CN102096193A - 一种飞行模拟训练的双非球面虚像显示方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种飞行模拟训练的双非球面虚像视景显示方法及系统，设置两个非标准球面反射镜，分别构成两个离轴型虚像显示系统；每一个虚像显示系统对于人眼位置形成一个虚像面；两个离轴型虚像显示系统在光路上准确对接，将两个虚像面组合成了一个整体的、大视场的虚像显示像面；本发明将两个离轴虚像显示系统通过光路对接的方法，利用两个离轴型虚像显示系统组合成一个图像整体连续的、大视场的虚像显示系图像，垂直视场角远大于单一离轴型虚像显示系统的垂直视场角，可接近单一离轴型虚像显示系统的2倍，满足飞行模拟训练需要大视场显示的要求。
Description
技术领域
本发明公开一种飞行模拟训练的双非球面虚像视景显示方法，是针对飞行模拟训练虚像显示系统需要显示图像的大视场角，同时还提供了适用于该方法的显示系统，属于飞行模拟训练的光学显示领域。
背景技术
目前飞行模拟训练离轴虚像显示系统，均为由一个反射镜和一个后投屏组成的单一的离轴型虚像显示系统。由投影器发出的图像投射在后投屏上，在后投屏上形成视景图像；后投屏放置在反射镜的焦面附近，后投屏上的视景图像的散射光线经反射镜后，人眼会看到一个正立的虚像。此类显示系统最大垂直视角在40-45度左右。
而现代飞行模拟训练视景显示需要垂直视场角在60度以上的大视场，单一的离轴型虚像显示系统已达不到飞行模拟训练需要大视场显示的要求了。
发明内容
本发明公开一种飞行模拟训练的双非球面虚像显示方法，采用双非标准球面反射镜用于飞行模拟训练的虚像显示，为解决飞行模拟训练视景虚像显示大视场的需要。
本发明还提供了实现上述方法的系统，达到了飞行模拟训练需要大视场显示的要求。
本发明公开了飞行模拟训练虚像显示系统关键结构——非标准球面反射镜的曲面形状和后投屏的形状。
本发明的技术解决方案包括：
设置两个非标准球面反射镜，分别构成两个离轴型虚像显示系统；每一个虚像显示系统对于人眼位置形成一个虚像面。两个离轴型虚像显示系统在光路上准确对接，将两个虚像面组合成了一个整体的、大视场的虚像显示像面。
由上、下两个离轴型虚像显示子系统组成，通过光学原理使上、下两个显示子系统相对人眼形成的两个虚像面AB和BC在光路上是准确对接的，即上视场光线b与下视场光线c经过两个非标准球面反射镜后所形成的反射光线为同一条，虚像面AB和BC在此处为连续的，且图像的远近在此对接处相同，使人眼所看到的图像成为一个视景图像连续的、大视场的虚像显示像面。
本发明双非球面虚像显示系统的具体结构如下：
包括一个非标准球面准直反射镜、一个后投屏和一组投影器构成上视场离轴型虚像显示系统，且反射镜、后投屏与人眼均不同轴；由一个非标准球面反射镜、一个后投屏和一组投影器构成下视场离轴型虚像显示系统；
上视场离轴虚像显示系统中的非标准球面反射镜的逼近半径为R1，位于人眼的前方，与人眼水平距离L1=0.91R1，上边缘距离人眼高度为H1=0.36R1；后投屏位于非标准球面准直镜与人眼之间，位置及形状由视距要求与反射成像关系确定；投影器组位于后投屏的后方，要求投影图像充满后投屏；下视场离轴虚像显示系统中的非标准球面反射镜的逼近半径为R2，R2=0.7R1，位于人眼的下前方，与人眼水平距离L2=0.72R2，上边缘距离人眼高度为H2=0.31R2；后投屏位于非标准球面反射镜与人眼之间，位置及形状由视距要求与反射成像关系确定；投影器组位于后投屏的后方，投影光线充满后投屏；
