CN105045028A - 一种超大垂直视场角旁轴虚像显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大垂直视场角旁轴虚像显示系统，属于飞行仿真模拟器虚像显示技术领域。该显示系统包括：投影器、投影屏以及球面反射镜，所述投影屏为背投式投影屏，所述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；其中所述投影屏的形状为轮胎面，所述投影屏的旋转轴与所述球面反射镜的旋转轴为同一条直线；所述投影屏的半径小于所述投影屏到旋转轴之间的距离，所述球面反射镜球心高于所述球面反射镜的上端面，所述投影屏的圆心高于所述球面反射镜的球心。该旁轴虚像显示系统的垂直视角能够达到60°，在保证旁轴虚像显示系统景深好、立体感强等特点的前提下，满足不同的飞行仿真模拟训练的要求。

Description

一种超大垂直视场角旁轴虚像显示系统

技术领域

本发明涉及飞行仿真模拟器虚像显示技术领域，特别涉及一种超大垂直视场角旁轴虚像显示系统。

背景技术

旁轴虚像显示系统是目前是飞行仿真模拟器常用的显示系统，特别适用于左右双座驾驶舱飞行仿真模拟器。旁轴虚像显示系统具有景深好、立体感强、亮度高、对比度好以及成像分别率高等优点，而且模拟起飞和着陆时左右飞行员视差小，便于机组协同。

目前的旁轴虚像显示系统主要包括投影器、投影屏以及球面反射镜。其中投影屏为背投式投影屏，其形状也为球面。投影屏距离球面反射镜的距离小于球面反射镜的一倍焦距。投影器将图像投射到投影屏上并在投影屏外凸的表面上呈实像，投影屏上所呈的像再投射到球面反射镜内凹的表面，在球面反射镜内凹的表面上呈正立放大的虚像。其光路图如图1所示，投影器发出的光透过投影屏投射到球面反射镜内凹的表面上，再经球面反射镜反射进入人眼。旁轴虚像显示系统中球面反射镜和投影屏的相对位置关系如图2所示。投影屏的旋转轴和球面反射镜的旋转轴为同一条直线，球面反射镜上端面与球面反射镜球心位于同一个水平面。目前，旁轴虚像显示系统的垂直视角能够达到40°(即图1中OA’与OC’之间的夹角，其中O为眼点，A’为投影屏上端像点A在球面反射镜上的反射点，C’为投影屏下端像点C在球面反射镜上的反射点)，水平视角能够达到180°～220°。视场范围能够满足运输机、轰炸机以及单座战斗机的基本驾驶技术训练。但是随着训练贴近实战的要求，现有的旁轴虚像显示系统的垂直视场不能满足需要，例如模拟直升机训练时下视场(即图1中OC’与水平方向的OB’的夹角)就要求达到40°。

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：现有的旁轴虚像显示系统的垂直视场角较小，不能满足模拟飞行训练要求。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种垂直视场角能够达到60°的超大垂直视场角旁轴虚像显示系统。

具体而言，包括以下的技术方案：

一种超大垂直视场角旁轴虚像显示系统，该旁轴虚像显示系统包括：投影器、投影屏以及球面反射镜，所述投影屏为背投式投影屏，所述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；其中，所述投影屏的形状为轮胎面，所述投影屏的旋转轴与所述球面反射镜的旋转轴为同一条直线；所述投影屏的半径小于所述投影屏到旋转轴之间的距离，所述球面反射镜球心高于所述球面反射镜的上端面，所述投影屏的圆心高于所述球面反射镜的球心。

具体地，所述投影屏的圆心与所述投影屏的旋转轴之间距离为400mm以下，所述球面反射镜的上端面与所述球面反射镜的球心之间竖直方向的高度差为500mm以下。

具体地，所述球面反射镜的垂直高度为2000～3000mm；所述投影屏的垂直高度为1400～2000mm；所述球面反射镜半径为2500～3500mm；所述投影屏的半径为1400～2000mm。

具体地，所述球面反射镜的球心与所述投影屏的圆心之间竖直方向的距离为200mm以下。

具体地，所述投影屏的旋转轴与眼点之间的距离为300～600mm；所述投影屏的圆心与眼点之间竖直方向的距离为1200～1600mm。

具体地，所述投影屏为硬质投影屏，所述投影屏的材质为表面涂敷有投影漆或者铺设有软幕布的有机玻璃，所述投影屏的四周采用纤维增强环氧树脂基复合材料固定。

具体地，所述投影屏为软质投影屏，所述投影屏的材质为软幕布，所述投影屏的四周采用纤维增强环氧树脂基复合材料固定。

具体地，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。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明实施例对现有的旁轴虚像显示系统进行优化改进，投影屏采用轮胎面形状，投影屏的半径小于投影屏与旋转轴之间的距离，球面反射镜球心高于球面反射镜的上端面，投影屏的圆心高于球面反射镜的球心。所得的旁轴虚像显示系统的垂直视角能够达到60°，在保证旁轴虚像显示系统景深好、立体感强等特点的前提下，满足不同的飞行仿真模拟训练的要求。

