CN106526880A - 离轴虚像加立体显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离轴虚像加立体显示系统，主要包括投影仪、光学前反射镜、正投屏、碳塑球面反射镜；其中，光学前反射镜、投影仪与正投屏由上而下设置在碳塑球面反射镜的向心凹面侧；眼点位于正投屏的下方，且在碳塑球面反射镜的一倍焦距之外；在近景显示阶段，所述投影仪投放立体影像。相应地，本发明还公开了一种离轴虚像加立体显示方法。本发明的离轴虚像加立体显示系统，采用了硬质碳塑球面反射镜，降低了制造成本，提高了空间利用率，图像失真小，另外具有可清洗的优点。加立体显示的离轴虚像显示系统增加了模拟器视景显示系统镜面内的近景景深，使模拟器视景系统的景深感更强。

Description

离轴虚像加立体显示系统及方法

技术领域

本发明属于仿真系统视景光学技术领域，具体涉及一种离轴虚像加立体显示系统及方法。

背景技术

模拟器视景显示中，主要有实像显示与虚像显示两种方式。

实像显示指将投影仪图像投射在散射性屏幕上，人直接观察屏幕图像，类似于电影放映机与放映屏幕的组合。实像显示的优点是视场较大,缺点是景深感差。

虚像显示指将物放置于光学元件的一倍焦距处，在远方成正立放大虚像，类似于照镜子(无光焦度，成等大虚像)。根据眼点与光学元件的相对位置，虚像显示分为同轴分光镜准直和离轴准直显示方式。与实像显示方式相比，虚像显示方式具有景深感强、成像逼真度高等特点，因而被大型高档飞行模拟器广泛采用。

由于传统的飞行模拟器视景离轴虚像显示系统所显示的景象都在反射镜面以外的区域，不能准确显示反射镜面以内区域中近景与飞行器之间的高度、速度、方位与姿态关系。但在模拟加/受油机空中会合、对接、受油、脱离过程，舰载机着舰，直升机悬停等复杂过程时，必须要清晰显示近距离视景，否则将导致受训者由于视觉冲突而引起不良反应。因此，传统的飞行模拟器视景离轴虚像显示系统不能满足这种显示近距离视景的使用要求。

另外现有技术的反射镜通常采用玻璃或塑料材质，存在重量大或易变形等缺陷，而现有的加工技术无法制造大面积碳塑球面反射镜。

因此，需要开发一种新的模拟器离轴虚像显示系统，以解决离轴虚像显示系统不能清晰显示近距离视景的问题，并在保证反射镜刚度的同时减轻显示系统重量。

发明内容

本发明的目的是为解决现有离轴虚像显示系统不能清晰显示近距离视景的问题，提供了一种离轴虚像加立体显示系统及方法，在需要近景显示的阶段，引入立体显示的技术手段。

本发明采用如下技术方案来实现。

一种离轴虚像加立体显示系统，主要包括投影仪、光学前反射镜、正投屏、球面反射镜；其中，光学前反射镜、投影仪与正投屏由上而下设置在球面反射镜的向心凹面侧；具体地，正投屏放置在球面反射镜的一倍焦距处，并且使得投影仪投射出来的光线经光学前反射镜反射后能够照在正投屏上；经正投屏反射后的光线，投射在球面反射镜上，且能够在眼点处形成正立放大的虚像；所述眼点位于正投屏的下方，且在球面反射镜的一倍焦距之外；在近景显示阶段，所述投影仪投放立体影像。

投影仪的投射方向与光学前反射镜镜面具有一夹角。

所述球面反射镜的向心凹面侧的形状为球面镜的一部分。

所述正投屏是一个自由曲面屏，相对球面反射镜一侧的表面外凸，并在该外凸表面喷涂增益漆。

所述正投屏具有漫反射性能。

本发明的另外一种离轴虚像加立体显示系统，主要包括投影仪、背投屏、球面反射镜；其中，投影仪与背投屏由上而下设置在球面反射镜的向心凹面侧；具体地，背投屏放置在球面反射镜的一倍焦距处，并且使得投影仪投射出来的光线能够照在背投屏上；背投屏上的光线投射在球面反射镜上，且能够在眼点处形成正立放大的虚像；所述眼点位于背投屏的下方，且在球面反射镜的一倍焦距之外；在近景显示阶段，所述投影仪投放立体影像。

