本发明涉及一种具有前光圈、物镜和液态透镜的物镜装置，其中物镜和液态透镜沿光轴固定地布置在相对于前光圈位于图像一侧的位置处，并且被设置用于将在前光圈前方的一图像距离处呈现在相对物侧上的虚拟图像成像到至少一个传感器平面上。本发明还涉及一种用于测量近眼显示器(ned)的测量装置，该装置包括这种透镜装置和传感器。本发明还涉及一种使用这种测量装置对ned进行光度测量的方法。
背景技术：
1、近眼显示器(ned)(也称为近眼装置)在现有技术中被称为以明显短于阅读距离(通常短于5厘米)的距离呈现图像的装置。ned以眼镜的形式(例如虚拟现实(vr)眼镜、增强现实(ar)眼镜)而闻名，它们可以通过眼镜腿、镜框和/或头带固定在观看者的头部。例如，它们具有发光二极管(led)显示器。该显示元件上显示的图像通过内部ned光学系统以虚拟图像的形式呈现给观察者的眼睛，该光学系统沿观察轴位于远离眼睛瞳孔平面的一虚拟距离处(在ned的指向远离观察者的一侧上)。
2、内部ned光学系统可以被聚焦成能够以不同的距离显示虚拟图像。ned的不同聚焦状态由观看者眼睛的相应不同调节状态进行补偿，因此所显示的图像始终显得清晰。
3、通常，虚拟图像显示在远离观看者眼睛至少20厘米的距离处(对应于人眼的阅读距离或特写范围)。在这里和下文中，虚拟图像被理解为在几何光线光学意义上以这样的距离(如从观看者的眼睛看到的那样，在ned后面)呈现的虚拟图像。
4、此外，已知的ned将图像通过准直激光束的足够快速偏转或来自另一个光源的类似准直光束路径(例如借助于具有可偏转微镜的微机械系统)投射到观察者眼睛的视网膜上。这种成像方法称为视网膜书写或视网膜成像，也可用于呈现出现在远离观察者眼睛一任意可改变距离处的图像，例如借助于自适应光学系统。这种ned还可能要求观察者的眼睛调节到固定甚至可变的焦距，以便将呈现的图像正确地投射到视网膜上。
5、在这里和下文中，ned将图像投射到观察者眼睛视网膜上的光束路径通常称为ned成像光束路径，无论虚拟图像是投射到视网膜上还是使用快速偏转的准直光束进行投射(如在视网膜书写的情况下)。在这两种情况下，精确的光度测量都需要根据观察者眼睛的调节来调节测量装置的光学系统。
6、文档us2019/0191151a1描述了一种用于多配置近眼显示器性能表征的系统和方法，该近眼显示器包括：镜子；灯；分光镜；准直与反射透镜，用于准直从分光镜反射的光并将其反射回具有取景器的图像传感器；视场(fov)光圈，用于通过物镜将灯的光投射到被测装置(dut)上；视频取景器数码相机，用于捕捉dut的虚拟图像；光谱辐射计，用于对限定的测量区域的所捕获图像进行光谱辐射测量，以表征dut的性能；以及控制器电路，用于基于光谱辐射测量表征dut的性能。
7、此类ned的光度测量还需要足够小且可操作的测量装置，以便插入受眼镜镜、框架和类似固定装置限制的构造和移动空间中。此外，必须能够模拟利用这种测量装置的观察者眼睛的调节行为(目镜屈光度的变化)和调节行为(眼睛瞳光圈直径的变化，其作为眼睛的入瞳)。此外，为了正确测量，测量装置的入瞳位置必须与眼睛的入瞳(即眼睛的瞳孔)的位置相对应。
8、已知的光度测量装置不能满足这些要求，或者不能充分满足这些要求。因此，需要一种改进的测量装置和改进的测量方法来测量ned。
技术实现思路
1、根据第一方面，本发明基于指定一种适合于用于ned的改进的光度测量的测量装置的透镜装置的问题。
2、根据第二方面，本发明还基于提供一种适合于ned的改进的光度测量的测量装置的问题。
