备的眼盒参数获得眼点在空间中的坐标。

作为本发明的进一步改进，还包括如下步骤：将光学测量设备替换为光谱仪，利用光谱仪在眼盒参数范围内测试该待检设备的MTF、亮度、色度或均匀性中的至少其中一种。

本申请还包括一种近眼成像设备的光学参数检测系统，用于对待检设备的光学参数进行检测，其包括：

光学测量设备，所述光学测量设备用于检测所述待检设备的眼盒边界；

调整机构，所述调整机构包括第一调整机构和第二调整机构；

所述第一调整机构用于调整所述光学测量设备的入瞳中心与待检设备的出瞳中心，并使得二者正对设置；

所述第二调整机构用于旋转调整所述光学测量设备的位置，使得所述光学测量设备分别检测待检设备在不同第一方向坐标下在与第一方向垂直平面上的眼盒边界，并通过所述第二调整机构的位移参数获得所述待检设备在空间中的光学参数。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

（1）本发明的近眼成像设备的光学参数检测方法，其通过在第一方向上相同距离下分别测算待检设备在第二方向和第三方向上的眼盒边界，以获得其在垂直于第一平面上的眼盒边界，并通过变换第一方向坐标下的位移，并通过测算不同第一方向坐标下的眼盒边界拼合得到该待检设备在立体空间内的眼盒参数，同时其通过摆动调整光学测量设备，并严格调整光学测量设备入瞳中心在第二方向和第三方向上的位移精度，确保其在垂直于第一方向平面内测算眼盒边界，通过在光学测量设备中加入摆动参数，能更加精确测算锥形眼盒边界参数，提高眼盒参数测算的准确性。

（2）本发明的近眼成像设备的光学参数检测方法，其通过调节台带动光学测量设备进行运动，通过调节台对数据的可验算性和可编辑性将光学测量设备测算得到的眼盒边界数据量化，便于待检设备眼盒参数的确认。

（3）本发明的近眼成像设备的光学参数检测方法，其通过在同一第一方向坐标下，分别测算其在第二方向和第三方向上的眼盒边界范围，通过模拟光学测量设备的旋转角度获得调节台的运动参数，并利用调节台带动光学测量设备运动测算，以验证该光学测量设备的旋转角度，通过不断调整变换光学测量设备的旋转角度，迭代计算待检设备的眼盒参数，在通过光学测量设备正好得到待检设备的眼盒参数边界范围时，即通过调节台调节数据推算得到待检设备眼盒参数。

（4）本发明的近眼成像设备的光学参数检测方法，其通过测算得到的眼盒参数可计算得到其眼点在空间中的坐标位置，并通过将光学测量设备替换为光谱仪，利用光谱仪验算待检设备在眼盒区域内的MTF、亮度、色度或均匀性等其它光学参数。

附图说明

图1是本发明实施例中近眼成像设备的光学参数检测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中近眼成像设备光学参数检测系统结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：

1、待检设备；2、光学测量设备；3、调节台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

请参阅图1、图2，本发明优选实施例中的近眼成像设备的光学参数检测方法通过光学测量设备2对待检设备1进行检测，具体地，其包括如下步骤：

调整光学测量设备2的入瞳中心与待检设备1的出瞳中心正对设置；

可选地，在将光学测量设备2的入瞳中心与待检设备1的出瞳中心调整为正对设置时，优选在该光学测量设备2和待检设备1上设置第一水平仪和第二水平仪，通过两水平仪对二者进行测试调整，使得光学测量设备2的入瞳中心与待检设备1的出瞳中心正对设置，且下述中的正对设置均指代光学测量设备2与待检设备1的出瞳中心正对设置。

固定光学测量设备2的入瞳中心与待检设备1在第一方向上的距离，摆动调整光学测量设备2在与第一方向垂直的平面上的位移距离，并使得入瞳中心沿第二方向进行位移，获得待检设备1在第二方向上的眼盒边界；

摆动调整光学测量设备2在与第二方向垂直的平面上的位移距离，并使得光学测量设备2在第三方向上进行位移，获得待检设备1在第三方向上的眼盒边界，以获取入瞳中心处于第一方向的固定坐标值时在与第一方向垂直平面上的眼盒边界，其中，第一方向、第二方向和第三方向两两垂直；

调整光学测量设备2的入瞳中心与待检设备1在第一方向上的距离，以分别获取入瞳中心处于第一方向的不同坐标值时在与第一方向垂直平面上的眼盒边界，以获取第一方向、第二方向和第三方向下的眼盒参数。

