CN110057552A - 虚像距离测量方法、装置、设备以及控制器和介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种虚像距离测量方法、装置、设备以及控制器和介质，所述方法包括：沿镜头元件的光轴依次设置挡光元件、镜头元件和成像元件，所述挡光元件上开设有透光部，被测近眼显示器的虚像位置与镜头元件的成像位置不重合；所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现多个像；基于所述多个像确定测距参数，将所述测距参数代入预先设定的距离计算公式中，得到虚像距离。本发明对机械扫描器件的精度要求低，测量过程中无需做机械扫描，仅需采集一幅图片，即可得到虚像距离，测量时间短，测量精度高。

Description

虚像距离测量方法、装置、设备以及控制器和介质
技术领域
本发明涉及虚像距离测量技术领域，尤其涉及一种虚像距离测量方法、装置、设备以及控制器和介质。
背景技术
近眼显示***例如虚拟现实显示器(Virtual Reality Display)和增强现实显示器(Augmented Reality Display)中虚像距离的测量仍然是一个关键挑战。现有的虚像距离测量技术采用一个校准的相机镜头，并沿镜头的光轴W以固定间隔改变成像距离，在每一个成像距离拍摄一张图像。分析这些图像，找到最清晰的图像对应的成像距离就是被测近眼显示***的虚像距离。或者，使用一个相机镜头并调节相机的成像距离使得近眼显示***的虚像的像最清楚。在此成像距离的情况下，使用一个实际的物体，改变实际物体跟相机镜头的距离使得实际物体的像最清楚，这时实际物体跟相机镜头的距离就等于被测近眼显示***的虚像距离。
但是，现有的虚像距离测量技术存在以下缺点：1)测量仪器需要精密的机械移动器件来改变相机镜头的成像距离，对机械扫描器件的精度要求高；2)测量时由于频繁的进行机械扫描，需要定期矫正测量仪器的机械扫描部件；3)测量时由于要沿着光轴W采集多幅图片或者需要移动照相镜头，这个测量过程耗费时间长。
发明内容
本发明目的在于，提供一种虚像距离测量方法、装置、设备以及控制器和介质，对机械扫描器件的精度要求低，测量过程中无需做机械扫描，仅需采集一幅图片，即可得到虚像距离，测量时间短，测量精度高。
为了解决上述技术问题，根据本发明第一实施例，提供了一种虚像距离测量方法，包括：
沿镜头元件的光轴依次设置挡光元件、镜头元件和成像元件，所述挡光元件上开设有透光部，被测近眼显示器的虚像位置与镜头元件的成像位置不重合；
所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现多个像；
基于所述多个像确定测距参数，将所述测距参数代入预先设定的距离计算公式中，得到虚像距离。
进一步的，所述透光部包括M个透光孔，所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数；
所述测距参数为所述M个像的相对移动量，设为S，所述虚像距离设为D2，所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(a*S+b)，其中a,b为系数。
进一步的，所述方法还包括：确定a、b的值，具体包括：
设置第一参考物体，所述第一参考物体用于模拟被测近眼显示器的虚像，所述第一参考物体与镜头元件之间的距离设为D；
沿所述沿镜头元件的光轴移动所述第一参考物体，通过测距装置测量得到D值，获取多个D值，对应于每个D值，所述第一参考物体在所述成像元件上对应一组M个像，计算每组M个像的相对移动量S，从而得到多组D值和S值；
基于所述多组D值和S值确定a值和b值。
进一步的，所述透光部包括两个透光孔，所述第一参考物体在所述成像元件上呈现两个像，计算所述成像元件上两个像的相对移动量S包括：
采集所述第一参考物体在所述成像元件上呈现的图像，设为第一图像；
对所述第一图像进行第一次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第二图像；
对所述第二图像进行第二次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第三图像；
沿两个透光孔的连线方向在所述所述第三图像中间取一列像素的值；
将该列像素的值作为纵坐标，对应像素位置的值作为横坐标绘制第一曲线；
获取第一曲线中间尖峰位置m以及中间尖峰左侧或右侧的尖峰位置n，获取m-n的绝对值，即为第一参考物体在所述成像元件上呈现的两个像的相对移动量S。
进一步的，设两个透光孔的中心距离为SP，每个透光孔的直径为DP，镜头元件的入瞳直径为d,SP+DP小于d。
进一步的，所述透光部为通光圆环，所述通光圆环的中心与镜头元件的光轴中心重合，被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现若干个圆环，所述测距参数为圆环的直径，设为DC，所述虚像距离设为D2,所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(c*DC+d)，其中，c,d为系数。
进一步的，所述方法还包括：确定c、d的值，具体包括：
设置第二参考物体，所述第二参考物体包括若干个分离开的亮点，用于模拟被测近眼显示器的虚像，所述第二参考物体与镜头元件之间的距离设为D0，通过测距装置测量得到D0值；
