Gamma Scientific NED测量解决方案

背景介绍

随着科学技术的发展，虚拟现实(VR)和增强现实的产品应用了许多新技术，逐渐引起了人们对近眼显示器（NED）的关注。在此之前，NED系统制造商没有客观的、定量的方式来测试他们的显示器的质量,只能通过人工的方式来判断。

但是,随着NED从新奇产品向主流产品过渡,实现可靠、可预测的性能将越来越关键。对于消费级NED系统,确保一致的客户体验，并保证产品达到与制造商的品牌一致的口碑和性能标准是必要的。

NED测试功能的这种滞后是因为这些设备中使用的光学系统,以及用户使用的方式都有点独特。因此,传统的光学计量设备不能简单地满足NED测试的要求。特别地，目前市面上绝大多数的NED测量仪器仅支持对于瞳孔旋转的画面的测量，而不支持对于眼点旋转的画面测量，值得注意的是，人眼真正运动的方式是眼点旋转。因此一种新的方法是必要的。本文概述了Gamma Scientific为满足这些要求而开发的解决方案。

Gamma Scientific NED测量解决方案

图1 GS E10 系列产品示意图

GS E10系列使用的直径约5mm或更小的入射光瞳的紧凑型望远镜光学器件是用于高精度NED颜色和亮度测量的最佳选择。当执行高精度的颜色和亮度测量时，通常只需查看NED的一个部分，可能是显示器中的单个字符或符号，而不是一次查看整个显示器。因此，如果望远镜观察到的光学器件的视场可以容易地改变以便改变被测器件（DUT）采样的区域的尺寸，那么这种方法就是准确有效的。

图2展示了Gamma Scientific NED测量系统的主要元件，该系统用于基于此类光学系统对NED上的绝对颜色和亮度进行高精度测量。该系统的核心是一个轻巧的望远镜，具有5毫米直径的入射光瞳，耦合到Gamma Scientific GS-1290 CCD探测器的光栅光谱辐射计。可以在望远镜系统的视场光阑处自动插入一系列六个光圈，以定义5°，2°，1°，0.5°，0.33°和0.1°的FOV尺寸。此外，该仪器还包括一个显示测试图案和色域的图形发生器，一个自动准直参考镜和一个基于LED的可调光源。

图2. 系统主要元件的原理图,用于对NED进行高精度的色度和亮度测量。

这种系统在过去难以生产的一个原因是减小收集光学系统上的入射光尺寸（从传统的20mm或更大的值到5mm）会产生巨大的信号损失。Gamma Scientific通过使用背面减薄的CCD在我们的GS-1290光谱辐射计中实现了这一点，结合了热电冷却，提高了探测器的灵敏度，大大降低了传感器噪声。

进行精确的光谱学NED测量

收集镜头有三种内置的操作模式。第一个允许操作员查看和定义测量区域，第二个用于捕获定义的测量区域的图像，第三个用于获取光谱辐射测量。

图3. 由取景器相机拍摄的图像,显示被测NED的精确区域,该区域将由光谱仪测量

当系统用于查看和定义测量区域时，采用反射光学系统以识别将由望远镜成像的NED的确切部分。为此，将薄分束器插入光路中。这使得来自LED灯的光（也位于视场（FOV）孔径后面）能够投射到NED上并照亮显示器上正由望远镜观察的精确区域。然后将该照明以及NED上显示的所有内容重新成像到相机传感器平面上。操作员在监视器上查看所有这些内容，然后可以轻松地将望远镜视野和指向位置与要测量的NED上的所需特征相匹配。

图4. NED测量系统在"查看模式"下的光学布局示意图，在NED前面有一个可调镜子将光学元件与此镜子对齐，使系统能够在不改变指向的情况下从NED的左侧和右侧测量。

