專利名稱：一種飛行模擬訓(xùn)練的雙非球面虛像顯示方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)一種飛行模擬訓(xùn)練的雙非球面虛像視景顯示方法，是針對(duì)飛行模擬訓(xùn) 練虛像顯示系統(tǒng)需要顯示圖像的大視場(chǎng)角，同時(shí)還提供了適用于該方法的顯示系統(tǒng)，屬于 飛行模擬訓(xùn)練的光學(xué)顯示領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前飛行模擬訓(xùn)練離軸虛像顯示系統(tǒng)，均為由一個(gè)反射鏡和一個(gè)后投屏組成的單 一的離軸型虛像顯示系統(tǒng)。由投影器發(fā)出的圖像投射在后投屏上，在后投屏上形成視景圖 像；后投屏放置在反射鏡的焦面附近，后投屏上的視景圖像的散射光線經(jīng)反射鏡后，人眼會(huì) 看到一個(gè)正立的虛像。此類顯示系統(tǒng)最大垂直視角在40-45度左右。而現(xiàn)代飛行模擬訓(xùn)練視景顯示需要垂直視場(chǎng)角在60度以上的大視場(chǎng)，單一的離 軸型虛像顯示系統(tǒng)已達(dá)不到飛行模擬訓(xùn)練需要大視場(chǎng)顯示的要求了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)一種飛行模擬訓(xùn)練的雙非球面虛像顯示方法，采用雙非標(biāo)準(zhǔn)球面反射 鏡用于飛行模擬訓(xùn)練的虛像顯示，為解決飛行模擬訓(xùn)練視景虛像顯示大視場(chǎng)的需要。本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，達(dá)到了飛行模擬訓(xùn)練需要大視場(chǎng)顯示的要 求。本發(fā)明公開(kāi)了飛行模擬訓(xùn)練虛像顯示系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的曲 面形狀和后投屏的形狀。本發(fā)明的技術(shù)解決方案包括
設(shè)置兩個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，分別構(gòu)成兩個(gè)離軸型虛像顯示系統(tǒng)；每一個(gè)虛像顯示系 統(tǒng)對(duì)于人眼位置形成一個(gè)虛像面。兩個(gè)離軸型虛像顯示系統(tǒng)在光路上準(zhǔn)確對(duì)接，將兩個(gè)虛 像面組合成了一個(gè)整體的、大視場(chǎng)的虛像顯示像面。由上、下兩個(gè)離軸型虛像顯示子系統(tǒng)組成，通過(guò)光學(xué)原理使上、下兩個(gè)顯示子系統(tǒng) 相對(duì)人眼形成的兩個(gè)虛像面AB和BC在光路上是準(zhǔn)確對(duì)接的，即上視場(chǎng)光線b與下視場(chǎng)光 線c經(jīng)過(guò)兩個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡后所形成的反射光線為同一條，虛像面AB和BC在此處為 連續(xù)的，且圖像的遠(yuǎn)近在此對(duì)接處相同，使人眼所看到的圖像成為一個(gè)視景圖像連續(xù)的、大 視場(chǎng)的虛像顯示像面。本發(fā)明雙非球面虛像顯示系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如下
包括一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面準(zhǔn)直反射鏡、一個(gè)后投屏和一組投影器構(gòu)成上視場(chǎng)離軸型虛像顯 示系統(tǒng)，且反射鏡、后投屏與人眼均不同軸；由一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡、一個(gè)后投屏和一組 投影器構(gòu)成下視場(chǎng)離軸型虛像顯示系統(tǒng)；
上視場(chǎng)離軸虛像顯示系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的逼近半徑為R1，位于人眼的前方， 與人眼水平距離L1=O. QlR1,上邊緣距離人眼高度為H1=O. 36禮；后投屏位于非標(biāo)準(zhǔn)球面準(zhǔn) 直鏡與人眼之間，位置及形狀由視距要求與反射成像關(guān)系確定；投影器組位于后投屏的后方，要求投影圖像充滿后投屏；下視場(chǎng)離軸虛像顯示系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的逼近半 徑為R2, R2=O. 7禮，位于人眼的下前方，與人眼水平距離L2=O. 72 ，上邊緣距離人眼高度為 H2=O. 31R2 ；后投屏位于非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡與人眼之間，位置及形狀由視距要求與反射成像 關(guān)系確定；投影器組位于后投屏的后方，投影光線充滿后投屏；