3、根据第三个方面，本发明还基于提供一种用于ned的改进的光度测量的方法的问题。
4、根据本发明，这些问题通过所附权利要求得到解决。
5、本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。
6、用于光度测量(例如近眼显示器(ned)的光度和/或色度和/或光谱测量)的测量装置包括透镜装置，用于将由ned呈现的成像光束路径，例如用于成像虚拟图像的成像光束路径或设置为视网膜书写的成像光束路径，成像到传感器的传感器表面上。
7、根据本发明的第一方面，物镜装置包括前光圈、物镜(可包括一个或多个物镜)和液态透镜，其光学效应，特别是其折射力，可以变化。物镜和液态透镜沿光轴被布置在固定位置，即沿光轴不可移动，并位于相对于前光圈的图像侧，即位于前光圈的背对待由物镜装置进行测量的ned并且面向至少一个传感器平面的那一侧上。液态透镜可以设计为物镜的一部分，特别是在结构上与其相连，也可以独立于物镜提供。
8、物镜和液态透镜被设置并布置成将ned辐射的成像光线成像到至少一个传感器平面上，所述成像光线被呈现在前光圈的与成像侧相对的那一侧上。此侧(面向ned)将被称为物侧。因此，前光圈被布置在物镜和液态透镜的前面，使其面向待测ned(提供成像光束路径)。
9、液态透镜的光学效果，特别是其焦距，是可以调节的。特别地，液态透镜被设置成折射力具有类似于人眼约10屈光度的调节能力的变化，以便可以通过调节液态透镜，将由ned针对观察者眼睛的不同调节状态而呈现的成像光束路径，清晰地成像在至少一个传感器平面上。
10、前光圈被设计为用于物镜装置的系统入射光圈的光圈光阑，并且具有落在人眼的瞳孔开口的光圈开口(直径)可以自适应改变的范围内的一光圈开口。优选地，所述前光圈具有直径在2毫米至6毫米之间的光圈开口。
11、所述系统入射光圈是进入透镜装置的所有同心光束束的公共横截面。
12、该物镜装置的优点是，由前光圈形成的入瞳可以从外部进入。这意味着它可以非常精确地例如相对于ned的位置而定位。此外，它可以特别容易地操作，例如更换为具有不同光圈的前光圈，或者，如果它被设计为可调光阑，则可以轻松更改光圈。
13、此外，该物镜装置还具有一优点，即将用于观察者眼睛不同调节状态的可调节、优选可聚焦的液态透镜用于将ned所呈现的图形束路径清晰地成像到至少一个传感器平面上，而不需要透镜装置或其中包含的部件进行机械移动。与需要用于透镜或透镜组的移动范围的可聚焦透镜装置已知解决方案相比，这节省了空间。特别是，这使得透镜装置在垂直通过前光圈的光轴方向上的长度特别短。
14、因此，这种透镜装置可以特别有利地用于移动自由度有限的测量情形，例如将ned的虚拟图像成像到用于光度测量的传感器上的情形。
15、对于直接投射的ned(即以例如借助于激光束视网膜书写的方式)，内部ned光学系统通常确保投射到观察者眼睛上的成像光束路径的光束是穿过观察者眼睛主点的主光束。这确保了观察者眼睛的视网膜上始终产生相同大小的清晰图像，即使眼睛被调节也是如此。众所周知，主点在观察者眼中的位置会随着调节而偏移。
16、在为测量这种直接投射的ned而设置的物镜装置的一个实施例中，液态透镜被布置并设置成使得可以通过改变其折射力来定位主点。这使得调查调节引发的其他潜在影响成为可能。
17、在透镜装置的一个实施例中，物镜和液态透镜被设置为将在前光圈前方的一图像距离处呈现在相对物侧上的虚拟图像成像在至少一个传感器平面上，该液态透镜的光学效果是可调节的，以使得可以通过调节液态透镜将呈现在聚焦范围内的虚拟图像清晰地成像到至少一个传感器平面上。