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为现有的旁轴虚像显示系统光路图；

图2为现有的旁轴虚像显示系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的超大垂直视场角旁轴虚像显示系统的结构示意图；

图4为轮胎面形投影屏和球面形投影屏的光路对比图；

图5为本发明实施例提供的超大垂直视场角旁轴虚像显示系统中球面反射镜的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的超大垂直视场角旁轴虚像显示系统中轮胎面形投影屏的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的超大垂直视场角旁轴虚像显示系统中各部分的位置关系示意图。

图中附图标记分别表示：

R1为球面反射镜的半径；R2为投影屏的半径；

H1为球面反射镜的垂直高度；H2为投影屏的垂直高度；

H3为球面反射镜上端面与球面反射镜球心之间竖直方向的高度差；

H4为球面反射镜的球心与投影屏的圆心之间竖直方向的距离；

H5为投影屏的圆心与眼点之间竖直方向的距离；

L1为投影屏的圆心与投影屏的旋转轴之间的距离；

L2为投影屏的旋转轴与眼点之间的距离。

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。

本发明实施例提供了一种超大垂直视场角旁轴虚像显示系统，参见图3，该旁轴虚像显示系统包括：投影器、投影屏以及球面反射镜，所述投影屏为背投式投影屏，所述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；其中，所述投影屏的形状为轮胎面，所述投影屏的旋转轴与所述球面反射镜的旋转轴为同一条直线；所述投影屏的半径小于所述投影屏到旋转轴之间的距离，所述球面反射镜球心高于所述球面反射镜的上端面，所述投影屏的圆心高于所述球面反射镜的球心。

本发明实施例对现有的旁轴虚像显示系统进行优化改进，将投影屏的形状由现有的球面改进为轮胎面，并且投影屏的半径小于投影屏到旋转轴之间的距离，球面反射镜球心高于球面反射镜的上端面，投影屏的圆心高于球面反射镜的球心。通过以上的优化改进，本发明实施例所得旁轴虚像显示系统的垂直视角能够达到60°，满足不同飞行仿真模拟训练的要求。

上述的球面和轮胎面均为旋转曲面，其中球面是圆以其直径为旋转轴旋转得到的曲面，轮胎面是圆绕着非直径的旋转轴旋转得到的曲面。由上述球面和轮胎面形成过程可以看出，当旋转轴相同时，球面的曲率半径要大于轮胎面的曲率半径。参见图4，同一束光线分别投射到球面形投影屏和轮胎面形投影屏，与球面形投影屏和轮胎面形投影屏的交点分别为D和D’，光线透过投影屏投射到球面反射镜上，与球面反射镜的交点为P，PD’＞PD，即采用轮胎面形投影屏的旁轴虚像显示系统的物距较大，根据高斯成像规律，物距较大时像距也较大，因此，本发明实施例提供的旁轴虚像显示系统在具有较大垂直视角的同时，还具有较好的景深感。

本发明实施例中所涉及的投影屏的圆心是指用于形成轮胎面的圆的圆心，即轮胎面母线所在圆的圆心，投影屏的半径是指用于形成轮胎面的圆的半径，即轮胎面母线所在圆的半径。由于球面是圆绕着其直径旋转得到，因此球面的球心与球面母线所在圆的圆心是同一个点。球面反射镜和轮胎面形的投影屏的结构示意图分别如图5和图6所示。

本发明实施例还对旁轴虚像显示系统中各部分之间的位置关系进行了优化。参见图7，包括以下几方面：

(1)，投影屏的圆心与投影屏的旋转轴之间距离L1为400mm以下，例如可以为300mm、200mm、100mm等；球面反射镜的上端面与球面反射镜的球心之间竖直方向的高度差H3为500mm以下，例如可以为400mm、300mm、200mm、100mm等。

(2)，由于垂直视角增大，因此投影屏和球面反射镜的尺寸也需要相应增大，以使所成虚像能够完整的呈现。球面反射镜的垂直高度H1为2000～3000mm，例如可以为2200mm、2400mm、2600mm、2800mm等；投影屏的垂直高度H2为1400～2000mm，例如可以为1500mm、1600mm、1800mm等；球面反射镜半径R1为2500～3500mm，例如可以为2800mm、3000mm、3200mm、3500mm等；投影屏的半径R2为1400～2000mm，例如可以为1500mm、1600mm、1800mm等。