投影器發(fā)出光線a、b之間的圖像投射在后投屏上，在后投屏上形成一個(gè)視景圖像，后 投屏放置在非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的焦面附近，位置及形狀通過(guò)視距要求與反射成像關(guān)系得 到；后投屏表面覆蓋一層漫反射材料，后投屏上的視景圖像的散射光線經(jīng)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射 鏡反射后，人眼會(huì)看到一個(gè)正立的虛像AB ；投影器發(fā)出的圖像(光線c、d之間)投射在后投 屏上，在后投屏上形成一個(gè)視景圖像；后投屏表面也為一層漫反射材料，其上的視景圖像的 散射光線經(jīng)非球面反射鏡反射后，人眼會(huì)看到一個(gè)正立的虛像BC ；兩個(gè)反射鏡所形成的兩 個(gè)虛像AB、BC通過(guò)光路是完全對(duì)接的，即光線b、c相對(duì)人眼處的反射光線完全重合，圖像 AB與BC共同組合成一個(gè)圖像連續(xù)的、無(wú)接縫的大視場(chǎng)虛像顯示像面。所述系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的面形為非標(biāo)準(zhǔn)球面形狀；
整個(gè)反射鏡粗看起來(lái)類似一個(gè)球面，其面形為幾個(gè)不同曲率半徑的面形組合成的一 個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球形曲面；越靠近曲面上、下邊緣處，反射鏡面形的曲率半徑越小，而靠近反射鏡 中間部分的曲率半徑稍大些；整個(gè)反射鏡的面形由不同曲率半徑的曲面組合而成，且不同 曲面的曲率半徑之間是逐漸逼近的；反射鏡的逼近半徑為R時(shí)，其中間部分的曲率半徑為 1. 2R，逐漸過(guò)渡到上、下邊緣處曲率半徑為0. 75R。所述系統(tǒng)中的后投屏的形狀為非球面形狀，表面覆蓋一層漫反射材料；
后投屏的形狀及位置通過(guò)視距要求與反射成像得到；沿軸線切面輪廓曲線，靠近上邊 緣的曲率半徑小，靠近下邊緣的曲率半徑大；不同曲率半徑之間是逐漸逼近的，構(gòu)成平滑的 外輪廓曲線；后投屏外表面覆蓋一層漫反射材料。本發(fā)明積極效果在于將兩個(gè)離軸虛像顯示系統(tǒng)通過(guò)光路對(duì)接的方法，利用兩個(gè) 離軸型虛像顯示系統(tǒng)組合成一個(gè)圖像整體連續(xù)的、大視場(chǎng)的虛像顯示系圖像，垂直視場(chǎng)角 遠(yuǎn)大于單一離軸型虛像顯示系統(tǒng)的垂直視場(chǎng)角，可接近單一離軸型虛像顯示系統(tǒng)的2倍， 滿足飛行模擬訓(xùn)練需要大視場(chǎng)顯示的要求。


圖1為本發(fā)明虛像顯示系統(tǒng)原理圖中，投影器組1 ；后投屏2 ；非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡3 ；人眼4 ；投影器組5 ；后投屏6 ；非標(biāo) 準(zhǔn)球面反射鏡7 ；正立的虛像AB ；正立的虛像BC ；光線a ；光線b ；光線c ；光線d。圖2為本發(fā)明虛像顯示系統(tǒng)位置圖中，投影器組1 ；后投屏2 ；非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡3 ；人眼4 ；投影器組5 ；后投屏6 ；非標(biāo) 準(zhǔn)球面反射鏡7 ；非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡3與人眼4水平距離為L(zhǎng)1 ；非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡3上邊緣 距人眼4高度為H1 ；非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡7與人眼4水平距離為L(zhǎng)2 ；非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡7上 邊緣距人眼4高度為H2。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖1所示，由一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面準(zhǔn)直反射鏡3、一個(gè)后投屏2和一組投影器1構(gòu)成上視 場(chǎng)離軸型虛像顯示系統(tǒng)，且準(zhǔn)直反射鏡、后投屏與人眼均不同軸；由一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面準(zhǔn)直反 射鏡7、一個(gè)后投屏6和一組投影器5構(gòu)成下視場(chǎng)離軸型虛像顯示系統(tǒng)。