CN105045027A - 一种正投式虚像显示方法以及显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正投式虚像显示方法以及显示系统，涉及飞行仿真模拟器虚像显示技术领域。该显示方法为：投影器发出的光直接投射到正投影屏的成像介质上或者先投射到平面反射镜上，再经平面反射镜反射到正投影屏的成像介质上，经所述成像介质反射后投射到球面反射镜的内凹表面，再经所述球面反射镜反射后进入人眼；所述正投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距。该显示方法光损小，亮度高，画面分辨率高。而且该显示方法中采用的正投影屏制造工艺简单、成本较低，所得显示系统占用空间较小。

Description

一种正投式虚像显示方法以及显示系统

技术领域

本发明涉及飞行仿真模拟器虚像显示技术领域，特别涉及一种正投式虚像显示方法以及显示系统。

背景技术

虚像显示系统是飞行仿真模拟器常用的显示系统。目前的虚像显示系统主要包括投影器、背投影屏以及球面反射镜，投影器位于背投影屏内凹的一侧，背投影屏与球面反射镜的距离小于球面反射镜的一倍焦距。其光路图如图1所示。投影器发出的光投射到背投影屏内凹的表面上，光透过背投影屏投射到球面反射镜内凹的表面，再经球面反射镜反射后进入人眼。投影器投射的图像首先在背投影屏外凸表面的成像介质上成实像，再在球面反射镜内凹的表面上呈正立放大的虚像。其中，背投影屏由航空级有机玻璃和复合材料框架组成，经过热弯、冷研磨、抛光等工艺成型，然后在外表面蒙投影幕布或者涂覆投影漆。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有的背投式虚像显示系统光损较高，需要使用较昂贵的投影器或者增加投影器的数量才能使显示系统具有较高的亮度以及较好的画面分辨率，并且背投影屏的成本也较高。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种光损小、亮度高、成本低的正投式虚像显示方法以及显示系统。

具体而言，包括以下的技术方案：

本发明第一方面提供一种正投式虚像显示方法，所述显示方法为：投影器发出的光投射到正投影屏的成像介质上，经所述成像介质反射后投射到球面反射镜的内凹表面，再经所述球面反射镜反射后进入人眼；所述正投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距。

进一步地，所述投影器发出的光直接投射到正投影屏的成像介质上。

进一步地，所述投影器发出的光首先投射到平面反射镜上，再经所述平面反射镜反射到正投影屏的成像介质上。

优选地，所述正投影屏的形状为球面或者轮胎面。

优选地，所述正投影屏中用于承载所述成像介质的基底材料为环氧树脂基纤维增强复合材料。

优选地，所述球面反射镜的反射介质为聚酯薄膜、镀有金属膜的硅玻璃板或者镀有金属膜的有机玻璃板。

本发明第二方面提供一种根据本发明第一方面的显示方法得到的正投式虚像显示系统。所述显示系统包括：投影器、正投影屏以及球面反射镜；所述正投影屏的外凸的表面上设置有成像介质；所述正投影屏外凸的表面与所述球面反射镜内凹的表面相对设置；所述投影器位于所述正投影屏外凸的一侧；所述正投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距。

本发明第三方面提供另外一种提供根据本发明第一方面的显示方法得到的正投式虚像显示系统。所述显示系统包括：投影器、正投影屏、球面反射镜以及平面反射镜；所述正投影屏的外凸的表面上设置有成像介质；所述正投影屏外凸的表面与所述球面反射镜内凹的表面相对设置；所述投影器位于所述正投影屏内凹的一侧；所述平面反射镜位于所述球面反射镜上方且位于所述球面反射镜外凸的一侧；所述正投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明实施例提供的正投式虚像显示方法中，投影器发出的光经正投影屏反射投射到球面反射镜上，进而在球面反射镜上呈正立放大的虚像。与现有的背投式虚像显示方法相比，正投式虚像显示方法显示过程为投影器直投以及较短的投影距离和多通道，避免透射造成的光的损失，光损小，利用率高，亮度高。而且正投影屏可以采用成本较低的材料制成，制造工艺简单，能够在保证虚像显示系统景深和沉浸感特点的前提下，降低虚像显示系统的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的背投式虚像显示系统的光路图；

