专利名称：斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法及显示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞行模拟训练领域，具体涉及一种广角无限视景显示技术。
(二)
背景技术：
现有的国内外的广角无限视景显示系统，其斜下视成像距离无法改变，这是由于带散射层 的后投射屏与反射镜之间的相对位置是固定不变的，致使飞行员在系统出瞳处观察时，视觉距 离是一个定值，这样就不能够真实的模拟飞行器起飞与降落时由于飞行器与地面的距离变化而 引起飞行员斜下视视觉距离的变化，使飞行员在现有广角无限视景显示系统下训练无法感觉飞 行器起落时，斜下视距离的视觉变化，使起落飞行训练效果大受影响。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现与飞行器起飞、降落变化速度相对应的斜下视视觉距 离可变式广角无限视景显示方法及显示系统，本发明在保持前视无限远视觉效果的同时，按照 飞行器起落过程的前下视视觉变化的规律及人眼视觉规律的原理，通过成像距离调节机构，来 实现后投射屏下端(与斜下视视觉距离相对应部分)与反射镜焦面下端之间的距离，从而实现 斜下视视觉距离的连续性变化，大大提高飞行训练特别是起落时的训练效果，可以实现与飞行 器起飞、降落变化速度对应的斜下视视觉距离变化。
本发明的斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法是这样实现的通过改变后投射屏 (与斜下视视觉距离相对应部分)外表面上附着的漫反射软膜屏幕下端与后投射屏外表面(即 反射镜的焦面)的距离来实现斜下视视觉距离变化。通过成像距离调节机构的连续性运动，使 漫反射软膜屏幕与后投射屏之间的距离发生连续性变化，从而使斜下视视觉成像距离发生渐进 式变化，即在保证该系统前视及仰视视觉成像距离为无限远不变的前提下，通过改变漫反射软 膜屏幕与后投射屏之间的距离的方法来实现斜下视视觉成像距离的可变。在该变化过程中本系
统内的投影仪随漫反射软膜屏幕的运动对视景图像进行适时校正，此方法能够保证视景图像不 会因为漫反射软膜屏幕的运动而出现畸变的现象，使训练效果大大提高。
本发明的另一目的在于提供一种专用于上述方法的显示系统，它包括投影仪l、后投射屏 2、漫反射软膜屏幕3及其辅助装置、反射镜4，其辅助装置还包括移动支撑架7、步进电机组 8、移动导轨组9、限位机构IO、成像距离调节机构和控制柜。后投射屏2设置在后投射屏固 定底框上，移动导轨组包括滚珠丝杠及精密光电限位开关部件，漫反射软膜屏幕3设置在移动导轨组上，限位机构IO设置在漫反射软膜屏幕的两个运动极限位置，步进电机组8驱动移动 导轨组9，由控制柜实现控制，成像距离调节机构连接漫反射软膜屏幕与后投射屏。
本发明中投影仪1用支撑框架由螺钉连接固定在控制柜的顶部；后投射屏2四周采用复合 材料加工成型的固定框固定，连接到后壁板上，后投射屏2、后壁板及控制柜之间均采用螺钉 连接；漫反射软膜屏幕3上边沿与后投射屏2上边沿均固定在复合材料的固定框内，漫反射软 膜屏幕3的两侧及下边沿均是可以移动的，其下边沿连接在移动导轨组上9，由步进电机组驱 动移动导轨组带动漫反射软膜屏幕3运动，实现广角无限视景显示系统斜下视视觉成像距离的 变化；反射镜的固定采用螺钉连接铝压板条及硅橡胶密封垫紧固在复合材料固定框的四周的方 式连接。
本发明的漫反射软膜屏幕3是由颗粒分布均匀，且有规定的密度，其颗粒的大小接近于光 波长的材料加工成的弹性软膜。
本发明的后投射屏2的面型为高次曲面，本身为高透过率材料经挤压成型的有机玻璃，后 投射屏采用高温负压工艺成型为高次曲面，后投射屏不影响系统成像，其作用是支撑漫反射软 膜屏幕3，使其附着于后投射屏2的外表面，并维持完全附着其上的漫反射软膜屏幕3的面形 与反射镜4的焦面一致。
本发明的反射镜4采用反射率高达95%的双面镀铝薄膜，它的作用是将后投射屏2上每一 像点发出的有效光，经反射镜反射变为近平行光后射入出瞳区5，也就是说在出瞳区内，用人 眼对反射镜进行观察时，会看到相当于无限远的实时景象。薄膜镜头采用负压成形法。木发明 即适用于反射镜面型是非球面也适用于反射镜面型是球面的广角无限视景显示系统。
本发明的工作方式为三台仿真专用投影仪1将图像拼接融合后生成实时视景投射在后投 射屏2上，仿真专用投影仪1能根据视觉距离的变化(即漫反射软膜屏幕的改变)对图像进行 时时校正，可视图像经反射镜4的反射后射向视点区域，在视点区域人眼可观察到相当于无限 远的实时景象。
