IEC 62906-5-52022 激光显示器第5-5部分光栅扫描视网膜直接投影激光显示器的光学测量方法标准立项发展报告

激光显示器第5-5部分：光栅扫描视网膜直接投影激光显示器的光学测量方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:LaserDisplays–Part5-5:OpticalMeasuringMethodsofRaster-ScanningRetinaDirectProjectionLaserDisplays摘要关键词：激光显示器；视网膜直接投影；光栅扫描；光学测量；国际标准；近眼显示；IEC62906Keywords:LaserDisplays;RetinaDirectProjection;RasterScanning;OpticalMeasurement;InternationalStandard;Near-EyeDisplay;IEC629061引言1.1技术背景与研究意义近年来，随着增强现实（AR）、虚拟现实（VR）及混合现实（MR）技术的快速成熟与商业化落地，近眼显示设备作为连接数字世界与物理世界的核心交互界面，受到了学术界和产业界的广泛关注。根据国际数据资讯（IDC）发布的市场预测，全球AR/VR头显设备出货量预计将在2027年突破3000万台，年复合增长率超过30%。在此背景下，各类近眼显示技术路线竞相发展，其中以激光为光源的视网膜直接投影显示技术因其独特的成像原理和优异的性能表现备受瞩目。光栅扫描视网膜直接投影激光显示器采用MEMS微镜或类似扫描器件，将调制后的红、绿、蓝三色激光束通过光栅扫描方式直接投射至人眼视网膜，在视网膜上形成光栅扫描图像，而非通过传统的光学放大成像系统在空间平面上成像。这一技术路线具备以下显著技术优势：其一，激光光源具有极高的色彩纯度和宽广的色域覆盖范围，能够实现远超传统显示器的色彩还原能力；其二，激光扫描成像不依赖面板像素结构，不存在像素间串扰和开口率问题，可实现极高的分辨率；其三，激光直接投影至视网膜的成像方式具有极高的光效率，系统功耗仅为同级别液晶显示器（LCD）或有机发光二极管显示器（OLED）方案的数分之一；其四，该技术能够在极小体积内实现大视场角和高亮度输出，特别适合轻量化可穿戴设备的集成需求。然而，正是由于光栅扫描视网膜直接投影激光显示器在成像原理上与传统平板显示器存在本质差异，其光学性能的评价方法也面临全新挑战。传统显示器的亮度、对比度、色域、均匀性等参数的测量方法均基于面板式成像模型建立，无法直接适用于视网膜投影扫描成像系统的评价。具体而言，该类显示器的关键光学性能参数——如视网膜照度、扫描频率、扫描线性度、像素时钟抖动、激光散斑对比度、眼盒（Eye-box）尺寸等——需要全新的测量理论与方法。在国际电工委员会（IEC）标准体系建立之前，各研发机构和企业均采用自建方法进行性能评价，导致测试结果缺乏横向可比性，严重阻碍了技术交流、产品评测和市场准入。1.2国际标准化需求鉴于上述技术与产业背景，建立统一的国际测量标准已成为该技术领域健康发展的迫切需求。IEC技术委员会第110分委会（IEC/TC110）作为电子显示器件国际标准化的权威机构，下设多个工作组系统开展各类显示器件标准制定工作。其中，IEC/TC110/WG10工作组专门负责激光显示技术相关标准的制定与维护，已陆续发布了IEC62906系列标准，构建了较为完善的激光显示标准体系。在此体系框架下，IEC62906-5-5:2022作为激光显示器系列标准中针对视网膜直接投影显示技术光学测量方法的专项标准，由IEC/TC110/WG10工作组组织制定。该标准的制定工作自2018年正式启动，历经提案论证、草案编写、委员会审议、成员国投票等标准化流程，最终于2022年1月20日正式发布。IEC62906-5-5:2022的发布，标志着光栅扫描视网膜直接投影激光显示器的光学测量方法在国际层面实现了统一，为相关产品的研发、生产、检验和认证提供了权威的技术依据。2标准体系与立项依据2.1IEC62906系列标准概述IEC62906系列标准是国际电工委员会围绕激光显示技术制定的系统性国际标准，涵盖激光显示器件的基础规范、性能要求和测量方法等方面，旨在为激光显示技术的研发、生产和应用提供全面的标准化支撑。该系列标准按照IEC标准体系的层次结构进行编号，形成如下框架：-IEC62906-1：激光显示器基础术语、定义和通用要求；-IEC62906-2：激光显示器性能规格分类与要求；-IEC62906-5系列：各类激光显示器的专项光学测量方法。其中，IEC62906-5系列标准按照不同显示技术类型和应用场景进行细分，IEC62906-5-5是该系列中专用于光栅扫描视网膜直接投影激光显示器光学测量的标准。