CN113272694B - 光学器件测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

在眼睛运动盒(EMB)中的各个位置处，可以捕获并且分析来自光学器件的输出图像以检测和评估经由光学器件的图像传播。沿特定轴的光学测试可以评估跨小平面的有效区域的光学引擎传递函数一致性，检测来自光学器件的投影图像的“拖尾”的存在和程度，以及检测与楔形物至LOE界面中的散射和衍射有关的“白色条纹”(WS)现象的存在和程度。可以得到各种度量以用于质量控制和反馈到生产***中，以及用于光学器件的布置。

Description

光学器件测试方法和装置

发明领域

本发明大体上涉及光学测试，并且特别地，本发明涉及测试光学器件。

发明背景

在将光学引擎(光学元件，“OE”)集成到各种***(例如，用于增强现实“AR”近眼显示器)的处理期间，存在对在组件水平和集成单元水平两者上评估OE的性能的需要。具体地，因为***(例如AR)将真实和合成图像组合并且发送到观察者的眼睛中，因此存在对拖尾(smear)、白线、跳跃和黑线(间隙、低强度区域)专门测试的需要。

发明内容

根据本实施方式的教导，提供了一种用于测试光学器件的方法，该方法包括以下步骤：在多个捕获位置中的第一捕获位置处捕获图像，该多个捕获位置在距光学器件的光导的出瞳间隔(ER)距离处并且在光导的眼睛运动盒(EMB)中，该光导具有：第一对外表面，其彼此平行，用于通过内反射引导光；耦入构造，其用于将输入图像耦入到光导中；以及耦出构造，其用于将输入图像从光导耦出为输出图像，以使得能够由用户的眼睛在出瞳间隔距离处看到并且能够跨被称为眼睛运动盒的区域看到，在所述多个捕获位置中的除第一捕获位置之外的一个或更多个附加位置处重复对图像的捕获，以及基于来自第一捕获位置和附加捕获位置中的至少一个附加捕获位置的捕获图像得到一个或更多个度量。

在可选实施方式中，还包括：经由耦入构造将测试图案的准直图像投影到光导中，该光导包括：至少一个小平面集合，集合中的每一个：包括彼此平行的多个部分反射小平面，在第一对外表面之间，并且相对于第一对外表面成斜角，以及对图像的捕获是针对从光导投影的图像。

在可选的实施方式中，光导包括三个光学组件的集合，所述集合包括：一对第一匹配衍射光学组件和第二匹配衍射光学组件；以及反射光学组件，其包括一系列多个部分反射相互平行表面；以及所述组件协作以将耦入光扩展成耦出光，所述耦入光是被耦合到所述至少一个光导中的光，并且所述扩展是二维的。

在另一可选实施方式中，所述集合的第一光学组件被构造用于在第一光导内沿第一扩展方向引导所述耦入光，从而生成第一扩展光；所述集合的第二光学组件被构造用于将所述第一扩展光沿第二扩展方向耦合到第二光导中，从而生成第二扩展光；以及所述集合的第三光学组件被构造用于将所述第二扩展光沿第三方向耦出为所述耦出光；其中所述第一方向、第二方向和第三方向彼此不平行。

在另一可选实施方式中，还包括：非衍射光学组件，其被构造成将光引导到所述至少一个光导中作为所述耦入光；其中所述至少一个光导是以下的一个光导，该一个光导包括：所述第一衍射光学组件，其被构造用于在所述一个光导内沿第一扩展方向引导所述耦入光，从而生成第一扩展光；所述第二衍射光学组件，其被构造用于在所述一个光导中沿第二扩展方向扩展所述第一扩展光，从而生成第二扩展光；以及所述反射光学组件，其被构造用于将所述第二扩展光沿第三方向耦出为所述耦出光；其中所述第一方向、第二方向和第三方向彼此不平行。

在另一可选实施方式中，还包括：在多个捕获图像中的每一个中限定至少一个感兴趣区域，每个捕获图像：包括测试图案，是从光学器件的输出光捕获的，输出光是通过将测试图案的准直图像投影到光学器件中来生成的，并且是在光学器件的有效区域内的相对于光学器件的不同位置处捕获的，有效区域被用户用于观察输出光，每个感兴趣区域包括测试图案的一部分；从至少一个感兴趣区域中的每一个提取多个截面，其中多个截面中的每一个包括测试图案的该部分的区域，从而针对测试图案的每个部分形成每个感兴趣区域的对应截面集合；以及针对测试图案的每个部分，比较对应截面集合以确定光学器件的度量。其中，截面的集合的每个截面的位置相对于截面的集合的其他截面的其他位置是已知。

在另一可选实施方式中，还包括在捕获图像中限定一个或更多个附加场，捕获图像是从光学器件的输出光捕获的，输出光是通过将测试图案的准直图像投影到光学器件中来生成的，并且光学器件具有：彼此平行的第一对外表面，以及至少一个小平面集合，小平面集合中的每一个：包括多个部分反射小平面，该多个部分反射小平面彼此平行并且相对于第一对外表面成斜角，并且在第一对外表面之间，以及传播方向：是经过小平面集合的准直图像的方向，在光学器件内部，并且平行于第一对外表面，附加场中的每一个：处于捕获图像内的相关联位置，相关联位置平行于传播方向，并且具有相关联亮度水平，以及基于相关联亮度水平中至少之一来得到度量。

在另一可选实施方式中，还包括在捕获图像中限定一个或更多个场，捕获图像是从光学***的输出光捕获的，光学***包括：光学器件，其被构造成传播输入图像并且将输入图像耦出为输出光，输入耦合部，其被构造用于将输入图像耦合到光学器件中，以及耦合界面，其是区域的边缘的位置，在该区域处输入耦合部接合至光学器件，输出光是通过经由输入耦合部将测试图案的准直图像投影到光学器件中来生成的，以及一个或更多个场中的每一个：处于捕获图像内的相关联位置，相关联位置平行于耦合界面，以及基于场中至少之一来得到度量。

根据本实施方式的教导，提供了一种用于测试光学器件的方法，该方法包括以下步骤：在多个捕获图像中的每一个中限定至少一个感兴趣区域，每个捕获图像：包括测试图案，是从光学器件的输出光捕获的，输出光是通过将测试图案的准直图像投影到光学器件中来生成的，以及是在光学器件的有效区域内的相对于光学器件的不同位置处捕获的，有效区域被用户用于观察输出光，每个感兴趣区域包括测试图案的一部分，从至少一个感兴趣区域中的每一个提取多个截面，其中多个截面中的每一个包括测试图案的该部分的区域，从而针对测试图案的每个部分形成每个感兴趣区域的对应截面集合，以及针对测试图案的每个部分，比较对应截面集合以确定光学器件的度量。

在可选的实施方式中，还包括以下步骤：将测试图案的准直图像投影到光导光学元件(LOE)中以及捕获从LOE投影的多个图像以生成多个捕获图像，对每个图像的捕获是在相对于光学器件的不同位置处。

在另一可选实施方式中，其中，捕获是通过正交于LOE的输出表面移动的摄像机进行的，该移动是在被用户用于观察从LOE投影的输出光的有效区域内。

在另一可选实施方式中，其中，LOE包括部分反射表面的阵列，每个表面与相邻表面分开小平面间隔距离，摄像机具有以小平面间隔来设置的孔径。

在另一可选实施方式中，其中，至少一个感兴趣区域包括与第二感兴趣区域正交的第一感兴趣区域。

在另一可选实施方式中，其中，测试图案是十字线，第一感兴趣区域是十字线的竖直部分的并且第二感兴趣区域是十字线的水平部分的。

在另一可选实施方式中，其中，针对每个感兴趣区域，多个截面在从测试图案的原点至测试图案的边缘上的点的方向上是连续的。

在另一可选实施方式，其中，针对每个感兴趣区域，将多个截面彼此平均以生成单个平均截面。

在另一可选实施方式，其中，度量基于相对于光学器件的位置。在另一可选实施方式中，其中，使用从由以下构成的组中选择的技术根据截面来计算度量：

(a)半峰全宽(FWHM)，

(b)平均峰宽，

(c)峰宽的标准偏差，

(d)峰宽的一阶导数，

(e)峰宽的二阶导数，

(f)最大峰宽，

(g)距预期位置的最大峰移，

(h)峰移的标准偏差，

(i)奈奎斯特频率处的平均调制传递函数，

(j)除奈奎斯特频率之外的频率处的平均调制传递函数，

(k)奈奎斯特频率处的传递函数的标准偏差，以及

(l)除奈奎斯特频率之外的频率处的传递函数的标准偏差。

根据本实施方式的教导，提供了一种测试方法，该方法包括以下步骤：在捕获图像中限定一个或更多个附加场，捕获图像是从光学器件的输出光捕获的，输出光是通过将测试图案的准直图像投影到光学器件中来生成的，并且光学器件具有：彼此平行的第一对外表面(926，926A)，以及至少一个小平面集合，小平面集合中的每一个：包括多个部分反射小平面，该多个部分反射小平面彼此平行并且相对于第一对外表面成斜角，并且在第一对外表面(926，926A)之间，以及传播方向：是经过小平面集合的准直图像的方向，并且与第一对外表面平行，附加场中的每一个：处于捕获图像内的相关联位置，相关联位置平行于传播方向，并且具有相关联亮度水平，以及基于相关联亮度水平中至少之一来得到度量。

