離軸虛像加立體顯示系統及方法與流程

本發明屬于仿真系統視景光學技術領域，具體涉及一種離軸虛像加立體顯示系統及方法。

背景技術：

模擬器視景顯示中，主要有實像顯示與虛像顯示兩種方式。

實像顯示指將投影儀圖像投射在散射性屏幕上，人直接觀察屏幕圖像，類似于電影放映機與放映屏幕的組合。實像顯示的優點是視場較大,缺點是景深感差。

虛像顯示指將物放置于光學元件的一倍焦距處，在遠方成正立放大虛像，類似于照鏡子(無光焦度，成等大虛像)。根據眼點與光學元件的相對位置，虛像顯示分為同軸分光鏡準直和離軸準直顯示方式。與實像顯示方式相比，虛像顯示方式具有景深感強、成像逼真度高等特點，因而被大型高檔飛行模擬器廣泛采用。

由于傳統的飛行模擬器視景離軸虛像顯示系統所顯示的景象都在反射鏡面以外的區域，不能準確顯示反射鏡面以內區域中近景與飛行器之間的高度、速度、方位與姿態關系。但在模擬加/受油機空中會合、對接、受油、脫離過程，艦載機著艦，直升機懸停等復雜過程時，必須要清晰顯示近距離視景，否則將導致受訓者由于視覺沖突而引起不良反應。因此，傳統的飛行模擬器視景離軸虛像顯示系統不能滿足這種顯示近距離視景的使用要求。

另外現有技術的反射鏡通常采用玻璃或塑料材質，存在重量大或易變形等缺陷，而現有的加工技術無法制造大面積碳塑球面反射鏡。

因此，需要開發一種新的模擬器離軸虛像顯示系統，以解決離軸虛像顯示系統不能清晰顯示近距離視景的問題，并在保證反射鏡剛度的同時減輕顯示系統重量。

技術實現要素：

本發明的目的是為解決現有離軸虛像顯示系統不能清晰顯示近距離視景的問題，提供了一種離軸虛像加立體顯示系統及方法，在需要近景顯示的階段，引入立體顯示的技術手段。

本發明采用如下技術方案來實現。

一種離軸虛像加立體顯示系統，主要包括投影儀、光學前反射鏡、正投屏、球面反射鏡；其中，光學前反射鏡、投影儀與正投屏由上而下設置在球面反射鏡的向心凹面側；具體地，正投屏放置在球面反射鏡的一倍焦距處，并且使得投影儀投射出來的光線經光學前反射鏡反射后能夠照在正投屏上；經正投屏反射后的光線，投射在球面反射鏡上，且能夠在眼點處形成正立放大的虛像；所述眼點位于正投屏的下方，且在球面反射鏡的一倍焦距之外；在近景顯示階段，所述投影儀投放立體影像。

投影儀的投射方向與光學前反射鏡鏡面具有一夾角。

所述球面反射鏡的向心凹面側的形狀為球面鏡的一部分。

所述正投屏是一個自由曲面屏，相對球面反射鏡一側的表面外凸，并在該外凸表面噴涂增益漆。

所述正投屏具有漫反射性能。

本發明的另外一種離軸虛像加立體顯示系統，主要包括投影儀、背投屏、球面反射鏡；其中，投影儀與背投屏由上而下設置在球面反射鏡的向心凹面側；具體地，背投屏放置在球面反射鏡的一倍焦距處，并且使得投影儀投射出來的光線能夠照在背投屏上；背投屏上的光線投射在球面反射鏡上，且能夠在眼點處形成正立放大的虛像；所述眼點位于背投屏的下方，且在球面反射鏡的一倍焦距之外；在近景顯示階段，所述投影儀投放立體影像。

