一种自由曲面投影屏幕的离轴虚像显示系统的制作方法

本发明属于仿真系统视景光学技术领域，具体涉及一种应用自由曲面投影屏幕的离轴虚像显示系统。

背景技术：

离轴虚像显示系统具有景深感强、成像逼真度高等特点，能给人一种身临其境般的视觉感受，因而被大型高档飞行模拟器广泛采用。

由于采用离轴方式，球面准直镜的半径比较大，一般可达2～3.5m，水平视场角可达150°～220°，垂直视场可达40°～60°。从成像原理上看，其优点是光能损失小、亮度高，产生的图像可近似于空中的亮度。球面准直镜结构上属于球的下半部分，眼点不在其光轴，座舱附近的杂散光线不会通过镜面反射到飞行员视场内，而且当观察者远离光轴时图像畸变小，因而飞行员观察视景时头部活动范围大。

由于该系统是离轴光学系统，即系统的物与所产生的像偏离光轴，因而光学系统不完全满足近轴光学的公式和规律，将离轴光线投影到轴上进行计算后仍有误差存在，需要合理地选择后投射屏的位置和面形，确保图像的非线性失真最小。

目前离轴虚像系统中校正像差的方法主要采用高次非球面反射镜，投影屏平面设计后绕旋转轴旋转成型，使用软件对图像进行校正。高次非球面反射镜制造难度大，成本高，视场受到限制；旋转成型的投影屏在水平视场较大时，因眼点偏离旋转轴，加之离轴系统对光路计算的影响，视场中心图像和边缘差异较大；使用软件校正不能从本质上校正像差，只能对畸变与颜色、亮度融合提供帮助。

因此，需要开发一种新的模拟器离轴虚像显示系统，以解决目前离轴虚像显示系统制造成本高、图像的非线性失真大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为针对现有离轴虚像显示系统制造成本高、图像的非线性失真大的问题，提供了一种自由曲面投影屏幕的离轴虚像显示系统，两个不同方案均采用了自由曲面投影屏幕，从硬件方面提供了提高成像质量、降低像差的解决方案。

本发明采用如下技术方案来实现。

一种自由曲面投影屏幕的离轴虚像显示系统，主要包括投影机、平面反射镜、正投影屏幕、球面准直反射镜；其中，平面反射镜、投影机与正投影屏幕由上而下设置在球面准直反射镜的向心凹面侧；具体地，所述正投影屏幕的面型是一个自由曲面，放置在球面准直反射镜的一倍焦距处，并且使得投影机投射出来的光线经平面反射镜反射后能够照在正投影屏幕上；经正投影屏幕反射后的光线，投射在球面准直反射镜上，且能够在眼点处形成正立的虚像；所述眼点位于正投影屏幕的下方，且在球面准直反射镜的一倍焦距之外。

所述球面准直反射镜采用轻质结构玻璃钢蜂窝材料，外表面复合预渗玻璃布，经过真空加温固化，内表面固定反射膜而成。

所述正投影屏幕采用复合玻璃钢材料制成屏，相对球面准直反射镜一侧的表面外凸，并在该外凸表面喷涂增益漆。

所述正投影屏幕具有漫反射性能。

本发明的另外一种自由曲面投影屏幕的离轴虚像显示系统，主要包括投影机、背投影屏幕、球面准直反射镜；其中，投影机与背投影屏幕由上而下设置在球面准直反射镜的向心凹面侧；具体地，所述背投影屏幕的面型是一个自由曲面，放置在球面准直反射镜的一倍焦距处，并且使得投影机投射出来的光线能够照在背投影屏幕上；背投影屏幕上的光线投射在球面准直反射镜上，且能够在眼点处形成正立放大的虚像；所述眼点位于背投影屏幕的下方，且在球面准直反射镜的一倍焦距之外。

所述背投影屏幕由复合材料制成的整体框架和有机玻璃屏幕组成。

所述背投影屏幕靠近球面准直反射镜的外表面喷涂专用散射层涂料。

本发明的自由曲面投影屏幕离轴虚像显示系统，采用了具有自由曲面的双曲面面型，降低了制造成本且成像质量高。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为本发明的正投离轴虚像显示系统原理图；

图2为本发明的背投离轴虚像显示系统原理图；

附图标记说明：1-投影机，2-平面反射镜，3-正投影屏幕，4-球面准直反射镜，5-眼点，6-背投影屏幕。

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。

本发明的离轴虚像显示系统的投影屏幕可以设计成正投影屏幕和背投影屏幕两种结构形式，以下将分别进行阐述。

实施例1

如图1所示，本发明的自由曲面投影屏幕的离轴虚像显示系统，包括投影机1，平面反射镜2，正投影屏幕3，球面准直反射镜4。其中，投影机1，平面反射镜2，正投影屏幕3由上而下设置在球面准直反射镜4的向心凹面侧。

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

球面准直反射镜4的向心凹面侧的形状为球面镜的一部分。球面准直反射镜4采用轻质结构玻璃钢蜂窝材料，外表面复合预渗玻璃布，经过真空加温固化，内表面固定反射膜而成。

所述正投影屏幕3采用复合玻璃钢材料制成，正投影屏幕3靠近球面准直反射镜的外表面喷涂增益漆。正投影屏幕3的面型及位置根据球面准直反射镜4上物点反追迹形成初始像面，并经过垂轴像差计算反复优化获得。本实施例的正投影屏幕3的面型为一自由曲面。

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

所述投影机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。

本发明的正投离轴虚像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曲面屏幕上，在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。由于曲面屏幕位于球面准直反射镜的一倍焦距之内，所以双曲面幕上的画面在球面准直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机位于正投虚像显示系统正投影屏幕的同一侧，从投影机1发射光线至平面反射镜2，光线经平面反射镜2反射后在正投影屏幕3上散射成图像，图像经球面准直反射镜4反射后在眼点5处成正立放大虚像。此实施例中应用平面反射镜2只是单纯的为了减小光路尺寸，从而减小整个系统的尺寸。投影机1个数的选取以正投影屏幕3刚好被打满为宜。

实施例2

如图2所示，本发明的另外一种离轴虚像显示系统实施方式，主要包括投影机1、背投影屏幕6、球面准直反射镜4；其中，投影机1与背投影屏幕6由上而下设置在球面准直反射镜4的向心凹面侧；具体地，背投影屏幕6放置在球面准直反射镜4的一倍焦距处，并且使得投影机1投射出来的光线能够照在背投影屏幕6上；背投影屏幕6上的光线投射在球面准直反射镜4上，且能够在眼点5处形成正立放大的虚像；所述眼点5位于背投影屏幕6的下方，且在球面准直反射镜4的一倍焦距之外。

本实施例中的背投影屏幕6采用航空级有机玻璃屏幕和复合材料制成的整体框架组成。背投影屏幕靠近球面准直反射镜的外表面喷涂专用散射层涂料，形成一种具有散射性能的投射屏。

本实施例中的其他硬件系统相关零部件与前述实施例1相同。

本发明的背投离轴虚像显示系统的工作原理大致描述如下：

投影机1发射光线至背投影屏幕6，光线经背投影屏幕6上散射层散射成图像，图像经球面准直反射镜4反射后在眼点5处成正立放大虚像。

另外，本发明的正投影屏幕和背投影屏幕的面型均可为双曲面。

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。