在可选实施方式中，还包括以下步骤：将测试图案的准直图像投影到光学器件中，光学器件是光导光学元件，以及捕获从LOE投影的图像以提供捕获图像。

在另一可选实施方式中，其中，捕获是通过摄像机在多个捕获位置中的第一捕获位置处进行的，该多个捕获位置在距LOE出瞳间隔距离处并且在LOE的眼睛运动盒中。

在另一可选实施方式中，其中，在捕获位置中的除第一捕获位置之外的一个或更多个捕获位置处重复进行捕获，并且基于捕获位置得到一个或更多个附加度量。

在另一可选实施方式中，还包括在捕获图像中限定第一场，该第一场：具有第一亮度水平，并且处于捕获图像内的第一位置，该第一位置不同于相关联位置，其中，至少部分地通过将第一亮度水平与一个或更多个相关联亮度水平进行比较来得到度量。

在另一可选实施方式中，其中，第一场是白色正方形并且附加场是围绕第一场的黑色背景的部分。

在另一可选实施方式中，其中，第一场在捕获图像的中心并且附加场从第一场至捕获图像的左边缘和右边缘彼此相邻。

在另一可选实施方式中，其中，每个相关联亮度水平小于第一亮度水平。

在另一可选实施方式中，其中，第一亮度水平是每个相关联水平的至少大致100倍亮。

在另一可选实施方式中，还包括以下步骤：在比较步骤之前，对捕获图像的强度进行归一化。

在另一可选实施方式中，其中，第一场包括捕获图像的第一区域，并且归一化步骤包括：投影基本上全部具有第一亮度水平的第二测试图案的准直图像，从通过第二测试图案生成的输出光捕获第二捕获图像，以及使用从由以下构成的组中选择的技术确定白色强度：测量第二捕获图像中的第一区域的平均强度，以及测量第二捕获图像的强度，使用白色强度对捕获图像进行归一化。

在另一可选实施方式中，其中，归一化步骤还包括：投影基本上全部具有相关联亮度水平之一的第三测试图案的准直图像，从通过第三测试图案生成的输出光捕获第三捕获图像，以及通过测量第三捕获图像的强度来确定黑色强度，使用白色强度与黑色强度之间的差异对捕获图像进行归一化。

在另一可选实施方式中，其中，使用从由以下构成的组中选择的技术确定度量：将至少一个相关联亮度水平与至少一个先前确定的亮度水平进行比较，对相关联亮度水平进行求和，以及将第二附加场的相关联亮度水平与两个亮度水平进行比较，该两个亮度水平中每一个是与第二附加场相邻并且彼此相对的附加场的。

在另一可选实施方式中，其中，附加场中的第一附加场和第二附加场各自与第一场相邻。

在另一可选实施方式中，其中，捕获图像是单色的并且亮度水平是灰度级。

根据本实施方式的教导，提供了一种测试方法，该方法包括以下步骤：在捕获图像中限定一个或更多个场，捕获图像是从光学***的输出光捕获的，该光学***包括：光学器件，其被构造成传播输入图像并且将输入图像耦出为输出光，输入耦合部，其被构造用于将输入图像耦合到光学器件中，以及耦合界面，其是区域的边缘的位置，在该区域处输入耦合部接合至光学器件，输出光是通过经由输入耦合部将测试图案的准直图像投影到光学器件中来生成的，以及一个或更多个场中的每一个：处于捕获图像内的相关联位置，相关联位置平行于耦合界面，以及基于场中至少之一来得到度量。

在可选实施方式中，还包括以下步骤：将测试图案的准直图像投影到光学***中，该光学***是光导光学元件，以及捕获通过来自LOE的输出光投影的图像以提供捕获图像。

在另一可选实施方式中，其中，捕获是通过摄像机在多个捕获位置中的第一捕获位置处进行的，该多个捕获位置在距LOE出瞳间隔距离处并且在LOE的眼睛运动盒中。

在另一可选实施方式中，其中，在捕获位置中的除第一捕获位置之外的一个或更多个捕获位置处重复进行捕获，并且基于捕获位置得到一个或更多个附加度量。

在另一可选实施方式中，其中，测试图案包括具有第一亮度水平的第一区域，第一亮度水平大于背景区域的背景亮度水平，该背景区域是测试图案的除第一区域之外的区域。

在另一可选实施方式中，其中，第一区域是白色的，背景区域是围绕第一区域的黑色，并且在背景区域中限定一个或更多个场。

在另一可选实施方式中，其中，第一亮度水平是背景亮度水平的至少大致200倍亮。

在另一可选的实施方式中，还包括以下步骤：在导出步骤之前，对捕获图像的强度进行归一化。

在另一可选实施方式中，其中，使用从由以下构成的组中选择的技术确定度量：将一个或更多个场内的亮度水平与至少一个先前确定的亮度水平进行比较，对一个或更多个场内的亮度水平进行求和，以及将第一亮度水平与一个或更多个场内的至少一个其他亮度水平进行比较。

在另一可选实施方式中，其中，捕获图像是单色的并且亮度水平是灰度级。

在另一可选实施方式中，其中，捕获图像具有高动态范围的亮度水平。

根据本实施方式的教导，提供了一种其上嵌有用于测试光学器件的计算机可读代码的非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读代码包括用于该描述的步骤的程序代码。

附图说明

在本文中将参照附图仅借助于示例来描述实施方式，在附图中：

图1示出了示例性光导光学元件(LOE)的侧视图。

图2示出了基本的通用测试设置***。

图3A示出了用于沿特定轴进行光学测试的流程图。

图3B示出了用于当前实施方式的测试方法的测试设置***。

图4A示出了多个捕获图像。

图4B示出了感兴趣区域。

图4C示出了从感兴趣区域提取截面(cross section)。

图5示出了截面的扫描和导出的度量(metric)。

图6示出了用于拖尾的光学测试的流程图。

图7示出了用于当前实施方式的测试方法的示例性测试设置***。

图8示出了来自光学器件的输出的捕获图像，该捕获图像示出了黑色背景上的白色正方形主图像。

图9示出了具有限定的场的捕获图像。

图10示出了39个场F0至F38的位置、尺寸和亮度强度的图表。

图11示出了替选图案。

图12A示出了示例性单条纹测试图案。

图12B示出了棋盘测试图案。

图13A示出了单条纹捕获图像。

图13B示出了棋盘捕获图像。

图14示出了可以根据单条纹捕获图像生成的截面绘图。

图15示出了亮度的一阶导数的绘图。

图16示出了亮度的二阶导数的绘图。

图17示出了几种示例性测试图案。

图18示出了用于对捕获图像矩阵进行归一化的示例性处理。

图19示出了用于检测WS的示例性处理方法的流程图。

详细描述–图1至图19

参照附图和所附描述可以更好地理解根据本实施方式的***和方法的原理和操作。本发明是用于沿特定轴进行光学测试以评估跨小平面(facet)的有效区域的LOE传递函数一致性的***和方法。可以检测来自光学器件的投影图像的“拖尾”的存在和程度，其中“拖尾”通常是指除了图像的主要光线之外的生成和传播，其导致图像轮廓投影到定义明确的方向。可以检测与在楔形物至LOE界面的散射和衍射有关的“白色条纹”(WS)现象的存在和程度。

基本技术-图1

参照图1，示出了示例性光导光学元件(LOE)903的侧视图。当前图不是按比例绘制的。准直光源2C发出准直输入束4C。在该文献的上下文中，光源也被称为“投影仪”。光源可以是发射单个或多个波长的LED或激光器。例如在光导中，光具有围绕传输轴定向的多个角度的传播方向。为了简化当前图，通常仅描绘中心传播方向以达到清楚。通常仅描绘一条光线，入射光线、输入束(例如准直输入束4C)，也称为“束”或“入射光线”。通常，本文中无论何处通过光束表示图像，都应当注意，束是图像的样本束，其中，图像通常由各自与图像的点或像素对应的处于略微不同的角度的多个束形成。除了特别称为图像的末端以外，所示的束通常是图像的质心(centroid)。也就是说，与图像和中心光线对应的光是来自图像中心或图像的中心像素的中心光线。

