TW202426879A - 用於測定試樣的至少一個影像之成像品質的裝置和方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種用於測定試樣(105)的至少一個影像之成像品質的裝置(100)，該裝置具有：至少一個投影單元(115)，用於朝試樣(105)方向輸出光(120)，以便投射至少一個發光式和/或照明式物體結構並使其穿透試樣(105)；光學接收單元(110)，用於接收光(120)的光束(130)，該等光束代表投射物體結構的至少一個影像；支架單元(145)，佈置在投影單元(115)與光學接收單元(110)之間；以及計算單元(150)，用於同時評估透射過試樣(105)或在試樣(105)處反射之光束(130)的第一光參數和第二光參數，第一光參數代表至少一個光學光參數，第二光參數代表至少一個色度或光度光參數，以測定至少一個影像的成像品質，其中計算單元(150)與投影單元(115)、接收單元(110)和/或支架單元(145)連接。

Description

用於測定試樣的至少一個影像之成像品質的裝置和方法

本發明係有關於一種如獨立請求項所述類型的、用於測定試樣的至少一個影像之成像品質的裝置和方法。本發明還有關於一種電腦程式。

US 11029 206 B2描述一種使用玻璃基板測量和表徵擴增實境和虛擬實境波導結構性能的設備。

在此背景下，本案提出如各獨立項所述的一種經改良的裝置和一種經改良的方法，用於測定試樣的至少一個影像的成像品質，此外還提出一種使用該方法的計算單元，最後還提出一種相應的電腦程式。透過附屬項中所列之措施，可對獨立項中所提供的裝置進行有利的進一步設計與改良。

本案能可靠測定試樣的特性。例如，為此可將該裝置用作測量裝置。有利的是，藉此可改善試樣的品質，進而可改善例如近眼顯示器(NED)的品質，例如可與智慧眼鏡、擴增實境(AR)或虛擬實境(VR)結合使用的近眼顯示器。例如，可以清晰顯示影像，這對最終用戶的健康有積極影響。有利的是，成像色度計和成像光度計以及光學參數測量系統均可用於同時實現顏色測量以及光學參數測量系統的改良。

本發明提出一種用於測定試樣的至少一個影像之成像品質的裝置，其中該裝置具有至少一個投影單元，該投影單元用於朝試樣方向輸出光，以便將至少一個發光式以及附加性或替代性地為照明式的物體結構投射到試樣上。此外，該裝置還具有光學接收單元，該接收單元用於接收光的透射過試樣或在試樣處反射的光束，該等光束代表投射物體結構的至少一個影像。接收單元具有光學裝置和光學偵測器。此外，該裝置還具有用於保持待測試樣的支架單元以及計算單元，其中支架單元佈置在投影單元與光學接收單元之間，計算單元用於同時評估光的透射過試樣或在試樣處反射並由接收單元接收之光束的第一光參數和第二光參數，第一光參數代表至少一個光學光參數，第二光參數代表至少一個色度或光度光參數，以測定試樣的至少一個影像的成像品質。計算單元與投影單元和接收單元連接，並且附加性或替代性地與支架單元連接。

該裝置例如可為用於擴增實境系統(AR)或虛擬實境系統(VR)（也可簡稱為AR/VR）的測量裝置，藉由該測量裝置可測量試樣的特性。試樣例如可被設計成智慧眼鏡或AR/VR設備的鏡片，該鏡片又稱近眼顯示器(NED)，例如可在其上顯示影像。此外，試樣也可例如被設計成完整系統，並且可為該完整系統測定成像品質。為此，提前測定成像特性是有利的。亦即，試樣可被設計成待測光學系統、波導、波導組合或具有照明單元和波導的模組。其中，模組能產生自發光物體結構，該物體結構可被接收單元偵測到。物體結構可有利地代表有待在試樣上成像的圖案、影像或符號。

投影單元可有利地具有光源，例如發光二極體(LED)。此外，投影單元可對準試樣，以使光可透射過試樣或在試樣處反射。有利的是，光可以直接透射過試樣，或在入射點處進入試樣，並且例如在試樣的相對表面上反射，直至到達試樣的出射點。出射點可有利地與接收單元位於一條線上，以使透射或反射光束能被接收單元接收到。接收單元可有利地具有光學裝置和偵測器，光學裝置例如可具有透鏡或其他光學元件。偵測器同樣可有利地具有多個組件，藉由該等組件可偵測到光束，並且附加性或替代性地偵測到由該等光束傳輸的資訊。計算單元可有利地被設計成用於處理此等資訊的控制單元或控制設備。其中，可藉助於光參數來傳輸和利用該等資訊，進而推斷或計算出影像的成像品質。為能獲得有意義的結果，該裝置可具有支架單元，試樣可被安裝在該支架單元上。支架單元可有利地被設計成可移動或可移行的，以便能根據試樣的不同定位來用計算單元測定成像品質。支架單元可有利地被設計成多軸線性平台，多軸線性平台允許試樣在空間中自由定位，因此可例如沿x軸、y軸或z軸移行一次或反復移行。

根據一種實施方式，接收單元的偵測器可具有多個光譜通道和至少一個影像感測器。其中，光譜通道例如可藉由濾光單元來實現。濾光單元可有利地被設計成帶有多個濾光片的濾光片轉輪。此種濾光片例如可被設計成具有光學品質的玻璃片或塑膠片，該玻璃片或塑膠片可（例如以樞轉方式）進入接收單元的光路，以便能在影像中獲得明確的波長譜。作為替代方案，可藉由多個分別具有光譜濾波器的影像感測器來實現光譜通道。在兩種變體中，光譜濾波器皆可進一步與中性密度濾光片相結合，以便均勻地削弱影像感測器上的入射光強，從而避免可能的感測器過調製(Übersteuerung)。據此，偵測器例如可實現為感測器單元。此外，還可將接收單元的偵測器實現為可聚焦攝影機。