沿所述沿镜头元件的光轴移动所述第二参考物体，获取多个D0值，对应于每个D0值，所述第二参考物体在所述成像元件上对应一组若干个圆环，通过霍夫变换获取圆环直径DC，从而得到多组D0值和DC值；
基于所述多组D0值和DC值确定c,d的值。
进一步的，所述通光圆环的外径小于镜头元件的入瞳直径。
根据本发明第二实施例，提供了一种虚像距离测量装置，包括：
计算模块以及沿镜头元件的光轴依次设置的挡光元件、镜头元件和成像元件，所述挡光元件上开设有透光部，被测近眼显示器的虚像位置与镜头元件的成像位置不重合；所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现多个像；
所述计算模块配置为，基于所述多个像确定测距参数，将所述测距参数代入预先设定的距离计算公式中，得到虚像距离。
进一步的，所述透光部包括M个透光孔，所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数；
所述测距参数为所述M个像的相对移动量，设为S，所述虚像距离设为D2，所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(a*S+b)，其中a,b为系数。
进一步的，所述计算模块还用于确定a、b的值，具体包括：
设置第一参考物体，所述第一参考物体用于模拟被测近眼显示器的虚像，所述第一参考物体与镜头元件之间的距离设为D；
沿所述沿镜头元件的光轴移动所述第一参考物体，通过测距装置测量得到D值，获取多个D值，对应于每个D值，所述第一参考物体在所述成像元件上对应一组M个像，计算每组M个像的相对移动量S，从而得到多组D值和S值；
基于所述多组D值和S值确定a值和b值。
进一步的，所述透光部包括两个透光孔，所述第一参考物体在所述成像元件上呈现两个像，所述计算模块还用于计算所述成像元件上两个像的相对移动量S，具体包括：
第一图像获取单元，配置为采集所述第一参考物体在所述成像元件上呈现的图像，设为第一图像；
第二图像获取单元，配置为对所述第一图像进行第一次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第二图像；
第三图像获取单元，配置为对所述第二图像进行第二次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第三图像；
像素值获取单元，配置为沿两个透光孔的连线方向在所述所述第三图像中间取一列像素的值；
第一曲线绘制单元，配置为将该列像素的值作为纵坐标，对应像素位置的值作为横坐标绘制第一曲线；
相对移动量获取单元，配置为获取第一曲线中间尖峰位置m以及中间尖峰左侧或右侧的尖峰位置n，获取m-n的绝对值，即为第一参考物体在所述成像元件上呈现的两个像的相对移动量S。
进一步的，设两个透光孔的中心距离为SP，每个透光孔的直径为DP，镜头元件的入瞳直径为d,SP+DP小于d。
进一步的，所述透光部为通光圆环，所述通光圆环的中心与镜头元件的光轴中心重合，被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现若干个圆环，所述测距参数为圆环的直径，设为DC，所述虚像距离设为D2,所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(c*DC+d)，其中，c,d为系数。
进一步的，所述计算模块还用于确定c、d的值，具体包括：
设置第二参考物体，所述第二参考物体包括若干个分离开的亮点，用于模拟被测近眼显示器的虚像，所述第二参考物体与镜头元件之间的距离设为D0，通过测距装置测量得到D0值；
沿所述沿镜头元件的光轴移动所述第二参考物体，获取多个D0值，对应于每个D0值，所述第二参考物体在所述成像元件上对应一组若干个圆环，通过霍夫变换获取圆环直径DC，从而得到多组D0值和DC值；
基于所述多组D0值和DC值确定c,d的值。
进一步的，所述通光圆环的外径小于镜头元件的入瞳直径。
根据本发明第三实施例，提供了一种虚像距离测量设备，包括沿镜头元件的光轴依次设置的挡光元件、镜头元件和成像元件，所述挡光元件上开设有透光部，以使得被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现多个像，被测近眼显示器的虚像位置与镜头元件的成像位置不重合。
进一步的，所述透光部包括M个透光孔所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数；
或者，
所述透光部为通光圆环，所述通光圆环的中心与镜头元件的光轴中心重合，被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现若干个圆环。
根据本发明又一方面，提供一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现所述方法中计算机可执行的步骤。
根据本发明又一方面，提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述程序在由一计算机或处理器执行时实现所述方法中计算机可执行的步骤。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种虚像距离测量方法、装置、设备以及控制器和介质可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
