《Photonics》：A Rapid Eyebox Characterization Method for Near-Eye Display Systems Based on Sampling Efficiency Optimization and Error Modeling
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针对IEC 63145-20-10:2019中规定的AR设备标准化眼盒测量方法存在的遍历范围大、测量时间长、操作复杂度高以及出瞳距离定位精度有限等问题，研究人员提出了一种基于出瞳距离的眼盒采样优化与误差估计预测框架。建立了描述出瞳距离与眼盒搜索范围之间关系的几
针对IEC 63145-20-10:2019中规定的AR设备标准化眼盒测量方法存在的遍历范围大、测量时间长、操作复杂度高以及出瞳距离定位精度有限等问题，研究人员提出了一种基于出瞳距离的眼盒采样优化与误差估计预测框架。建立了描述出瞳距离与眼盒搜索范围之间关系的几何光学模型，并推导了不同出瞳距离下眼盒尺寸的转换方程。此外，研究人员建立了采样效率与测量误差的定量模型，揭示了出瞳距离、采样间隔、测量效率和表征精度之间的关系。基于这些模型，测量效率与精度之间的权衡可以在测量前得到定量预测和优化。使用Riedel I29光学测量系统对商用AR头戴设备进行了实验验证，包括光轴对准、眼盒中心定位、出瞳距离配置、搜索范围确定以及基于亮度比的采样。结果表明，将出瞳距离从标准16 mm增加到38 mm可使采样点数量减少77.99%。通过出瞳距离与采样间隔的联合优化，采样数量可进一步减少至多94.07%，同时测量误差保持在5.1%以下。预测的眼盒尺寸和测量误差与实验测量值及采用标准程序获得的结果均吻合良好。无需额外硬件，所提出的框架简化了测量操作，并为平衡效率与精度提供了定量基础。该框架适用于手动和自动测量场景，为AR近眼显示系统中的眼盒表征和光学性能评估提供了一种兼具实用性与理论依据的解决方案。
本文解读的研究聚焦于近眼显示系统眼盒表征的快速测量问题。增强现实（Augmented Reality, AR）技术通过将虚拟信息叠加于现实环境，在消费电子、工业检测和医疗等领域得到广泛应用。波导光学组合器因其能够同时实现大视场（Field of View, FOV）、紧凑结构和出瞳扩展，已成为AR近眼显示的重要架构。眼盒（eyebox）是用户在规定光学性能标准下能够清晰感知虚拟图像的三维空间区域，其尺寸和位置直接影响观看体验的鲁棒性。国际电工委员会（IEC）制定的IEC 63145-20-10:2019标准规定了包括透视AR显示器在内的眼镜式显示器的光学测量方法，但该方法存在遍历范围大、测量时间长、操作复杂度高以及出瞳距离（Exit Pupil Distance, EPD）定位精度有限等问题。已有研究尝试通过光线轨迹、光场采集等方式加速眼盒测量，但空间采样策略和测量平面选择仍影响效率与精度。为此，研究人员基于几何光学原理，提出了一种以EPD为变量的采样优化与误差预测框架，旨在在不增加硬件的前提下显著减少测量工作量并保证精度。
研究人员首先建立了描述EPD与眼盒搜索范围之间关系的几何光学模型，推导出不同EPD条件下眼盒尺寸的转换公式，并进一步构建了采样效率与采样误差的定量模型。基于这些模型，可在测量前定量预测和优化效率与精度的权衡。实验验证采用商用波导AR头戴设备，并使用Radiant Vision Systems I29成像色度计作为测量仪器。结果显示，将EPD从标准16 mm增加至38 mm可使采样点数减少77.99%；联合优化EPD和采样间隔后，采样点数最多可减少94.07%，同时相对测量误差保持在5.1%以下。预测的眼盒尺寸与误差均与标准方法直接测量结果吻合，验证了模型的有效性。
为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于FOV几何和投影原理建立EPD与眼盒搜索范围的数学模型；推导眼盒尺寸跨EPD转换公式；建立采样间隔与误差的定量关系模型，用于参数优化；实验验证采用商用全彩AR头戴显示器（Micro-LED显示引擎、波导光学系统）和Radiant Vision Systems ProMetric I29超高分辨率成像色度计，在自定义六自由度定位平台上进行光轴对准、眼盒中心定位、不同EPD配置、搜索范围确定和亮度比采样。