此外，接收單元還可具有光學裝置，該光學裝置可在整個可偵測視場角上皆為繞射受限(beugungsbegrenzt)。光學裝置可有利地具有至少一個透鏡，特別是多個透鏡，該或該等透鏡可被設計成能夠將光束引導到偵測器。其中，光學儀器（在此情況下係指該光學裝置）的解析度會受到繞射和視場角的限制。為此，視場角例如可以是關於接收單元的視場的特性參數，即與偵測範圍相關的特性參數。

光學裝置可具有可更換的組件和至少一個可調的光學孔徑光闌，該光學孔徑光闌可被設計成能夠調整進入光學裝置的光束的幾何特性，特別是直徑。例如，光學裝置的設計可類似於錐光鏡。可調孔徑光闌例如可用於模擬肉眼的虹膜直徑。光學孔徑光闌可有利地以物理或虛擬方式被調節，且可進一步地例如被設計成能夠接收光束的開口。藉由調節光學孔徑光闌，可有利地確定被接收光量，以便能獲得正確的照明條件。

根據一種實施方式，投影單元可被設計成可聚焦或不可聚焦準直器，該準直器特別是可具有至少一個單色照明式以及附加性或替代性地為多色照明式的分劃元件。接收單元相應地具有成像望遠鏡，以便將準直器所產生的影像從無限遠處成像到感測器上。其中，準直器可被設計成能夠從發散光源產生具有近似平行光路的光。藉此可將光有利地引導到特定的方向。「單色」例如可指波長範圍很窄的光發射。因此，「多色」可以指由不同顏色混合而成的多色光，因而可以是光譜寬帶光，且可具有不同波長。分劃元件也可有利地被稱為分劃板或標線片。

此外，投影單元可具有至少一個包含多個不同物體結構的分劃元件。作為替代方案，投影單元可具有更換機構，該更換機構用於將具有不同物體結構的不同分劃元件依次送入光的光路中。特別是，物體結構可代表大面積要素、尖銳邊緣，且可附加性或替代性地代表線條。具有多個不同物體結構的分劃元件例如可被稱為多特徵標線片。據此，物體結構例如可以是具有彎曲或筆直的輪廓或線條的圖案。據此，物體結構例如可實現為圓形、四邊形或十字等，例如可顯示在試樣上或由試樣顯示。

根據一種實施方式，物體結構可以由或可由自發光元件產生。作為補充方案或替代方案，投影單元可具有可調的投影孔徑光闌。物體結構可有利地實現為虛擬結構。為能對其進行成像，投影單元可具有投影孔徑光闌，該投影孔徑光闌可類似於光學孔徑光闌地被設計成可用來輸出光的開口。投影孔徑光闌可有利地以物理或虛擬方式實現，且附加性或替代性地為可調的，以便限制從投影單元射出的光束的直徑。此外，投影單元可以可選地具有附加投影視場光闌，該投影視場光闌自身可選地為可調的，以便調整出射光束的視場角。

該裝置還可具有可移動的第一測角器和可移動的第二測角器，第一測角器可與投影單元連接，第二測角器可與接收單元連接，其中第一和第二測角器可被設計成能夠使投影單元和接收單元各圍繞一個明確的旋轉點在至少兩個不同的方向上相互獨立地移動。特別是，第一測角器和/或第二測角器可在至少三個空間方向上相對於試樣平移。該或該等測角器例如也可被稱為量角器，例如可測量投影單元與接收單元之間的角度。這意味著，測角器可相互連接，並且可分別以其自由端連接投影單元或接收單元。藉此可有利地使投影單元和接收單元在不同方向上移動，以便能從不同位置測量和測定試樣的成像品質，從而測量和測定光的照射情況。有利的是，測角器可以樞轉。

此外，還提出一種使用前述變體之一中的裝置來測定試樣的至少一個影像之成像品質的方法，其中該方法包括使用投影單元輸出光之步驟，以便能夠將至少一個發光式以及附加性或替代性地為照明式的物體結構投射到試樣上。此外，該方法還包括使用接收單元接收光的透射過試樣或在試樣處反射的光束之步驟，該等光束代表至少一個影像，以及同時評估光的透射過試樣或在試樣處反射之光束的第一光參數（代表至少一個光學光參數）和第二光參數（代表至少一個色度或光度光參數）之步驟，以便使用計算單元來測定至少一個影像的成像品質。

藉由該方法可以有利的方式測定例如可與智慧眼鏡或AR/VR系統結合使用的試樣的成像品質。測定成像品質有利於獲取或檢驗影像清晰度。在輸出步驟中，光的輸出例如可持續一段時間，而該段時間可以有利地為可調的。

根據一種實施方式，在接收步驟中，可接收光的透射過試樣或在試樣處反射的其他光束，該等其他光束可代表至少一個其他影像。在評估步驟中，可同時評估其他光束的其他第一光參數（可代表至少一個其他光學光參數）和其他第二光參數（可代表至少一個其他色度或光度光參數），以便能測定其他影像的其他成像品質。特別是，可分別以不同的曝光時間採集影像和其他影像。例如，用於成像的光輸出曝光時間可以相同或不同。

該方法還可包括在評估步驟之後將影像和其他影像合併成整體影像之步驟。有利的是，在成像曝光時間不同的情況下，可產生高動態範圍(HDR)影像（即亮度差較大的影像）形式之整體影像。作為替代方案，在為光束採用不同光譜設置的情況下，成像時可利用光參數產生整體彩色影像。可選擇針對單影像或整體影像來測定光參數。

根據一種實施方式，該方法還可包括在評估步驟之前使用預定的校準資料補償成像誤差之步驟。在評估光參數以測定成像品質之前，補償步驟可有利地修正成像誤差，以改善成像品質。校準資料可有利地保存在記憶單元上。

此方法可例如用軟體或硬體或軟體與硬體的混合形式例如實現在控制設備中。

本案進一步提供一種計算單元，該計算單元被設計為在相應裝置中實施、控制或實現本文所提出的方法的變體之步驟。藉由本發明這種實現為控制設備之計算單元形式的實施變體，也能快速而有效地達成本發明之目的。