(3)，球面反射镜的球心与投影屏的圆心之间竖直方向的距离H4为200mm以下，例如可以为100mm、50mm等。通过调整球面反射镜的球心与投影屏的圆心之间竖直方向的距离H4可以改变在球面反射镜上的成像质量，当H4到某一值时，在眼点处看到的像最清晰，此即球面反射镜的球心与投影屏的圆心之间的最优距离。

(4)，投影屏的旋转轴与眼点之间的距离L2为300～600mm，例如可以为400mm、500mm等；投影屏的圆心与眼点之间竖直方向的距离H5为1200～1600mm，例如可以为1300mm、1400mm、1500mm等。

在上述的旁轴虚像显示系统中，由于投影屏可以为硬质投影屏，也可以为软质投影屏，本发明实施例不对投影屏的材质作特殊限定，只要投影屏的形状和尺寸满足要求即可。当投影屏为硬质投影屏时，投影屏的材质为表面涂敷有投影漆或者铺设有软幕布的有机玻璃，首先通过热弯工艺将有机玻璃板加工成轮胎形球带，再在成型后的有机玻璃板外凸的表面上涂覆投影漆或者铺设软幕布。投影漆和软幕布的具体种类没有特殊限定，本领域常规技术手段均可。投影漆的涂覆方式以及软幕布的铺设方式也没有特殊限定，本领域常规技术手段均可。由于投影屏的尺寸增大，为了实现投影屏的轻量化，投影屏的四周可以采用重量轻、强度高的纤维增强环氧树脂基复合材料固定。纤维增强环氧树脂基复合材料可以为环氧树脂基碳纤维复合材料、环氧树脂基玻璃纤维复合材料等。当投影屏为软质投影屏时，投影屏的材质为软幕布，投影屏的四周采用纤维增强环氧树脂基复合材料固定。

在上述的旁轴虚像显示系统中，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，而且难以实现无缝拼接，接缝处会影响成像质量。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。虽然硅玻璃板可以通过拼接的方法来扩展尺寸，但是硅玻璃板的重量较重，会增加旁轴虚像显示系统整体的重量。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。由于有机玻璃板的拼接工艺简单、能够实现无缝拼接而且重量轻，因此更适用于本发明实施例提供的超大垂直视场角旁轴虚像显示系统。

综上，本发明实施例提供的旁轴虚像显示系统的垂直视场范围能够达到60°，而且还可以通过调整系统中各部分的相对位置得到20°+40°、30°+30°、15°+45°等不同上、下视场组合的60°垂直视角的旁轴虚像显示系统，以满足不同飞行模拟训练的需求。

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)

1.一种超大垂直视场角旁轴虚像显示系统，所述旁轴虚像显示系统包括：投影器、投影屏以及球面反射镜，所述投影屏为背投式投影屏，所述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；其特征在于，

所述投影屏的形状为轮胎面，所述投影屏的旋转轴与所述球面反射镜的旋转轴为同一条直线；所述投影屏的半径小于所述投影屏到旋转轴之间的距离，所述球面反射镜球心高于所述球面反射镜的上端面，所述投影屏的圆心高于所述球面反射镜的球心。

2.根据权利要求1所述的旁轴虚像显示系统，其特征在于，所述投影屏的圆心与所述投影屏的旋转轴之间距离为400mm以下，所述球面反射镜的上端面与所述球面反射镜的球心之间竖直方向的高度差为500mm以下。

3.根据权利要求1所述的旁轴虚像显示系统，其特征在于，所述球面反射镜的垂直高度为2000～3000mm；所述投影屏的垂直高度为1400～2000mm；所述球面反射镜半径为2500～3500mm；所述投影屏的半径为1400～2000mm。

4.根据权利要求1所述的旁轴虚像显示系统，其特征在于，所述球面反射镜的球心与所述投影屏的圆心之间竖直方向的距离为200mm以下。

5.根据权利要求1所述的旁轴虚像显示系统，其特征在于，所述投影屏的旋转轴与眼点之间的距离为300～600mm；所述投影屏的圆心与眼点之间竖直方向的距离为1200～1600mm。

6.根据权利要求1所述的旁轴虚像显示系统，其特征在于，所述投影屏为硬质投影屏，所述投影屏的材质为表面涂敷有投影漆或者铺设有软幕布的有机玻璃，所述投影屏的四周采用纤维增强环氧树脂基复合材料固定。

7.根据权利要求1所述的旁轴虚像显示系统，其特征在于，所述投影屏为软质投影屏，所述投影屏的材质为软幕布，所述投影屏的四周采用纤维增强环氧树脂基复合材料固定。

8.根据权利要求1所述的旁轴虚像显示系统，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。