前述球面反射镜是硬质碳塑球面反射镜。

本发明还公开了离轴虚像加立体显示的方法，主要按照如下顺序实施：

一、远景显示阶段

(1)、将投影仪连接图像计算机；

(2)投影仪将图形计算机实时生成的图像投射到光学前反射镜上；

(3)光学前反射镜将上述图像投射到位于球面反射镜的焦面处的、具有漫反射性能的正投屏上；

(4)球面反射镜将经正投屏漫反射的图像以近似平行的光线反射至眼点处；

二、近景显示阶段

(5)投影仪将图形计算机实时生成的立体图像投射到光学前反射镜上；

(6)光学前反射镜将上述立体图像投射到位于球面反射镜的焦面处的、具有漫反射性能的背正投屏上；

(7)球面反射镜将经正投屏漫反射的立体图像以近似平行的光线反射至眼点处。

本发明还提供了另外一种离轴虚像加立体显示的方法，主要按照如下顺序实施：

一、远景显示阶段

(1)、将投影仪连接图像计算机；

(2)投影仪将图形计算机实时生成的图像投射到背投屏上；

(3)球面反射镜将经背投屏漫射的图像以近似平行的光线反射至眼点处；

二、近景显示阶段

(4)投影仪将图形计算机实时生成的立体图像投射到背投屏上；

(5)球面反射镜将经背投屏漫射的立体图像以近似平行的光线反射至眼点处。

有益效果

本发明的离轴虚像加立体显示系统，采用了硬质碳塑球面反射镜，降低了制造成本，提高了空间利用率，图像失真小，另外具有可清洗的优点。加立体显示的离轴虚像显示系统增加了模拟器视景显示系统镜面内的近景景深，使模拟器视景系统的景深感更强。

本发明的离轴虚像加立体显示系统可满足飞行模拟、科研、娱乐等领域准直虚像显示的使用要求。

附图说明

图1为本发明离轴虚像加立体显示系统采用正投屏的光路结构示意图；

图2为本发明离轴虚像加立体显示系统采用背投屏的光路结构示意图；

图3为应用了本发明离轴虚像加立体显示系统的飞行模拟器整体示意图；

附图标记说明：1-投影仪，2-光学前反射镜，3-正投屏，4-球面反射镜，5-眼点，6-舱体，7-底座，8-舱盖，9-背投屏。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明的离轴虚像加立体显示系统包括投影仪1、光学前反射镜2、正投屏3、球面反射镜4。其中，投影仪1、光学前反射镜2与正投屏3由上而下设置在球面反射镜4的向心凹面侧。

具体地，投影仪1的投射方向与光学前反射镜镜面2具有一夹角。正投屏3放置在球面反射镜4的一倍焦距处，并且使得投影仪1投射出来的光线经光学前反射镜2反射后能够照在正投屏3上。经正投屏3反射后的光线，投射在球面反射镜4上，且能够在图1中的眼点处形成正立放大的虚像。所述眼点位于正投屏3的下方，且在球面反射镜4的一倍焦距之外。

球面反射镜4的向心凹面侧的形状为球面镜的一部分。球面反射镜4采用硬质碳塑材料整体加工成型，并在内表面喷涂反射膜而成。硬质碳塑球面反射镜面形精度高，成像距离的一致性精度高于普通薄膜虚像10倍以上。当然，本发明的技术方案同样可以采用普通的玻璃材质或薄膜反射镜，其视觉效果相同，但是本发明的碳塑球面反射镜明显具有质量轻、强度大、寿命长、可清洗、维护性好等优势。

正投屏3采用复合玻璃钢材料制成，是一个自由曲面屏，并具有漫反射性能。正投屏3相对球面反射镜4一侧的表面外凸，并在该外凸表面喷涂增益漆。投屏3也可采用其他合适的常规材料。

