本發(fā)明屬于仿真系統(tǒng)視景光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

模擬器視景顯示中，主要有實(shí)像顯示與虛像顯示兩種方式。

實(shí)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(jī)與放映屏幕的組合。實(shí)像顯示的優(yōu)點(diǎn)是視場較大,缺點(diǎn)是景深感差。

虛像顯示指將物放置于光學(xué)元件的一倍焦距處，在遠(yuǎn)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(jù)眼點(diǎn)與光學(xué)元件的相對(duì)位置，虛像顯示分為同軸分光鏡準(zhǔn)直和離軸準(zhǔn)直顯示方式。與實(shí)像顯示方式相比，虛像顯示方式具有景深感強(qiáng)、成像逼真度高等特點(diǎn)，因而被大型高檔飛行模擬器廣泛采用。

由于傳統(tǒng)的飛行模擬器視景離軸虛像顯示系統(tǒng)所顯示的景象都在反射鏡面以外的區(qū)域，不能準(zhǔn)確顯示反射鏡面以內(nèi)區(qū)域中近景與飛行器之間的高度、速度、方位與姿態(tài)關(guān)系。但在模擬加/受油機(jī)空中會(huì)合、對(duì)接、受油、脫離過程，艦載機(jī)著艦，直升機(jī)懸停等復(fù)雜過程時(shí)，必須要清晰顯示近距離視景，否則將導(dǎo)致受訓(xùn)者由于視覺沖突而引起不良反應(yīng)。因此，傳統(tǒng)的飛行模擬器視景離軸虛像顯示系統(tǒng)不能滿足這種顯示近距離視景的使用要求。

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

因此，需要開發(fā)一種新的模擬器離軸虛像顯示系統(tǒng)，以解決離軸虛像顯示系統(tǒng)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(shí)減輕顯示系統(tǒng)重量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有離軸虛像顯示系統(tǒng)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(tǒng)及方法，在需要近景顯示的階段，引入立體顯示的技術(shù)手段。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。

一種離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)，主要包括投影儀、光學(xué)前反射鏡、正投屏、球面反射鏡；其中，光學(xué)前反射鏡、投影儀與正投屏由上而下設(shè)置在球面反射鏡的向心凹面?zhèn)龋痪唧w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(jīng)光學(xué)前反射鏡反射后能夠照在正投屏上；經(jīng)正投屏反射后的光線，投射在球面反射鏡上，且能夠在眼點(diǎn)處形成正立放大的虛像；所述眼點(diǎn)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(xué)前反射鏡鏡面具有一夾角。

所述球面反射鏡的向心凹面?zhèn)鹊男螤顬榍蛎骁R的一部分。

所述正投屏是一個(gè)自由曲面屏，相對(duì)球面反射鏡一側(cè)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(fā)明的另外一種離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)，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(shè)置在球面反射鏡的向心凹面?zhèn)?；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(diǎn)處形成正立放大的虛像；所述眼點(diǎn)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(zhì)碳塑球面反射鏡。

本發(fā)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?qū)嵤?/p>

一、遠(yuǎn)景顯示階段

(1)、將投影儀連接圖像計(jì)算機(jī)；

(2)投影儀將圖形計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成的圖像投射到光學(xué)前反射鏡上；

(3)光學(xué)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(jīng)正投屏漫反射的圖像以近似平行的光線反射至眼點(diǎn)處；

二、近景顯示階段

(5)投影儀將圖形計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成的立體圖像投射到光學(xué)前反射鏡上；

(6)光學(xué)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(jīng)正投屏漫反射的立體圖像以近似平行的光線反射至眼點(diǎn)處。

本發(fā)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?qū)嵤?/p>

一、遠(yuǎn)景顯示階段

(1)、將投影儀連接圖像計(jì)算機(jī)；

(2)投影儀將圖形計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成的圖像投射到背投屏上；

(3)球面反射鏡將經(jīng)背投屏漫射的圖像以近似平行的光線反射至眼點(diǎn)處；

二、近景顯示階段

(4)投影儀將圖形計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成的立體圖像投射到背投屏上；

(5)球面反射鏡將經(jīng)背投屏漫射的立體圖像以近似平行的光線反射至眼點(diǎn)處。

有益效果

本發(fā)明的離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)，采用了硬質(zhì)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(yōu)點(diǎn)。加立體顯示的離軸虛像顯示系統(tǒng)增加了模擬器視景顯示系統(tǒng)鏡面內(nèi)的近景景深，使模擬器視景系統(tǒng)的景深感更強(qiáng)。

本發(fā)明的離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)可滿足飛行模擬、科研、娛樂等領(lǐng)域準(zhǔn)直虛像顯示的使用要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)采用正投屏的光路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)采用背投屏的光路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為應(yīng)用了本發(fā)明離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)的飛行模擬器整體示意圖；