该系列标准的制定遵循IEC标准制定的通用原则，强调测量方法的科学性、复现性和可操作性，同时兼顾不同技术路线之间的兼容性和可比性。2.2标准立项的技术基础IEC62906-5-5:2022的立项建立在以下技术基础之上：第一，激光扫描显示技术的成熟。以MEMS微镜为代表的激光扫描器件在近十年间取得了长足进步，其扫描频率、扫描角度、镜面尺寸及长期可靠性等关键指标不断提升，已经能够满足视网膜直接投影显示对成像质量和安全性的要求。同时，RGB三色激光光源的小型化和集成化进程加速，使视网膜投影显示设备的体积和功耗大幅降低，已初步具备商业化条件。第二，测量技术的积累与演进。在标准制定前期，各主要研究机构和企业已在视网膜投影显示的光学测量方面进行了大量探索性工作，形成了包括CCD/CMOS图像传感器测量法、功率计/能量计测量法、色彩分析仪测量法等多种测量手段的技术积累，为统一测量方法的提炼和标准化奠定了基础。第三，产业界的标准化共识。随着该技术领域研发投入的持续增加和产品化进程的推进，各参与企业逐渐认识到：缺乏统一的测量标准已成为制约行业健康发展的瓶颈。通过IEC这一国际标准化平台制定统一标准，有利于保护消费者利益、促进公平竞争、降低贸易壁垒，已成为各利益相关方的广泛共识。2.3标准研制进程IEC62906-5-5:2022标准的制定过程严格遵循IEC标准化工作程序，主要包括以下阶段：-2018年：IEC/TC110/WG10工作组正式提出新工作项目提案（NP），经成员国投票获批立项，项目编号为IEC62906-5-5；-2018-2020年：工作组先后召开多次国际会议和网络会议，围绕标准框架、关键技术条款和测量方法细节进行深入讨论，形成委员会草案（CD）；-2020-2021年：草案提交各成员国征求意见（CDV阶段），共收到来自日本、韩国、中国、德国、美国等多个成员国的数百条修改意见，工作组逐条进行处理和反馈；-2021年：最终国际标准草案（FDIS）提交各成员国进行正式投票，获得高票通过；-2022年1月20日：IEC62906-5-5:2022正式发布。3标准主要内容3.1标准适用范围IEC62906-5-5:2022规定了光栅扫描视网膜直接投影激光显示器光学性能参数的测量条件、测量装置、测量方法和数据处理方法。该标准适用于采用光栅扫描方式将激光直接投影至观察者视网膜成像的显示系统，包括但不限于头戴式显示器、目镜式显示器和近眼投影设备。在适用边界方面，该标准适用于单目和双目显示系统，涵盖单色和彩色显示方案。对于使用衍射波导、反射波导或其他光学组合器实现视网膜投影的显示系统，只要其核心成像过程涉及光栅扫描激光直接投影至视网膜，亦可参照本标准的相关方法执行。需特别指出的是，本标准不适用于以下类型的显示设备：（1）采用空间光调制器（如LCD、LCoS、DLP）或自发光像素阵列（如Micro-LED、OLED）作为成像器件的近眼显示设备；（2）采用激光扫描但需经屏幕或漫射面散射后成像的前投或背投显示设备；（3）涉及医疗诊断用途的视网膜成像设备。上述设备的测量方法和性能评价应参照IEC62906系列中的其他专项标准或相关医疗器械标准执行。3.2规范性引用文件本标准在技术内容上引用了若干重要的国际标准和文献，主要包括：-ISO9241-305：人机交互的人机工程学——第305部分：光学实验室试验方法；-IEC62906-1：激光显示器——第1部分：术语和定义；-IEC62906-5-1：激光显示器——第5-1部分：前投激光显示器的光学测量方法；-ISO11664：比色法系列标准（用于颜色测量的基础标准）；-CIE15：色度学标准。上述引用文件为本标准中涉及的光度学、色度学基础概念和术语提供了统一的定义框架，确保了IEC62906-5-5与其相关标准之间的协调一致性。3.3关键术语和定义本标准系统定义了以下关键术语：-光栅扫描（RasterScanning）：指扫描器件按照逐行扫描方式将激光束在空间中有序偏转，形成二维扫描轨迹的成像方式；-视网膜直接投影（RetinaDirectProjection）：指将激光束经扫描系统偏转后直接投射至人眼视网膜形成图像的成像方式，不存在中间成像面；-眼盒（Eye-box）：指观察者瞳孔在预定范围内移动时，仍能观察到完整显示图像的空间区域；-扫描频率（ScanRate）：指水平扫描和垂直扫描的工作频率；-占空比（DutyCycle）：指有效显示时间占扫描周期的比例；-激光散斑（LaserSpeckle）：指激光经粗糙表面散射或漫射后在视网膜上形成的颗粒状干涉图样；-辐亮度（Radiance）与视网膜照度（RetinalIrradiance）：用于量化激光投射至视网膜的光能密度。