本发明对机械扫描器件的精度要求低，测量过程中无需做机械扫描，仅需采集一幅图片，即可得到虚像距离，测量时间短，测量精度高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的虚像距离测量方法流程图；
图2为本发明一实施例提供的虚像距离测量示意图；
图3为本发明一实施例提供的挡光元件示意图；
图4为本发明一实施例提供的虚像测量校正阶段参数获取示意图；
图5(a)为本发明一实施例提供的第一参考物体与镜头元件之间的距离为0.8米时的第一参考物体在成像元件上的像；
图5(b)为本发明一实施例提供的第一参考物体与镜头元件之间的距离为1.0米时的第一参考物体在成像元件上的像；
图5(c)为本发明一实施例提供的第一参考物体与镜头元件之间的距离为1.25米时的第一参考物体在成像元件上的像；
图6(a)为本发明一实施例提供的获取第一图像示意图；
图6(b)为本发明一实施例提供的获取第二图像示意图；
图6(c)为本发明一实施例提供的获取第三图像示意图；
图6(d)为本发明一实施例提供的获取第一曲线示意图；
图7为本发明一实施例提供的第一参考物体与镜头元件的距离与相对移动量关系图；
图8为本发明一实施例提供的虚像与镜头元件的距离与相对移动量关系图；
图9为本发明一实施例提供的测量虚像距离的测量值与实际值之间的差异示意图；
图10(a)为本发明另一实施例提供的挡光元件示意图；
图10(b)为本发明另一实施例提供的挡光元件所得像的傅里叶变换结果示意图；
图11(a)为本发明又一实施例提供的第二参考物体示意图；
图11(b)为本发明又一实施例提供的挡光元件示意图；
图11(c)为本发明又一实施例提供的第二参考物体在成像元件所成像示意图。
【符号说明】
1：挡光元件 2：镜头元件
3：成像元件 4：被测近眼显示器
5：第一参考物体 6：测距装置
11：透光部 111：透光孔
112：通光圆环
W：镜头元件的光轴
A：镜头元件的成像位置
B：被测近眼显示器的虚像位置
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种虚像距离测量方法、装置、设备以及控制器和介质的具体实施方式及其功效，详细说明如后。
本发明实施例提供了一种虚像距离测量方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、沿镜头元件2的光轴W依次设置挡光元件1、镜头元件2和成像元件3，所述挡光元件1上开设有透光部11，被测近眼显示器4的虚像位置B与镜头元件2的成像位置A不重合。
步骤S2、所述被测近眼显示器4的虚像通过所述挡光元件1以及镜头元件2后在所述成像元件3上呈现多个像。
步骤S3、基于所述多个像确定测距参数，将所述测距参数代入预先设定的距离计算公式中，得到虚像距离。
通过在挡光元件1上设置透光部11，将虚像的沿着光轴W方向的移动量转化为成像元件3上可测量的图像的移动量或形变：例如，一个带有若干通光小孔的挡光元件1，放置于镜头元件2入瞳或者出瞳平面，进而将虚像沿着光轴W的变化量转变成成像元件3上的像之间的相对移动量。或者，挡光元件1为一个带有通光圆环112的挡光板，放置于镜头元件2入瞳平面，进而将虚像沿着光轴W的变化量转化为成像元件3上像的变形量。设置不同的透光部11，对应不同的预先设定的距离计算公式，以下通过两个实施例进行说明：
实施例一、
所述透光部11包括M个透光孔111，被测近眼显示器4的虚像通过所述挡光元件1以及镜头元件2后在成像元件3上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数。所述测距参数为所述M个像的相对移动量，设为S，所述虚像距离设为D2，所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(a*S+b)，其中a,b为系数。
作为一种示例，挡光元件1上开设两个透光孔111，如图2所示，挡光元件1可以为开设有透光部11的挡光板，挡光元件1放置于镜头元件2的入瞳平面上，镜头元件2可以为相机镜头，镜头元件2的成像距离设为D1；被测近眼显示器4的虚像位置B与镜头元件2之间的距离即为虚像距离，设为D2；挡光元件1与镜头元件2之间的距离设为D3；镜头元件2与成像元件3之间的距离设为D4；当被测近眼显示器4的虚像位置B与镜头元件2的成像位置A不重合时，被测近眼显示器4的虚像在成像元件3上会有两个像，两个像的相对位移量为S。
图2所示示例中，两个透光孔111沿竖直方向排布，如图3所示，但可以理解的是，图2和图3中所示的挡光元件1仅为一种示例，透光孔111的个数不限于两个，可以为两个以上，排布方式不限于沿竖直方向排布，还可以为任意方向。在图2中，两个透光孔111的中心之间的距离设为SP，每个透光孔111的直径设为DP。对与每个透光孔111的大小，当透光孔111的直径变大，经过每个透光孔111成的像的强度变大，图像中的噪声影响变小；当透光孔111的直径变小，每个透光孔111对应的成像***的景深变大即当被测近眼显示器4的虚像的位置在更大的范围内变化时，被测近眼显示器4的虚像依然能够在成像元件3上得到两个清晰的像。所以具体使用中，可以根据成像元件3的灵敏度，被测量近眼显示器虚像的距离分布区间来选择合适的透光孔111的直径。对与两个透光孔111之间的距离，需要保证SP+DP要小于镜头元件2的入瞳的直径d，即两个透光孔111都要在镜头元件2的入瞳内。在保证SP+DP小于镜头元件2的入瞳的直径的前提下，SP的值与S的值成正比，因此，可以尽量的使用大的SP的值，即两个透光孔111之间的间距要尽量的大，这样成像元件3采集到的照片中，被测近眼显示器4虚像的两个像之间的相对移动量会更大，从而可以提高对近眼显示器虚像距离测量的精度。