為此，該用於處理信號或資料的計算單元可具有至少一個用於儲存信號或資料的記憶單元、至少一個通往感測器或作動器以從感測器讀入感測器信號或向作動器輸出資料信號或控制信號的介面和/或至少一個用於讀入或輸出嵌入在通訊協定中的資料的通訊介面。計算單元可以例如是信號處理器、微控制器或類似元件，其中記憶單元可以是快閃記憶體或磁性記憶單元。通訊介面可被設計成以無線和/或有線方式讀入或輸出資料，其中能夠讀入或輸出有線資料的通訊介面可例如以電氣或光學方式從相應的資料傳輸線讀入此等資料，或將其輸出到相應的資料傳輸線。

在本文中，「計算單元」可被理解為處理感測器信號並據此輸出控制信號和/或資料信號的電氣設備。該計算單元可具有介面，該介面可在硬體和/或軟體方面進行設計。在基於硬體的設計中，該等介面可以例如是所謂的系統ASIC的一部分，它包含了該裝置的各種功能。然而，該等介面也可以是自有的積體電路，或者至少部分地由分立元件構成。在基於軟體的設計中，該等介面可以是例如與其他軟體模組一起存在於微控制器上的軟體模組。

在以下對本發明的有利實施例的描述中，各圖中所圖示的、具有相似作用的元件將使用相同或相似的符號，這些元件將不再重複說明。

當一個實施例包括第一特徵與第二特徵之間的「及/或」關係時，應理解為該實施例根據一種實施方式具有第一特徵和第二特徵，而根據另一實施方式則或者僅具有第一特徵，或者僅具有第二特徵。

圖1示出根據一個實施例的裝置100的示意圖。裝置100例如實現為測量裝置，用於測定試樣105的至少一個影像的成像品質。據此，可以在裝置100中或裝置100上佈置不同的光學系統，以測量或測定其成像品質。試樣105例如被設計成波導、波導組合或由照明單元和波導組合而成的模組。在此情況下，該模組例如能產生自發光物體結構，該物體結構可被裝置100的接收單元110偵測到。

據此，裝置100具有至少一個用於朝試樣105方向輸出光120的投影單元115，以便將至少一個發光式和/或照明式物體結構投射到試樣105上。投影單元115僅可選地具有用於產生光120的照明單元，即光源125。上述光學接收單元110同樣為裝置100的一部分。接收單元110用於接收光120的透射過試樣105或在試樣105處反射的光束130。光束130代表投射物體結構的至少一個影像。此外，接收單元110具有光學裝置135和偵測器140。偵測器140具有多個光譜通道141、影像感測器142和至少一個濾光單元143，例如帶有彩色濾光片（例如V(λ)濾光片）以及可額外選用之中性密度濾光片(ND)的濾光片轉輪。光學裝置135例如在整個可偵測視場角上皆為繞射受限。此外，光學裝置135具有可更換的組件和至少一個可以物理或虛擬方式調節的光學孔徑光闌144，該光學孔徑光闌用於調整進入光學裝置的光束直徑。此外，該光學裝置在設計上可例如與錐光鏡相對應。

根據本實施例，投影單元115和接收單元110皆被佈置成可移動的，尤其是可樞轉的。此外，根據本實施例，它們佈置在一條共同的線上，這條線例如對應於光120和光束130的光路。試樣105佈置在投影單元115與接收單元110之間。更確切地說，裝置100具有用於保持試樣105的支架單元145。根據本實施例，支架單元145也被設計成可移動的，以便在坐標系的x向、y向和z向上移動試樣105。根據本實施例，裝置100例如具有可移動的第一測角器146（又稱量角器）和可移動的第二測角器147，第一測角器與投影單元115連接，第二測角器與接收單元110連接。第一測角器146和第二測角器147例如用於使投影單元115和接收單元110各圍繞一個明確的旋轉點在至少兩個不同的方向上相互獨立地移動。特別是，第一測角器146和/或第二測角器147可在至少三個空間方向上相對於試樣105進行平移運動或移行。

裝置100進一步具有計算單元150，該計算單元用於同時評估光120的光束130（該等光束透射過試樣105或在試樣105處反射並由接收單元110接收）的第一光參數（代表至少一個光學光參數）和第二光參數（代表至少一個色度或光度光參數），以便測定試樣105的至少一個影像的成像品質。計算單元150與投影單元115、接收單元110和/或支架單元145連接。根據本實施例，試樣105（在此由AR模組構成或包括AR模組）進一步具有包含其他投影單元155的波導，該其他投影單元同樣與計算單元150連接。投影單元115和其他投影單元155錯開佈置或可錯開佈置。例如，投影單元115被佈置成使得光120沿直線穿透試樣105。根據本實施例，其他投影單元155例如被佈置成使得其他的光160在入射點165（又稱試樣105的入瞳）處進入試樣105，並在試樣105的表面上被反射，直至其射中出射點170（又稱試樣105的出瞳）。根據本實施例，光束130和/或其他光160之被反射的其他光束171在出射點170處出射，而後被接收單元110接收。其他投影單元155也具有用於輸出其他光160的其他光源175。

換言之，根據本實施例，介紹一種用於同時測量總調製傳遞函數(MTF)、色彩MTF和色度或光度參數的系統和方法（見圖7）。由此將裝置100實現為一體化系統，使用戶（例如近眼顯示系統(NED)的用戶，例如AR/VR領域的用戶）能夠使用一個測量裝置來測量此等系統的所有基本光參數，即光學和色度品質。

據此，本說明書中所介紹的方案係關於一種用於同時測量NED系統的組件和模組之光學參數（如MTF）和色度或光度參數的方法和裝置100。為此，僅作為舉例說明，裝置100具有此處聯繫接收單元110加以說明的感測器，在該感測器前面設有至少一個濾光片轉輪。濾光片轉輪包括濾光片，該等濾光片可單獨地或組合在一起地對入射光束130進行總量和光譜上的過濾，例如對肉眼的色覺進行加權。此外，接收單元110還包含被描述為光學裝置135的光學系統，該光學系統安裝在濾光片轉輪前面，並具有作為試樣側第一元件的物理孔徑144，藉由實施更換操作或某種調整，可以手動或自動改變該物理孔徑的直徑。光學裝置135的一個基本特性為，其被設計成在整個可偵測視場角上皆為繞射受限。在此情況下，光學裝置135既可具有小視場角，也可具有與錐光鏡相對應的視場角。