第一反射表面916由准直输入束4C照射。第一区域954A(近端)靠近准直输入束4C，其中图像照射(输入图像)被耦合到光导920中。反射表面916至少部分地反射来自准直光源2C的准直输入束4C的入射光，使得光通过内反射(通常是全内反射(TIR))被捕获在光导920内。光导920通常是透光基板，并且也称为“平面基板”、“光透射基板”和“波导”。光导920包括至少两个(主要的、外部的)表面，这两个表面通常彼此平行(相互平行)，在当前图中示为第一(后主要)表面926和前(第二主要)表面926A。注意，关于主要表面(926，926A)的“前”和“后”的指定是为了便于参考。可以从各种表面，例如前、后、侧边缘或任何其他期望耦入几何结构来耦入至光导920。

准直输入束4C在基板的近端(图的右侧)进入光导基板。光从第一区域954A穿过一个或更多个小平面(一般至少多个小平面，以及通常几个小平面)朝向光导920的远端954B(图的左侧)传播954C穿过光导920。光导920通常通过外表面的内反射来引导基板中的传播光的光线。

在可选地反射离开基板920的内表面之后，被捕获的波到达选择性反射(部分反射)表面(小平面)922的集合(阵列)，选择性反射表面的集合将光从基板耦出到观看者的眼睛10中。在当前示例性图中，捕获的光线被两个其他部分反射表面922在点944处从基板920中逐渐耦出，小平面中的每一个耦出一部分传播光。几个示例性耦出光线被示为耦出光线38B。耦出光线38B限定LOE 903的表面上的有效区域950，其中在有效区域处准直输入束4C的输入图像被输出为输出图像。观看者的眼睛10的视场(FOV)(未示出)限定由用户眼睛看到的角度范围。用户的眼睛10与LOE 903的特定距离(例如18mm)被称为出瞳间隔(eyerelief，ER)距离956。当用户的眼睛10处于该出瞳间隔距离956处时，眼睛运动盒(EMB)952是下述区域(二维)：经由该区域观看者的眼睛10具有投影耦合到LOE 903中的整个输入图像的有效区域950的完整FOV。换句话说，EMB 952是ER距离956处的二维(2D)区域，其中，用户的眼睛10在ER距离处捕获由LOE 903投影的整个图像(全FOV)。内部部分反射表面，例如选择性反射表面922的集合在该文献的上下文中通常被称为“小平面”。针对诸如增强现实的应用，小平面部分地反射，从而允许来自现实世界的光经由前表面926A进入、穿过包括小平面的基板，并且经由后表面926离开基板到达观看者的眼睛10。示例性光线942示出了从反射表面916部分反射的准直输入束4C的光，以及示例性光线941示出了部分透射穿过反射表面916的准直输入光束4C的光。

内部部分反射表面922通常以与光导920的伸长方向成的斜角(即，非平行，既不平行也不垂直)至少部分地横穿光导920。部分反射可以通过包括但不限于透射光的百分比或使用偏振等的各种技术实现。

光导920可选地具有彼此平行且与第一对外表面不平行的第二对外表面(在当前图的侧视图中未示出)。在一些实现方式中，第二对外表面与第一对外表面垂直。通常，小平面中的每一个与第二对外表面成斜角。在其他情况下，在不希望来自光导的***表面的反射的情况下，***表面通常保持未抛光和/或涂有吸光(例如，黑色)材料以使不希望的反射最小化。

描述–测试设置–图2

参照图2，示出了可以用于下述光学测试的基本的通用测试设置***。在当前图中，准直光源2C通过包括被投影的测试图案200的第一示例性光源***202C实现，在该情况下测试图案是在焦平面210处具有“十字线”形状的标线(标度线)。经由准直器208来投影测试图案200以产生准直输入束4C。准直输入束4C经由楔形物204输入到LOE 903，其中图像传播954C穿过LOE 903并且由选择性小平面922的阵列(未示出)耦出作为朝向摄像机206的耦出光线38B。

描述了典型的实施方式，其中LOE 903包括选择性小平面922的阵列，然而，这不是限制性的。LOE 903可以替选地包括单个小平面，或者彼此不平行的小平面的不同组合。一种替选实现方式是使用例如在Lumus LTD(鲁姆斯有限公司)的PCT/IL2018/050205中公开的光导来代替LOE 903，其中，该光导使用和/或组合了小平面反射技术(反射组件)和衍射技术(衍射组件)。具有衍射组件的实施方式使用具有相反光学倍率(匹配)的至少两个组件，使得由第一衍射组件引入的色散然后将被第二衍射组件抵消。两个衍射组件可以与反射光学组件结合使用以实现孔径扩展(用于近眼显示器)。

楔形物204的使用是输入耦合部的非限制性示例，并且可以使用其他器件和构造将图像耦合到LOE 903中。类似地，摄像机206是典型实现方式的非限制性示例，并且可以使用图像捕获设备的各种构造以实现特定应用和测试的要求。

此外，用于测试的硬件设置应当在适当水平的洁净室中，并且应当管理外部光，例如房间环境光和阻挡光从其他方向进入LOE 903(除期望的耦入测试束之外)，例如阻挡光进入LOE 903的背侧。

描述–第一实施方式–图3A至图5

参照附图和所附描述可以更好地理解根据本实施方式的***和方法的原理和操作。本发明是用于沿特定轴进行光学测试以评估跨小平面的有效区域的LOE传递函数一致性的***和方法。

在该描述中，出于简单起见使用通过LOE(光导光学元件)903实现的增强现实(AR)应用的使用“十字线”形状的测试图案的非限制性示例。该示例性实现是非限制性的，并且可以使用其他光学器件和测试图案(其他形状的测试图案)，例如，水平细线、小点或倾斜边缘。

在基于LOE 903的增强现实光学引擎中，在光学设计中的水平方向与竖直方向之间存在对称性破坏，导致需要沿特定轴进行专门测试。特别地，沿光透射基板920中的小平面922的阵列的方向(954C)的轴。在用于LOE 903的组件级测试***的情况下，LOE的光学性能需要跨小平面的(或LOE的)有效区域950是均匀的。

参照图3A，示出了用于沿特定轴进行光学测试的流程图。在步骤300中，如在以下段中所述来构造测试设置。

也参照图3B，示出了用于当前实施方式的测试方法的测试设置***。对跨小平面922的有效区域950的LOE传递函数一致性的评估需要注入测试信号的专门的测试设置。示例性测试信号是经由入口孔径进入LOE 903中的波前(空间脉冲函数)。

在步骤302中，投影测试图案。在实践中用于实现该操作的一种技术是通过将测试图案200(例如，十字形或十字线图案)从准直器(自动准直仪)(垂直地)投影穿过楔形物204，该测试图案200然后被LOE 903的小平面922重复地反射。来自准直器的输入可以相对于输入耦合楔形物处于各种方向上。例如，90度(垂直于楔形物204的表面输入测试图案)将测试观察者的视场的中心，但是斜的(除了90度之外，例如与楔形物表面的法线成30度)输入可以用于测试与观察者的视场中的不同点对应的通过LOE 903的其他传播角度。

在步骤304中，捕获图像。为了评估跨小平面的有效区域(沿水平轴和竖直轴两者)的LOE传递函数，位于LOE 903对面的摄像机206B扫描来自LOE的投影图像并且十字线(测试图案)的图像数据被数字化为位置的函数。摄像机206B具有孔径206F。将相邻小平面之间的距离定义为小平面间隔(FS)距离。可以进行扫描，并且在各种图案的情况下捕获图像，只要处理知道每个捕获图像的位置从而可以正确地特别是彼此相关地处理图像即可。在初始扫描和捕获图像之后，可以全部地或部分地重复扫描以在不同间隔和/或位置处捕获图像，例如，以在两个特定小平面之间进行更精细的扫描。通常，摄像机206B垂直于小平面922(如箭头350所示)移动，当摄像机206B跨小平面922的阵列移动时捕获许多图像(多个图像)。