前述球面反射鏡是硬質碳塑球面反射鏡。

本發明還公開了離軸虛像加立體顯示的方法，主要按照如下順序實施：

一、遠景顯示階段

(1)、將投影儀連接圖像計算機；

(2)投影儀將圖形計算機實時生成的圖像投射到光學前反射鏡上；

(3)光學前反射鏡將上述圖像投射到位于球面反射鏡的焦面處的、具有漫反射性能的正投屏上；

(4)球面反射鏡將經正投屏漫反射的圖像以近似平行的光線反射至眼點處；

二、近景顯示階段

(5)投影儀將圖形計算機實時生成的立體圖像投射到光學前反射鏡上；

(6)光學前反射鏡將上述立體圖像投射到位于球面反射鏡的焦面處的、具有漫反射性能的背正投屏上；

(7)球面反射鏡將經正投屏漫反射的立體圖像以近似平行的光線反射至眼點處。

本發明還提供了另外一種離軸虛像加立體顯示的方法，主要按照如下順序實施：

一、遠景顯示階段

(1)、將投影儀連接圖像計算機；

(2)投影儀將圖形計算機實時生成的圖像投射到背投屏上；

(3)球面反射鏡將經背投屏漫射的圖像以近似平行的光線反射至眼點處；

二、近景顯示階段

(4)投影儀將圖形計算機實時生成的立體圖像投射到背投屏上；

(5)球面反射鏡將經背投屏漫射的立體圖像以近似平行的光線反射至眼點處。

有益效果

本發明的離軸虛像加立體顯示系統，采用了硬質碳塑球面反射鏡，降低了制造成本，提高了空間利用率，圖像失真小，另外具有可清洗的優點。加立體顯示的離軸虛像顯示系統增加了模擬器視景顯示系統鏡面內的近景景深，使模擬器視景系統的景深感更強。

本發明的離軸虛像加立體顯示系統可滿足飛行模擬、科研、娛樂等領域準直虛像顯示的使用要求。

附圖說明

圖1為本發明離軸虛像加立體顯示系統采用正投屏的光路結構示意圖；

圖2為本發明離軸虛像加立體顯示系統采用背投屏的光路結構示意圖；

圖3為應用了本發明離軸虛像加立體顯示系統的飛行模擬器整體示意圖；

附圖標記說明：1-投影儀，2-光學前反射鏡，3-正投屏，4-球面反射鏡，5-眼點，6-艙體，7-底座，8-艙蓋，9-背投屏。

具體實施方式

為了更好的說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實施例對本發明內容作進一步說明。

實施例1

如圖1所示，本發明的離軸虛像加立體顯示系統包括投影儀1、光學前反射鏡2、正投屏3、球面反射鏡4。其中，投影儀1、光學前反射鏡2與正投屏3由上而下設置在球面反射鏡4的向心凹面側。

具體地，投影儀1的投射方向與光學前反射鏡鏡面2具有一夾角。正投屏3放置在球面反射鏡4的一倍焦距處，并且使得投影儀1投射出來的光線經光學前反射鏡2反射后能夠照在正投屏3上。經正投屏3反射后的光線，投射在球面反射鏡4上，且能夠在圖1中的眼點處形成正立放大的虛像。所述眼點位于正投屏3的下方，且在球面反射鏡4的一倍焦距之外。

球面反射鏡4的向心凹面側的形狀為球面鏡的一部分。球面反射鏡4采用硬質碳塑材料整體加工成型，并在內表面噴涂反射膜而成。硬質碳塑球面反射鏡面形精度高，成像距離的一致性精度高于普通薄膜虛像10倍以上。當然，本發明的技術方案同樣可以采用普通的玻璃材質或薄膜反射鏡，其視覺效果相同，但是本發明的碳塑球面反射鏡明顯具有質量輕、強度大、壽命長、可清洗、維護性好等優勢。

正投屏3采用復合玻璃鋼材料制成，是一個自由曲面屏，并具有漫反射性能。正投屏3相對球面反射鏡4一側的表面外凸，并在該外凸表面噴涂增益漆。投屏3也可采用其他合適的常規材料。

在本發明中，光學前反射鏡2的位置及大小應能保證不遮擋正投屏3到球面反射鏡4上的光線，并確保將投影儀1投射出的光線完全反射到正投屏3上，且能將背正投屏3外表面打滿反射光。