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

具體實(shí)施方式

為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，本發(fā)明的離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)包括投影儀1、光學(xué)前反射鏡2、正投屏3、球面反射鏡4。其中，投影儀1、光學(xué)前反射鏡2與正投屏3由上而下設(shè)置在球面反射鏡4的向心凹面?zhèn)取?/p>

具體地，投影儀1的投射方向與光學(xué)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(jīng)光學(xué)前反射鏡2反射后能夠照在正投屏3上。經(jīng)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(diǎn)處形成正立放大的虛像。所述眼點(diǎn)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?zhèn)鹊男螤顬榍蛎骁R的一部分。球面反射鏡4采用硬質(zhì)碳塑材料整體加工成型，并在內(nèi)表面噴涂反射膜而成。硬質(zhì)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(dāng)然，本發(fā)明的技術(shù)方案同樣可以采用普通的玻璃材質(zhì)或薄膜反射鏡，其視覺效果相同，但是本發(fā)明的碳塑球面反射鏡明顯具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、壽命長、可清洗、維護(hù)性好等優(yōu)勢(shì)。

正投屏3采用復(fù)合玻璃鋼材料制成，是一個(gè)自由曲面屏，并具有漫反射性能。正投屏3相對(duì)球面反射鏡4一側(cè)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(guī)材料。

在本發(fā)明中，光學(xué)前反射鏡2的位置及大小應(yīng)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(gè)顯示系統(tǒng)所占空間最小。

本發(fā)明的離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)的工作原理大致描述如下：

虛像顯示系統(tǒng)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的手段，將由投影設(shè)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(jīng)幾何/顏色校正和融合后形成一幅連續(xù)的畫面。由于自由曲面屏幕位于球面鏡的一倍焦距之內(nèi)，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(yuǎn)處，呈正立放大的虛像。

具體到本發(fā)明，位于眼點(diǎn)的觀察者和投影儀位于正投虛像顯示系統(tǒng)正投屏的同一側(cè)，從投影儀投射出來的光通過光學(xué)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(shí)觀察者應(yīng)佩戴立體觀察眼鏡。

本發(fā)明可應(yīng)用于艦載機(jī)模擬器視景顯示系統(tǒng)，具體實(shí)施如下。

艦載機(jī)著艦時(shí)和陸基相比，影響因素多，難度大。下滑期間母艦的運(yùn)動(dòng)要素復(fù)雜，飛行甲板會(huì)沿著前、后、左、右、上、下六個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。同時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速復(fù)雜多變，不規(guī)則的氣流會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂飛機(jī)姿態(tài)與飛行軌跡。在如此復(fù)雜的環(huán)境下，準(zhǔn)確判斷該飛機(jī)與甲板的相對(duì)位置與姿態(tài)關(guān)系，是決定著艦成功的關(guān)鍵。艦載機(jī)飛行員的起飛/著艦?zāi)M訓(xùn)練也是按上述條件和階段進(jìn)行。

參見附圖3，可將本發(fā)明的離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)安裝在艙體6內(nèi)。該艙體6具有底座7和艙蓋8，形成一個(gè)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(gè)封閉空間，正投屏3、光學(xué)前反射鏡2以及眼點(diǎn)則位于封閉空間內(nèi)。最后將投影儀1固定在艙蓋上。

在具體應(yīng)用中，根據(jù)所需視角的大小設(shè)計(jì)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(tǒng)需要的視場角大小。

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

實(shí)施例2

如圖2所示，本發(fā)明的另外一種離軸虛像加立體顯示系統(tǒng)實(shí)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(shè)置在球面反射鏡4的向心凹面?zhèn)?；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(diǎn)5處形成正立放大的虛像；所述眼點(diǎn)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(fā)明可應(yīng)用于空中加/受油機(jī)模擬器視景顯示系統(tǒng)，具體實(shí)施如下。

空中加/受油機(jī)的空中加油，具備加油條件后，飛行員的基本操作按空中會(huì)合、對(duì)接、受油、脫離四個(gè)階段進(jìn)行。在入對(duì)接、受油、脫離階段由于抖動(dòng)、風(fēng)速、風(fēng)向等影響因素，會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂飛機(jī)姿態(tài)與飛行軌跡。在如此復(fù)雜的環(huán)境下，準(zhǔn)確判斷該加油機(jī)與受油飛機(jī)的相對(duì)位置與姿態(tài)關(guān)系，是決定空中加油成功的關(guān)鍵。飛行員的加/受油模擬訓(xùn)練也是按上述條件和階段進(jìn)行。

本實(shí)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(tǒng)相關(guān)零部件與前述實(shí)施例1相同。

另外，本發(fā)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(xùn)練的正常飛行和會(huì)合階段使用離軸虛像顯示的圖像，景深感強(qiáng)；在加/受油訓(xùn)練進(jìn)入對(duì)接、受油、脫離階段前，由投影儀自動(dòng)轉(zhuǎn)換為立體影像模式，即為離軸虛像加立體的復(fù)合顯示模式，增加了近景景深。

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

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。