測量色度或光度參數和光學參數（如MTF）時，需要使用一個目標來進行測量，該目標的特徵在於，此種物體結構既包含大面積的均質要素，又包含尖銳邊緣或線條。除了具有該兩項特徵的目標之外，還可使用各具有一項特徵的不同目標。在此情況下，該目標可選擇由作為試樣105一部分的自發光顯示元件產生和投射，或者由目標投射器產生和投射，該目標投射器以使目標穿透試樣105的方式投射之。例如，對於僅具具有特徵的目標，操作過程中會依次投射該等目標。例如，可選的其他投影單元155具有其他光源175，該其他光源或可產生不同的單一波長，或可產生不同光譜寬度的多色光。在本實施例中，投影單元155為試樣105的一部分，例如可實現為LCD或LCOS元件。投影單元115具有又稱出口孔徑的投影孔徑光闌180，該投影孔徑光闌位於面向試樣105一側的外部。此外，投影單元115具有被均勻照亮的目標模板182。投影單元115可採用與其他投影單元155技術上相似的設計。光120、160被引導至試樣105的入瞳處。投影孔徑光闌180可以物理或虛擬方式實現。

為了測量光學參數和色度或光度參數，藉由目標投射器或藉由試樣105本身來投射上述目標並使其穿透試樣105，但這僅為舉例說明。由上述系統以順序影像採集的方式進行採集，且分別用濾光片轉輪進行不同程度的過濾。每個濾光片位置上的影像採集可包含不同曝光時間條件下的一個影像或多個影像。為了測量光學參數和色度參數，將記錄的資料傳送到計算單元150進行處理。例如，該處理包括但不限於將不同曝光時間的影像合併成所謂的高動態範圍影像、將不同顏色加權的影像合併成彩色影像和/或修正單影像和整體影像中的失真。該處理還可選地包括使用校準資料集對採集到的資料進行修正，以及計算光學參數和色度參數。其中，僅作為舉例說明，藉由大面積結構獲取色度參數，而光學參數（例如MTF）則是藉助於邊緣和線條來平行地獲取。

此外，裝置100具有至少一個測角器146、147，更確切地說，投影單元115和接收單元110可分別佈置在一個測角器146、147上，該測角器能使兩個元件圍繞各自的旋轉點進行獨立的雙軸旋轉。各系統的旋轉點例如位於各自的光闌（例如試樣或投影單元或接收單元的光闌）所在之處，其中也可實現任一其他位置。根據本實施例，兩個測角器146、147皆可至少在X向和Y向（視情況可進一步在Z向）上以手動或自動方式移行一次或反復移行。測角器146、147的任務是將接收單元110和投影單元115相對於試樣105獨立定位，以便將接收單元110的至少一個光學孔徑光闌144調整到明確的測量位置，並與試樣105成明確的角度。需要時，也可根據位置和角度的定義來相對於入瞳調整目標投射器的出瞳。此外，試樣105可藉助於支架單元145在一個平面內至少沿X向、Y向移行。據此，根據接收單元110的不同，可藉由調節定位系統或藉由在不同位置和角度依次定位、記錄和測量來實現對試樣105的測量。舉例而言，系統的位置和可能必要的目標投射器的位置或位於試樣105的相對兩側，或位於試樣105的同一側。試樣105被設計成單個的波導或導光元件或波導組合或導光元件組合、由多個相同或不同組件組成的模組或完整系統。

這意味著，所介紹的裝置100和相關方法能夠針對近眼顯示器(NED)的光學組件或模組同時測量光學成像參數以及色度和光度參數。在此背景下，術語NED係指用戶所佩戴的例如眼鏡形式之設備，此種設備或能將虛擬影像投射到用戶視野中，例如藉由擴增實境、混合實境或擴展實境技術，或能生成虛擬環境，即虛擬實境。

光學成像參數或光參數可理解為表徵光學系統成像品質的變量，例如MTF或失真程度以及主光束角。色度和光度參數可理解為表徵光學系統色彩感知的變量，例如透射色彩分量或色彩空間中的色彩表示。光度參數可理解為能夠說明輻射特性或試樣的透射或反射光量的變量。其中例如包括透射光通量或光強。有關上述參數和/或其他參數的具體定義，請參閱IEC 63145和ISO 9241系列標準。

上述方案可同時測量上述參數，例如既適用於NED的單個組件，又適用於預裝模組或完整系統。

換言之，圖1詳細圖示和描述了裝置100的第一實施例，在此對其操作方式進行示意性說明。根據本實施例，待測試或待測量的裝置100（被測設備- DUT）顯示為一個NED組件。該組件由內部投影單元155構成，該投影單元包括照明式LCD元件以及例如波導，該波導用於將內部投影單元155產生的影像以合適的方式提供給觀看者。裝置100固定在機械支架（例如多軸線性平台）中，該支架允許試樣105在空間中自由定位。更確切地說，試樣105可藉助於平台沿坐標系的x軸、y軸和z軸移行一次或反復移行。根據圖2所示的實施例和相應描述，投影單元115實現為準直器。該準直器例如具有固定或可變聚焦功能。投影單元115一般性地包括光源125、被稱為分劃板或標線片的分劃元件182（其上設有結構化物體圖案）以及光學系統184，例如透鏡，該光學系統具有真實或虛擬的出口孔徑180。分劃元件182較佳與散射盤連接，以確保對物體圖案的均勻照明。當投影單元115被設計為可聚焦準直器時，分劃元件182例如可藉由線性編碼器相對於準直器的光學系統進行移行，以模擬不同的物距。