优选的非限制性实现是使用与小平面间隔匹配的摄像机孔径。例如，如果小平面间距(FS)为3mm(毫米)，则可以将摄像机孔径设置为3mm。如果摄像机孔径大于或小于小平面间隔FS，则本领域技术人员将需要相应地调整该过程。以已知间隔例如每1(一)mm或每0.5mm捕获图像。减少的间隔可以用于更高的分辨率。通常，摄像机孔径206F应当足够大以从两个相邻小平面接收十字图像，但不是从三个相邻小平面。测试图案的位置跳跃可以指示不平行的小平面。可以使用标准圆形孔径。特定应用的其他要求可以使用成更复杂形状的孔径。优选地，定位摄像机206B使得测试图案(十字线)出现在捕获图像的中心。这相对于LOE 903固定正确的角度。关于平移对准，摄像机206B被大致放置在LOE 903的中心的前方。测试对摄像机206B相对于LOE 903的确切位置不敏感。

捕获图像的深度和分辨率，即每像素的位数和像素数应当适合于期望的测试准确度和精度。例如，8位灰度级(单色摄像机)对于当前的测试级别通常是足够的。镜头和像素尺寸优选地使得成像测试图案的宽度(对于特定狭缝尺寸和自动准直仪镜头)将是至少几个像素。

由于至LOE 903的输入是测试图案的准直图像(准直输入束4C)，因此LOE 903的有效区域950中的每个位置处的来自LOE的输出(耦出光线38B)将是测试图案的准直图像。测试是针对来自LOE的测试图案的输出准直图像的非一致性。测试图案200的每个像素与空间角对应，这是因为在LOE的输出的有效区域950中的每个点处测试图案看起来是来自无穷远。

参照图4A，示出了多个捕获图像。示例性捕获图像410包括四个图像410A，410B，410C和410D。每个捕获图像包括投影的测试图案200，并且每个捕获图像具有相对于正被测试的光学器件(在这种情况下为LOE 903)的位置。

参照图4B中，示出了感兴趣区域。在步骤306中，在每个图像410中，限定了将用于分析的至少一个感兴趣区域(ROI)。在优选实施方式中，至少一个感兴趣区域包括与第二感兴趣区域正交的第一感兴趣区域。在当前图中，感兴趣区域被示为示例性第一ROI 400A和第二ROI 400B。每个ROI包括测试图案200的一部分。在当前的非限制性的示例性的实现方式中，测试图案200是十字线，第一ROI 400A是十字线的竖直部分中的并且第二ROI 400B是十字线的水平部分中的。每个ROI是指源自测试图案200的焦平面210中的区域。十字线测试图案200的每个轴可以提供不同的信息。十字线的竖直线可以用作参考，这是因为竖直线不会受到由小平面引起的跳跃的影响。十字线的水平横线将由于不平行的小平面而遭受变宽。

参照图4C，示出了从感兴趣区域提取截面。在步骤308中，概括地，从至少一个感兴趣区域中的每一个提取多个截面。多个截面中的每一个包括测试图案的一部分，从而针对测试图案的每个部分形成每个感兴趣区域的对应截面集合。截面集合中的每个截面的位置相对于截面集合中的其他截面的其他位置是已知的。在一个实现方式中，在每个感兴趣区域中，多个截面在从测试图案的原点到测试图案的边缘上的点的方向上是连续的。

在该实施方式的上下文中，术语“截面”通常是指从测试图案的二维(2D)图像中提取或测量强度的一维迹线。截面是沿着线段测量捕获光的强度的强度迹线，该线段包括测试图案的一部分的强度的子段。因此，强度迹线示出了强度的变化，给出了捕获图像的子部分(子图像)的线性强度分布。

现在更详细地，针对捕获图像410中的每一个，在一个或更多个感兴趣区域内抓取(从其中提取)数字化的截面。捕获图像410A用于当前图中并且在以下描述中将为了清楚起见来使用。例如，第一ROI 400A包括示例性水平截面420A(在本文献中也被称为“X截面”，包括420AH1、420AH2和420AH3)。第二ROI 400B包括示例性竖直截面430A(在本文献中也被称为“Y截面”，包括430AV1、430AV2和430AV3)。多个截面中的每一个包括测试图案200的一部分的区域。在该情况下，截面420AH3包括测试图案200的区域420AH3A。类似地，截面420AH2包括420AH2A，截面420AH3包括420AH3A，截面430AV1包括430AV1A，截面430AV2包括430AV2A，并且截面430AV3包括430AV3A。

示例性截面420AH1、420AH2和420AH3形成测试图案200的ROI 400A的对应截面集合420A。类似地，示例性截面420AV1、420AV2和420AV3形成测试图案200的ROI 400B的对应截面集合430A。

在步骤310中，可选地，可以对截面的集合进行平均。为了实现更好的信噪比，(在每个ROI内)将每个集合的这些截面彼此投影或平均以形成每个图像的单个X截面和单个Y截面。在当前示例中，将集合420A的截面进行平均以生成具有(平均的)区域420AHA的平均的水平截面420AH。类似地，将集合430A的截面进行平均以生成具有(平均的)区域420AVA的平均竖直截面420AV。

基于以上描述，如果将要考虑捕获图像410B，则可以提取截面的类似集合(未示出)。例如，根据捕获图像410B限定与捕获图像410A中的相同感兴趣区域对应的第一ROI400A和第二ROI 400B。X截面的集合420B可以包括用于产生平均截面420BH的几个示例性截面420BH1、420BH2和420BH3，而Y截面的集合430B可以包括示例性截面430BV1、430BV2和430BV3并且用于产生平均截面430BV。

类似地，可以处理捕获图像410C以根据第一ROI 400A产生平均截面420CH，并且根据第二ROI 400B产生平均截面430CV。

现在参照图5，示出了截面的扫描和得到的度量。X截面扫描520示出了作为摄像机位置的函数的平均截面的扫描。示例性平均截面420AH、420BH、420CH在扫描中竖直地堆叠，其中扫描的竖直轴是以毫米(mm)为单位的摄像机位置。类似地，Y截面扫描530示出了作为摄像机位置的函数的平均截面的扫描。示例性平均截面420AV、420BV、420CV在扫描中竖直地堆叠，其中扫描的竖直轴是以毫米(mm)为单位的摄像机位置。扫描(520，530)中的每一个扫描的摄像机位置的测量是摄像机206B相对于光学器件(在该情况下相对于LOE 903的有效区域950)的位置。

在步骤312中，基于提取的截面确定度量。现在可以进一步分析每个ROI的截面(X截面420AH、420BH、420CH等以及Y截面430AV、430BV、430CV等)以便计算和估计许多性能度量。通常，度量是基于相对于光学器件的位置(捕获图像相对于光学器件的有效区域的位置，根据该位置得到部分度量)。在一个实施方式中，计算每个平均截面的半峰全宽(FWHM)并且将其绘制540为小平面的有效区域位置(有效区域中的摄像机位置)的函数。FWHM绘图的每个峰的宽度的增长可以指示不良的LOE功能(例如跳跃、散焦和能量损失)。可以从数据中提取许多其他度量，包括但不限于平均峰宽、峰宽的标准偏差、峰宽的一阶和二阶导数、最大峰宽、距预期位置的最大峰移、峰移的标准偏差、奈奎斯特频率或任何其他频率处的平均调制传递函数、奈奎斯特频率或任何其他频率处的传递函数的标准偏差。

针对测试图案200的每个部分，比较对应截面集合以确定光学器件的度量。可以例如使用竖直截面和水平截面两者的FWHM(或其他函数)的序列的平均值进行另外的比较。

在另一实施方式中，针对照射(输入束4C)或收集(耦出光线38B)的多个波长或多个偏振状态重复进行扫描和图像捕获。这可以通过在***的照射或收集路径中引入可调滤波器或旋转偏振器来实现。

方法步骤300、302和304是可选的，这是因为可以独立于对捕获图像的处理来完成构造测试设置、投影测试图案和捕获图像。类似地，数据的准备、预处理和可选处理例如对截面进行平均的步骤310是可以执行的可选处理。

描述–第二实施方式–图6至图11

本实施方式是用于检测来自光学器件的投影图像的“拖尾”的存在和程度的***和方法。在该实施方式的上下文中，术语“拖尾(smear)”或“拖尾效应(smearing)”通常是指除图像的主要光线之外的生成和传播，导致图像轮廓的投影。不需要的投影是明确限定的(一个或多个)方向。

在光学器件是LOE 903的示例性情况下，LOE 903的传播方向954C是经由内部小平面传播的准直输入图像的方向。传统的光学器件在输入图像的亮区周围产生“雾”(“haze”)，即，拖尾是在亮区周围的所有方向上基本均匀。相比之下，当前实施方式的器件中的散射或拖尾效应将处于明确限定的方向上(例如，相对于LOE 903)。替选地，可以认为拖尾是被添加到雾或在雾“之上”或具有雾的方面，但是具有清晰的边界。具体地，拖尾将处于与传播方向平行的方向上，或者更加技术性地来说，处于与小平面阵列的粘合接合线垂直的方向上。引起拖尾的光线不是由原始光的方向(输入图像的光的方向)限定，而是由小平面粘合线的方向限定。在LOE 903内部传播的光并不总是垂直于小平面922。更加技术性地来说，仅在眼睛中形成窄水平线的光线垂直于小平面922。所有其他光线将具有不同的角度使得用户的眼睛10看到其他光线如来自地平线以上或以下。因此，拖尾处于与小平面线(或小平面粘合线)的方向垂直的方向上。