投影器发出光线a、b之间的图像投射在后投屏上，在后投屏上形成一个视景图像，后投屏放置在非标准球面反射镜的焦面附近，位置及形状通过视距要求与反射成像关系得到；后投屏表面覆盖一层漫反射材料，后投屏上的视景图像的散射光线经非标准球面反射镜反射后，人眼会看到一个正立的虚像AB；投影器发出的图像（光线c、d之间）投射在后投屏上，在后投屏上形成一个视景图像；后投屏表面也为一层漫反射材料，其上的视景图像的散射光线经非球面反射镜反射后，人眼会看到一个正立的虚像BC；两个反射镜所形成的两个虚像AB、BC通过光路是完全对接的，即光线b、c相对人眼处的反射光线完全重合，图像AB与BC共同组合成一个图像连续的、无接缝的大视场虚像显示像面。
所述系统中的非标准球面反射镜的面形为非标准球面形状；
整个反射镜粗看起来类似一个球面，其面形为几个不同曲率半径的面形组合成的一个非标准球形曲面；越靠近曲面上、下边缘处，反射镜面形的曲率半径越小，而靠近反射镜中间部分的曲率半径稍大些；整个反射镜的面形由不同曲率半径的曲面组合而成，且不同曲面的曲率半径之间是逐渐逼近的；反射镜的逼近半径为R时，其中间部分的曲率半径为1.2R，逐渐过渡到上、下边缘处曲率半径为0.75R。
所述系统中的后投屏的形状为非球面形状，表面覆盖一层漫反射材料；
后投屏的形状及位置通过视距要求与反射成像得到；沿轴线切面轮廓曲线，靠近上边缘的曲率半径小，靠近下边缘的曲率半径大；不同曲率半径之间是逐渐逼近的，构成平滑的外轮廓曲线；后投屏外表面覆盖一层漫反射材料。
本发明积极效果在于：将两个离轴虚像显示系统通过光路对接的方法，利用两个离轴型虚像显示系统组合成一个图像整体连续的、大视场的虚像显示系图像，垂直视场角远大于单一离轴型虚像显示系统的垂直视场角，可接近单一离轴型虚像显示系统的2倍，满足飞行模拟训练需要大视场显示的要求。
附图说明
图1为本发明虚像显示系统原理图；
图中，投影器组1；后投屏2；非标准球面反射镜3；人眼4；投影器组5；后投屏6；非标准球面反射镜7；正立的虚像AB；正立的虚像BC；光线a；光线b；光线c；光线d。
图2为本发明虚像显示系统位置图；
图中，投影器组1；后投屏2；非标准球面反射镜3；人眼4；投影器组5；后投屏6；非标准球面反射镜7；非标准球面反射镜3与人眼4水平距离为L1；非标准球面反射镜3上边缘距人眼4高度为H1；非标准球面反射镜7与人眼4水平距离为L2；非标准球面反射镜7上边缘距人眼4高度为H2。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，由一个非标准球面准直反射镜3、一个后投屏2和一组投影器1构成上视场离轴型虚像显示系统，且准直反射镜、后投屏与人眼均不同轴；由一个非标准球面准直反射镜7、一个后投屏6和一组投影器5构成下视场离轴型虚像显示系统。
投影器1发出的图像（光线a、b之间）投射在后投屏2上，在后投屏2上形成一个视景图像，后投屏2的位置由视距与光路的成像确定；后投屏2表面覆盖一层漫反射材料，后投屏2上的视景图像的散射光线经非标准球面反射镜3反射后，人眼4会看到一个正立的虚像AB。投影器5发出的图像（光线c、d之间）投射在后投屏6上，在后投屏上形成一个视景图像；后投屏6的位置由视距与光路的成像确定，后投屏6表面也为一层漫反射材料，其上的视景图像的散射光线经非球面反射镜7反射后，人眼会看到一个正立的虚像BC。两个反射镜所形成的两个虚像AB、BC是完全对接的，即光线b、c相对人眼处的反射光线完全重合，图像A与B共同组合成一个图像连续的、无接缝的大视场虚像显示像面。
参见图2，以人眼为基准，前方1米左右范围为座舱空间，上、下视场显示系统不能占用此空间。