图2为本发明实施例提供的投影器发出的光直接投射到正投影屏的正投式虚像显示系统的光路图；

图3为本发明实施例提供的投影器发出的光经平面反射镜到正投影屏的正投式虚像显示系统的光路图；

图4为当平面反射镜与球面反射镜距离较远时的正投式虚像显示系统的光路图；

图5为当平面反射镜与球面反射镜距离较近时的正投式虚像显示系统的光路图；

图6为球面形正投影屏的示意图；

图7为轮胎面形正投影屏的示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一方面提供一种正投式虚像显示方法，所述显示方法为：投影器发出的光投射到正投影屏的成像介质上，经所述成像介质反射后投射到球面反射镜的内凹表面，再经所述球面反射镜反射后进入人眼；所述正投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距。

本发明实施例将正投影方法应用到飞行仿真模拟器虚像显示技术当中，提供了一种正投式虚像显示方法。投影器发出的光经正投影屏反射后投射到球面反射镜，由于正投影屏与球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距(即正投影屏位于球面反射镜一倍焦平面以内)，根据高斯成像规律，当物距小于一倍焦距时，呈正立放大的虚像。因此，图像经过投影器投射后最终在球面反射镜内凹的表面上呈正立放大的虚像。与现有的背投式虚像显示方法相比，正投式虚像显示方法显示过程为投影器直投以及较短的投影距离和多通道，避免透射造成的光的损失，光损小，利用率高，亮度高。而且正投影屏可以采用成本较低的材料制成，制造工艺简单，能够在保证虚像显示系统景深和沉浸感特点的前提下，降低虚像显示系统的成本。

在上述的显示方法中，可以将投影器发出的光直接投射到正投影屏的成像介质上。采用这用方法的光路图如图2所示。投影器位于正投影屏设置有成像介质的一侧，投影器发出的光直接投射到正投影屏的成像介质上，再经反射后投射到球面反射镜的内凹表面，再经球面反射镜反射后进入人眼。

在上述的显示方法中，还可以将投影器发出的光首先投射到平面反射镜上，再经平面反射镜反射到正投影屏的成像介质上。这种方法的光路图如图3所示。平面反射镜设置在球面反射镜上方并且位于球面反射镜外凸的一侧，而投影器位于正投影屏未设置成像介质的一侧。投影器发出的光首先投射到平面反射镜上，再由平面反射镜反射到正投影屏的成像介质上，由正投影屏反射后投射到球面反射镜的内凹表面，最终经球面反射镜反射后进入人眼。

在上述的显示方法中，正投影屏的形状没有特殊的限定，可以采用现有背投影屏的设计，例如可以为球面(如图6所示)或者轮胎面(如图7所示)。轮胎面与球面的区别在于，球面是圆绕着其直径旋转所成的面，轮胎面是圆绕着非直径的旋转轴旋转形成的面，类似汽车轮胎的表面，也称为圆环面或者双曲面。成像介质通常设置在球面或者轮胎面外凸的表面上。

在上述的显示方法中，由于投影器发出的光不需要透过正投影屏，因此正投影屏中用于承载成像介质的基底材料可以采用纤维增强环氧树脂基复合材料，例如环氧树脂基玻璃纤维复合材料、环氧树脂基碳纤维复合材料或者环氧树脂基玻璃纤维/碳纤维混杂纤维复合材料。首先通过模具袋压法使正投影屏基底成型，然后在基底表面涂覆正投影漆。正投影漆的具体种类本发明实施例不作特殊限定，本领域常用的正投影漆均可。正投影屏的成像介质还可以为电影银幕所用的软幕布，将采购的电影银幕直接张贴在基底材料上即可。