为了检测和限定拖尾，当前实施方式的特征是在捕获图像中的(从LOE 903的输出中捕获的)限定一个或更多个场，场中的每一个平行于LOE 903内部的传播的方向。相较于表征光学***的一般雾，当前实施方式的特征是对拖尾的表征(在限定的方向上)。

参照图8，示出了从光学器件输出的捕获图像800，其示出了黑色背景804上的白色正方形主图像802。白色正方形主图像802的拖尾806可以主要在主图像的左侧看到作为左拖尾806L，以及也在主图像的右侧看到作为右拖尾806R。

参照图6，示出了进行拖尾效应的光学测试的流程图。在步骤700中，如以下段中所述来构造测试设置。

也参照图7，示出了用于当前实施方式的测试方法的示例性测试设置***。对跨小平面922的有效区域950的LOE 903传递函数一致性(投影输出)的评估需要注入测试信号的专门的测试设置。当前测试设置使用“POD”(微显示投影仪)602C作为准直光源2C。示例性测试信号是经由入口孔径进入LOE 903中的波前(空间脉冲函数)。光源(未示出)经由偏振分束器612将未准直的光提供给硅上液晶(LCOS)矩阵608。LCOS 612将测试图案610生成为反射光，该反射光由准直器208准直以生成准直输入束4C。示例性第一测试图案610是黑色背景610B上的白色正方形610W。准直输入束通过示例性楔形物204被耦合到LOE 903中。可以使用其他装置、器件和角度将准直输入束4C作为输入图像耦合到LOE 903。然后，输入束图像被LOE 903的小平面922重复反射并且被从LOE 903耦出作为耦出光线38B。

在虚线圆圈中示出楔形物至LOE界面614。楔形物至LOE界面是输入耦合部与光导基板920接触的位置的边缘，在该实现方式中，在光学路径中楔形物204与LOE 903相遇。在当前图中，该界面是“进入”页面中的“边缘”(线)，其中楔形物204与LOE 903连接。

Lumus光学引擎(OE)(由Lumus LTD，Ness Ziona，Israel(鲁姆斯有限公司，耐斯兹敖那，以色列)制造)通常被针对用户的眼睛10距LOE 903的特定距离(例如18mm)进行设计。该特定距离称为出瞳间隔距离。眼睛运动盒(EMB)616(类似于EMB 952)是当用户的眼睛10处于出瞳间隔距离处时由用户的眼睛10观察的整个视场(FOV)内的区域。具有镜头606F的摄像机606B用于捕获耦出光线38B的图像。摄像机606B应当被定位在EMB 616中使得镜头606F的入射光瞳将在出瞳间隔距离处。

为了描述简化，使用单色摄像机的非限制性实现方式。单色摄像机捕获投影图像(耦出光线38B)的强度(亮度水平)，并且将被使用0(零)至255的8位级来表示，其中0是无光或黑色，以及255是最大光或全白。如果使用彩色摄像机，则应当考虑各种颜色(即红色、绿色、蓝色)的亮度水平。

在步骤702中，投影测试图案。可以使用有效LCoS尺寸创建测试图案。在当前实施方式中，使用尺寸为1280×720像素的LCOS的非限制性示例。在当前实施方式中，使用三种测试图案。在当前图中，第一测试图案610是黑色背景610B上的白色正方形610W，也称为“中心正方形”测试图案。使用的两个另外的测试图案是“白色幻灯片”或“白色背景”，其是亮度水平为255(白色)的均匀图像；以及“黑色幻灯片”或“黑色背景”，其是具有亮度水平为0(黑色)的均匀图像。

给定具有亮色区域和暗色区域的测试图案，亮色区域是来自输入束4C的输入光，并且暗色区域是由于缺少输入光。在穿过LOE 903传播954C期间，光将从亮色区域散射到暗色区域。在当前示例中，该散射或拖尾是从白色正方形610W到黑色背景610B。换句话说，白色(光)散射到黑色(没有光的区域)中。与光的颜色相反，输入光颜色的强度(亮度)是有意义的，因此“灰度级”或“亮度水平”的使用是用于对测试图案的捕获图像800中的各部分(场)的强度进行量化。较亮的亮度水平光将散射(拖尾)到测试图案的较暗亮度水平部分中。

输入束4C的输入光必须足够亮以获得足够的散射可见度。虽然可以使用任何颜色的光，例如红色、绿色或蓝色，但是白色是优选的，因为白色给出了与无光(黑色)的区域相比的最佳对比度。如果使用两个中间亮度水平(与黑色和白色相反)，光将从每个灰色区域散射到另一灰色区域中——较亮的灰色区域将更多的光散射到较暗的灰色区域中。针对通常的当前生产的LOE 903实现方式的实验在于：散射光通常小于源的1％。在该情况下，两个区域(两个亮度水平)之间的对比度(在该情况下亮度比)应当至少为1/100以便能够检测在期望图像与不需要的投影(拖尾)之间的不良信噪比(SNR)。换句话说，两个亮度水平应当具有至少1/100的比率以检测拖尾。

可以使用各种测试图案，每个测试图案提供不同的特征。

在大区域中具有高亮度的测试图案具有较多的用于散射的光，但是具有较少的用于检测拖尾或白色条纹的黑色区域。与输入信号相比，拖尾和白色条纹会较强，但是重像(白色强度的约1％，而无论亮度如何)覆盖更多的黑色区域(噪声)。此外，如果黑色区域小，则存在更少的用于测量拖尾的区域。如果***中存在重像(ghost image)，则重像将覆盖更多的FOV，这是因为白色区域较大。重像干扰拖尾和白色条纹并且使测量不准确。

在小区域中具有高亮度的测试图案将导致强的拖尾和白色条纹，并且重像将仅覆盖捕获图像的小区域(通常仍然是白色强度的约1％)。

具有不亮的白场的测试图案将导致更小(更少)的拖尾和白色条纹。

灰色的测试图案将导致更少的拖尾和更小的白色条纹。

其中黑色区域实际上是灰色的测试图案(低水平的输入光，例如亮度水平为39)将导致拖尾和白色条纹不可观察，或者非常难以观察。

虽然可以使用各种亮的形状，但是优选地，大部分区域应当是黑色的以允许检测拖尾。如果黑色区域基本上不是黑色的，即，如果黑色区域具有除了0(零)之外的亮度水平，则亮度水平越高，测量中的可见度和准确度损失越多。

在步骤704中，捕获图像。为了评估跨小平面的有效区域(沿水平轴和竖直轴两者)的LOE传递函数，定位在LOE 903对面的摄像机606B从测试图案610捕获耦出光线38B的图像。优选地，摄像机606B应当被定位在出瞳间隔距离处使得测试测量与用户的EMB 616对应。

在当前实施方式的示例性测试设置***中，为了描述的简单和清楚，将使用以下参数。根据光学器件的光学测试的具体要求，基于该描述，本领域技术人员将能够确定用于测试的适当参数。

第一测试图案610是黑色背景610B上的白色正方形610W。使用摄像机606B、镜头606F和机械装置(未示出)的组合来将摄像机的入射光瞳(镜头606F的入口)定位在出瞳间隔距离处并且在EMB中心处。摄像机606B应当具有使得能够对单个LCoS像素进行充分采样的分辨率，通常是在每个维度中针对每个LCoS像素有两个摄像机像素的分辨率。

示例是安装在具有2.2μm正方形像素的2560×1920阵列的单色摄像机上的12mm焦距镜头，从而给出5.63mm×4.22mm的总传感器尺寸。该组合允许捕获26.5°×15.0°FOV(视场)并且将每个LCoS像素投影到2.6×2.6摄像机像素的区域上。使用该光学设置不捕获FOV的边缘，但是捕获感兴趣的场。

参照图9，示出了具有限定的场的捕获图像800。在步骤706中，用于测试光学器件的方法从在图像中限定场开始。限定一个或更多个附加场，并且可选地限定第一场。如上所述，从光学器件的输出光中捕获图像，输出光是通过将测试图案的准直图像投影到光学器件中而生成的。光学器件具有类似于LOE 903的外表面和小平面的构造。传播方向(954C)是经由小平面(922)的集合的准直图像的方向，其在光学器件内部并且平行于第一对外表面。第一场具有第一亮度水平，并且位于图像内的第一位置。附加场中的每一个具有相关联的亮度水平，并且位于图像内的除第一位置之外的相关联位置。