在本发明中，光学前反射镜2的位置及大小应能保证不遮挡正投屏3到球面反射镜4上的光线，并确保将投影仪1投射出的光线完全反射到正投屏3上，且能将背正投屏3外表面打满反射光。

所述投影仪1位置不遮挡所有的反射光线，并尽量使整个显示系统所占空间最小。

本发明的离轴虚像加立体显示系统的工作原理大致描述如下：

虚像显示系统运用虚拟现实的手段，将由投影设备投射出的图像投射到自由曲面屏幕上，在自由曲面屏幕上的画面经几何/颜色校正和融合后形成一幅连续的画面。由于自由曲面屏幕位于球面镜的一倍焦距之内，所以自由曲面屏幕上的画面在球面反射镜上成像在无穷远处，呈正立放大的虚像。

具体到本发明，位于眼点的观察者和投影仪位于正投虚像显示系统正投屏的同一侧，从投影仪投射出来的光通过光学前反射镜反射，照射到正投屏后反射到球面反射镜上，观察者看到正投屏散射回来的光，即可观察到正立的虚像。

在近景显示阶段，由于投影仪投放立体3D图像，此时观察者应佩戴立体观察眼镜。

本发明可应用于舰载机模拟器视景显示系统，具体实施如下。

舰载机着舰时和陆基相比，影响因素多，难度大。下滑期间母舰的运动要素复杂，飞行甲板会沿着前、后、左、右、上、下六个方向进行运动。同时风向、风速复杂多变，不规则的气流会严重扰乱飞机姿态与飞行轨迹。在如此复杂的环境下，准确判断该飞机与甲板的相对位置与姿态关系，是决定着舰成功的关键。舰载机飞行员的起飞/着舰模拟训练也是按上述条件和阶段进行。

参见附图3，可将本发明的离轴虚像加立体显示系统安装在舱体6内。该舱体6具有底座7和舱盖8，形成一个完整的模拟器。具体过程是，首先将球面反射镜4和舱体6无缝连接后一起固定在底座7上，并将舱盖8覆盖在舱体6上。这样，所述球面反射镜4、舱体6、底座7、舱盖8组成了一个封闭空间，正投屏3、光学前反射镜2以及眼点则位于封闭空间内。最后将投影仪1固定在舱盖上。

在具体应用中，根据所需视角的大小设计球面反射镜4半径以及舱体的大小。碳塑球面反射镜的向心角取决于显示系统需要的视场角大小。

在正常飞行和准备着舰下滑阶段使用离轴虚像显示的图像，景深感强；在起飞和平飘接近舰艉前，由投影仪自动转换为立体显示模式，即为离轴虚像加立体的复合显示模式，增加了近景景深。

实施例2

如图2所示，本发明的另外一种离轴虚像加立体显示系统实施方式，主要包括投影仪1、背投屏9、球面反射镜4；其中，投影仪1与背投屏9由上而下设置在球面反射镜4的向心凹面侧；具体地，背投屏9放置在球面反射镜4的一倍焦距处，并且使得投影仪1投射出来的光线能够照在背投屏9上；背投屏9上的光线投射在球面反射镜4上，且能够在眼点5处形成正立放大的虚像；所述眼点5位于背投屏9的下方，且在球面反射镜4的一倍焦距之外；在近景显示阶段，所述投影仪1投放立体影像。

本发明可应用于空中加/受油机模拟器视景显示系统，具体实施如下。

空中加/受油机的空中加油，具备加油条件后，飞行员的基本操作按空中会合、对接、受油、脱离四个阶段进行。在入对接、受油、脱离阶段由于抖动、风速、风向等影响因素，会严重扰乱飞机姿态与飞行轨迹。在如此复杂的环境下，准确判断该加油机与受油飞机的相对位置与姿态关系，是决定空中加油成功的关键。飞行员的加/受油模拟训练也是按上述条件和阶段进行。