研究结果部分，按原文小标题总结如下：
4.1 实验设备与参数：采用商用全彩AR头戴显示器作为被测设备（Device Under Test, DUT），其使用Micro-LED显示引擎和波导光学系统，代表当前主流AR光学架构。测量设备为Radiant Vision Systems I29成像色度计，符合IEC 63145-20-10:2019的光度测量要求。测量平台包括成像色度计、DUT六自由度（6-DoF）定位台和精密运动系统，并定义了笛卡尔坐标系。
4.2 测试流程安排：通过调整定位台旋转自由度使色度计光轴与AR显示器光轴对齐，利用四角对称性确定眼盒中心。根据几何模型计算不同EPD对应的搜索范围，附加1 mm安全裕量，在搜索范围内以均匀间隔采样，计算四角区域与中心区域亮度比，将满足亮度比大于0.5的最大内接矩形定义为有效眼盒。
4.3 测试数据：4.3.1 在极限EPD 39.1 mm处通过象限对称性确定眼盒中心，四角亮度均匀性指标为0.865，中心区域平均亮度为1736 nits。4.3.2 在EPD=30 mm条件下，中心平均亮度为1748 nits，与参考值相差仅0.69%，搜索范围四边界的最小角区亮度比远低于0.5，证明搜索范围完整覆盖有效眼盒，测量得到该EPD下的眼盒尺寸。4.3.3 在目标EPD=16 mm处直接测量得到眼盒尺寸为9.8 mm×6.8 mm，作为验证转换模型的参考值。4.3.4 通过改变采样间隔与EPD进行组合实验，记录眼盒尺寸、采样点数、测量时间和相对误差。
4.4 数据分析：4.4.1 测量效率提升分析表明，EPD从16 mm增至30 mm时采样点数减少58.62%，增至38 mm时减少77.99%；采样间隔从0.5 mm增至1.0 mm时采样点数减少72.38%；在EPD=38 mm、采样间隔=1.0 mm条件下，采样点数较标准条件减少94.07%，测量效率提升超过一个数量级。4.4.2 测量精度验证以标准条件（EPD=16 mm，采样间隔=0.5 mm）结果为参考，随EPD增加最大误差为4.41%，随采样间隔增加最大误差为5.10%，所有测试条件下误差均在可接受范围内，与理论误差模型一致。
讨论部分指出，该方法基于一般几何光学关系，不依赖特定AR系统的专有参数，因而具有良好通用性，可扩展至棱镜式和自由曲面式等非波导架构。误差模型显示测量误差随采样间隔近似线性增加，实验与预测吻合；在固定采样间隔下，增大EPD可减小有效眼盒的等效采样间隔，从而降低相对误差。通过设定误差容限可确定最大允许采样间隔，实现效率与精度的系统优化。与传统密集网格扫描方法相比，该方法具有采样密度低、误差可预测、效率高等优势。局限性在于当前模型基于简化几何光学框架，未包含光学畸变、装配公差、亮度非均匀性、探测器噪声等系统级误差，未来工作将纳入这些因素。
研究结论翻译如下：本文提出并系统研究了一种近眼显示系统眼盒快速测量方法。与依赖密集空间采样或全场扫描的传统方法不同，该方法将眼盒测量重新表述为采样优化问题，通过调整采样间隔和出瞳距离（EPD）在测量效率与精度之间取得定量平衡。首先建立了描述EPD与眼盒搜索范围关系的几何模型，并据此推导了适用于不同EPD条件的眼盒尺寸转换公式，使非标准EPD测量结果能够转换到制造商指定的目标EPD。此外，建立了采样效率、EPD与测量误差关系的定量模型，误差模型表明测量误差与采样间隔成正比、与有效眼盒尺寸成反比，为参数优化提供了理论基础。基于该模型建立了在指定误差容限下确定测量参数的预测优化框架，仿真和实验结果均验证了采样间隔、EPD和误差之间的一致性。使用商用AR头戴设备和Radiant Vision Systems I29光度测量系统进行的实验表明，EPD从16 mm增至38 mm使采样点数减少77.99%，联合优化EPD和采样间隔后采样点数减少94.07%，相对测量误差保持在5.1%以下，计算眼盒尺寸与标准测量结果吻合。相比传统方法，该方法具有采样密度低、误差可控、效率显著提升三大优点，特别适用于AR近眼显示系统的快速表征与校准。当前模型在简化几何光学框架下开发，未来将纳入光学畸变、亮度非均匀性、装配公差和探测器噪声等因素，以进一步提高准确性和适用性。
