保持聚焦：配备电控镜头和自动对焦功能的XR显示测量解决方案

2022年 4月 11日

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作者:

Anne Corning

增强现实、虚拟现实和混合现实（AR/VR/MR）【统称为扩展现实（XR）】设备制造商们面临多种设计挑战。人眼和视觉处理系统非常复杂，对光线、颜色、运动、形状和视角的微小差异高度敏感。XR设备设计人员必须为用户提供逼真且富有吸引力的视觉体验，无任何图像缺陷或畸变。与此同时，他们必须细致处理，以避免出现细微的性能问题，比如可能导致佩戴者感到不适或遭受其他不良影响的延时效应。

XR设备公司必须不断开发和微调其产品的几乎每个方面，包括硬件和光学元件，比如镜头和波导、照明和显示器、传感器、外形、设备重量和佩戴者舒适度。此外，他们还必须应对处理系统、软件和图像质量问题。

在设备开发过程中，一个至关重要的部分是能够尝试和测试不同的设计元素。为此，设备制造商们需要一系列质量测试系统。举例来说，为测量视觉显示性能，需要采用XR 显示测量解决方案。

XR设备具有许多光学组件，上面的示例显示了Magic Leap One MR头戴式设备的部分光学组件。（图片来源：IFIXIT）

XR显示器测量要求

仅从XR光学系统的视觉元素来看，设备质量和性能标准是由人类视觉感知定义的，即用户对XR显示器的视觉感知。我们可以将“XR显示器”定义为由设备中内置的显示器、投影装置和相关光学模块产生并传输的复合视觉元素。在努力改进设备设计的过程中，开发人员的任务是准确、高效地测量这些元素的性能，以支持多次设计迭代。

从根本上而言，XR显示器的质量取决于用户对从设备中内置的显示器和光学元件传递到人眼视网膜光线的感知。因此，从用户视觉感知的角度评估光线和图像是测量的关键。

由于这类显示器是在头戴式设备中靠近人眼的位置并在特定的角度视场（FOV）内观看的，因此XR显示器测试解决方案必须尽可能复制用户的观看条件。为了测量发光显示器的特性，瑞淀专门研发的成像测量系统，包括ProMetric^®成像亮度计和色度计，可匹配人眼对光线（亮度）和颜色（色度）的感知。

计量系统的响应必须符合描述人类对光线视觉响应的标准函数。瑞淀的ProMetric®成像亮度计和色度计具有配备的滤光片与 CIE 色彩匹配函数精确匹配，可绘制人类视觉对亮度和色度的标准视觉响应。响应匹配可确保准确的亮度和色度测量。

然而，复制XR设备用户的完整观看条件需要的不仅仅是进行准确的测量。测试解决方案还必须对整个图像上的不同值进行比较，以表征从背景信息中获取的显示器特性。这些值包括均匀性（比如亮度、色度或焦点均匀性）以及整体对比度、畸变、调制传递函数（MTF）、缺陷的出现和位置以及其他质量特性。由于不同设备的视场（FOV）范围、不同的显示器分辨率（每度像素，“PPD”）以及焦距变化等因素，XR显示器的测量和评估可能还会进一步复杂化。

上述示例显示不同的XR设备具有不同大小的视场（以水平度数测得）。

焦距方面的挑战

人类视觉的一个重要特征在于人眼专注于感知细节的方式。我们可以清晰地辨认出鼻子前方或数英里外的物体和环境，因为我们的眼睛几乎可以即时调整焦距。视网膜中心的一个区域称为中央凹，其中包含一种称为“视锥细胞”的密集感光细胞。视锥细胞使我们能够在视野的中心区域看到高度精确并且包含大量细节的图像。

中央凹周围的区域距离视网膜中心越远，包含的视锥细胞则越少，因此我们的视觉感知对视野外部部分将变得不那么精确。在周边视觉的最远边缘，除了区分明暗或检测运动（古代人类发现捕食者的一项生存优势）之外，我们几乎没有其他视觉感知能力。

为了创造逼真的观看体验，XR设备制造商们希望图像呈现足够的细节。如果当今高分辨率显示器上图像的每个区域都始终显示完整的细节，将需要巨大的处理能力——比用户可以舒适地佩戴在头上的设备具备的处理能力还要强大！

为了减少XR设备的计算需求，有些头戴式设备现在依赖于“注视点渲染”技术。该技术可以不断调整图像不同部分显示的细节量，并在中央凹区域显示最清晰的细节。图像的更多外围区域则显示较少或较模糊的细节，就像在人类视觉中出现时一样。

来自Tobii 的注视点渲染技术示例，其使用注视跟踪硬件，根据用户眼睛注视的位置调整图像外观（及处理负载）。（图片来源）

为了适应人类视觉的这一特性，该行业越来越普遍的做法是在设计头戴式XR显示器时采用多种焦距设置，以提供更自然的观看场景。举例来说，一个焦点用于感知“近距离”的元素，另一个焦点则用于感知较远距离的元素。多焦点、变焦和中心凹光学元件以及液态镜头等新型动态聚焦光学元件的出现带来了测量1个以上焦距或区域的需求。

市场上的许多AR/VR显示测量解决方案均允许变更焦距，但通常仅可通过手动重新对焦相机镜头来实现。这可能会给测量带来挑战，因为手动重新对焦通常不精确或不一致，更不用说额外耗时的问题。

焦点对测量精度的影响

测量系统引入的对焦不准问题可能会影响测量精度，进而导致并非XR显示器固有的明显变化。举例来说，显示器设备可能无法通过MTF测试，因为测量系统对焦不准会导致显示器设备的图像清晰度较低。
另一个使可变焦点测量变得具有挑战性的因素在于，传统镜头的镜筒会随着焦点变化而改变长度。这会移动成像系统的入射光瞳相对于显示器的位置，导致测量精度降低。

为了解决这个问题，每当调整焦点时，都需要重新定位成像系统，以使入射光瞳恢复至正确的测量位置。这不仅需要时间，而且会增加测量设置出现错误的风险。对于焦点的每一个细微变化，手动调整测量设置不仅效率低下、不方便，而且对于量产测试应用而言完全不切实际。