在步骤708中，可选地，对图像进行归一化。

在步骤710中，通常基于光学器件的相关联的亮度水平中的至少一个经由函数得到度量。

继续当前实施方式的非限制性的示例性实现，图像是捕获图像800。捕获图像800包括大的白色正方形802，其被限定为在黑色背景804上的在FOV中间的第一场F0。附加场F1至F38被限定为黑色背景804的区域。可以在白色正方形802的左侧和右侧看到拖尾并且拖尾看起来像正方形802上的具有清晰边缘的灰色水平尾部。第一场F0具有基本上白色的第一亮度水平(灰度级255)，并且在捕获图像800的第一位置即中心。附加场(F1至F38)中的每一个具有相关联的亮度水平，并且在图像内的除第一位置之外的相关联的位置。例如，场F1与白色正方形(802，F0)的左侧相邻并且具有“浅灰色”的亮度水平。从场F1起，场F2至F6在朝向捕获图像800的左边缘的方向上彼此相邻并且彼此相继。场F2至F6中的每一个具有相关联的亮度水平。在图像的右侧，从场F0起，场F21至F26在朝向捕获图像800的右边缘的方向上彼此相邻并且彼此相继。亮度水平从“浅灰色”的F21降低到基本上是黑色的F26。

由于拖尾尾部通常小于白色正方形802的强度的1％，因此获取具有高动态范围的图像800是重要的。捕获图像可以由指定为M_矩形的灰度值矩阵表示，其中每个灰度值是捕获图像的像素的。

通常，特别是由于需要高的动态范围，因此需要对捕获图像进行归一化，使得结果将不依赖于LED电流和所使用的LOE的种类，并且消除LOE黑水平(black level)、房间照明和摄像机噪音的影响。归一化可以包括以下技术。

投影第二测试图案的准直图像，该第二测试图案基本上完全具有第一亮度水平，在该情况下是全白测试图案。从由该白色测试图案生成的来自LOE 903的输出光捕获第二捕获图像，白色图像。测量在被限定为第一场F0的区域中白色图像的强度并且将强度进行平均，从而得到白色正方形F0的区域的标量强度，指定为标量c_白色。替选地，可以使用整个白色图像，得到指定为M_白色的矩阵。使用白色测试图案进行的归一化可以帮助补偿图像亮度不均匀性。可以将最终图像即矩阵M_最终计算为：

或者为

其中除法是逐像素完成的。

替选地或另外地，使用黑色背景图像以消除LOE黑水平、房间照明和摄像机噪声的影响。这可以通过拍摄黑色幻灯片的图像来完成。投影第三测试图案的准直图像，该第三测试图案基本上完全具有相关联的亮度水平之一，在该情况下是全黑测试图案。换句话说，第三测试图案的投影是不投影任何测试图案。从来自LOE 903的输出捕获第三图像即黑色图像。测量第三捕获图像中的每个像素的强度以产生指定为黑色矩阵M_黑色的作为结果的矩阵。可以使用黑色矩阵将最终图像计算为：

其中除法是逐像素完成的。

仅使用白色矩阵(通过忽略上面的表达式中的黑色矩阵/设置M_黑色＝0进行归一化)可以用于在以对其他图像问题尤其是局部对比度问题的更高灵敏度为代价的情况下更好地估计眼睛的响应。

还参照图10，示出了39个场F0至F38的位置、尺寸和亮度强度的图表。第一列是场编号，第二列是场的“左”侧的位置，第三列是场的“顶”侧的位置，第四列是场的“宽度”，第五列是场的“高度”，第六列是场中发现的“最小”强度，以及第七列是在场中发现的“最大”强度。如上所述，当前的39个场是非限制性示例，以及可以基于测试的特定要求来确定场的数目、位置和尺寸。

可以使用诸如以下中的一个或更多个的技术来确定度量。

1.将相关联的亮度水平中的至少一个与至少一个先前确定的亮度水平进行比较。例如，每个场中的拖尾(亮度)必须低于图10的表中指定的值。

2.对相关联的亮度水平进行求和，例如，由下式限定总拖尾强度：

例如，应当小于3。

3.将第二附加场的相关联的亮度水平与两个亮度水平进行比较，所述两个亮度水平中的每一个是与第二附加场相邻并且彼此相对的附加场的亮度水平。例如，相对拖尾，由拖尾尾部与拖尾尾部的场的上方和下方的区域的比率限定：

可以应用不同的标准以测试不同LOE类型的拖尾图案，因为拖尾的外观随着不同LOE的细节而变化。

替选拖尾表征算法包括但不限于：

拖尾的标准可以是相对于被认为良好的LOE的性能——而不是与(例如，图10的)绝对值进行比较。

测量拖尾场(例如，以上示例中的F1至F6和F21至F26)分别与上方和下方的未拖尾场的比率，其例如将对重像更敏感，但是将给出更详细的拖尾边缘诊断。

设置场F1至F6和F21至F26中的每一个分别与相应的上方和下方场的比率的标准，以在以具有更大噪声的结果为代价的情况下得到更高的空间分辨率。

分别获得左右拖尾，该左右拖尾可以在拖尾不对称时使用。

使用边缘检测技术(例如LOG(高斯拉普拉斯算子))发现从拖尾区域至非拖尾区域的过渡的陡度。

通过将以下用于图像分析来测量拖尾区域与黑色图像相比的对比度的变化

在使用或不使用以上提及的归一化和图像增强技术的情况下使用统计工具(例如图像或对比度图像的方差、平均亮度的变化或亮度水平直方图形状和中值的变化)来测量拖尾图像的对比度均匀性。

可以将拖尾尾部拟合成递减函数，并且可以提取递减参数。快速递减指示弱拖尾，而缓慢递减指示长拖尾尾部。

其他测试图案可以对不同类型的拖尾敏感。可以将测试图像放置得更靠近FOV的边缘以在测量的FOV内看到更长的拖尾尾部，测试图像可以在水平和竖直方向上更大或更小，其中更大的白色区域在以增加重像和减少拖尾区域为代价的情况下提高SNR(信噪比)。

参照图11，示出了替选图案。可以使用棋盘状或条纹状的对比度测量。在这些情况下，使用函数以生成度量，例如连续测量图像对。这使得能够将每个方向上的拖尾分离，因此既可以提取绝对拖尾值作为顺序对比度，又可以根据竖直和水平图案的对比度的比率或差异提取相对值。该技术对重像敏感。

在EMB 616的不同部分进行测量可以给出更多关于拖尾的数据，这是因为拖尾测试是位置敏感的。如上所述，在当前示例性实现方式中，捕获图像800是在多个捕获位置中的第一捕获位置处由摄像机(606B)捕获的。捕获位置通常在距LOE(903)出瞳间隔距离处并且在LOE 903的EMB 616中。可以在除第一捕获位置之外的一个或更多个捕获位置处重复进行捕获，并且可以基于捕获位置得到一个或更多个附加度量。每个捕获位置通常将产生一个或更多个最终图像，该一个或更多个最终图像可以被处理以得到一个或更多个度量。度量可以单独地或彼此相关地使用以得到其他度量。

由于随着输入图像传播穿过LOE 903的小平面922(沿传播方向954C)而产生拖尾，所以与接近远端954B捕获的将具有最大的拖尾的图像相比，接近近端954A捕获的(输出)图像将具有很少或没有拖尾。描述-第三实施方式-图12A至图19

本实施方式是用于检测与楔形物至LOE界面614中的散射和衍射有关的“白色条纹”(WS)现象的存在和程度的***和方法。该WS散射和衍射对于来自输入耦合部与光导基板接触的位置的边缘以及来自沿光路的其他边缘的散射和衍射是有效的。除了图像的主要光线之外的生成和传播可以导致在与楔形物至LOE界面614的方向有关的明确限定的方向上的不同亮度的线(条纹)的不需要的投影。WS的典型特征在于：线与楔形物至LOE界面平行而不是与正被散射的图像平行(与输入图像的取向无关)。不需要的线(WS)通常太弱而不会影响输出图像的对比度，但是能够被人眼看到。为简单起见，在该实施方式中，“散射和衍射”将被称为“散射”。

不需要的线的不同亮度通常比线出现在其上的背景更亮，该不需要的线在本文献中被称为“白色条纹”(WS)，然而可以使用当前方法检测和分析较暗的不需要的线。当前方法还可以用于检测由除了与WS平行的楔形物至LOE界面之外的构造生成的类似现象。