18、特别是，液态透镜的折射率可以以这样一种方式进行调节，即可以将在清晰地成像在观察者眼睛(代替测量装置)通过调节来捕获ned的视网膜上的聚焦范围内呈现的虚拟图像，清晰地成像在至少一个传感器平面上。换言之，液态透镜与物镜一起设置，以便于将虚拟图像成像到至少一个其图像距离落入焦距范围内的传感器平面上。
19、在一个实施例中，所述前光圈被设计为具有离散可调光阑开口的可互换光阑或具有连续可调光阑开口的虹膜光阑。该实施例适用于具有不同输入光圈的测量，例如用于对应于观察者眼睛的不同适应状态的ned的光度测量。
20、在一个实施例中，液态透镜被布置在前光圈和物镜之间的图像侧。这使得能够使用直径小于下游物镜直径的液态透镜，因此可以更经济高效和/或更准确地制造。
21、在一个实施例中，液态透镜和物镜的直径不超过32.5毫米。该实施例可以以低成本生产，并且足以用于许多测量目的，例如用于ned的光度测量，特别适应于透镜装置在连续测量中相对于ned转动，以便以重叠的空间角度捕获由ned呈现的虚拟图像的情况。
22、在一个实施例中，透镜被设置用于图像侧内心光束路径或图像侧远心光束路径。
23、与透镜装置的横截面相比，内心光束路径允许使用具有更大传感器面积的传感器。这意味着相对大且因此精确的传感器可以与相对小且相应便宜的透镜结合使用。
24、远心光束路径可实现传感器的可变布置，因此传感器相对于到物镜装置的距离特别稳健，而不会影响图像比例。
25、在一个实施例中，物镜具有第一物镜组，该物镜组被设置为将由物镜装置呈现在输入侧上的虚拟图像成像为中间图像平面上的中间图像中。此外，所述透镜具有至少一个结构上独立的、优选独立安装的第二物镜组，该物镜组被布置在光束路径中第一物镜组的下游，并被设置为在至少一个传感器平面上成像中间图像。
26、物镜的结构分离意味着只有与整个物镜相比相对较小的第一物镜组可以布置在待成像的测量物体附近，而至少一个下游的第二物镜组可以布置在远离它一定距离的地方。这样，即使在有限的构造和移动空间内，也可以例如通过以衍射极限精度将虚拟图像成像到传感器平面上，来进行高光学质量的测量。
27、在该实施例的进一步发展中，在中间图像平面上设置了视场透镜，该视场透镜被设置为使第一物镜组的第一出瞳适应第二物镜组的第二入瞳。这意味着可以选择第一物镜组的直径与第二物镜组的直径相同。这使得透镜装置的纤薄设计特别节省空间。
28、作为替代或者附加地，也可以设置视场透镜来校正像差，例如校正散光或像场曲率。这进一步提高了图像的光学质量。
29、在一个实施例中，物镜装置包括至少一个光束偏转器，例如偏转镜或偏转棱镜，通过该偏转镜，将至少一个光路的光线相对于垂直穿过前光圈延伸的第一光轴以一定角度和/或偏移进行偏转。这节省了沿第一光轴方向的安装空间。因此，该实施例特别适用于测量物体的光度测量，其中用于测量装置沿测量物体的辐射方向的布置的空间是有限的，例如用于眼镜腿或类似支架突出到观察轴周围空间中的ned的光度测量。
30、在一个实施例中，在液态透镜后面的图像侧上的物镜装置的光束路径中设置至少一个分束器，使得它分别，沿着到第一传感器平面的第一光路，并沿着到另一个传感器平面的至少一个另一光路，将光束路径划分成空间上对应的虚拟图像。这样可以例如使用第一亮度相机和第二亮度相机和/或颜色测量相机和/或机器视觉相机和/或光场相机和/或光谱仪，同时进行空间对应和空间分辨的测量。