在上述的显示方法中，球面反射镜所用的反射介质可以采用现有的聚酯薄膜或者镀有金属膜的硅玻璃板。聚酯薄膜球面反射镜的加工工艺为：将聚酯薄膜张贴在的镜座边框上，再通过真空吸附的方法使其张紧到光学系统所需要的形状；通过预埋螺栓和边条，保证聚酯薄膜成型后各形状参数指标均在容差范围以内，没有肉眼可见的疵点、缺陷和阶跃点。镜座上留有抽气接口和传感器安装接口，安装在镜座外的控制系统通过传感器随时监控镜座空腔内空气负压，驱动真空泵工作维持空气负压力，保证反射膜的工作面形。上述的镜座可以采用重量轻、强度高的材料加工，以满足飞行仿真模拟器工作需求。例如可以采用纤维增强环氧树脂基复合材料并填充蜂窝的形式，按照由外到内2层碳纤维布、1层短切毡(即玻璃纤维原丝短切毡)、厚度为15mm的铝制或者塑料蜂窝以及2层玻璃纤维布的顺序通过模具袋压法成型，但是由于聚酯薄膜受成膜工艺的影响，聚酯薄膜的尺寸仅限于特定的尺寸，不能满足较大显示视场的要求。镀有金属膜的硅玻璃球面反射镜的加工工艺为：首先将一定厚度(如10mm)的硅玻璃板材高温软化，利用模具热弯成型，然后用纤维增强环氧树脂基复合材料将成型的硅玻璃板材与铸铝基座进行粘接，用磨镜机对硅玻璃板的内凹表面进行研磨使其表面粗糙度达到要求，再在处理后的硅玻璃板内表面镀金属膜。由于硅玻璃板可以通过拼接的方法来扩展尺寸，因此采用硅玻璃板作为球面反射镜的反射介质能够满足较大显示视场的要求，但是硅玻璃板的重量较重。由于上述的反射介质都存在一些不足，因此可以采用镀有金属膜的有机玻璃板作为球面反射镜的反射介质。有机玻璃球面反射镜的加工工艺为：首先将一侧表面镀有金属膜的有机玻璃板放置在模具表面，将有机玻璃板与模具加热至90～120℃后，向有机玻璃板施加压力使有机玻璃板贴合在模具表面；再经冷却、脱除模具后得到有机玻璃球面镜片；再通过真空吸附的方法使所得有机玻璃球面镜片贴合在镜座表面。采用表面镀有金属膜的有机玻璃板作为球面反射镜的反射介质不仅能够满足较大显示视场的要求，而且强度高、重量轻。

在上述的显示方法中，由于投影距离较短，因此可以采用短焦或者超短焦投影器，减少虚像显示系统占用的空间。

在上述的显示方法中，正投影的方式在屏幕上成像融合带区域面积较大，单通道图形四周畸变较大，需要进行图像的融合、校正。融合、校正的方法本发明实施例不作特殊限定，可以根据所用投影器的型号来确定融合校正的方法。例如可以采用以下的方法：首先利用激光经纬仪现场采集每个通道数据点，每个通道采集16个点，经过数据转换、程序计算可以生成几何校正网格文件；将生成的几何校正网格文件导入调试软件；由于受到镜面尺寸限制，现场采集的数据点有一些会超出屏幕，在正投虚像系统的图像边缘，尤其是水平方向的图像边缘，由于畸变非常大，一般失去对其进行几何校正的意义，对于这类打出屏幕的点采取“不动”原则，即对于那些点不做几何校正，对这些点进行“失效”处理。

在上述的显示方法中，对于投影器发出的光直接投射到正投影屏成像介质上这种情况，投影器、球面反射镜以及正投影屏之间具体的位置关系本发明实施例不作特殊要求。可以结合人眼的位置(即图2中眼点的位置)，调整投影器、球面反射镜以及正投影屏之间的距离来调整显示系统垂直视角和水平视角，使最终在球面反射镜上所成的像符合模拟飞行训练的要求。调整方法可以参照现有背投式虚像显示方法。