当在由光学***扩展的图像中的某处存在亮区域时，散射(WS)表现为黑色区域上的细白线的集合。由于LOE 903的光导技术而导致该散射在Lumus的OE(光学引擎，LOE 903)中是特殊的问题。

该散射现象可以出现在其他类似结构中。与传统散射不同，该WS散射导致相对细的线(与投影图像的宽度相比)，而不是导致模糊的图像。此外，LOE 903中的图像引导的效果可以使得线表现为远离正被散射的图像。

参照图12A，示出了示例性单条纹测试图案1200，即包含黑色背景1203上的在FOV中间的大的白色竖直矩形1201的幻灯片。

参照图12B，示出了棋盘测试图案1210，即包含黑色矩形和白色矩形的交替图案的幻灯片。

参照图13A，示出了单条纹捕获图像1300。在使用单条纹测试图案1200的输入图像的情况下，得到的单条纹捕获图像1300包括从白色竖直矩形1201生成的白色矩形区域1301和从黑色背景1203生成的黑色区域1303。单条纹捕获图像1300示出了在背景1303中的场1302，该场1302具有与白色竖直矩形1301平行且在其右侧的白色条纹1304。为了使条纹可见使图像饱和(saturate)。

参照图13B中，示出了棋盘捕获图像1310。在使用棋盘测试图案1210的输入图像的情况下，得到的棋盘捕获图像1310示出了具有相应的白色条纹1314A和白色条纹1314B的场1312A和场1312B。白色条纹(1314A，1314B)与原始棋盘测试图案1210的白色矩形平行且在其右侧。为了使条纹可见使图像饱和。

注意，捕获图像中的WS由于输入图像和光学***的取向而与白色矩形平行。如上所述，WS线与楔形物至LOE界面平行并且不依赖于输入测试图案的取向。换句话说，如果旋转或移动输入测试图案，则捕获图像将具有旋转的白色矩形，但是白色条纹将保持与所示相同的取向，但具有不同的亮度。换句话说，WS的强度改变，但位置不变。针对正被测试的不同***(例如，不同的LOE 903)，可以产生不同数目和形状的线。

针对WS测试，可以使用如上针对拖尾测试所述的图6的光学测试流程图和图7的测试设置。由于白色条纹通常小于白色矩形的强度的0.5％，因此获取具有高动态范围的捕获图像是重要的。另外地，如下将描述的，在WS测试的情况下，通常需要对图像进行归一化的可选步骤708。测试已表明对于典型的LOE 903，通常从第一小平面(922)看不到WS，因此摄像机606B的位置对于收集用于测试的良好捕获图像会是重要的。

参照图14，示出了可以从单条纹捕获图像1300生成的截面1400绘图。该示例性图像是1920像素高x2520像素宽。横轴是跨图像宽度的像素，即2520像素。纵轴是来自图像高度即1920像素的每一行的平均灰度级(0至255)。因此，当前图示出了作为跨图像宽度的位置的函数的亮度的绘图1401。在该细节水平上白色条纹并不明显。

截面第一缩放1402绘图将绘图1401的右斜率放大，仅示出大约4个灰度级(0.5至4)作为绘图区域1401Z。在该细节水平上，白色条纹大致可见。

绘图区域1401Z的截面第二缩放1404绘图仅示出约1个灰度级(3至4.5)，并且与白色矩形区域1301的亮度的斜率相比，可以看到白色条纹(WS1403)的亮度差异。

参照图15，示出了亮度的一阶导数的绘图。取截面1400绘图的一阶导数得到一阶导数1500绘图，该一阶导数1500绘图的横轴保持为捕获图像宽度的像素并且纵轴为两个相邻像素之间的亮度差异。在该导数中可以更清楚地看到斜率的变化。一阶导数缩放1502绘图是纵轴上约10个级的特写。

参照图16，示出了亮度的二阶导数的绘图。该二阶导数在图像处理领域中称为“拉普拉斯滤波器”，通常用于识别图像中的边缘。在该情况下，使用拉普拉斯滤波器来检测图像亮度和噪声中的白色条纹。取一阶导数1500绘图的二阶导数得到二阶导数1600绘图，该二阶导数1600绘图的横轴保持为捕获图像宽度的像素并且纵轴为两侧强度差。二阶导数缩放1602绘图是纵轴上约0.4个级的特写。取二阶导数缩放1602绘图的绝对值得到绝对值的缩放1604绘图。最大绝对值可以用作捕获图像的等级，并且因此可以用作LOE 903的质量的指示。

以下示例性实现方式通过如参照图7所述的测试设置来使用单条纹测试图案1200以及使用单条纹捕获图像1300。可以通过将单条纹测试图案1200的准直图像4C投影到光学***中来提供捕获图像，其中，光学***是光导光学元件(LOE，903)并且捕获通过来自LOE903的输出光投影的图像38B以提供捕获图像1300。

通常，在多个捕获位置中的第一捕获位置处通过摄像机606B进行捕获，其中，捕获位置在距LOE 903出瞳间隔距离处并且在LOE903的EMB 616中。可选地，在除第一捕获位置之外的-个或更多个捕获位置处重复进行捕获以提供附加的捕获图像。可以基于捕获位置(处的捕获图像)得到一个或更多个附加度量。

测试WS的一般方法从在捕获图像1300中限定一个或更多个场1302开始。一个或更多个场1302中的每一个处于捕获图像1300内的相关联的位置，该相关联的位置平行于耦合界面614。基于场1302中的至少一个得到至少一个度量。

测试图案1200包括第一区域，该第一区域具有大于背景区域的背景亮度水平的第一亮度水平。背景区域是测试图案的除了第一区域之外的区域。在典型的实现方式中，第一区域是白色(白色竖直矩形1201)，背景区域是围绕第一区域的黑色(黑色背景1203)，并且在捕获图像背景区域中限定一个或更多个场(背景1303中的场1302)。如上所述，由于白色条纹通常小于白色矩形的强度的0.5％，因此第一亮度水平优选地是背景亮度水平的至少大致200倍亮。

归一化是检测方法中的重要步骤(如果不是关键步骤的话)。图像强度需要进行归一化，使得结果将不依赖于LED电流和所使用的光学器件(LOE)的种类。对捕获图像1300的强度(亮度)进行归一化的归一化通常在得到步骤之前完成。

参照图17，示出了几种示例性测试图案。在块1700中，(测试图案1200的)捕获图像1300被示为1920像素高×2520像素宽，具有白色矩形区域1301(1920像素高)。捕获图像1300被表示为像素亮度的矩阵M_矩形。在块1702中，如上所述，从测试图案1200获取图像。该获取可以来自例如使用足够高清晰度摄像机进行的单次曝光，或者来自多次曝光和产生具有足够高动态范围的图像的图像处理。在块1704中，将捕获图像矩阵M_矩形相对于曝光时间进行归一化以获得单位每毫秒(ms)灰度级(GL)。

在块1710中，使用全白测试图案来生成由像素亮度的全白矩阵M_白色表示的全白捕获图像1320。在块1712中，可以从由白色LCOS生成的输出图像获取全白捕获图像1320。在块1714中，将全白矩阵M_白色相对于曝光时间进行归一化以获得单位GL/ms。

在块1720中，类似于全白捕获图像，使用全黑测试图案来生成由像素亮度的全黑矩阵M_黑色表示的全黑捕获图像1330。在块1722中，可以从由黑色LCOS生成的输出图像获取全黑捕获图像1330。在块1724中，将全黑矩阵M_黑包相对于曝光时间进行归一化以获得单位GL/ms。

参照图18，示出了用于对捕获图像矩阵M_矩形进行归一化的示例性处理。在块1800中，全白捕获图像1320具有指定的白色矩形1801。白色矩形1801的区域对应于白色矩形区域1301，其为900像素宽和1920像素高。白色矩形1801被分成行(1920行)，并且在1920行的每一行中，对900个像素的亮度进行平均。

在块1802中，该平均产生全白向量V_白色，其为1像素宽(根据定义)和1920像素高。

在块1804中，为了用作对M_矩形的归一化，需要复制全白向量以形成与M_矩形相同尺寸的全白向量矩阵

使得全白向量矩阵/>

的所有列都是全白向量V_白色。

在块1806中，为了消除LOE黑水平、房间照明、摄像机噪声等的影响，通过以下从捕获图像矩阵(M_矩形)和全白向量矩阵

中的每一个中减去全黑矩阵M_黑色：

除法是逐像素地完成的，从而产生要用于进一步处理和得到度量的最终矩阵(M_最终)。

经验表明，白色条纹的实际强度并不决定观察者的眼睛的可见度，因此评估是根据条纹的锐度(sharpness)来进行的。可以使用边缘检测算法例如“高斯拉普拉斯算子”——其是此处用于检测WS的标准图像处理技术——来测量锐度的程度。