31、根据第二方面，用于测量ned的测量装置包括根据本发明第一方面的物镜装置，以及布置在相应的传感器平面上并设置用于光度和/或色度和/或光谱测量的至少一个传感器。优选地，至少一个传感器被设计为空间分辨率平面传感器，但这也可以是点形传感器或测量传感器表面积分的传感器。
32、所提出的测量装置特别适用于ned的图像侧的有限安装空间(例如，由于眼镜腿或类似支架的缘故)。此外，由于外部可触及的前光圈的缘故，它可以特别容易和精确地进入与观察者眼睛瞳孔位置相对应的位置。这样可以特别准确地测量ned(对应于感知观察者眼睛)。此外，通过调节液态透镜，测量装置可以适应ned的不同聚焦状态，从而使系统入瞳的位置(以及测量与观察者眼睛感知的对应关系)保持不变。
33、测量装置的其它优点对应于根据本发明第一方面的透镜装置的优点。
34、在一个实施例中，测量装置被设计成沿转动轴转动。转动轴垂直于第一光轴延伸，该光轴垂直地穿过前光圈。转动轴与该第一光轴相交于远离前光圈的一距离处，该距离大约等于人眼枢轴点与其瞳孔的距离。
35、通过转动测量装置，可以捕获由ned呈现的图像的不同部分。由于眼睛的旋转中心和转动接头(即旋轴和第一光轴之间的交点)处的旋转中心与相应的有效入瞳(前光圈或眼睛瞳孔/虹膜)的距离相同，因此保持了与人类观察者眼睛感知的对应关系。
36、由于具有转动功能，所以测量装置只要在每个转动接头位置上在至少一个传感器上捕获虚拟图像的一部分区域(即仅捕获某个空间角度)就足够了。然而，具有重叠部分区域的连续测量可作为一个整体用于分析由所测量的ned呈现的虚拟图像。这使得测量布置的设计特别纤薄并节省空间。
37、在一个实施例中，在测量装置的至少一个光路中，即在由ned辐射的虚拟图像和至少一个传感器之间，设置滤光器。滤光装置有与整个系统的光谱灵敏度相匹配的透射特性，该系统包括符合预限定的目标功能的测量装置的物镜和传感器。例如，所述目标功能可以通过具有光视、暗视或昼夜节律视觉的观察者的典型光谱灵敏度、光化有效光谱或与观察者眼睛相关的类似光效应来确定。在实施例中，滤光器可以设置为光度或色度滤光器。这样可以进行特别准确和/或特定的光度/辐射或色度测量。
38、根据本发明的第三方面，在使用根据本发明第二方面的测量装置对ned进行光度测量的方法中，依据至少一个传感器记录的至少一个原始测量值通过计算校正在被测量的ned与透镜装置相互作用中发生的至少一种光学干扰。例如，以杂散光、假光和/或多次反射形式发生的光学干扰可以通过计算(即借助于在计算机上实现的算法)进行校正。
39、这样就可以省去用外部物理光圈对这种光学干扰进行抑制，外部物理光圈通常用于测量大面积显示器，但由于其空间和光学限制而不适用于ned。例如，计算校正可以增加对比度范围，从而提高测量装置的性能。
1.一种物镜装置(101)，包括前光圈(140)、物镜(120)和液态透镜(110)，其中物镜(120)和液态透镜(110)沿光轴(oa、oa')固定地布置在位于前光圈(140)的图像侧(bs)上的位置处，并设计用于当ned成像光束路径被呈现在前光圈(140)的相对物侧(os)上时将ned成像光束路径成像到至少一个传感器平面(s、s')上，
2.根据权利要求1所述的物镜装置(101)，其中，所述物镜(120)和所述液态透镜(110)设计用于将虚拟图像(v)成像在至少一个传感器平面(s、s')上，其中所述液态透镜(110)可以调节其光学效果，使得可以将在焦距范围(vδ)中呈现的虚拟图像(v)通过调节所述液态透镜(110)而清晰地成像在所述至少一个传感器平面(s、s')上。