作为一种示例，镜头元件2的焦距为f，令D3等于f，则挡光元件1位于镜头元件2的前焦面上。调节成像元件3和镜头元件2之间的的距离D4，可以调节镜头元件2的成像位置A与镜头元件2之间的距离D1，这两个距离满足关系式D1＝1/(1/f–1/D4)，保证被测近眼显示器4的虚像位置B与镜头元件2的成像位置A不重合，这是因为如果一个由近眼显示器产生的虚像刚好位于照相镜头的成像位置上，那么在成像元件3上只能观测到一个清晰的虚像的像。如果近眼显示器虚像跟镜头元件2的距离D2不等于D1，经过带有两个通光小孔的挡光元件1和照相元件，在成像元件3上会观测到两个虚像的像，从而可以获取S的值。作为示例，可以预先获取被测量近眼显示器虚像位置的分布区间，再设定镜头元件2的成像位置A在虚像位置分布区间之外，以保证被测试的近眼显示器虚像的位置跟镜头元件2的成像位置A不同。例如，通过光学设计和理论计算知道被测近眼显示器4的虚像离开镜头元件2的距离在0.2米到2米的范围内，则可以设定镜头元件2成像位置离开照相镜头的距离小于0.2米，或者大于2米，这样就可以保证近眼显示器虚像在成像元件3上面产生两个有相对移动量的像，利用这个相对移动量计算虚像离开照相镜头的距离。
所述方法还包括步骤S4、确定a、b的值，该过程在校正环节实现，具体包括：
步骤S41、设置第一参考物体5，所述第一参考物体5用于模拟被测近眼显示器4的虚像，所述第一参考物体5与镜头元件2之间的距离设为D；
步骤S42、沿所述沿镜头元件2的光轴W移动所述第一参考物体5，通过测距装置6测量得到D值，获取多个D值，对应于每个D值，所述第一参考物体5在所述成像元件3上对应一组M个像，计算每组M个像的相对移动量S，从而得到多组D值和S值；
步骤S43、基于所述多组D值和S值确定a值和b值。
如图4所示示例，步骤S41-步骤S43中，可采用一个带有平面图案的实际物体作为第一参考物体5，将第一参考物体5放置在一个可滑动导轨上，第一参考物体5的平面图案与镜头元件2的高度相同。第一参考物体5沿着镜头元件2的光轴W移动到某一个位置的时候，采用测量距离的装置测量此时第一参考物体5与镜头元件2之间的距离D，并且用成像元件3记录实际物体产生的两个像。作为示例，测量距离的装置可以是尺子或者激光测距仪等。图5(a)-图5(c)所示为是当第一参考物体5与镜头元件2之间的距离分别为0.8米，1.0米和1.25米的三种情况下的拍摄到第一参考物体5的像。
作为一种示例，可通过图像处理的方法计算图5中每个成像元件3上两个像的相对移动量S，如图6所示示例，具体包括：
步骤S421、如图6(a)所示，采集所述第一参考物体5在所述成像元件3上呈现的图像，设为第一图像，第一图像中两个像的相对位移为S；
步骤S422、对所述第一图像进行第一次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第二图像，如图6(b)所示；
步骤S423、对所述第二图像进行第二次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第三图像，如图6(c)所示；
步骤S424、沿两个透光孔111的连线方向在所述所述第三图像中间取一列像素的值，本实施例中，沿竖直方向取图6(c)的中间一列的像素的值；
需要说明的是，两个透光孔111的排列可以是任意的方向，在成像元件3上，实际物体或者被测近眼显示器4虚像的两个像相互错开的方向和两个透光孔111的排列方向是一致的。而且在图像处理的过程中，经过两次傅里叶变化并取绝对值之后，尖峰的排列方向也跟两个透光孔111的排列方向一致。如图10所示示例，如果采用水平方向排列的两个透光孔111，那么在经过两次傅里叶变化并取绝对值之后的结果中，尖峰也是水平的方向。所以对于任意方向排列的两个小孔，在经过两次傅里叶变化并取绝对值之后的结果中，应该在相应的尖峰所在的方向上来获的像素的强度，并得到中间尖峰和两边尖峰的位置。
步骤S425、将该列像素的值作为纵坐标，对应像素位置的值作为横坐标绘制第一曲线，如图6(d)所示；
步骤S426、获取第一曲线中间尖峰位置m以及中间尖峰左侧或右侧的尖峰位置n，获取m-n的绝对值|m-n|，即为第一参考物体5在所述成像元件3上呈现的两个像的相对移动量S。作为示例，尖峰的位置可以不用等于整数个像素值，比如中间尖峰的位置可以是在第100.2个像素的位置上，右边尖峰的位置可以是在第150.3个像素的位置上，这两个尖峰的距离就是50.1个像素。这样的可以得到更加精确的两个尖峰之间的距离，也就是更加精确的两个像之间的相对移动量。
在一定的范围内，以某一变化步长，改变第一参考物体5与镜头元件2的距离。在每一个距离D，利用成像元件3采集第一参考物体5的两个像，并且通过步骤S421-步骤S426描述的图像处理的方法得到两个像之间相对移动量S。把得到的相对移动量作为横坐标，与之对应的第一参考物体5与镜头元件2的距离作为纵坐标，可以得到如图7所示的曲线。图7中，每一个圆圈代表一对测量值。下一步需要找到描述D和S之间关系的公式D＝1/(a*+b)，为了方便计算，可以找1/D和S之间的关系公式1/D＝a*S+b，这是一个线性的关系式，公式中的a和b的值可以通过一元线性回归的方法求得。这样就能得到D和S之间的关系式，这个关系式的曲线如图8所示。作为一种示例，可提前设定第一参考物体5与镜头元件2之间距离的变化范围，这个范围可以通过被测量近眼显示器虚像的距离分布区间来确定。例如，可以通过光学设计和理论计算知道被测的近眼显示器的虚像离镜头元件2的距离会在0.2米到2米的范围内，那就可以在离镜头元件0.2米到2米的范围内移动第一参考物体5。