具体地，以光学测量设备2的入瞳中心为原点建立世界坐标系，限定光学测量设备2的入瞳中心朝向待检设备1的出瞳中心为第一方向，即世界坐标系下的Z轴方向；以竖直方向为第二方向，即世界坐标系下的Y轴方向；以垂直于YZ平面的方向为第三方向，即世界坐标系下的X轴方向。

在利用光学测量设备2对待检设备1眼盒边界进行测试时，光学测量设备2测试获得的亮度会随着设备的移动逐渐降至某个阈值，此时该光学测量设备2的入瞳中心所在的测试点位即为该待检设备1在此处的眼盒边界。在采用上述方式测算待检设备1的眼盒参数时，通过将光学测量设备2带有一定旋转角度感知眼盒边界，使得该光学测量设备2在眼盒范围的锥形边界的端点处小幅摆动，使得其测算得到的眼盒边界较常规一维移动测算方式具备更大的测算范围，提高对待检设备1眼盒边界测算的准确度。

进一步地，作为本发明的优选实施例，本申请中的光学测量设备2的调整通过调节台3来进行调节，该光学测量设备2置于调节台3上，且该调节台3可带动光学测量设备2进行旋转或者平移。在将光学测量设备2移动测算待检设备1的眼盒边界时，该光学测量设备2虽然能够感知待检设备1的眼盒边界，但是其本身无法直接获得移动过程中的位移参数，无法将眼盒参数具体量化。因此需要采用调节台3对光学测量设备2进行调节，其一方面可实现光学测量设备2的运动轨迹可控，其另一方面可对光学测量设备2的运动参数进行记录，使得光学测量设备2在感知到眼盒边界时，可将光学测量设备2的具体位置进行记录，以计算得到待检设备1的眼盒参数。优选地，该调节台3为六轴式台，其可实现光学测量设备2在任意位置和角度的调整。

优选地，上述光学测量设备2指代的是光阑前置，并且视角较大，对焦无穷远且景深较大的一类光学测量设备2，其主要用于近眼成像设备的光学参数的检测。

进一步地，作为本发明的优选实施例，本申请中眼盒边界的获取方式为：

根据入瞳中心旋转角度θ、光学测量设备2质心到其旋转中心的距离R和光学测量设备2入瞳中心到旋转中心的距离d，计算得到调节台3在第一方向、第二方向和入瞳中心旋转角度的输出量，将输出量输入到调节台3，利用调节台3带动光学测量设备2运动并测算眼盒边界。优选地，上述步骤中入瞳中心旋转角度θ为根据光学测量设备2测算眼盒边界参数迭代计算获得。

在利用入瞳中心旋转角度θ、光学测量设备2质心到其旋转中心的距离R和光学测量设备2入瞳中心到旋转中心的距离d去计算调节台3的输出量的过程中，入瞳中心的旋转角度为预设值，其在代入计算调节台3输出量的过程中，可能实际运行测算时该光学测量设备2在端点处仍旧处于眼盒范围内或早已超出眼盒范围，使得其测算结果不准确。此时需要对旋转角度进行逐步调整，逐步进行迭代计算，使得通过光学测量设备2进行测量时，其边界处正好位于眼盒边界处，以得到准确的眼盒参数。

在进行测试时，为了保证光学测量设备2运动轨迹可控，入瞳中心旋转角度调整方便，在同一第一方向坐标系下，单独调整光学测量设备2在第二方向或第三方向上的位移，使得该入瞳中心在垂直于第一方向的平面上运动，以确保眼盒参数测试的准确性。而由于光学测量设备2的入瞳中心与质心位置并不重合，并且光学测量设备2质心处呈摆动设置，使得入瞳中心在第二方向或第三方向运动时，其质心在垂直于第三方向平面或垂直于第二方向平面内进行运动，下面根据θ、R和d的参数计算调节台3的运动参数。

具体地，本申请中光学测量设备2的质心在与第三方向垂直平面上的位移输出量的获取方式为：

利用光学测量设备2入瞳中心到旋转中心的距离、光学测量设备2质心到其旋转中心的距离以及光学测量设备2在与第三方向垂直平面上的旋转角度计算得到光学测量设备2的质心在第二方向上的位移距离；

利用光学测量设备2入瞳中心到旋转中心的距离、光学测量设备2质心到其旋转中心的距离以及光学测量设备2在与第三方向垂直平面上的旋转角度计算得到光学测量设备2的质心在第一方向上的位移距离。

具体地，本申请中光学测量设备2的质心在垂直于第一方向平面上的位移输出量的获取方式为：

dy

dz

其中，dy

进一步地，在上述光学测量设备2的质心的运动位置计算得出后，可进一步计算调节台3的运动位置。

具体地，调节台3在与第三方向垂直平面上的输出量的获取方式为：

利用光学测量设备2的质心在第二方向上的位移距离、光学测量设备2质心与调节台运动中心连线与水平面之间的夹角、光学测量设备2的质心在第一方向上的位移距离计算得到调节台3在第二方向上的位移距离；

