基于光谱辐射度计的抬头显示和近眼显示测试方法

什么是“虚拟”图像？基本的，虚拟图像是投射到空间的图像。产生虚拟图像的典型设备包括矫正眼镜、双筒望远镜、放大镜、眼镜、显微镜、望远镜、瞄准镜、近眼显示器和平视显示器。这些设备中的每一个都形成一个近场图像，用眼睛观看并适应基于仪器设计的距离。在创建“虚拟图像”时，亮度和颜色测量是关键因素。这两个都受到瞳孔的物理大小的影响

图像测量有四种不同的物理类别。他们是：

1.虚拟现实-不涉及环境照明，近眼显示

2.增强现实-包括部分环境照明和近眼显示

3.数字眼镜-需要全环境照明和近眼显示

4.汽车/航空电子设备-需要全环境照明和平视显示器

使用标准亮度

标准亮度产品通常可用于测量抬头显示，但近眼显示由于光学元件紧凑，需要特别考虑。其中一个考虑因素是环境照射的影响，这使设计和测量都变得复杂。

A光源是所有制造商用于标定光源特性的基本标准。A光源的优点是A光源的物理特性很好测量，在稳定供电时，A光源非常稳定，在实验室中表现出高相关性，光谱是连续的，没有拐点等特点。然而，A光源的蓝光含量非常低，不能代表任何现代显示，并且相对于现代照明/显示标准来说，其色温也是非常低的。

 这造成在使用A光源作为校准源时产生不确定性。 大多数设备都以A光源为参考，但是典型的非A光源的光源的测量不确定性相对较高，并且仪器间一致性也会受到影响。 因此，大多数电子显示测量都不是基于A光源的。

抬头显示和近眼显示由于图像刷新而具有变化的时间特性。 同步时序对于在高亮度下短曝光时间的测量至关重要。 出瞳均匀性是另一个影响亮度准确性的问题。 这些不确定性也使仪器间一致性更加难以把控。

增强现实与透明度问题

虚拟现实（VR）是一种封闭现实世界的数字环境。而增强现实（AR）则是一种建立在现实世界之上的数字内容。

环境照明的动态范围决定了显示元件的动态范围。 传统的抬头显示与增强现实显示之间的区别在于，抬头显示通常用于向场景提供辅助信息，而不是使用另一个场景来增强场景。

上面的这个眼盒（eye box)例子是一个简单的放大镜，真实物体放在镜头焦平面的前面。光线轨迹显示虚拟图像是在真实物体后面形成的。必须执行第二次光轨迹，才能知道观察者将如何看到图像的。

那么怎么测量虚拟图像与真实图像有何不同呢？ 上面的眼盒（eye box)框示例中的虚像显示范围受出瞳限制。 这意味着正确测量亮度需要满足三个*的条件：

1.出瞳的照明范围必须超过测量仪器的入瞳范围；

2.测量仪器的视场必须小于“眼盒（eye box)”或出瞳范围；

3.在测量仪器的入瞳处，必须保证光源的均匀性。 这是比较不同仪器的数据时，降低仪器性能的重要元素。

查看上面的虚拟图像演示了执行第二条光线轨迹以显示查看条件。 现在，虚拟图像在光线轨迹中被定义为“真实”对象。 眼睛位置被任意定义为由近轴主光线（以红色显示）和近轴边缘光线（以绿色显示）表示的平面。 从这一点观察可以查看整个区域。 “眼盒（eye box)”范围平面表示观察者可以查看整个图像区域的极限距离。

那么问题出在哪里呢？ 从理论上讲，应该没有问题。 保持亮度恒定，因此在光学系统中的任何位置亮度都*相同。 然而，问题在于测量装置的物理结构引起的。 需要保证瞳孔和“眼盒（eye box)”的光学特性需要严格一致。 并且要满足一个*的条件：眼盒（eye box)中的照明必须*均匀。 如果在近眼情况下虚拟图像的物理范围小于抬头显示中的物理范围，则仪器间的一致性将成为另一个需要考虑的问题。

在抬头显示/近眼显示在测量方面还面临其他挑战。许多客户不理解这两个基本要求：从出瞳处照射范围必须超过测量仪器的入瞳范围，并且测量仪器的视场必须小于“眼盒（eye box)”或出瞳的范围。