3.根据权利要求1或2所述的物镜装置(101)，其特征在于，所述前光圈(140)被设计为具有离散可调光阑开口的可互换光阑或具有连续可调光阑开口的虹膜光阑。
4.根据权利要求1或2所述的物镜装置(101)，其特征在于，所述液态透镜(110)布置在所述前光圈(140)和所述物镜(120)之间的图像侧上。
5.根据权利要求1或2所述的物镜装置(101)，其特征在于，所述液态透镜(110)和所述物镜(120)的直径(d)最大为32.5毫米。
6.根据权利要求1或2所述的物镜装置(101)，其特征在于，所述物镜(120)被设置用于图像侧内心光束路径或图像侧远心光束路径。
7.根据权利要求1或2所述的物镜装置(101)，其特征在于，在中间图像平面(z)中布置视场透镜(124)，该视场透镜(124)被设置用于使第一物镜组(122)的第一出瞳(ap1)适配到第二物镜组(123)的第二入瞳(ep2)和/或用于校正像差。
8.根据权利要求1或2所述的物镜装置(101)，其特征在于，借助于至少一个光束偏转器(125)，至少一个光路(p1、p2)的光束路径相对于垂直延伸穿过所述前光圈(140)的第一光轴(oa)以倾斜和/或偏移方式至少部分地偏转。
9.根据权利要求1或2所述的物镜装置(101)，其特征在于，在所述液态透镜(110)之后在图像侧上在光束路径中布置至少一个分束器(126)，使得它将光束路径拆分成空间上对应的图像，这些图像在每种情况下沿第一光路(p1)将虚拟图像(v)映射到第一传感器平面(s)上，并且沿至少一个另一光路(p2)将该虚拟图像(v)映射到另一传感器平面(s')上。
10.一种用于测量近眼装置(ned)(20)的测量装置(100)，包括物镜装置(101)，该物镜装置(101)包括前光圈(140)、物镜(120)和液态透镜(110)，其中所述物镜(120)和所述液态透镜(110)沿光轴(oa、oa')固定地布置在位于所述前光圈(140)的图像侧(bs)上的位置处，并设计用于当ned成像光束路径呈现在所述前光圈(140)的相对物侧(os)上时将ned成像光束路径成像在至少一个传感器平面(s、s')上，
11.根据权利要求10所述的测量装置(100)，其特征在于，所述测量装置(100)沿一转动轴(sx)转动安装，该转动轴(sx)与在距所述前光圈(140)一距离(s3)处在图像侧上垂直穿过所述前光圈(140)延伸的第一光轴(oa)相交，该距离(s3)大致等于人眼的枢轴点与其瞳孔的典型距离。
12.根据权利要求10或11之一所述的测量装置(100)，其特征在于，用于将双目ned(20)的第一成像光束路径成像到布置在相应的传感器平面(s、s')中并设置用于对ned(20)进行光度和/或色度和/或光谱测量的至少一个传感器(130、130')上的第一物镜装置(101)，以及用于将双目ned(20)的第二成像光束路径成像到布置在相应传感器平面(s、s')中并且设置用于ned(20)的光度和/或色度和/或光谱测量的至少一个传感器(130、130')上的第二物镜装置(101)。
13.一种使用测量装置(100)对ned(20)进行光度测量的方法，所述测量装置(100)包括前光圈(140)、物镜(120)和液态透镜(110)，其中所述物镜(120)和所述液态透镜(110)沿光轴(oa、oa')固定地布置在相对于所述前光圈(140)位于一个图像侧(bs)上的位置处，并设置用于将呈现在相对物侧(os)上的ned成像光束路径成像在至少一个传感器平面(s、s')上，