在测试阶段，采用被测近眼显示器4的虚像作为照相***的物，采集到一张图片，其中有两个近眼显示器的虚像的像，通过计算两个像之间的相对移动量S，再根据公式D2＝1/(a*S+b)，就可以计算近眼显示器虚像离开照相镜头的距离D2。第二种方法，可以利用图8，例如求得两个像之间的相对移动量为82个像素数，过这个点做一个垂直于横坐标的线，这条线相交于关系式曲线于P点，P点对应的纵坐标的值是0.45米，这个值就是近眼显示器虚像跟照相镜头之间的距离。
作为一种示例，在46个已知的虚像距离位置上，计算虚像的两个像之间的相对移动量，然后得到测量的虚像距离。采用虚像距离的实际值和测量值之间的差异作为测量误差。图9显示了46次测量的误差。采用屈光度作为测量误差的单位，1屈光度等于1米分之1。如果某次测量的虚像距离是M米，而实际距离是N米，那么这一次的测量误差为(1/M-1/N)屈光度。从图9可知，46次测量的误差都在+/-0.02屈光度之内。人眼在沿光轴W的方向，只能区分超过0.25屈光度的虚像距离的变化，由此可知，本发明实施例所述的测量虚像距离的方法具有很高的精度。
实施例二、
如图11所示，所述透光部11为通光圆环112，通光圆环112的中心与镜头元件2的光轴W中心重合，被测近眼显示器4的虚像通过挡光元件1以及镜头元件2后在成像元件3上呈现若干个圆环，所述测距参数为圆环的直径，设为DC，所述虚像距离设为D2,所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(c*DC+d)，其中，c,d为系数。
所述通光圆环112的外径小于镜头元件2的入瞳直径，通光圆环112外径和内径之差与成像元件3上的圆环的内径和外径之差成正比。通光圆环112的外径和内径的差越小，成像元件3上的圆环越细，通光圆环112的外径和内径的差越大，成像元件3上的圆环越粗。亮点的大小也会影响成像元件3上圆环的粗细，亮点越大成像元件3上的圆环越粗，亮点越小成像元件3上的圆环越细。因此可以综合的考虑通光圆环112的内外径差和亮点的大小，使得成像元件3上圆环的粗细为几个成像元件3像素大小。另外，亮点之间的距离应该保证镜头元件2的成像范围内至少有一个亮点，若干亮点不需要沿着水平和垂直方向均匀排列。
所述方法还包括步骤S5、确定c、d的值，该过程在校正环节实现，具体包括：
步骤S51、设置第二参考物体，所述第二参考物体包括若干个分离开的亮点，用于模拟被测近眼显示器4的虚像，所述第二参考物体与镜头元件2之间的距离设为D0，通过测距装置6测量得到D0值；
步骤S52、沿所述沿镜头元件2的光轴W移动所述第二参考物体，获取多个D0值，对应于每个D0值，所述第二参考物体在所述成像元件3上对应一组若干个圆环，通过霍夫变换获取圆环直径DC，从而得到多组D0值和DC值；
步骤S53、基于所述多组D0值和DC值确定c,d的值。
作为一种示例，可以在沿着镜头元件2的光轴W方向上，在一定的范围内以一定的步长，移动带有若干个分离开的亮点的第二参考物体。用测距离的装置测量实际物体跟照相镜头的距离，用霍夫变换计算在相应距离的时候成像元件3上圆环的直径。类似于求a和b的方法，利用一元线性回归求得关系式D2＝1/(c*DC+d)中c和d的值，在此不再赘述。
在测量阶段，使用带有若干个分离开的亮点作为被测得近眼显示器的虚像，这个虚像经过经过带有通光圆环112的挡光板的照相镜头，在成像元件3上面会产生若干个圆环。采用霍夫变换求得圆环的直径，利用公式D2＝1/(c*DC+d)即可求得虚像离开镜头元件2的距离。
本发明实施例还提供了一种虚像距离测量装置，包括计算模块7以及沿镜头元件2的光轴W依次设置的挡光元件1、镜头元件2和成像元件3，所述挡光元件1上开设有透光部11，被测近眼显示器4的虚像位置B与镜头元件2的成像位置A不重合；所述被测近眼显示器4的虚像通过所述挡光元件1以及镜头元件2后在所述成像元件3上呈现多个像；所述计算模块7配置为，基于所述多个像确定测距参数，将所述测距参数代入预先设定的距离计算公式中，得到虚像距离。
通过在挡光元件1上设置透光部11，将虚像的沿着光轴W方向的移动量转化为成像元件3上可测量的图像的移动量或形变：例如，一个带有若干通光小孔的挡光元件1，放置于镜头元件2入瞳或者出瞳平面，进而将虚像沿着光轴W的变化量转变成成像元件3上的像之间的相对移动量。或者，挡光元件1为一个带有通光圆环112的挡光板，放置于镜头元件2入瞳平面，进而将虚像沿着光轴W的变化量转化为成像元件3上像的变形量。设置不同的透光部11，对应不同的预先设定的距离计算公式，以下通过两个实施例进行说明：
实施例三、
所述透光部11包括M个透光孔111，所述被测近眼显示器4的虚像通过所述挡光元件1以及镜头元件2后在所述成像元件3上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数；
所述测距参数为所述M个像的相对移动量，设为S，所述虚像距离设为D2，所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(a*S+b)，其中a,b为系数。
所述计算模块7还用于确定a、b的值，该过程在校正环节实现，具体包括：