在上述的显示方法中，对于投影器发出的光经平面反射镜反射后投射到正投影屏成像介质上这种情况，平面镜、投影器、球面反射镜以及正投影屏之间具体的位置关系本发明实施例也不作特殊要求。同样可以结合人眼的位置(即图3中眼点的位置)，调整平面反射镜、投影器、球面反射镜以及正投影屏之间的距离使最终在球面反射镜上所成的像符合模拟飞行训练的要求。其中，平面反射镜与球面反射镜之间的距离过大或者过小都会影响最终的成像质量。如图4中的光路图所示，如果平面反射镜与球面反射镜之间距离过大，则投影器投射到平面反射镜下端的光经平面反射镜反射后会被球面反射镜阻挡而不能投射到正投影屏上，使最终所成的像不完整。如图5中的光路图所示，如果平面反射镜与球面反射镜之间距离过小，投影器发出的光经平面反射镜反射后投射到正投影屏所成的像将变小。进而使最终在球面反射镜上所成的像不能完全覆盖球面反射镜。

根据上述对正投式虚像显示方法的阐述，本发明实施例提供两种正投式虚像显示系统。

对于投影器发出的光直接投射到正投影屏成像介质上这种情况，正投式虚像显示系统包括：投影器、正投影屏以及球面反射镜；正投影屏的外凸的表面上设置有成像介质；正投影屏外凸的表面与球面反射镜内凹的表面相对设置；投影器位于正投影屏外凸的一侧；正投影屏与球面反射镜之间的距离小于球面反射镜的一倍焦距。

对于投影器发出的光直接投射到正投影屏成像介质上这种情况，正投式虚像显示系统包括：投影器、正投影屏、球面反射镜以及平面反射镜；正投影屏的外凸的表面上设置有成像介质；正投影屏外凸的表面与球面反射镜内凹的表面相对设置；投影器位于正投影屏内凹的一侧；平面反射镜位于球面反射镜上方且位于球面反射镜外凸的一侧；正投影屏与球面反射镜之间的距离小于球面反射镜的一倍焦距。

综上，本发明实施例提供的正投式虚像显示方法及系统能够满足目前各种大小显示视场的需要，例如水平视角220°、垂直视角40°的虚像显示系统，亮度高，分辨率较高，而且成本较低。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种正投式虚像显示方法，其特征在于，所述显示方法为：投影器发出的光投射到正投影屏的成像介质上，经所述成像介质反射后投射到球面反射镜的内凹表面，再经所述球面反射镜反射后进入人眼；所述正投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距。

2.根据权利要求1所述的显示方法，其特征在于，所述投影器发出的光直接投射到正投影屏的成像介质上。

3.根据权利要求1所述的显示方法，其特征在于，所述投影器发出的光首先投射到平面反射镜上，再经所述平面反射镜反射到正投影屏的成像介质上。

4.根据权利要求1所述的显示方法，其特征在于，所述正投影屏的形状为球面或者轮胎面。

5.根据权利要求1所述的显示方法，其特征在于，所述正投影屏中用于承载所述成像介质的基底材料为纤维增强环氧树脂基复合材料。

6.根据权利要求1所述的显示方法，其特征在于，所述球面反射镜的反射介质为聚酯薄膜、镀有金属膜的硅玻璃板或者镀有金属膜的有机玻璃板。

7.一种正投式虚像显示系统，其特征在于，所述显示系统包括：投影器、正投影屏以及球面反射镜；

所述正投影屏的外凸的表面上设置有成像介质；所述正投影屏外凸的表面与所述球面反射镜内凹的表面相对设置；

所述投影器位于所述正投影屏外凸的一侧；

所述正投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距。

8.一种正投式虚像显示系统，其特征在于，所述显示系统包括：投影器、正投影屏、球面反射镜以及平面反射镜；

所述正投影屏的外凸的表面上设置有成像介质；所述正投影屏外凸的表面与所述球面反射镜内凹的表面相对设置；

所述投影器位于所述正投影屏内凹的一侧；

所述平面反射镜位于所述球面反射镜上方且位于所述球面反射镜外凸的一侧；

所述正投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距。