处方（带度数矫正）镜片对波导显示器图像质量测量的影响

Joonas Pylväinen¹ Eeli Hernesniemi¹

¹ OptoFidelity Oy (芬兰，坦佩雷)

1. 引言 (INTRODUCTION)

波导（Waveguide）显示器是增强现实（AR）设备的关键核心技术，其图像质量受光学设计和光路模组累积效应的强烈影响。随着 AR 设备向消费级应用迈进，满足需要视力矫正的用户变得日益重要。目前存在几种方法来解决这一需求，每种方法对光学性能和计量都带来了不同的影响。

一种方法是允许用户在使用 AR 设备时佩戴自己的视力矫正器具（如眼镜），或者使用安装在头显内部的专用处方插片（prescription inserts）。这些解决方案曾用于企业级设备（例如 HoloLens 2），因为同一台头显预计会被多个不同用户佩戴。虽然这种方法避免了改变波导光学系统本身，但它在显示系统之外增加了额外的光学元件，并增大了出瞳距离（eye relief distance）。

一种更集成的方法是将处方矫正直接整合到显示光学系统中，通常使用推拉透镜配置（push and pull lens configuration）。在典型的波导设计中，虚拟图像聚焦在无穷远处。然而，为了佩戴舒适，图像通常聚焦在 2 米左右。波导和眼睛之间的拉伸透镜（pull lens）将虚拟图像焦点移近；而在靠世界一侧，相应的推动透镜（push lens）则补偿这一效应，以保持实景视野（real-world view）聚焦。处方矫正可以整合到“拉伸透镜”中，使其在矫正波导形成的虚拟图像的同时，也矫正用户的真实世界视力（图1）。虽然这提升了人体工程学和用户体验，但它为显示系统引入了新的元件。

本研究的目的是调查处方光学元件如何影响测得的图像质量，并展示 Rx-capable 相机在波导显示计量中的实际应用案例。

2. 计量与测试案例 (METROLOGY AND TEST CASES)

测量工作是在一个简单的桌面实验装置（tabletop setup）上完成的，该装置旨在评估波导显示器在标准无穷远对焦（standard infinity-focused）和处方矫正（prescription-corrected）两种观看条件下的表现（见图 2）。该装置包含一个作为光源的 DLP 投影仪、一个待测的衍射光波导（diffractive waveguide），以及一个具备 Rx 能力（Rx-capable）的成像系统，即 OptoFidelity 公司的 OptoColor Rx 相机（见表 1）。

2.1. 测试图样与图像质量指标 (Test Patterns and Image Quality Metrics)

测试图样由 PC 端输入并显示在投影仪中。全视场（Full FOV）图像由单一颜色通道组成，而在进行白色测量时，所有颜色通道均被启用。图样被叠加在无色的黑色背景上。基于投影仪的标称性能，假设颜色准确度在各次测量之间保持充分的一致性。

全视场图像使用符合 IEC 63145-20-10 标准的网格进行采样，并计算每个采样点的平均值。均匀性（Uniformity）的计算方法是：采样最大值相对于所有采样点平均值的相对偏差。

棋盘格对比度（Checkerboard contrast）的评估方法是：计算每个白色和黑色棋格中心固定大小区域的平均像素值。局部对比度（Local contrast ratios）按成对方式计算（即白棋格与黑棋格数值之比），并取平均值以获得最终报告的平均对比度。

十字图样目标（cross-pattern target）的评估方法是：从预定义的感兴趣区域（ROI）中提取线条特征。通过垂直于线条方向进行平均计算、围绕峰值响应进行加窗处理，并使用快速傅里叶变换（FFT）转换至频域，从而获得一维线条轮廓。随后，在水平和垂直方向的选定空间频率（spatial frequencies）处对调制传递函数（MTF）值进行采样。水平方向的 MTF 由垂直线条特征计算得出，而垂直方向的 MTF 则由水平线条特征计算得出，使得每个 MTF 值都对应于垂直于线条方向的分辨率。

2.2. 测试案例 (Test Cases)

基准测量（Reference measurements）是在不添加任何处方镜片的衍射光波导上进行的，以建立基准线（baseline）（见图 3）。在基准测量和处方镜片测量之间，系统中的所有元件均保持静止，且图像是在黑暗环境中拍摄的。

3. 结果与讨论 (RESULTS AND DISCUSSION)

通过计算每个指标和颜色相对于基准测量的相对变化（relative change），对性能变化进行了研究。

3.1. 均匀性 (Uniformity)

引入处方镜片或在失焦（out of focus）状态下运行，对均匀性的影响微乎其微（见图 4）。主要表现为当图像失焦时，视场（FOV）的边缘出现明显的模糊。对于均匀的视场，除了边缘以外，清晰度的降低并不会显著改变可见特征。然而，在包含条纹、热点（hotspots）或其他明显特征的视场中，均匀性可能会受到影响。因此，失焦所产生的最终效应是不可预测的。

3.2. 对比度 (Contrast)

无论对焦情况如何，引入处方镜片后，所有测得颜色的对比度均有所下降（见图 5）。这种下降极有可能是由处方镜片中的额外散射（scattering），或者是与镜片放置位置相关的反射（reflections）和炫光（flare）引起的。这些结果表明，处方镜片的光学质量及其放置位置都是重要的影响因素。此外，如果对比度算法使用了非常大的感兴趣区域（ROI），模糊的棋格边缘对实测对比度的影响可能会比本次测试中观察到的更为强烈。

3.3. MTF (调制传递函数)

正如预期的那样，在不进行相机端焦距补偿（camera-side focus correction）的情况下添加处方镜片，会导致图像严重失焦，其 MTF 值接近于零（见图 6）。

对于球面（spherical）处方镜片，通过调节焦距可以将两个方向的 MTF 恢复到与基准案例相当的水平。而对于柱面（cylindrical）处方镜片（散光镜片），离焦（defocus）仅影响一个 MTF 方向（见图 7）。与处方镜片轴向对齐的水平 MTF 基本保持不变，而垂直于镜片轴向的垂直 MTF 则需要进行对焦补偿。从结果来看，处方镜片会降低 MTF；在生产集成处方镜片的波导显示器时，应当对所添加镜片的 MTF 及其他光学特性进行表征和深入理解。

在全集成显示模组中，确保单个透镜的质量以及与波导堆叠后的累积效应（cumulative effect）至关重要。为了测量生产线上针对特定用户的处方需求，系统需要能够根据不同情况进行自动调整。通过这种方式，无论处方如何，质量都能得到控制。对于用户自行采购并安装的处方插片，其影响将是不可预测的，并可能显著降低图像质量；但拥有一个能够研究此类影响的系统可以防止意料之外的情况发生。

4. 结论 (CONCLUSIONS)

本研究表明，用于视力矫正的处方镜片会显著影响波导显示器的图像质量测量，尤其是 MTF。虽然均匀性受到的影响较弱，但与不含处方光学元件的基准测量相比，球面和柱面处方镜片均导致了对比度的系统性下降以及 MTF 的可测量变化。正如预期的那样，柱面镜片产生了与散光矫正（astigmatic correction）一致的方向相关效应，凸显了考虑用户特定矫正镜片的重要性。即使在重新聚焦至最佳对焦（best-focus）条件后，对比度和 MTF 仍存在残余下降，这表明添加的镜片引入了额外的光学损耗。这些结果强调，集成处方镜片的波导显示器图像质量计量系统需要在生产环境中能够适应不同的矫正方案，从而实现一致且可比的质量控制。

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