使用AR系统时，此功能还有助于测量系统对齐，以及NED左眼和右眼之间的视差测量。为实现此目的，将足够大能够覆盖NED的左侧和右侧的镜子放置在出现虚拟图像的位置。然后将反射系统用作自动准直仪，并调整镜角直到光束自身返回。这意味着镜子与望远镜光学系统完全垂直，它为望远镜（它自己的投射场光阑）提供了一个虚拟物体，它似乎处于无限远处。现在，如果望远镜从NED的一侧移动到另一侧，自动准直仪将显示指向角是否有任何变化。另外，如果望远镜移动对应于NED中左眼和右眼显示器的出瞳的距离，那么测量系统就可以确定显示器中出现的任何元件的偏移（或视差）。

在图像捕获模式下，取景器相机获取NED上的样本区域的图像（由光学系统中的场光阑定义）。然后可以使用全套图像分析工具来确定诸如颜色均匀性，亮度均匀性，图像对比度，MTF和色差之类的度量。这些量又可以与随后的光谱辐射测量相关联。

在光谱辐射测量模式中，分束器组件自动从望远镜缩回，使得所收集的光聚焦在光纤电缆的末端，光纤电缆进入光栅光谱辐射计的入口狭缝。光谱辐射计数据的分析产生来自包含在望远镜FOV内的NED的光的亮度和颜色。望远镜可以在入射光瞳的平面中枢转，以便对虚拟图像内的任何地方进行采样。

图5. 光谱测量模式下伽玛科学NED测量系统的光学布局图。在这里,NED虚拟图像中的光线从左侧进入直径为5mm的入口孔,并成像到光纤电缆的末端,为光谱仪提供信号。

图6.Eye Box 测试结果示意图

特别地，如图5所示，目前这套系统支持绘制出在不同入瞳位置的设计眼盒图，这是市面上其他测试系统都不具有的功能。

另外，我们还支持左右眼视差的测试，能够测出左右眼光轴的角度偏移量，帮助我们实现对光学设计的验证以及优化。

图6.左右眼视差测试示意图

三、方案优势

机器人定位, 实现真实眼动表示和眼点测量；并可实现更高精度的空间定位

支持±10D的产品或模组测试，为研发设计提供更大空间

内置12MP成像式亮度色度计，角分辨率高达250 PPD，为新型显示模块提供更可靠的测试结果；

配置的拟人眼镜头视场角为：16°H X 12°V （十次扫描可达160°*120°）

配置的光谱可调光源，可以实时模拟任意目标光谱，为AR等产品的天光模拟测试提供桌面式解决方案，并可为终端产品上的环境光传感器、相机模组进行标定

配置的高精度科研级光谱辐射度计，可以获得更精确的光谱、亮度、色度等信息，并支持弱光测试

成熟的软件测试系统，可以轻松实现一键测量

四、系统配置

图7.GS E10 系统硬件配置

GS E10 NED测量系统的核心是一个轻巧的望远镜，具有5毫米直径的入射光瞳，耦合到Gamma Scientific GS-1290 CCD探测器的光栅光谱辐射计。可以在望远镜系统的视场光阑处自动插入一系列六个光圈，以定义5°，2°，1°，0.5°，0.33°和0.1°的FOV尺寸。此外，该仪器还包括一个显示测试图案和色域的图形发生器，一个自动准直参考镜和一个基于LED的可调光源。

图8.GS-NED 测试软件套件

GS-NEDTest软件是专为研发应用而打造的综合性测试套件，让近眼显示制造商能够完全描述其设计原型和测试显示器，测试项是根据 IEC 和 SID 正在制定的最新标准制定的。主软件是到控制Gamma Scientific高分辨率望远镜，集成GS-1290-3光谱仪对于DUT的高精度的颜色和亮度测量，以及控制高精度6轴工业机器人启用高分辨率映射的整个显示下被测设备（DUT）的视图。

测试套件界面提供了一个简单直观的测试过程，用户可以选择要在DUT上运行的测量值并快速查看结果。每次测量后，测试结果为显示在GUI上的状态框中，并且可以通过选择“报告”按钮来查看报告，以生成3D交互式绘图。可以从报告窗口中选择并打印这些报告。整个原始数据也以.csv格式保存。该软件的目的是为复杂的操作提供一个简单的界面。

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近眼显示器测量系统（实验室）‍

近眼显示器测量系统（产线版）