投影器1發(fā)出的圖像(光線a、b之間)投射在后投屏2上，在后投屏2上形成一個(gè) 視景圖像，后投屏2的位置由視距與光路的成像確定；后投屏2表面覆蓋一層漫反射材料， 后投屏2上的視景圖像的散射光線經(jīng)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡3反射后，人眼4會(huì)看到一個(gè)正立 的虛像AB。投影器5發(fā)出的圖像(光線c、d之間)投射在后投屏6上，在后投屏上形成一個(gè) 視景圖像；后投屏6的位置由視距與光路的成像確定，后投屏6表面也為一層漫反射材料， 其上的視景圖像的散射光線經(jīng)非球面反射鏡7反射后，人眼會(huì)看到一個(gè)正立的虛像BC。兩 個(gè)反射鏡所形成的兩個(gè)虛像AB、BC是完全對(duì)接的，即光線b、c相對(duì)人眼處的反射光線完全 重合，圖像A與B共同組合成一個(gè)圖像連續(xù)的、無(wú)接縫的大視場(chǎng)虛像顯示像面。參見(jiàn)圖2，以人眼為基準(zhǔn)，前方1米左右范圍為座艙空間，上、下視場(chǎng)顯示系統(tǒng)不能 占用此空間。上視場(chǎng)的非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡3的逼近半徑為3. 5米，其中間部分的曲率半徑為4. 2 米，靠近邊緣處曲率半徑為2. 625米；反射鏡3與人眼4的水平距離L1為3. 185米，上邊緣 距離人眼4高度H1為1. 26米；后投屏2為光路成像得到的非球面形狀；投影器1由三個(gè)投 影器組合而成一組，由自身投影關(guān)系確定與后投屏2的水平距離，上述結(jié)構(gòu)組成一個(gè)上視 場(chǎng)離軸虛像顯示系統(tǒng)。下視場(chǎng)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡7的逼近半徑為2. 45米，反射鏡7與人眼 4的水平距離L2為1. 76米，上邊緣距離人眼4高度H2為0. 76米；由自身投影關(guān)系確定投 影器5與后投屏6的距離，組成下視場(chǎng)離軸虛像顯示系統(tǒng)。上、下兩個(gè)離軸虛像顯示系統(tǒng)構(gòu) 成一個(gè)整體圖像連續(xù)的大視場(chǎng)顯示系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種飛行模擬訓(xùn)練的雙非球面虛像顯示方法，其特征在于設(shè)置兩個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，分別構(gòu)成兩個(gè)離軸型虛像顯示系統(tǒng)；每一個(gè)虛像顯示系 統(tǒng)對(duì)于人眼位置形成一個(gè)虛像面；兩個(gè)離軸型虛像顯示系統(tǒng)在光路上準(zhǔn)確對(duì)接，將兩個(gè)虛 像面組合成了一個(gè)整體的、大視場(chǎng)的虛像顯示像面；由上、下兩個(gè)離軸型虛像顯示子系統(tǒng)組成，通過(guò)光學(xué)成像原理使上、下兩個(gè)顯示子系統(tǒng) 相對(duì)人眼形成的兩個(gè)虛像面AB和BC在光路上是準(zhǔn)確對(duì)接的，即上視場(chǎng)光線b與下視場(chǎng)光 線c經(jīng)過(guò)兩個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡后所形成的反射光線為同一條，虛像面AB和BC在此處為 連續(xù)的，且圖像的遠(yuǎn)近在此對(duì)接處相同，使人眼所看到的圖像成為一個(gè)視景圖像連續(xù)的、大 視場(chǎng)的虛像顯示像面。
2.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的系統(tǒng)，包括一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面準(zhǔn)直反射鏡、一個(gè)后投屏和 一組投影器構(gòu)成上視場(chǎng)離軸型虛像顯示系統(tǒng)，且準(zhǔn)直反射鏡、后投屏與人眼均不同軸；由一 個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡、一個(gè)后投屏和一組投影器構(gòu)成下視場(chǎng)離軸型虛像顯示系統(tǒng)；上視場(chǎng)離軸虛像顯示系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的逼近半徑為隊(duì)，位于人眼的前方， 