利用光学测量设备2的质心在第二方向上的位移距离、光学测量设备2质心与调节台3运动中心连线与水平面之间的夹角、光学测量设备2的质心在第一方向上的位移距离计算得到调节台3在第一方向上的位移距离；

利用光学测量设备2在与第三方向垂直平面上的旋转角度计算得到调节台3运动中心在第二方向上的角度变换值。

具体地，作为其中一种可选实施方式，本申请步骤S3中调节台3在垂直于第三方向平面上输出量计算方式为：

dy

dz

θy

其中，dy

优选地，上述光学测量设备2质心与调节台3运动中心连线与水平面之间的夹角为根据光学测量设备2质心距离调节台3运动中心在第二方向上的距离和旋转中心距离调节台3运动中心在第一方向上的距离计算得到。

作为其中一种可选实施方式，上述步骤中光学测量设备2质心与调节台3运动中心连线与水平面之间的夹角α计算方式为：

α=arctan（Mc h/Mc r）（公式6）

其中，Mch为光学测量设备2质心距离调节台3运动中心在第二方向上的垂直距离，Mcr为旋转中心距离调节台3运动中心在第三方向上的水平距离。当然，上述计算公式仅作为一种示例，还可以采用其他方式计算上述夹角值。

进一步优选地，上述调节台3在与第二方向垂直平面上的输出量的获取方式为：

利用光学测量设备2质心到其旋转中心的距离、光学测量设备2入瞳中心到旋转中心的距离和光学测量设备2在与第二方向垂直平面上的旋转角度计算得到调节台3在第三方向上的位移距离；

利用光学测量设备2质心到其旋转中心的距离、光学测量设备2入瞳中心到旋转中心的距离和光学测量设备2在与第二方向垂直平面上的旋转角度计算得到调节台3在第一方向上的位移距离；

利用光学测量设备2在与第二方向垂直平面上的旋转角度获得调节台3在第三方向上的角度变换值。

作为其中一种可选实施方式，上述步骤中调节台3在垂直于第二平面上的输出量的计算方式为：

dx

dz

θ

其中，dx

进一步地，通过计算不同第一方向坐标系下光学测量设备2在第二方向和第三方向上的边界参数，最后可获得该待检设备1在三维空间内的眼盒参数。

进一步优选地，本申请还包括如下步骤：根据待检设备1眼盒参数获得眼点在空间中的坐标。在通过上述方式计算得到待检设备1的眼盒参数后，可直接计算锥形范围眼盒参数的中心位置，该中心位置为两锥形范围锥形端点的中点位置或锥形面的圆心位置，该中心位置即为待检设备1的眼点在空间中的坐标。

进一步优选地，本申请还包括如下步骤：将光学测量设备2替换为光谱仪，利用光谱仪在眼盒参数范围内测试该待检设备1的MTF（调制传递函数）、亮度、色度或均匀性中的至少其中一种。在通过光学测量设备2测算得到待检设备1的眼盒参数后，可通过采用光谱仪在该眼盒参数范围的各点处检测器MTF、亮度、色度或均匀性等其他光学参数。

本申请还包括一种近眼成像设备的光学参数检测系统，其用于对待检设备1的光学参数进行检测，其包括有光学测量设备2，该光学测量设备2用于对待检设备1的眼盒边界进行检测。调整机构，其包括第一调整机构和第二调整机构，其中第一调整机构用于调整光学测量设备2的入瞳中心与待检设备1的出瞳中心，并使得二者正对设置。第一调整机构优选为分别设置在光学测量设备2与待检设备1上的第一水平仪和第二水平仪，通过两水平仪对二者进行调整，实现二者的正对设置。

第二调整机构主要用于旋转调整光学测量设备2的位置，使得光学测量设备2分别检测待检设备1在不同第一方向坐标下在于第一方向垂直平面上的眼盒边界，并通过第二调整机构的位移参数获得待检设备1在空间的光学参数。第二调整机构优选为设置在光学测量设备2下方的调节台3，其可实现光学测量设备2在三维空间内的旋转和位移，并且能够对光学测量设备2的位移参数进行采集记录，以便于计算获得该待检设备1的眼盒边界参数，并通过眼盒边界参数获得其眼点位置，以及将光学测量设备2替换为光谱仪，以在眼盒边界内测算MTF、亮度、色度和均匀性等其他光学参数。具体地，该系统的实现原理、技术效果与上述方法类似，在此不做累述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。