上视场的非标准球面反射镜3的逼近半径为3.5米，其中间部分的曲率半径为4.2米，靠近边缘处曲率半径为2.625米；反射镜3与人眼4的水平距离L1为3.185米，上边缘距离人眼4高度H1为1.26米；后投屏2为光路成像得到的非球面形状；投影器1由三个投影器组合而成一组，由自身投影关系确定与后投屏2的水平距离，上述结构组成一个上视场离轴虚像显示系统。下视场非标准球面反射镜7的逼近半径为2.45米，反射镜7与人眼4的水平距离L2为1.76米，上边缘距离人眼4高度H2为0.76米；由自身投影关系确定投影器5与后投屏6的距离，组成下视场离轴虚像显示系统。上、下两个离轴虚像显示系统构成一个整体图像连续的大视场显示系统。
Claims (4)
1.一种飞行模拟训练的双非球面虚像显示方法，其特征在于：
设置两个非标准球面反射镜，分别构成两个离轴型虚像显示系统；每一个虚像显示系统对于人眼位置形成一个虚像面；两个离轴型虚像显示系统在光路上准确对接，将两个虚像面组合成了一个整体的、大视场的虚像显示像面；
由上、下两个离轴型虚像显示子系统组成，通过光学成像原理使上、下两个显示子系统相对人眼形成的两个虚像面AB和BC在光路上是准确对接的，即上视场光线b与下视场光线c经过两个非标准球面反射镜后所形成的反射光线为同一条，虚像面AB和BC在此处为连续的，且图像的远近在此对接处相同，使人眼所看到的图像成为一个视景图像连续的、大视场的虚像显示像面。
2.实现权利要求1所述方法的系统，包括一个非标准球面准直反射镜、一个后投屏和一组投影器构成上视场离轴型虚像显示系统，且准直反射镜、后投屏与人眼均不同轴；由一个非标准球面反射镜、一个后投屏和一组投影器构成下视场离轴型虚像显示系统；
上视场离轴虚像显示系统中的非标准球面反射镜的逼近半径为R1，位于人眼的前方，与人眼水平距离L1=0.91R1，上边缘距离人眼高度为H1=0.36R1；后投屏位于非标准球面准直镜与人眼之间，位置及形状由视距要求与反射成像关系确定；投影器组位于后投屏的后方，要注投影图像充满后投屏；下视场离轴虚像显示系统中的非标准球面反射镜的逼近半径为R2，R2=0.7R1，位于人眼的下前方，与人眼水平距离L2=0.72R2，上边缘距离人眼高度为H2=0.31R2；后投屏位于非标准球面反射镜与人眼之间，位置及形状由视距要求与反射成像关系确定；投影器组位于后投屏的后方，投影光线充满后投屏；
投影器发出光线a、b之间的图像投射在后投屏上，在后投屏上形成一个视景图像，后投屏放置在非标准球面反射镜的前方，位置及形状通过视距要求与反射成像关系得到；后投屏表面覆盖一层漫反射材料，后投屏上的视景图像的散射光线经非标准球面反射镜反射后，人眼会看到一个正立的虚像AB；投影器发出的图像（光线c、d之间）投射在后投屏上，在后投屏上形成一个视景图像；后投屏表面也为一层漫反射材料，其上的视景图像的散射光线经非球面反射镜反射后，人眼会看到一个正立的虚像BC；两个反射镜所形成的两个虚像AB、BC通过光路是完全对接的，即光线b、c相对人眼处的反射光线完全重合，图像AB与BC共同组合成一个图像连续的、无接缝的大视场虚像显示像面。
3.权利要求1所述方法的系统，其特征在于：
非标准球面反射镜的面形为非标准球面形状；
整个反射镜粗看起来类似一个球面，其面形为几个不同曲率半径的面形组合成的一个非标准球形曲面；越靠近曲面上、下边缘处，反射镜面形的曲率半径越小，而靠近反射镜中间部分的曲率半径稍大些；整个反射镜的面形由不同曲率半径的曲面组合而成，且不同曲面之间的曲率半径之间是逐渐逼近的；反射镜的逼近半径为R时，其中间部分的曲率半径为1.2R，逐渐过渡到上、下边缘处曲率半径为0.75R。
4.权利要求1所述方法的系统，其特征在于：
后投屏的形状为非球面形状，表面覆盖一层漫反射材料；后投屏的形状及位置通过视距要求与反射成像得到；沿轴线切面轮廓曲线，靠近上边缘的曲率半径小，靠近下边缘的曲率半径大；不同曲率半径之间是逐渐逼近的，构成平滑的外轮廓曲线；后投屏外表面覆盖一层漫反射材料。
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