與人眼水平距離L1=O. QlR1,上邊緣距離人眼高度為H1=O. 36禮；后投屏位于非標(biāo)準(zhǔn)球面準(zhǔn) 直鏡與人眼之間，位置及形狀由視距要求與反射成像關(guān)系確定；投影器組位于后投屏的后 方，要注投影圖像充滿后投屏；下視場(chǎng)離軸虛像顯示系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的逼近半 徑為R2, R2=O. 7禮，位于人眼的下前方，與人眼水平距離L2=O. 72 ，上邊緣距離人眼高度為 H2=O. 31R2 ；后投屏位于非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡與人眼之間，位置及形狀由視距要求與反射成像 關(guān)系確定；投影器組位于后投屏的后方，投影光線充滿后投屏；投影器發(fā)出光線a、b之間的圖像投射在后投屏上，在后投屏上形成一個(gè)視景圖像，后 投屏放置在非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的前方，位置及形狀通過(guò)視距要求與反射成像關(guān)系得到；后 投屏表面覆蓋一層漫反射材料，后投屏上的視景圖像的散射光線經(jīng)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡反射 后，人眼會(huì)看到一個(gè)正立的虛像AB ；投影器發(fā)出的圖像(光線c、d之間)投射在后投屏上，在 后投屏上形成一個(gè)視景圖像；后投屏表面也為一層漫反射材料，其上的視景圖像的散射光 線經(jīng)非球面反射鏡反射后，人眼會(huì)看到一個(gè)正立的虛像BC ；兩個(gè)反射鏡所形成的兩個(gè)虛像 AB、BC通過(guò)光路是完全對(duì)接的，即光線b、c相對(duì)人眼處的反射光線完全重合，圖像AB與BC 共同組合成一個(gè)圖像連續(xù)的、無(wú)接縫的大視場(chǎng)虛像顯示像面。
3.權(quán)利要求1所述方法的系統(tǒng)，其特征在于非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的面形為非標(biāo)準(zhǔn)球面形狀；整個(gè)反射鏡粗看起來(lái)類似一個(gè)球面，其面形為幾個(gè)不同曲率半徑的面形組合成的一個(gè) 非標(biāo)準(zhǔn)球形曲面；越靠近曲面上、下邊緣處，反射鏡面形的曲率半徑越小，而靠近反射鏡中 間部分的曲率半徑稍大些；整個(gè)反射鏡的面形由不同曲率半徑的曲面組合而成，且不同曲 面之間的曲率半徑之間是逐漸逼近的；反射鏡的逼近半徑為R時(shí)，其中間部分的曲率半徑 為1. 2R，逐漸過(guò)渡到上、下邊緣處曲率半徑為0. 75R。
4.權(quán)利要求1所述方法的系統(tǒng)，其特征在于后投屏的形狀為非球面形狀，表面覆蓋一層漫反射材料；后投屏的形狀及位置通過(guò)視 距要求與反射成像得到；沿軸線切面輪廓曲線，靠近上邊緣的曲率半徑小，靠近下邊緣的曲 率半徑大；不同曲率半徑之間是逐漸逼近的，構(gòu)成平滑的外輪廓曲線；后投屏外表面覆蓋 一層漫反射材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種飛行模擬訓(xùn)練的雙非球面虛像視景顯示方法及系統(tǒng)，設(shè)置兩個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，分別構(gòu)成兩個(gè)離軸型虛像顯示系統(tǒng)；每一個(gè)虛像顯示系統(tǒng)對(duì)于人眼位置形成一個(gè)虛像面；兩個(gè)離軸型虛像顯示系統(tǒng)在光路上準(zhǔn)確對(duì)接，將兩個(gè)虛像面組合成了一個(gè)整體的、大視場(chǎng)的虛像顯示像面；本發(fā)明將兩個(gè)離軸虛像顯示系統(tǒng)通過(guò)光路對(duì)接的方法，利用兩個(gè)離軸型虛像顯示系統(tǒng)組合成一個(gè)圖像整體連續(xù)的、大視場(chǎng)的虛像顯示系圖像，垂直視場(chǎng)角遠(yuǎn)大于單一離軸型虛像顯示系統(tǒng)的垂直視場(chǎng)角，可接近單一離軸型虛像顯示系統(tǒng)的2倍，滿足飛行模擬訓(xùn)練需要大視場(chǎng)顯示的要求。
文檔編號(hào)G02B27/00GK102096193SQ20111004361
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者倪平濤, 倪政國(guó), 宋慧營(yíng), 李曉強(qiáng), 李立新, 林以軍 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍航空大學(xué)