在块1808中，继续当前示例性实现方式，用于检测WS的一种方法是首先将捕获的且归一化的最终矩阵(M_最终)划分成四个条纹。条纹是最终矩阵的水平部分，被指定为M_条纹1、M_条纹2、M_条纹3和M_条纹4。该划分降低了测量对例如摄像机传感器606B和LCoS显示器608相对于散射边缘或界面614的倾斜的敏感性。在以上建议的测量构造中，每个条纹是400×2520摄像机像素的矩阵。

在块1810中，对每个条纹的列进行平均以形成四个相应的2520个元素的条纹向量V_条纹1、V_条纹2、V_条纹3、V_条纹4。虽然在当前示例中使用了四个条纹，但是这不是限制性的，并且可以使用其他数目和各种宽度(高度)的条纹。

参照图19，示出了用于检测WS的示例性处理方法的流程图。在块1900中，针对每个条纹向量(V_条纹)，对条纹向量进行滤波1902、求导数1904、可选地再次滤波1906、以及求二阶导数1908，以产生1910四个长为2518的拉普拉斯向量(V_{拉普拉斯1}、V_{拉普拉斯2}、V_{拉普拉斯3}和V_{拉普拉斯4})，对于每个相应的条纹向量一个拉普拉斯向量。求导1904和二阶求导1908与以上关于图14、图15和图16所描述的类似。添加滤波(1902，1906)对数据进行平滑(滤波)以去除频率高于白色条纹的噪声。在当前示例中，使用具有10个像素的范围(对应于约4个LCoS像素)的二阶Savitzky Golay滤波器。该滤波器的使用不是限制性的，并且可以使用具有相似范围的任何滤波器(高斯等)。在当前示例中，每个滤波的向量以数字方式被得到(减去最近邻元素)。

对WS的存在和程度的度量在本文献的上下文中也被称为WS的“等级”(“grade”)。白色条纹等级优选地分别针对捕获图像的右侧和左侧给出。出现在FOV的鼻向(nasaldirection)(LOE的鼻侧)上的白色条纹被称为“条纹向下”(“stripe down”)，以及出现在太阳穴(temple)方向(POD的方向)上的条纹被称为“条纹向上”(“stripe up”)。

通常，可以将单个路径(例如，块1912D至1922D)用于每个段而不管段的数目如何。每个拉普拉斯向量的分段可以是从一个段到与行数一样多的段。在当前图中，在平行路径(块1912D至1922D和块1912U至1922U)中描述了四个拉普拉斯向量(V_拉普拉斯)中的仅两个。在当前示例中，针对每个拉普拉斯向量(V_拉普拉斯)，“向下”(条纹向下)等级(块1918D)是像素100至800中的最大者(块1912D、1914D、1916D)并且“向上”(条纹向上)等级(块1918U)是像素1720至2420中的最大者(块1912U、1914U、1916U)。根据四个V_拉普拉斯向量的四个平均“向下”和“向上”等级(块1920D、1920U)，可以得到最终的“向下”和“向上”等级(块1922D、1922U)

该平均可以用作用于判断LOE903的性能是否足以使用(通过测试)，或者LOE903是否不适合预期用途的标准。针对通过的一个示例性标准是“向上”和“向下”等级＜3e-6。

替选地，或者除了上述示例实现方式之外，可以使用其他方法来测量WS，例如：

测试图案的不同的位置尺寸和位置，

不同的图像分割，

不同的图像增强技术，

不同的边缘检测技术，

棋盘对比度变化，以及

用于“拖尾”检测的技术也可以应用于WS的测试。

可以使用各种技术得到度量，包括：

值的表格-将一个或更多个场内的亮度水平与至少一个先前确定的亮度水平进行比较，

总强度-对一个或更多个场内的亮度水平进行求和，以及

比较-将第一亮度水平与一个或更多个场内的至少一个其他亮度水平进行比较。

基于当前描述，本领域技术人员将能够实现测试来自界面的光学散射——特别是测量光学元件的产生诸如白色条纹的线的散射和衍射——的一种或更多种方法。

得到的一个或更多个度量可以用作评估光学器件例如LOE 903的优点的(一个或更多个)图。该度量可以用于质量控制以确定LOE 903的投影输出是否可接受或在期望的性能范围之外。评估可以包括度量是高于还是低于给定值、在给定范围之内还是之外、或者相对于绝对值还是可变值。评估可以包括器件的布置，例如，LOE 903是否通过、失败或处于何种操作水平。可以使用(或例如出售)各种操作水平以用于需要(仅)一定水平的操作质量和/或性能的各种应用。

度量还可以用于过程控制-将得到的度量反馈回到制造和设计过程中以改进光学器件的设计和制造。

注意，取决于应用，模块和处理的各种实现方式是可能的。模块优选地以软件实现，但是也可以以硬件和固件、以单个处理器或分布式处理器、在一个或更多个位置处实现。可以将上述模块功能组合并且实现为更少的模块，或者分成子功能并且实现为更多数目的模块。基于以上描述，本领域技术人员将能够设计用于特定应用的实现方式。

注意，上述示例、使用的数字和示例性计算是为了帮助描述该实施方式。无意的印刷错误、数学错误和/或简化计算的使用不减损本发明的实用性和基本优点。

就所附权利要求是在没有多项从属权利要求的情况下起草的而言，这仅仅是为了适应不允许这样的多项从属权利要求的司法管辖区域中的形式要求。注意，通过使权利要求多项从属而暗示的所有可能的特征组合被明确地设想并且应当被认为是本发明的部分。

应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求中限定的本发明的范围内许多其他实施方式是可能的。

Claims (11)

1.一种用于测试光学器件的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)在多个捕获图像(410)中的每一个中限定至少一个感兴趣区域(ROI，400A，400B)，

(i)每个所述捕获图像(410A)：

(A)包括测试图案(200)，

(B)是从所述光学器件的输出光捕获的，所述输出光是通过将所述测试图案的准直图像投影到所述光学器件中来生成的，并且

(C)是在所述光学器件的有效区域内的相对于所述光学器件的不同位置处捕获的，所述有效区域被用户用于观察所述输出光，

(ii)每个感兴趣区域包括所述测试图案的一部分，

(b)从所述至少一个感兴趣区域(400A，400B)中的每一个提取多个截面(420A，430A)，其中，所述多个截面中的每一个(420AH1，…，420AV1，…)包括所述测试图案的所述部分的区域(420AH1A，…，420AV1A，…)，从而针对所述测试图案的每个部分形成每个感兴趣区域的对应截面集合，以及

(c)针对所述测试图案的每个部分，比较所述对应截面集合以确定所述光学器件的度量。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将所述测试图案的准直图像投影到光导光学元件(LOE)中以及捕获从所述光导光学元件投影的多个图像以生成所述多个捕获图像，对每个图像的所述捕获是在相对于所述光学器件的不同的所述位置处。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述捕获是通过正交于所述光导光学元件的输出表面移动的摄像机进行的，所述移动在被用户用于观察从所述光导光学元件投影的所述输出光的所述有效区域内。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光导光学元件包括部分反射表面的阵列，每个表面与相邻表面分开小平面间隔距离，所述摄像机具有以所述小平面间隔来设置的孔径。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个感兴趣区域包括与第二感兴趣区域正交的第一感兴趣区域。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述测试图案是十字线，所述第一感兴趣区域是所述十字线的竖直部分的并且所述第二感兴趣区域是所述十字线的水平部分的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，针对每个感兴趣区域，所述多个截面在从所述测试图案的原点至所述测试图案的边缘上的点的方向上是连续的。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，针对每个感兴趣区域，将所述多个截面彼此平均以生成单个平均截面。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述度量基于相对于所述光学器件的所述位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用从由以下构成的组中选择的技术根据所述截面来计算所述度量：

(a)半峰全宽(FWHM)，

(b)平均峰宽，

(c)峰宽的标准偏差，

(d)峰宽的一阶导数，

(e)峰宽的二阶导数，

(f)最大峰宽，

(g)距预期位置的最大峰移，

(h)峰移的标准偏差，

(i)奈奎斯特频率处的平均调制传递函数，

(j)除奈奎斯特频率之外的频率处的平均调制传递函数，

(k)奈奎斯特频率处的传递函数的标准偏差，以及

(l)除奈奎斯特频率之外的频率处的传递函数的标准偏差。

11.一种其上嵌有用于测试光学器件的计算机可读代码的非暂态计算机可读存储介质，所述计算机可读代码包括用于根据权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤的程序代码。

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