设置第一参考物体5，所述第一参考物体5用于模拟被测近眼显示器4的虚像，所述第一参考物体5与镜头元件2之间的距离设为D；
沿所述沿镜头元件2的光轴W移动所述第一参考物体5，通过测距装置6测量得到D值，获取多个D值，对应于每个D值，所述第一参考物体5在所述成像元件3上对应一组M个像，计算每组M个像的相对移动量S，从而得到多组D值和S值；
基于所述多组D值和S值确定a值和b值。
作为一种示例，所述透光部11包括两个透光孔111，所述第一参考物体5在所述成像元件3上呈现两个像，图2所示示例中，两个透光孔111沿竖直方向排布，如图3所示，但可以理解的是，图2和图3中所示的挡光元件1仅为一种示例，透光孔111的个数不限于两个，可以为两个以上，排布方式不限于沿竖直方向排布，还可以为任意方向。所述计算模块7还用于计算所述成像元件3上两个像的相对移动量S，具体包括：
第一图像获取单元，配置为采集所述第一参考物体5在所述成像元件3上呈现的图像，设为第一图像；
第二图像获取单元，配置为对所述第一图像进行第一次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第二图像；
第三图像获取单元，配置为对所述第二图像进行第二次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第三图像；
像素值获取单元，配置为沿两个透光孔111的连线方向在所述所述第三图像中间取一列像素的值；
第一曲线绘制单元，配置为将该列像素的值作为纵坐标，对应像素位置的值作为横坐标绘制第一曲线；
相对移动量获取单元，配置为获取第一曲线中间尖峰位置m以及中间尖峰左侧或右侧的尖峰位置n，获取m-n的绝对值，即为第一参考物体5在所述成像元件3上呈现的两个像的相对移动量S。
设两个透光孔111的中心距离为SP，每个透光孔111的直径为DP，镜头元件2的入瞳直径为d,SP+DP小于dSP的值与S的值成正比。
在一定的范围内，以某一变化步长，改变第一参考物体5与镜头元件2的距离。在每一个距离D，利用成像元件3采集第一参考物体5的两个像，并且通过计算模块7描述的图像处理的方法得到两个像之间相对移动量S。把得到的相对移动量作为横坐标，与之对应的第一参考物体5与镜头元件2的距离作为纵坐标，可以得到如图7所示的曲线。图7中，每一个圆圈代表一对测量值。下一步需要找到描述D和S之间关系的公式D＝1/(a*+b)，为了方便计算，可以找1/D和S之间的关系公式1/D＝a*S+b，这是一个线性的关系式，公式中的a和b的值可以通过一元线性回归的方法求得。这样就能得到D和S之间的关系式，这个关系式的曲线如图8所示。作为一种示例，可提前设定第一参考物体5与镜头元件2之间距离的变化范围，这个范围可以通过被测量近眼显示器虚像的距离分布区间来确定。例如，可以通过光学设计和理论计算知道被测的近眼显示器的虚像离镜头元件2的距离会在0.2米到2米的范围内，那就可以在离镜头元件0.2米到2米的范围内移动第一参考物体5。
在测试阶段，采用被测近眼显示器4的虚像作为照相***的物，采集到一张图片，其中有两个近眼显示器的虚像的像，计算模块7通过计算两个像之间的相对移动量S，再根据公式D2＝1/(a*S+b)，就可以计算近眼显示器虚像离开照相镜头的距离D2。第二种方法，可以利用图8，例如求得两个像之间的相对移动量为82个像素数，过这个点做一个垂直于横坐标的线，这条线相交于关系式曲线于P点，P点对应的纵坐标的值是0.45米，这个值就是近眼显示器虚像跟照相镜头之间的距离。
实施例四、
所述透光部11为通光圆环112，所述通光圆环112的中心与镜头元件2的光轴W中心重合，被测近眼显示器4的虚像通过所述挡光元件1以及镜头元件2后在所述成像元件3上呈现若干个圆环，所述测距参数为圆环的直径，设为DC，所述虚像距离设为D2,所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(c*DC+d)，其中，c,d为系数。
所述通光圆环112的外径小于镜头元件2的入瞳直径，通光圆环112外径和内径之差与成像元件3上的圆环的内径和外径之差成正比。通光圆环112的外径和内径的差越小，成像元件3上的圆环越细，通光圆环112的外径和内径的差越大，成像元件3上的圆环越粗。亮点的大小也会影响成像元件3上圆环的粗细，亮点越大成像元件3上的圆环越粗，亮点越小成像元件3上的圆环越细。因此可以综合的考虑通光圆环112的内外径差和亮点的大小，使得成像元件3上圆环的粗细为几个成像元件3像素大小。另外，亮点之间的距离应该保证镜头元件2的成像范围内至少有一个亮点，若干亮点不需要沿着水平和垂直方向均匀排列。
所述计算模块7还用于确定c、d的值，具体包括：
设置第二参考物体，所述第二参考物体包括若干个分离开的亮点，用于模拟被测近眼显示器4的虚像，所述第二参考物体与镜头元件2之间的距离设为D0，通过测距装置6测量得到D0值；
沿所述沿镜头元件2的光轴W移动所述第二参考物体，获取多个D0值，对应于每个D0值，所述第二参考物体在所述成像元件3上对应一组若干个圆环，通过霍夫变换获取圆环直径DC，从而得到多组D0值和DC值；
基于所述多组D0值和DC值确定c,d的值。
作为一种示例，可以在沿着镜头元件2的光轴W方向上，在一定的范围内以一定的步长，移动带有若干个分离开的亮点的第二参考物体。用测距离的装置测量实际物体跟照相镜头的距离，用霍夫变换计算在相应距离的时候成像元件3上圆环的直径。类似于求a和b的方法，利用一元线性回归求得关系式D2＝1/(c*DC+d)中c和d的值，在此不再赘述。