亮度在光学系统中的任何地方都是恒定的，只能通过光传输过程进行改变。 在近的眼镜讨论中“眼镜显示测量方法：测量设备中瞳孔大小的依赖性”，”大岛康介等人强调了这个问题，照明设备的不正确使用或设计会导致固定孔径和亮度的很大变化。 两种仪器类型之间的基本数据即使在小孔径尺寸下也有相当大的差异。 而显示不均匀加大这些差异。

屏幕中心亮度与入瞳尺寸关系

固定孔径解决方案

在现实世界中，固定的孔径附件可以在眼盒（eye box)中进行测量。 远心设计可以消除焦点，但一定要知道视场范围。 该固定孔径系统的视野为18度。 在现实世界中，没有标准的眼镜配置。 必须用夹具来固定耳钩和模拟鼻梁。有限的空间使测量变得困难，但是如果满足上述三个*的条件，则可以使用光谱辐射度计进行测试。

可以测量近眼设备的标准光谱辐射仪可以比较固定孔径和标准设备之间的亮度测量结果。 这可能要低三倍。 在一个测试示例中，没有填充标准仪器的入射光瞳，因此将光谱辐射度计放置得更远可以产生更好的相关性。 但是，在两个系统的视场相等之前，不可能使两种配置都达成一致。

如果光纤适配器安装在标准镜头上，则可以使用光纤探头安装在“head box”内。 然后将光纤探针安装在夹具中。 这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为3-5mm。 这在心理物理研究中是非常有用的，因为视网膜照度很容易计算。这里采用了一种被称为“远心”技术的概念。

固定孔径测量与标准亮度计有相关性。这并不简单，因为显示器与光学系统耦合的不均匀性。使用标准光度计/光谱辐射度计，标准装置的出瞳孔径必须被填满，以便进行精确的光点测量。因此，当使用固定孔径系统时，对测量区域进行“填充”是非常重要的。

固定孔径解决方案的好处在于，它可以将测量结构小化。 根据定义，此解决方案对成像位置要求很宽泛。 可以将孔径定义为与瞳孔尺寸相同。 止动透镜(stop lens)造成的误差小于3% 。

Photo Research的固定孔径附件

Photo Research的固定孔径附件在测量设备的较大运动范围内可以变化很小。 当被测光源不再充满透镜的入射光瞳时，测得亮度会快速变化。但经过校准在2-6mm的孔径之间，亮度几乎没有变化。

参考上图，位于L1后焦点的远心光圈定义了图像尺寸随对象位置的变化。 第二个镜头将光圈聚焦到固定点。 L1位于L2的前焦点，因此使L1的出瞳变为远心。 L1和L2的位置之间的关系提供了高度的瞳孔混合。 通过在L1的前表面放置一个物理挡块，可以调整该系统的视场。 通过将MS-75镜头用作光学系统中的L2，可以将该设计体现为PRISM-75镜头的附件。

二维测量

那么，二维测量到底怎么样？二维测量对于缺陷检测（即MURA）和其他标准（如MTF、图像运动涂抹、固定模式噪声、失真等）是非常重要。固定瞳孔在眼镜中是非常有挑战性的，但它可能不是这些空间测量所必需的。必须通过*均匀地装满入瞳孔。但由于眼盒（eye box)几何结构和显示均匀性的限制，这通常是不可能的。如果辐射测量/色度测不重要，就没这么多问题了。

通常，如果可以捕获整个视场，由于入射光瞳问题，测得的亮度值将偏低，但这可以通过使用具有正确几何形状的标准辐射度计来进行校正。同理也可以进行MTF测量，但必须对MTF图像捕获系统进行表征，并校正成特性。这会导致在高频下的噪声更大。

残影的测量需要非常精确地控制曝光时间。 传感器的电子快门的特性可能会使数据变得复杂化。 因此，与固定孔径系统的关联将非常困难。 对眼盒（eye box)参数的了解不足，无法开发适用于所有情况的通用解决方案。 成像器的特性对所得数据有很大的影响，因此，使用之前必须对成像器进行*校准。

结论

对于抬头显示（用于航空电子设备/汽车），建议使用标准光谱辐射度计，并注意确保设备的入瞳孔正确填充。

对于近眼显示，应使用固定孔径解决方案。 也可以在支座位置使用标准光谱辐射度计，以确保入瞳孔填满。

请记住，方法之间的相关性会因显示不均匀而受到影响。应进行重复性测量（不少于七个），以确保时间同步没有问题。 还应该进行可靠性测量，以确认测量过程准确性。