根據本實施例，結構化物體圖案有利地既包含大面積的均質要素，又包含尖銳邊緣或線條。該兩種類型的結構皆可位於分劃元件182上，由此，該分劃元件實現為或可實現為所謂的多特徵標線片。作為替代方案，可提供機械更換機構，藉由該更換機構將具有不同結構的不同分劃元件182送入投影單元115的光路中。作為替代方案，線結構可用於兩項部分測量。在此情況下，色度和光度評估中會使用修正係數，將發光結構的有限面積份額考慮在內。例如，在使用雙十字或環時，也可選擇以測量方式獲取光學放大率，並在計算中將其單獨考慮在內。圖3至圖6顯示了可投射的物體結構示例。

投影單元115的光源125例如是多色的，其中可提供合適的機構，以限制或調節光譜帶寬。光源125例如實現為具有相應光譜濾波功能的單個多色LED，或實現為多個單色光束源的組合。作為替代方案，投影單元也可被設計成其自身利用自發光元件（例如顯示器）產生虛擬的物體結構。

裝置100還具有光學接收單元110，該接收單元位於投影單元115的相對側。在對試樣105進行反射測量的情況下，投影單元115和接收單元110可佈置在同一側。圖1顯示的是透射測量示例。然而，本案同樣適用於反射測量。

接收單元110自身由被描述為光學裝置135的光學系統以及影像感測器所組成，影像感測器可實現為多光譜偵測器140，即具有多個光譜通道的偵測器。其他實施方式為具有濾光單元的單色偵測器或用於光譜評估的獨立通道。換言之，影像感測器的光譜靈敏度可以改變。因此，影像感測器能夠對入射光束進行光譜加權和/或濾波。例如，藉此可使感測器的光譜靈敏度適應肉眼的光譜靈敏度。在一個實施例中，可藉由至少一個帶有V(λ)濾光片的濾光片轉輪與附加ND濾光片的組合來實現此種偵測器140。根據本實施例，光學裝置135佈置在偵測器140前面，並被設計成在其整個可偵測視角範圍(FOV)內產生繞射限制影像。此外，光學裝置135具具有或多個可更換組件，從而可根據不同的測量規格調整光學裝置135的視場角。在設定了最大視場角的情況下，光學系統的設計例如與錐光鏡的設計相對應，其中如圖1或圖2所示，第一光學元件始終為可調的光學孔徑光闌144。該光學孔徑光闌較佳實現為物理光闌，但也可實現為虛擬光瞳。

此外，根據圖1和圖2所示的實施例，投影單元115和接收單元110皆分別固定在一個測角器146、147上，它們可相互獨立地樞轉或橫向移行一次或多次。投影單元和接收單元樞轉時所圍繞的軸線例如大致平行於相關的光軸和/或與相關的入瞳或出瞳中心相交。為了實現橫向偏移，每個測角器146、147還可機械地連接到多軸線性平台。投影單元115的樞轉和/或移行是必要的，以便在不同位置上和/或以不同物角照射試樣105，或者在不同位置上或以不同物角提供物體圖案。應用實例如下圖2所示。

換言之和/或綜上所述，根據本實施例，介紹用於測量NED系統的光學系統或模組之成像品質的裝置100，其中裝置100具有投影單元115、支架單元145（又稱待測光學系統或模組或試樣105的機械支架，可在三個空間方向上平移）、光學接收單元110和計算單元150。裝置100能夠同時測定待測光學系統或模組105的光學測量參數和光度或色度測量參數，其中光學接收單元110由此前被描述為光學裝置135的光學成像系統以及具有多個光譜通道141的光學偵測器140組成。光學偵測器140例如可藉由影像感測器142與至少一個濾光元件143（例如帶有V(λ)濾光片的前置濾光片轉輪）和可選的其他ND濾光片之組合來實現。根據本實施例，光學接收單元110具有光學系統135，該光學系統在整個可偵測視場角上皆為繞射受限。該光學系統（即接收單元100的光學裝置135）還可選地具有可更換組件和至少一個物理或虛擬的可調光學孔徑光闌144，從而可限制入射光束的直徑，以例如模擬人類虹膜的伸展。光學系統135還可在設計上與錐光鏡相對應。

根據本實施例，投影單元115可選擇實現為具有單色照明式和/或多色照明式分劃元件182（標線片）的可聚焦或不可聚焦準直器，且同樣具有此前被描述為出口孔徑180的物理或虛擬孔徑光闌。孔徑光闌可選擇性地被調節，以限制射中試樣的光束的直徑。此外，投影單元115可包含同樣可以物理或虛擬方式實現的可調視場光闌181。該視場光闌用於調整出射光束的視場角。此種調整對於某些試樣可能是必要的，以便精確調整待測波導的輸入耦合角。分劃元件182還可選地包含不同的物體結構（多特徵標線片），或被設計成可使具有不同物體結構的分劃板藉由更換機構依次進入投影單元115的光路。例如，物體結構既可實現為大面積要素，又可實現為尖銳邊緣或線條，乃是藉助於自發光元件而產生的虛擬結構。換言之，這意味著投影單元115具有至少一個包含多個不同物體結構的分劃元件182，或具有用於將具有不同物體結構的不同分劃元件（例如分劃板）依次送入光120的光路的更換機構，具體而言，該等物體結構代表大面積要素、尖銳邊緣和/或例如彎曲或筆直的線條。物體結構乃是由或可由自發光元件產生的虛擬結構。作為補充方案或替代方案，投影單元115具有物理或虛擬的投影孔徑光闌180和可選的物理或虛擬投影視場光闌181。

根據本實施例，投影單元115用於以反射或透射方式照亮試樣105。為此，投影單元115例如佈置在第一測角器146上，接收單元110佈置在第二測角器上。如此一來，兩個單元110、115可各圍繞一個明確的旋轉點在至少兩個方向上樞轉。據此，每個測角器146、147皆可相對於待測試樣105在三個空間方向上平移。該裝置的功能並非絕對需要測角器。在此情況下，接收單元將實現為錐光鏡，投影單元將具有可調的孔徑光闌或視場光闌，以便使光束的直徑和視場角與試樣相適應。總之，試樣例如被設計成波導、波導組合或由照明單元和波導組合而成的模組，其中該模組能夠產生自發光物體結構，該物體結構可被裝置100的接收單元110偵測到。