在测量阶段，使用带有若干个分离开的亮点作为被测得近眼显示器的虚像，这个虚像经过经过带有通光圆环112的挡光板的照相镜头，在成像元件3上面会产生若干个圆环。采用霍夫变换求得圆环的直径，利用公式D2＝1/(c*DC+d)即可求得虚像离开镜头元件2的距离。
根据本发明第三实施例，提供了一种虚像距离测量设备，如图2和图4中所示，包括沿镜头元件2的光轴W依次设置的挡光元件1、镜头元件2和成像元件3，所述挡光元件1上开设有透光部11，以使得被测近眼显示器4的虚像通过所述挡光元件1以及镜头元件2后在所述成像元件3上呈现多个像，被测近眼显示器4的虚像位置B与镜头元件2的成像位置A不重合。
其中，所述透光部11包括M个透光孔111所述被测近眼显示器4的虚像通过所述挡光元件1以及镜头元件2后在所述成像元件3上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数。或者，所述透光部11为通光圆环112，所述通光圆环112的中心与镜头元件2的光轴W中心重合，被测近眼显示器4的虚像通过所述挡光元件1以及镜头元件2后在所述成像元件3上呈现若干个圆环。
本发明实施例还提供一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现所述虚像距离测量方法中计算机可执行的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述程序在由一计算机或处理器执行时实现所述虚像距离测量方法中计算机可执行的步骤。
本发明实施例对机械扫描器件的精度要求低，测量过程中无需做机械扫描，仅需采集一幅图片，即可得到虚像距离，测量时间短，测量精度高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (20)

1.一种虚像距离测量方法，其特征在于，包括：
沿镜头元件的光轴依次设置挡光元件、镜头元件和成像元件，所述挡光元件上开设有透光部，被测近眼显示器的虚像位置与镜头元件的成像位置不重合；
所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现多个像；
基于所述多个像确定测距参数，将所述测距参数代入预先设定的距离计算公式中，得到虚像距离。
2.根据权利要求1所述的虚像距离测量方法，其特征在于，
所述透光部包括M个透光孔，所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数；
所述测距参数为所述M个像的相对移动量，设为S，所述虚像距离设为D2，所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(a*S+b)，其中a,b为系数。
3.根据权利要求2所述的虚像距离测量方法，其特征在于，
所述方法还包括：确定a、b的值，具体包括：
设置第一参考物体，所述第一参考物体用于模拟被测近眼显示器的虚像，所述第一参考物体与镜头元件之间的距离设为D；
沿所述沿镜头元件的光轴移动所述第一参考物体，通过测距装置测量得到D值，获取多个D值，对应于每个D值，所述第一参考物体在所述成像元件上对应一组M个像，计算每组M个像的相对移动量S，从而得到多组D值和S值；
基于所述多组D值和S值确定a值和b值。
4.根据权利要求3所述的虚像距离测量方法，其特征在于，
所述透光部包括两个透光孔，所述第一参考物体在所述成像元件上呈现两个像，计算所述成像元件上两个像的相对移动量S包括：
采集所述第一参考物体在所述成像元件上呈现的图像，设为第一图像；
对所述第一图像进行第一次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第二图像；
对所述第二图像进行第二次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第三图像；
沿两个透光孔的连线方向在所述所述第三图像中间取一列像素的值；
将该列像素的值作为纵坐标，对应像素位置的值作为横坐标绘制第一曲线；
获取第一曲线中间尖峰位置m以及中间尖峰左侧或右侧的尖峰位置n，获取m-n的绝对值，即为第一参考物体在所述成像元件上呈现的两个像的相对移动量S。
5.根据权利要求4所述的虚像距离测量方法，其特征在于，
设两个透光孔的中心距离为SP，每个透光孔的直径为DP，镜头元件的入瞳直径为d,SP+DP小于d。
6.根据权利要求1所述的虚像距离测量方法，其特征在于，
所述透光部为通光圆环，所述通光圆环的中心与镜头元件的光轴中心重合，被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现若干个圆环，所述测距参数为圆环的直径，设为DC，所述虚像距离设为D2,所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(c*DC+d)，其中，c,d为系数。
7.根据权利要求6所述的虚像距离测量方法，其特征在于，
所述方法还包括：确定c、d的值，具体包括：
设置第二参考物体，所述第二参考物体包括若干个分离开的亮点，用于模拟被测近眼显示器的虚像，所述第二参考物体与镜头元件之间的距离设为D0，通过测距装置测量得到D0值；
沿所述沿镜头元件的光轴移动所述第二参考物体，获取多个D0值，对应于每个D0值，所述第二参考物体在所述成像元件上对应一组若干个圆环，通过霍夫变换获取圆环直径DC，从而得到多组D0值和DC值；
基于所述多组D0值和DC值确定c,d的值。
