用于AR/VR測試的抬頭顯示和近眼顯示測試方法
什么是“虛擬”圖像？最基本的，虛擬圖像是投射到空間的圖像。產生虛擬圖像的典型設備包括矯正眼鏡、雙筒望遠鏡、放大鏡、眼鏡、顯微鏡、望遠鏡、步槍瞄準鏡、近眼顯示器和平視顯示器。這些設備中的每一個都形成一個近場圖像，用眼睛觀看并適應基于儀器設計的距離。在創建“虛擬圖像”時，亮度和顏色測量是關鍵因素。這兩個都受到瞳孔的物理大小的影響
圖像測量有四種不同的物理類別。他們是：
1.虛擬現實-不涉及環境照明，近眼顯示
2.增強現實-包括部分環境照明和近眼顯示
3.數字眼鏡-需要全環境照明和近眼顯示
4.汽車/航空電子設備-需要全環境照明和平視顯示器
標準亮度產品通常可用于測量抬頭顯示，但近眼顯示由于光學元件緊湊，需要特別考慮。其中一個考慮因素是環境照射的影響，這使設計和測量都變得復雜。
A光源是所有制造商用于標定光源特性的基本標準。A光源的優點是A光源的物理特性很好測量，在穩定供電時，A光源非常穩定，在實驗室中表現出高相關性，光譜是連續的，沒有拐點等特點。然而，A光源的藍光含量非常低，不能代表任何現代顯示，并且相對于現代照明/顯示標準來說，其色溫也是非常低的。
這造成在使用A光源作為校準源時產生不確定性。 大多數設備都以A光源為參考，但是典型的非A光源的光源的測量不確定性相對較高，并且儀器間一致性也會受到影響。 因此，大多數電子顯示測量都不是基于A光源的。
抬頭顯示和近眼顯示由于圖像刷新而具有變化的時間特性。 同步時序對于在高亮度下短曝光時間的測量至關重要。 出瞳均勻性是另一個影響亮度準確性的問題。 這些不確定性也使儀器間一致性更加難以把控。
增強現實與透明度問題
虛擬現實（VR）是一種封閉現實世界的數字環境。而增強現實（AR）則是一種建立在現實世界之上的數字內容。
環境照明的動態范圍決定了顯示元件的動態范圍。 傳統的抬頭顯示與增強現實顯示之間的區別在于，抬頭顯示通常用于向場景提供輔助信息，而不是使用另一個場景來增強場景。
上面的這個眼盒（eye box)例子是一個簡單的放大鏡，真實物體放在鏡頭焦平面的前面。光線軌跡顯示虛擬圖像是在真實物體后面形成的。必須執行第二次光軌跡，才能知道觀察者將如何看到圖像的。
那么怎么測量虛擬圖像與真實圖像有何不同呢？ 上面的眼盒（eye box)框示例中的虛像顯示范圍受出瞳限制。 這意味著正確測量亮度需要滿足三個必不可少的條件：
1.出瞳的照明范圍必須超過測量儀器的入瞳范圍；
2.測量儀器的視場必須小于“眼盒（eye box)”或出瞳范圍；
3.在測量儀器的入瞳處，必須保證光源的均勻性。 這是比較不同儀器的數據時，降低儀器性能的重要元素。
查看上面的虛擬圖像演示了執行第二條光線軌跡以顯示查看條件。 現在，虛擬圖像在光線軌跡中被定義為“真實”對象。 “最佳”眼睛位置被任意定義為由近軸主光線（以紅色顯示）和近軸邊緣光線（以綠色顯示）表示的平面。 從這一點觀察可以查看整個區域。 “眼盒（eye box)”范圍平面表示觀察者可以查看整個圖像區域的極限距離。
那么問題出在哪里呢？ 從理論上講，應該沒有問題。 保持亮度恒定，因此在光學系統中的任何位置亮度都完全相同。 然而，問題在于測量裝置的物理結構引起的。 需要保證瞳孔和“眼盒（eye box)”的光學特性需要嚴格一致。 并且要滿足一個必不可少的條件：眼盒（eye box)中的照明必須完全均勻。 如果在近眼情況下虛擬圖像的物理范圍小于抬頭顯示中的物理范圍，則儀器間的一致性將成為另一個需要考慮的問題。
在抬頭顯示/近眼顯示在測量方面還面臨其他挑戰。許多客戶不理解這兩個基本要求：從出瞳處照射范圍必須超過測量儀器的入瞳范圍，并且測量儀器的視場必須小于“眼盒（eye box)”或出瞳的范圍。
亮度在光學系統中的任何地方都是恒定的，只能通過光傳輸過程進行改變。 在最近的眼鏡討論中“眼鏡顯示測量方法：測量設備中瞳孔大小的依賴性”，”大島康介等人強調了這個問題，照明設備的不正確使用或設計會導致固定孔徑和亮度的很大變化。 兩種儀器類型之間的基本數據即使在小孔徑尺寸下也有相當大的差異。 而顯示不均勻加大這些差異。
