【自有技术大讲堂】AR眼镜Micro-OLED屏幕点亮检测方法

引言

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。目前增强现实技术需要用户通过穿戴AR眼镜等设备来实现。为了在AR眼镜呈现逼真的显示效果，AR眼镜的屏幕通常采用最新的Micro-OLED显示技术，Micro-OLED显示器以单晶硅芯片为基底，采用现有成熟的集成电路 CMOS工艺，不但实现了显示屏像素的有源寻址矩阵，还在硅芯片上实现了如SRAM 存储器、T-CON等多种功能的驱动控制电路，大大减少了器件的外部连线，增加了可靠性，实现了轻量化。AR眼镜的主要配置为Micro-OLED显示屏加上特殊设计透镜。由于显示屏幕距离人眼近，人眼所看到的画面很小，无法产生三维的视觉效果。而特殊设计的透镜可以使光束从不同角度射向人眼，使其重新被人眼接收，达到增大视角、将画面放大、增强立体效果的作用。

现阶段AR眼镜的缺陷检测可以分为两阶段。第一阶段在贴合设备透镜前对Micro-OLED显示屏进行检测，在检测合格的Micro-OLED显示屏上刷上光学胶以贴合设备透镜，由于在贴合过程中可能会使Micro-OLED显示屏产生新的缺陷，因此需要在第二阶段中对贴合设备透镜后的Micro-OLED显示屏进行检测。然而与设备透镜贴合后，Micro-OLED显示屏不同位置经过透镜后发出光线会发生不同程度的偏折，越靠近透镜中心的光偏折较小，而越靠近边缘光的偏折越大。在检测时，由于中心光线偏折小，检测镜头仍然能够有效成像，而边缘光线偏折大，检测镜头无法有效成像，导致仅有Micro-OLED显示屏中心小部分区域能够进行检测。由于AR眼镜中透镜所带来的图像变形（畸变），使得现有检测装置难以检测与透镜结合的自发光半导体芯片的缺陷。再者，这类设备的半导体芯片非常小，像素尺寸在几微米的量级，只有在高分辨率的镜头下才能检测出缺陷。因此如何高精度检测带有透镜的Micro-OLED显示屏的缺陷是亟待解决的技术问题。

原理

图1为AR眼镜结构及光线偏折示意图，AR眼镜核心光学部件包括Micro-OLED显示屏和特殊设计的透镜，它们之间使用非常薄的光学胶进行胶合。当Micro-OLED显示屏发出光线时，由于光线与透镜前表面相对的入射角度不同，从而使Micro-OLED显示屏不同位置竖直发出地光线发生不同角度的偏折，且越靠近边缘光线角度偏折越大。

图1.AR眼镜结构及光线偏折示意图

图2为常规镜头检测示意图，大部分通常只能对平面进行成像，而AR眼镜在Micro-OLED显示屏增加了透镜，这个透镜使检测镜头在物方的检测光路发生变化，相对而言AR眼镜中间屏幕的光线几乎不发生改变，因此如果直接使用常规的检测方法只能保证中间清晰，越靠近边缘成像越模糊。

图2. 常规镜头检测示意图

为了实现AR眼镜高精度Micro-OLED显示屏的检测，提出了一种新的检测方法并设计了一种特殊的检测镜头。如图3所示，总体思路是将AR眼镜中的透镜作为检测镜头的一个整体，即设计一个补偿镜头，透镜和补偿镜头形成一个新的检测镜头，这样就相当于这个新检测镜头直接检测Micro-OLED显示屏，而检测精度则可通过设计补偿镜头控制。

图3. AR眼镜Micro-OLED显示屏检测方法

设计结果

补偿镜头需要根据AR眼镜中透镜的参数进行设计，首先给出透镜参数，这里仅作为一个实例方便说明，并非真实AR眼镜中的透镜。本实例的透镜为平凸透镜，材料为H-ZK20，厚度为5mm，半径为15mm，conic系数为-1.735。

Micro-OLED显示屏尺寸为16mm，点亮检测需要分别点亮RGB等颜色，因此补偿镜头设计波段为可见光波段，Micro-OLED显示屏与透镜之间有光学胶，这种胶通常薄，并且对成像影响很小，这里将透镜和Micro-OLED设为空气，留出一定间隔，设计结果如图4所示。

图4. AR眼镜补偿镜头设计结构示意图

图5和图6分别为透镜和补偿镜头对Micro-OLED显示屏的点列图和MTF图，像质接近衍射极限，点列图尺寸为4μm，因此配合高分辨率相机可以实现几微米级检测。

图5.透镜和补偿镜头对Micro-OLED显示屏成像点列图

图6.透镜和补偿镜头对Micro-OLED显示屏成像传递函数图

结论

增强现实设备特别是AR眼镜是未来几年消费级数码产品一个新的增长点，因此AR眼镜的质量检测会为机器视觉行业带来新的机会。本文提出了一种AR眼镜Micro-OLED显示屏并设计一个补偿透镜实例，这种方法可以对特定的AR眼镜中Micro-OLED显示屏进行高精度检测。

参考文献

1、检测智能显示屏的系统、方法及可读存储介质[P], 专利号ZL202210301844.4

2、高精度半导体芯片检测装置与补偿镜头[P], 专利号ZL202210454848.6