所述投影儀1位置不遮擋所有的反射光線，并盡量使整個顯示系統所占空間最小。

本發明的離軸虛像加立體顯示系統的工作原理大致描述如下：

虛像顯示系統運用虛擬現實的手段，將由投影設備投射出的圖像投射到自由曲面屏幕上，在自由曲面屏幕上的畫面經幾何/顏色校正和融合后形成一幅連續的畫面。由于自由曲面屏幕位于球面鏡的一倍焦距之內，所以自由曲面屏幕上的畫面在球面反射鏡上成像在無窮遠處，呈正立放大的虛像。

具體到本發明，位于眼點的觀察者和投影儀位于正投虛像顯示系統正投屏的同一側，從投影儀投射出來的光通過光學前反射鏡反射，照射到正投屏后反射到球面反射鏡上，觀察者看到正投屏散射回來的光，即可觀察到正立的虛像。

在近景顯示階段，由于投影儀投放立體3D圖像，此時觀察者應佩戴立體觀察眼鏡。

本發明可應用于艦載機模擬器視景顯示系統，具體實施如下。

艦載機著艦時和陸基相比，影響因素多，難度大。下滑期間母艦的運動要素復雜，飛行甲板會沿著前、后、左、右、上、下六個方向進行運動。同時風向、風速復雜多變，不規則的氣流會嚴重擾亂飛機姿態與飛行軌跡。在如此復雜的環境下，準確判斷該飛機與甲板的相對位置與姿態關系，是決定著艦成功的關鍵。艦載機飛行員的起飛/著艦模擬訓練也是按上述條件和階段進行。

參見附圖3，可將本發明的離軸虛像加立體顯示系統安裝在艙體6內。該艙體6具有底座7和艙蓋8，形成一個完整的模擬器。具體過程是，首先將球面反射鏡4和艙體6無縫連接后一起固定在底座7上，并將艙蓋8覆蓋在艙體6上。這樣，所述球面反射鏡4、艙體6、底座7、艙蓋8組成了一個封閉空間，正投屏3、光學前反射鏡2以及眼點則位于封閉空間內。最后將投影儀1固定在艙蓋上。

在具體應用中，根據所需視角的大小設計球面反射鏡4半徑以及艙體的大小。碳塑球面反射鏡的向心角取決于顯示系統需要的視場角大小。

在正常飛行和準備著艦下滑階段使用離軸虛像顯示的圖像，景深感強；在起飛和平飄接近艦艉前，由投影儀自動轉換為立體顯示模式，即為離軸虛像加立體的復合顯示模式，增加了近景景深。

實施例2

如圖2所示，本發明的另外一種離軸虛像加立體顯示系統實施方式，主要包括投影儀1、背投屏9、球面反射鏡4；其中，投影儀1與背投屏9由上而下設置在球面反射鏡4的向心凹面側；具體地，背投屏9放置在球面反射鏡4的一倍焦距處，并且使得投影儀1投射出來的光線能夠照在背投屏9上；背投屏9上的光線投射在球面反射鏡4上，且能夠在眼點5處形成正立放大的虛像；所述眼點5位于背投屏9的下方，且在球面反射鏡4的一倍焦距之外；在近景顯示階段，所述投影儀1投放立體影像。

本發明可應用于空中加/受油機模擬器視景顯示系統，具體實施如下。

空中加/受油機的空中加油，具備加油條件后，飛行員的基本操作按空中會合、對接、受油、脫離四個階段進行。在入對接、受油、脫離階段由于抖動、風速、風向等影響因素，會嚴重擾亂飛機姿態與飛行軌跡。在如此復雜的環境下，準確判斷該加油機與受油飛機的相對位置與姿態關系，是決定空中加油成功的關鍵。飛行員的加/受油模擬訓練也是按上述條件和階段進行。

本實施例中的背投屏9是一種具有散射性能的投射屏，其他硬件系統相關零部件與前述實施例1相同。

另外，本發明的正投屏和背投屏的面型均可為雙曲面屏。

在加/受油模擬訓練的正常飛行和會合階段使用離軸虛像顯示的圖像，景深感強；在加/受油訓練進入對接、受油、脫離階段前，由投影儀自動轉換為立體影像模式，即為離軸虛像加立體的復合顯示模式，增加了近景景深。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。