3.4测量条件与环境要求本标准对测量环境提出了明确规定，以保证测量结果的准确性和可复现性。标准要求测量应在暗室或低照度环境下进行，环境杂散光照度不超过1lx；测量环境温度应控制在23℃±5℃，相对湿度不超过85%。测量前设备应进行充分预热，预热时间不少于30分钟，以确保激光光源输出功率达到稳定状态。在测量设备方面，本标准要求使用经校准的测量仪器，包括但不限于：光谱辐射计、功率计/能量计、成像亮度计、色度计、示波器及光束分析仪等。所有测量仪器的校准周期不得超过12个月，且应具备可追溯至国家计量标准的校准证书。3.5光学测量方法3.5.1图像几何参数测量本部分规定了扫描图像尺寸、扫描角度和扫描线性度的测量方法。测量时利用光束分析仪或高分辨率图像传感器捕获扫描图像，通过图像处理算法确定扫描范围边界的空间坐标，进而计算水平和垂直扫描角度。扫描线性度通过分析扫描轨迹上等时间间隔采样点的空间位置均匀性来评估，以实际位置与理论位置的偏差量化表示。3.5.2光学输出特性测量本部分涵盖输出功率、辐亮度、视网膜照度及亮度均匀性等参数的测量。其中，输出功率采用积分球配合功率计进行测量，测量精度要求优于±2%。视网膜照度的测量采用模拟眼（ModelEye）装置配合瞳孔直径5mm的孔径光阑进行，模拟眼的光学参数应能代表人眼的光学特性，包括角膜折射力、晶状体折射力、眼轴长度等。3.5.3颜色特性测量颜色特性的测量包括色域覆盖率、色温、白平衡及颜色均匀性等参数。测量利用光谱辐射计获取显示器的光谱功率分布（SPD），并依据CIE1931标准色度系统计算色度坐标。标准要求测量不少于9个测量点（中心点及8个周边点），以综合评估显示器在视场范围内的颜色一致性。3.5.4时间特性测量时间特性测量涵盖扫描频率、帧率、像素时钟抖动和显示延迟等参数的测量。可采用高速光电探测器配合示波器捕获扫描激光脉冲信号，通过信号处理分析确定各时间参数。3.5.5散斑对比度测量激光散斑对比度是评价视网膜投影显示图像质量的重要参数。本标准规定了散斑对比度的测量装置和测量流程，要求利用图像传感器在模拟眼焦平面处捕获散斑图样，按标准计算散斑对比度C=σ/I（其中σ为灰度标准差，I为平均灰度），并建议至少拍摄10幅独立散斑图样，取平均值作为最终结果。测量应分别在红、绿、蓝三色激光分别工作条件下进行，以评估不同波长下的散斑特性。3.6测量不确定度评估作为一项科学测量标准，IEC62906-5-5:2022对测量不确定度的评估提出了明确要求。标准规定各项光学参数测量报告应包含不确定度分析，不确定度评估方法遵循《测量不确定度表示指南》（GUM）的基本框架。标准要求至少识别并量化以下不确定度来源：测量仪器校准误差、环境条件波动、设备稳定性、操作人员操作偏差及数据处理算法误差等。4主要起草单位与技术贡献4.1日本产业技术综合研究所（AIST）在IEC62906-5-5:2022标准的制定过程中，日本产业技术综合研究所发挥了至关重要的技术引领作用。AIST是日本最大的公共研究机构之一，隶属于日本经济产业省，拥有世界一流的光电测量与标准化研究设施。该所在激光显示与精密光学计量领域拥有超过二十年的研究积累，其下设的计量与测量技术研究中心在建立激光显示性能评价体系、开发高精度光学测量装置方面处于国际领先水平。在IEC62906-5-5的研制中，AIST承担了以下核心工作：第一，测量方法提案与验证。AIST的研究团队基于其在激光扫描显示领域的前期研究成果，率先提出了视网膜直接投影显示器的光学测量方法论框架，包括模拟眼装置的设计方案、扫描参数测量方法及散斑对比度评估方法等。AIST利用自主研发的测量实验平台，对标准中提出的各项测量方法进行了系统的实验验证，提供了关键的实验数据支撑。第二，国际比对与协作研究。AIST积极组织并参与了多项国际比对实验，联合日本、韩国、中国及欧洲的多个实验室，对标准中关键测量方法进行了跨实验室验证。这些比对实验结果充分证明了标准方法具有良好的复现性和实验室间一致性。第三，标准文本编写与技术支持。AIST的标准化专家深度参与了标准各阶段文本的起草和评审工作，为标准的术语定义、测量条件规定、数据处理方法等技术内容贡献了大量专业意见。AIST的专家还承担了标准的编辑工作，确保了标准文本的技术准确性和表述规范性。此外，日本精工爱普生公司（SeikoEpson）与韩国三星电子（SamsungElectronics）等全球领先的显示技术企业也在标准制定过程中发挥了重要作用。精工爱普生凭借其在MEMS扫描器件和激光投影显示方面的丰富工程经验，为扫描器件的性能表征和测量方法提供了大量工程数据和实践反馈；三星电子则在显示系统集成和光学测量自动化方面提供了先进的技术方案和测试平台支持。5标准实施的意义与影响