屏幕中心亮度與入瞳尺寸關系
固定孔徑解決方案
在現實世界中，固定的孔徑附件可以在眼盒（eye box)中進行測量。 遠心設計可以消除焦點，但一定要知道視場范圍。 該固定孔徑系統的視野為18度。 在現實世界中，沒有標準的眼鏡配置。 必須用夾具來固定耳鉤和模擬鼻梁。有限的空間使測量變得困難，但是如果滿足上述三個必不可少的條件，則可以使用光譜輻射度計進行測試。
可以測量近眼設備的標準光譜輻射儀可以比較固定孔徑和標準設備之間的亮度測量結果。 這可能要低三倍。 在一個測試示例中，沒有填充標準儀器的入射光瞳，因此將光譜輻射度計放置得更遠可以產生更好的相關性。 但是，在兩個系統的視場相等之前，不可能使兩種配置都達成一致。
如果光纖適配器安裝在標準鏡頭上，則可以使用光纖探頭安裝在“head box”內。 然后將光纖探針安裝在夾具中。 這可以使固定物理入瞳位置容易定位。 在中等亮度下人眼的平均瞳孔尺寸為3-5mm。 這在心理物理研究中是非常有用的，因為視網膜照度很容易計算。這里采用了一種被稱為“遠心”技術的概念。
固定孔徑測量與標準亮度計有相關性。這并不簡單，因為顯示器與光學系統耦合的不均勻性。使用標準光度計/光譜輻射度計，標準裝置的出瞳孔徑必須被填滿，以便進行精確的光點測量。因此，當使用固定孔徑系統時，對測量區域進行“填充”是非常重要的。
固定孔徑解決方案的好處在于，它可以將測量結構最小化。 根據定義，此解決方案對成像位置要求很寬泛。 可以將孔徑定義為與瞳孔尺寸相同。 止動透鏡(stop lens)造成的誤差小于3% 。
Photo Research的固定孔徑附件
Photo Research的固定孔徑附件在測量設備的較大運動范圍內可以變化很小。 當被測光源不再充滿透鏡的入射光瞳時，測得亮度會快速變化。但經過校準在2-6mm的孔徑之間，亮度幾乎沒有變化。
參考上圖，位于L1后焦點的遠心光圈定義了圖像尺寸隨對象位置的變化。 第二個鏡頭將光圈聚焦到固定點。 L1位于L2的前焦點，因此使L1的出瞳變為遠心。 L1和L2的位置之間的關系提供了高度的瞳孔混合。 通過在L1的前表面放置一個物理擋塊，可以調整該系統的視場。 通過將MS-75鏡頭用作光學系統中的L2，可以將該設計體現為PRISM-75鏡頭的附件。
二維測量
那么，二維測量到底怎么樣？二維測量對于缺陷檢測（即MURA）和其他標準（如MTF、圖像運動涂抹、固定模式噪聲、失真等）是非常重要。固定瞳孔在眼鏡中是非常有挑戰性的，但它可能不是這些空間測量所必需的。必須通過完全均勻地裝滿入瞳孔。但由于眼盒（eye box)幾何結構和顯示均勻性的限制，這通常是不可能的。如果絕對輻射測量/色度測不重要，就沒這么多問題了。
通常，如果可以捕獲整個視場，由于入射光瞳問題，測得的亮度值將偏低，但這可以通過使用具有正確幾何形狀的標準輻射度計來進行校正。同理也可以進行MTF測量，但必須對MTF圖像捕獲系統進行表征，并校正成特性。這會導致在高頻下的噪聲更大。
殘影的測量需要非常精確地控制曝光時間。 傳感器的電子快門的特性可能會使數據變得復雜化。 因此，與固定孔徑系統的關聯將非常困難。 對眼盒（eye box)參數的了解不足，無法開發適用于所有情況的通用解決方案。 成像器的特性對所得數據有很大的影響，因此，使用之前必須對成像器進行完全校準。
結論
對于抬頭顯示（用于航空電子設備/汽車），建議使用標準光譜輻射度計，并注意確保設備的入瞳孔正確填充。
對于近眼顯示，應使用固定孔徑解決方案。 也可以在支座位置使用標準光譜輻射度計，以確保入瞳孔填滿。
請記住，方法之間的相關性會因顯示不均勻而受到影響。應進行重復性測量（不少于七個），以確保時間同步沒有問題。 還應該進行可靠性測量，以確認測量過程準確性。
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