本实施例中的背投屏9是一种具有散射性能的投射屏，其他硬件系统相关零部件与前述实施例1相同。

另外，本发明的正投屏和背投屏的面型均可为双曲面屏。

在加/受油模拟训练的正常飞行和会合阶段使用离轴虚像显示的图像，景深感强；在加/受油训练进入对接、受油、脱离阶段前，由投影仪自动转换为立体影像模式，即为离轴虚像加立体的复合显示模式，增加了近景景深。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种离轴虚像加立体显示系统，主要包括投影仪、光学前反射镜、正投屏、球面反射镜；特征在于：

其中，光学前反射镜、投影仪与正投屏由上而下设置在球面反射镜的向心凹面侧；

具体地，正投屏放置在球面反射镜的一倍焦距处，并且使得投影仪投射出来的光线经光学前反射镜反射后能够照在正投屏上；

经正投屏反射后的光线，投射在球面反射镜上，且能够在眼点处形成正立放大的虚像；

所述眼点位于正投屏的下方，且在球面反射镜的一倍焦距之外；

在近景显示阶段，所述投影仪投放立体影像。

2.根据权利要求1所述的一种离轴虚像加立体显示系统，其特征在于：投影仪的投射方向与光学前反射镜镜面具有一夹角。

3.根据权利要求1所述的一种离轴虚像加立体显示系统，其特征在于：所述正投屏是一个自由曲面屏，相对球面反射镜一侧的表面外凸，并在该外凸表面喷涂增益漆。

4.根据权利要求1所述的一种离轴虚像加立体显示系统，其特征在于：所述正投屏具有漫反射性能。

5.根据权利要求1所述的一种离轴虚像加立体显示系统，其特征在于：所述球面反射镜是碳塑球面反射镜。

6.一种离轴虚像加立体显示系统，主要包括投影仪、背投屏、面反射镜；特征在于：

其中，投影仪与背投屏由上而下设置在球面反射镜的向心凹面侧；

具体地，背投屏放置在球面反射镜的一倍焦距处，并且使得投影仪投射出来的光线能够照在背投屏上；

背投屏上的光线投射在球面反射镜上，且能够在眼点处形成正立放大的虚像；

所述眼点位于背投屏的下方，且在球面反射镜的一倍焦距之外；

在近景显示阶段，所述投影仪投放立体影像。

7.根据权利要求6所述的一种离轴虚像加立体显示系统，其特征在于：所述球面反射镜是碳塑球面反射镜。

8.根据权利要求1或6所述的一种离轴虚像加立体显示系统，其特征在于：所述球面反射镜的向心凹面侧的形状为球面镜的一部分。

9.一种离轴虚像加立体显示的方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的离轴虚像加立体显示系统，主要按照如下顺序实施：

一、远景显示阶段

(1)、将投影仪连接图像计算机；

(2)投影仪将图形计算机实时生成的图像投射到光学前反射镜上；

(3)光学前反射镜将上述图像投射到位于球面反射镜的焦面处的、具有漫反射性能的正投屏上；

(4)球面反射镜将经正投屏漫反射的图像以近似平行的光线反射至眼点处；

二、近景显示阶段

(5)投影仪将图形计算机实时生成的立体图像投射到光学前反射镜上；

(6)光学前反射镜将上述立体图像投射到位于球面反射镜的焦面处的、具有漫反射性能的正投屏上；

(7)球面反射镜将经正投屏漫反射的立体图像以近似平行的光线反射至眼点处。

10.一种离轴虚像加立体显示的方法，其特征在于，基于权利要求6所述的离轴虚像加立体显示系统，主要按照如下顺序实施：

一、远景显示阶段

(1)、将投影仪连接图像计算机；

(2)投影仪将图形计算机实时生成的图像投射到背投屏上；

(3)球面反射镜将经背投屏漫射的图像以近似平行的光线反射至眼点处；

二、近景显示阶段

(4)投影仪将图形计算机实时生成的立体图像投射到背投屏上；

(5)球面反射镜将经背投屏漫射的立体图像以近似平行的光线反射至眼点处。