8.根据权利要求6所述的虚像距离测量方法，其特征在于，
所述通光圆环的外径小于镜头元件的入瞳直径。
9.一种虚像距离测量装置，其特征在于，包括：
计算模块以及沿镜头元件的光轴依次设置的挡光元件、镜头元件和成像元件，所述挡光元件上开设有透光部，被测近眼显示器的虚像位置与镜头元件的成像位置不重合；所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现多个像；
所述计算模块配置为，基于所述多个像确定测距参数，将所述测距参数代入预先设定的距离计算公式中，得到虚像距离。
10.根据权利要求9所述的虚像距离测量装置，其特征在于，
所述透光部包括M个透光孔，所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数；
所述测距参数为所述M个像的相对移动量，设为S，所述虚像距离设为D2，所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(a*S+b)，其中a,b为系数。
11.根据权利要求10所述的虚像距离测量装置，其特征在于，
所述计算模块还用于确定a、b的值，具体包括：
设置第一参考物体，所述第一参考物体用于模拟被测近眼显示器的虚像，所述第一参考物体与镜头元件之间的距离设为D；
沿所述沿镜头元件的光轴移动所述第一参考物体，通过测距装置测量得到D值，获取多个D值，对应于每个D值，所述第一参考物体在所述成像元件上对应一组M个像，计算每组M个像的相对移动量S，从而得到多组D值和S值；
基于所述多组D值和S值确定a值和b值。
12.根据权利要求11所述的虚像距离测量装置，其特征在于，
所述透光部包括两个透光孔，所述第一参考物体在所述成像元件上呈现两个像，所述计算模块还用于计算所述成像元件上两个像的相对移动量S，具体包括：
第一图像获取单元，配置为采集所述第一参考物体在所述成像元件上呈现的图像，设为第一图像；
第二图像获取单元，配置为对所述第一图像进行第一次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第二图像；
第三图像获取单元，配置为对所述第二图像进行第二次二维傅里叶变换，并取傅里叶变换结果的绝对值，得到第三图像；
像素值获取单元，配置为沿两个透光孔的连线方向在所述所述第三图像中间取一列像素的值；
第一曲线绘制单元，配置为将该列像素的值作为纵坐标，对应像素位置的值作为横坐标绘制第一曲线；
相对移动量获取单元，配置为获取第一曲线中间尖峰位置m以及中间尖峰左侧或右侧的尖峰位置n，获取m-n的绝对值，即为第一参考物体在所述成像元件上呈现的两个像的相对移动量S。
13.根据权利要求12所述的虚像距离测量装置，其特征在于，
设两个透光孔的中心距离为SP，每个透光孔的直径为DP，镜头元件的入瞳直径为d,SP+DP小于d。
14.根据权利要求9所述的虚像距离测量装置，其特征在于，
所述透光部为通光圆环，所述通光圆环的中心与镜头元件的光轴中心重合，被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现若干个圆环，所述测距参数为圆环的直径，设为DC，所述虚像距离设为D2,所述预先设定的距离计算公式为D2＝1/(c*DC+d)，其中，c,d为系数。
15.根据权利要求14所述的虚像距离测量装置，其特征在于，
所述计算模块还用于确定c、d的值，具体包括：
设置第二参考物体，所述第二参考物体包括若干个分离开的亮点，用于模拟被测近眼显示器的虚像，所述第二参考物体与镜头元件之间的距离设为D0，通过测距装置测量得到D0值；
沿所述沿镜头元件的光轴移动所述第二参考物体，获取多个D0值，对应于每个D0值，所述第二参考物体在所述成像元件上对应一组若干个圆环，通过霍夫变换获取圆环直径DC，从而得到多组D0值和DC值；
基于所述多组D0值和DC值确定c,d的值。
16.根据权利要求14所述的虚像距离测量装置，其特征在于，
所述通光圆环的外径小于镜头元件的入瞳直径。
17.一种虚像距离测量设备，其特在于，
包括沿镜头元件的光轴依次设置的挡光元件、镜头元件和成像元件，所述挡光元件上开设有透光部，以使得被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现多个像，被测近眼显示器的虚像位置与镜头元件的成像位置不重合。
18.根据权利要求17所述的虚像距离测量设备，其特在于，
所述透光部包括M个透光孔所述被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现M个像，其中，M为大于等于2的正整数；
或者，
所述透光部为通光圆环，所述通光圆环的中心与镜头元件的光轴中心重合，被测近眼显示器的虚像通过所述挡光元件以及镜头元件后在所述成像元件上呈现若干个圆环。
19.一种控制器，其包括存储器与处理器，其特征在于,所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现权利要求1至8中任意一项权利要求所述的方法中计算机可执行的步骤。
20.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其特征在于,所述程序在由一计算机或处理器执行时实现如权利要求1至8中任意一项权利要求所述的方法中计算机可执行的步骤。
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