圖2示出裝置100的一個實施例的示意圖。此處所示的裝置100與圖1中所描述的裝置100相似。根據本實施例，除了接收單元110、計算單元150以及用於保持試樣105的支架單元145外，此處所示的裝置100還具有投影單元115。此處所示的試樣不具有獨立的主動式照明或投影元件155。根據本實施例，光120透過入射點165進入試樣105，並在試樣105的表面上被反射，直至到達出射點170，光束130被輸出到接收單元110。另外，根據本實施例，投影單元115實現為可聚焦或不可聚焦準直器，該準直器尤其具有至少一個單色照明式和/或多色照明式分劃元件182（標線片）。可以想像，（影像）感測器142也可進行相應的聚焦。準直器用於從發散光源產生具有近似平行光路的光。此種準直通常用於使光具有特定的方向。

換言之，在圖1所示的情況下，係藉助於裝置100來測量試樣105（例如單個波導）的成像品質。投影單元115的定位方式是將物體圖案投射到入瞳165中。物體圖案也可被投射到NED模組的波導的其他區域中。因此，以用於AR眼鏡的模組為例，投影單元115模擬的是用戶環境中的真實物體。在此種應用實例中，NED模組的曝光單元也只是有選擇地產生自發光的結構化物體圖案，該物體圖案被接收單元110偵測到，以作為投影單元115的物體圖案的補充或替代。舉例而言，接收單元110的樞轉是必要的，以便以不同的視場角記錄物體圖案的成像。換言之，軸向和離軸成像品質皆是以此方式測定的。透過接收單元110的橫向移行，可在眼眶內的不同位置上測定待測光學系統或NED模組的光學參數和光度或色度參數。

裝置100還具有用於對投影單元115和接收單元110進行電子控制的計算單元150。在使用相應的標線片更換機構的情況下，計算單元150例如用於控制投影單元115將不同的物體圖案送入光路。其中，大面積結構用於測定色度或光度參數，而具有尖銳線條或邊緣的結構則用於測定光學成像參數。

計算單元150對接收單元110的感測器所記錄的影像進行處理，並根據記錄的影像計算待測試樣105所需要的光學成像參數和色度或光度成像參數。例如，計算單元150控制影像感測器針對每個可用光譜通道按順序記錄試樣105所投射的物體結構的影像。在此情況下還可改變感測器的曝光時間。以使用濾光片轉輪為例，改變光譜通道意味著改變其濾光片位置。例如，對於每個濾光片位置，皆會記錄一個或多個影像並傳送給計算單元150。

例如，針對所記錄的每個單影像或任意的單影像組合獲取光學參數和色度或光度參數。例如，分別以不同曝光時間依次記錄的影像可合併成一個或多個高動態範圍(HDR)影像。替代方案是將分別以不同光譜權重依次記錄的影像合併成一個或多個彩色影像。在分析NED完整系統或模組時，計算單元150也會額外或替代性地連接到試樣105。在此情況下，投影單元115或試樣105的其他投影單元（此處未圖示）會受到控制，以顯示自發光物體結構。此種自發光物體結構的一個例子為十字線圖案或環，由LCD或LED顯示器顯示（僅作為舉例說明）。此外，計算單元150可選地具有用於測量裝置的校準資料，該等校準資料在測量的準備階段已被讀入，藉助於該等校準資料，可從後續測量資料中去除投影單元115或接收單元110中所用光學器件的成像誤差，例如失真程度。

圖3為用於如圖1至圖2中至少一個圖式以示例形式所描述之裝置的物體結構300的實施例示意圖。物體結構300例如被設計用來測定試樣的成像品質。

根據本實施例，物體結構300具有被尖銳邊緣隔開的暗區305和亮區310。物體結構300呈十字形。根據本實施例，物體結構300還具有多邊形輪廓。

圖4為用於如圖1至圖2中至少一個圖式以示例形式所描述之裝置的物體結構300的實施例示意圖。物體結構300例如被設計用來測定試樣的成像品質。

根據本實施例，物體結構300具有被尖銳邊緣隔開的暗區305和亮區310。物體結構300呈圓形，尤其是呈環形，因此根據本實施例，物體結構300具有其他暗區400。根據本實施例，物體結構300還具有多邊形輪廓。

圖5為用於如圖1至圖2中至少一個圖式以示例形式所描述之裝置的物體結構300的實施例示意圖。物體結構300例如被設計用來測定試樣的成像品質。

根據本實施例，物體結構300具有被尖銳邊緣隔開的暗區305和亮區310。根據本實施例，物體結構300呈方形。根據本實施例，物體結構300還具有多邊形輪廓。

圖6為用於如圖1至圖2中至少一個圖式以示例形式所描述之裝置的物體結構300的實施例示意圖。物體結構300例如被設計用來測定試樣的成像品質。

根據本實施例，物體結構300具有被尖銳邊緣隔開的暗區305和亮區310。根據本實施例，物體結構300還具有其他暗區400和其他亮區600。根據本實施例，亮區310、600和暗區305、400相互對角排列，以使所有區域305、310、400、600皆在物體結構300的共同中心點605處匯合。根據本實施例，物體結構300還具有圓形輪廓。

圖7為測定試樣的影像之成像品質的方法700的實施例流程圖。方法700例如可由圖1至圖2之一所述裝置的計算單元實施。計算單元例如被設計成控制設備。

據此，方法700包括步驟705：使用投影單元例如以可調時長輸出光，以將至少一個發光式和/或照明式物體結構投射到試樣上。此外，方法700還包括步驟710：使用接收單元接收光的透射過試樣或在試樣處反射的光束，該等光束代表至少一個影像；以及步驟715：同時評估光的透射過試樣或在試樣處反射之光束的第一光參數和第二光參數。第一光參數代表至少一個光學光參數，第二光參數代表至少一個色度或光度光參數，以便使用計算單元同時測定至少一個影像的成像品質。在接收步驟710中，還可選擇接收光的透射過試樣或在試樣處反射的其他光束，該等其他光束代表至少一個其他影像。這意味著，在評估步驟715中同時評估其他光束的其他第一光參數（代表至少一個其他光學光參數）和其他第二光參數（代表至少一個其他色度光參數），以測定其他影像的其他成像品質。特別是，為此分別以不同的曝光時間採集影像和其他影像。

根據本實施例，方法700還可選地包括步驟720：在評估步驟715之前，使用預定的校準資料補償並修正成像誤差，例如失真；和/或步驟725：在評估步驟715之後，將影像和其他影像合併成整體影像。例如，在曝光時間不同的情況下合併成整體HDR影像，或者在光譜設置不同的情況下合併成完整彩色影像。其中，例如為單影像或整體影像測定參數。

換言之，描述了測量NED系統的光學系統或模組之成像品質的方法700，其中在輸出步驟705中投射發光式和/或照明式物體結構，該物體結構透射過待測光學系統或模組或被其反射。在接收步驟710中，接收單元以偵測器的不同光譜設置接收透射或反射物體結構的一個或多個影像。在評估715步驟中，計算單元根據一個或多個影像同時測定待測光學系統或模組的一個或多個光學參數和色度或光度參數。可選地，偵測器的曝光時間為可調的，其中可藉助於計算單元將多個分別以不同曝光時間採集的影像合併成整體HDR影像。此外，在合併步驟725中，藉助於計算單元將以不同光譜設置採集的影像合併成整體影像，其中可選擇針對每個單影像和/或合併而成的整體影像測定光學參數和色度或光度參數。

圖8為根據一個實施例的計算單元150的區塊圖，該計算單元用於如圖1至圖2中至少一個圖式以示例形式所描述的裝置。據此，計算單元150被設計用於控制和/或實施如圖7中所描述的測定試樣的至少一個影像之成像品質的方法。據此，計算單元150具有輸出單元800、讀入單元805和評估單元810。計算單元150還可選地具有補償單元815和/或合併單元820。

輸出單元800被設計成使用投影單元來輸出光，以便將至少一個發光式和/或照明式物體結構投射到試樣上。讀入單元805例如用於讀入光的透射過試樣或在試樣處反射且被裝置的接收單元接收到的光束，即例如光束的第一光參數825和第二光參數830。評估單元810用於同時評估光的透射過試樣或在試樣處反射之光束的第一光參數825（代表至少一個光學光參數）和第二光參數830（代表至少一個色度或光度光參數），以便同時測定至少一個影像的成像品質。可選地，讀入單元805還用於讀入其他光的透射過試樣或在試樣處反射且被裝置的接收單元接收到的其他光束，即例如其他光束的其他第一光參數831（代表至少一個其他光學光參數）和其他第二光參數832（代表至少一個其他色度或光度光參數）。因此，評估單元810用於同時評估其他光束的其他第一光參數831和其他第二光參數832，以測定其他影像的其他成像品質，特別是，分別以不同的曝光時間採集影像和其他影像。

此外，補償單元815可選地被設計成使用預定的校準資料835來補償或修正成像誤差。合併單元820例如用於將影像和僅為可選的其他影像進行合併，以獲得整體影像。

綜上所述，關於待測光學系統的類型，需要指出的是，需申請專利的裝置的預期用途為用於AR/VR系統的模組。具體來說，該等模組可為單個波導，或具有自有投影儀的波導（例如用於AR眼鏡）。測量系統自身例如僅具有投影裝置和接收裝置。二者例如皆可進行樞轉或移行。特別是，第二投影單元並非為測量系統的一般性組成部分。如圖1中所述，第二投影單元僅在測量NED模組時才存在。就圖1所示的系統而言，可以在應用實例中以測量方式比較波導對NED投影儀（例如AR眼鏡）所生成之影像的傳輸效果與真實環境的呈現效果。

例如，在比較光譜濾光片和ND濾光片時，應注意區分接收單元中的兩種濾光片。光譜濾光片可確保設定成所需波長範圍，特別是在色度測量中。例子是用於適應肉眼光譜靈敏度的V(λ)濾光片或CCD攝影機的Beyer模式（RGB濾光片的加權分佈）。ND濾光片可降低光強，不受光譜影響。兩種濾光片皆可在實踐中使用。

在調整視場角和光束截面時，需要注意的是，例如在接收端無需調整光束的視場角。此處需選擇具有合適視場角的光學器件，例如用於大視場角的錐光鏡。然而，例如若需要模擬肉眼虹膜，調整光束截面則是有幫助的，因此需要可調孔徑光闌144。在投影端，可能需要同時調整光束的截面和視場角。因此，提出了圖1中的視場光闌181。（視場光闌的影像為一艙口。）調整光束截面有助於避免試樣過度曝光，並將雜散光等可能的干擾因素降至最低。視場角應當是可調整的，以便獲得期望的波導輸入耦合角，因為此處並不一定需要每一種可能的全反射。

100:裝置 105:試樣 110:接收單元 115:投影單元 120:光 125:光源 130:光束 135:光學裝置 140:偵測器 141:光譜通道 142:影像感測器 143:濾光單元、濾光元件 144:光學孔徑光闌 145:支架單元 146:第一測角器 147:第二測角器 150:計算單元 155:其他投影單元、內部投影單元 160:其他的光 165:入射點、入瞳 170:出射點 171:其他光束 175:其他光源 180:投影孔徑光闌、出口孔徑 181:視場光闌、投影視場光闌 182:目標模板、分劃元件 184:光學系統 300:物體結構 305:暗區 310:亮區 400:其他暗區 600:其他亮區 605:共同中心點 700:方法 705:步驟 710:步驟 715:步驟 720:步驟 725:步驟 800:輸出單元 805:讀入單元 810:評估單元 815:補償單元 820:合併單元 825:第一光參數 830:第二光參數 831:其他第一光參數 832:其他第二光參數 835:校準資料

本案的實施例圖示於圖式中，在接下來的說明中將對其進行詳細闡述。其中： [圖1]為根據一個實施例的裝置的示意圖； [圖2]為裝置的實施例示意圖； [圖3]為用於裝置的物體結構的實施例示意圖； [圖4]為用於裝置的物體結構的實施例示意圖； [圖5]為用於裝置的物體結構的實施例示意圖； [圖6]為用於裝置的物體結構的實施例示意圖； [圖7]為測定試樣的影像之成像品質的方法的實施例流程圖；以及 [圖8]為根據一個實施例的計算單元的區塊圖，該計算單元用於裝置。

100:裝置

105:試樣

110:接收單元

115:投影單元

120:光

130:光束

135:光學裝置

140:偵測器

150:計算單元

165:入射點、入瞳

170:出射點

182:目標模板、分劃元件

Claims (15)

1. 一種用於測定試樣(105)的至少一個影像之成像品質的裝置(100)，其中該裝置(100)具有以下特徵： -       至少一個投影單元(115)，用於朝該試樣(105)方向輸出光(120)，以便將至少一個發光式和/或照明式物體結構(300)投射到該試樣(105)上； -       光學接收單元(110)，用於接收該光(120)的透射過該試樣(105)或在該試樣(105)處反射的光束(130)，該等光束代表該投射物體結構(300)的至少一個影像，其中該接收單元(110)具有光學裝置(135)和光學偵測器(140)； -       用於保持該待測試樣(105)的支架單元(145)，其中該支架單元(145)佈置在該投影單元(115)與該光學接收單元(110)之間；以及 -       計算單元(150)，用於同時評估該光(120)的透射過該試樣(105)或在該試樣(105)處反射並由該接收單元(110)接收之光束(130)的第一光參數(825)和第二光參數(830)，該第一光參數代表至少一個光學光參數，該第二光參數代表至少一個色度和/或光度光參數，以測定該試樣(105)的至少一個影像的成像品質，其中該計算單元(150)與該投影單元(115)、該接收單元(110)和/或該支架單元(145)連接。
2. 如請求項1所述之裝置(100)，其中該接收單元(110)的偵測器(140)具有多個光譜通道(141)和至少一個影像感測器(142)，特別地，其中該接收單元的偵測器(140)實現為可聚焦攝影機。
3. 如前述請求項中任一項所述之裝置(100)，其中該接收單元(110)具有該光學裝置(135)，該光學裝置在整個可偵測視場角上皆為繞射受限。
4. 如請求項3所述之裝置(100)，其中該光學裝置(135)具有可更換的組件和至少一個可調的光學孔徑光闌(144)，該光學孔徑光闌用於調整進入該光學裝置(135)的光束的幾何特性。
5. 如前述請求項中任一項所述之裝置(100)，其中該投影單元(115)被設計成可聚焦或不可聚焦準直器，該準直器特別是具有至少一個單色照明式和/或多色照明式分劃元件(182)。
6. 如請求項5所述之裝置(100)，其中該投影單元(115)具有該至少一個包含多個不同物體結構(300)的分劃元件(182)，或者該投影單元(115)具有更換機構，該更換機構用於將具有不同物體結構(300)的不同分劃元件(182)依次送入該光(120)的光路中，特別地，其中該等物體結構(300)代表大面積要素、尖銳邊緣和/或線條。
7. 如前述請求項中任一項所述之裝置(100)，其中該等物體結構(300)由或可由自發光元件產生，並且/或者，其中該投影單元(115)具有投影孔徑光闌(180)和/或投影視場光闌(181)。
8. 如前述請求項中任一項所述之裝置(100)，具有可移動的第一測角器(146)和可移動的第二測角器(147)，該第一測角器與該投影單元(115)連接，該第二測角器與該接收單元(110)連接，其中該第一和第二測角器(146､147)用於使該投影單元(115)和該接收單元(110)各圍繞一個明確的旋轉點在至少兩個不同的方向上相互獨立地移動，特別地，其中該第一測角器(146)和/或該第二測角器(147)可在至少三個空間方向上相對於該試樣(105)平移。
9. 一種使用如前述請求項中任一項所述之裝置(100)來測定試樣(105)的至少一個影像之成像品質的方法(700)，其中該方法(700)包括以下步驟： -       使用該投影單元(115)輸出(705)光(120)，以便朝該試樣(105)方向投射至少一個發光式和/或照明式物體結構(300)； -       使用該接收單元(110)接收(710)該光(120)的透射過該試樣(105)或在該試樣(105)處反射的光束(130)，該等光束代表至少一個影像；以及 -       同時評估該光(120)的透射過該試樣(105)或在該試樣(105)處反射之光束(130)的第一光參數(825)和第二光參數(830)，該第一光參數代表至少一個光學光參數，該第二光參數代表至少一個色度或光度光參數，以便使用該計算單元(150)來同時測定該至少一個影像的成像品質。
10. 如請求項9所述之方法(700)，其中在該接收步驟(710)中，接收其他光(160)的透射過該試樣(105)或在該試樣(105)處反射的其他光束(171)，該等其他光束代表至少一個其他影像，其中在該評估步驟(715)中，同時評估該等其他光束(171)的其他第一光參數(831)和其他第二光參數(832)，該其他第一光參數代表至少一個其他光學光參數，該其他第二光參數代表至少一個其他色度或光度光參數，以便測定該其他影像的其他成像品質，特別地，其中分別以不同的曝光時間採集該影像和該其他影像。
11. 如請求項10所述之方法(700)，包括在該評估步驟(715)之後將該影像和該其他影像合併成整體影像之步驟(725)。
12. 如請求項9至11中任一項所述之方法(700)，包括在該評估步驟(715)之前使用預定的校準資料(835)補償成像誤差之步驟(720)。
13. 一種用於如請求項1至8中任一項所述之裝置(100)的計算單元(150)，其中該計算單元(150)被設計為在相應單元(800､805､810､820)中控制和/或實施如請求項9至12中任一項所述之方法(700)的步驟(705､710､715､720､725)。
14. 一種電腦程式，其被設計為實施和/或控制如請求項9至12中任一項所述之方法(700)的步驟(705､710､715､720､725)。
15. 一種機器可讀儲存媒體，如請求項14所述之電腦程式儲存在該儲存媒體上。