木发明的工作原理为该系统斜下视部分初始状态为漫反射软膜屏幕3与后投射屏2之间 有一定的距离，这个距离满足飞行器正常在地面上时的下视距离。现以飞行器正常在地面上时 的下视距离5m为例，飞行器起飞前漫反射软膜屏幕与后投射屏底边距离应为210mm，飞行器 起飞过程中两屏距离逐渐变小直至重合，这时系统斜下视视觉距离从近距离5m到无限远(几 百米)的逐渐变化；当飞行器要降落前漫反射软膜屏幕与后投射屏重合，飞行器降落过程中漫 反射软膜屏幕与后投射屏底边距离逐渐变大直至达到210mm，这时系统斜下视景像距离由无 限远(几百米)到近距离5m的逐渐变化。由于漫反射软膜屏幕在与后投射屏分离的过程时， 使其曲面发生变化，成像出现微小畸变，通过投影机的畸变校正进行适时修JH。斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示系统按照飞行器起飞、降落前下视视觉距离变化的规律及人眼的视 觉规律来模拟飞行器起飞与降落时由于飞行器与地面的距离变化而引起飞行员斜下视视觉距 离的变化，该系统可真实模拟飞行器起飞、降落的视觉距离，提高飞行训练效果。本发明采用 的投影仪能够随漫反射软膜屏幕下端与后投射屏下端之间的距离变化过程对视景图像的畸变 及融合进行适时校正。本发明的显示系统，其组成还包括一个用来改变漫反射软膜屏幕下端与 后投射屏之间距离的装置。
本发明的效果有斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示系统具有快速连续改变斜下视 视觉距离的功能，当飞行器起飞或降落时，飞行员的斜下视距离将随飞行器距地面的卨度变化 而变化。普通的广角无限视景显示系统全视场(方位180°，俯仰-25° 20°)内视觉距离相同， 理论值为无限远，但实际值一般为几十米到几百米左右。当飞行器在地面滑行或起飞时，视觉 距离没有变化并且感觉不准，总觉得飞行器没有着落，感觉飞行器距地面很高， 一般感觉在几 十米高。斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示系统可实现与飞行器起降变化速度相对应的 斜下视视觉距离变化，变化规律可满足视觉距离时时变化的要求，该广角无限视景显示系统在 0°到+20°视角内的视觉距离保持远距离视觉效果(视觉距离大于200m)的同时，俯视0°到-25° 视角内的视觉距离由无限远逐渐缩短至5m，此逐渐改变视觉距离的方法符合人眼视觉规律的 实际情况。该系统可真实模拟飞行器起飞、降落的视觉距离变化情况，提高飞行训练效果。
(四)
图1为本发明的系统模拟图2为本发明的系统漫反射软膜屏幕与后投射屏重合时示意图3为本发明的漫反射软膜屏幕与后投射屏幕距离一定时的斜下视视觉景象距离示意图； 图4为本发明的系统漫反射软膜屏幕与后投射屏分开最远距离时的示意图； 图5为本发明的导轨组运动方位及组成示意图； 图6为本发明的导轨组的定位示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明
本发明的斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法是，通过移动后投射屏附着的漫反 射软膜屏幕3与后投射屏2外表面的距离来改变斜下视视觉距离。成像距离调节机构的连续运 动实现漫反射软膜屏幕与后投射屏之间的距离连续变化，使斜下视视觉成像距离也发生渐进式 变化。在保证该系统前视及仰视视觉成像距离为无限远不变的前提下，改变漫反射软膜屏幕与 后投射屏之间的距离实现斜下视视觉成像距离的可变。
本发明的显示系统，包含一个改变后投射屏外表面上附着的漫反射软膜屏幕的装置，后投射屏2设置在后投射屏固定底框6上，移动导轨组9包括滚珠丝杠及精密光电限位开关部件， 漫反射软膜屏幕3设置在移动导轨组上，机械限位机构10设置在漫反射软膜屏幕的两个运动 极限位置，步进电机组8驱动移动导轨组，由控制柜实施控制，成像距离调节机构连接漫反射 软膜屏幕3与后投射屏2。
结合图l-图6，本发明系统用七个不同位置的步进电机带动各自组的移动导轨组部件进行 运动。实施过程如下
以飞行器正常在地面上时的下视距离5m为例，实施过程为飞行器起飞过程时，飞行器在 跑道上滑行状态时漫反射软膜屏幕3与后投射屏2外表面之间处于张开状态，当飞行器离开地 面的瞬间，系统反馈启动信号给步进电机组，飞行器系统按照自身起飞(降落〉过程中距离地 面高度的变化为步进电机组适时反馈信号，从而步进电机组带动漫反射软膜屏幕在导轨组上进 行运动，该运动过程斜下视视觉距离是逐渐变远的过稃，当飞行器起飞高度达到200m时，系 统反馈停止运动信号给步进电机组8，此时滚珠丝杠上的滑块刚好接触精密光电限位开关，限 位开关反馈停止运动信号给步进电机组，步进电机组停止运动，这时漫反射软膜屏幕正好到达 预定位置，a值为O时的位置，此时漫反射软膜屏幕3与后投射屏2重合，斜下视视觉距离为 无限远；实施过程为飞行器降落时，飞行器降落高度至200m时，飞行器系统按照自身起飞(降 落)过程中距离地面高度的变化为步进电机组适时反馈信号，从而步进电机组带动漫反射软膜 屏幕在导轨组上进行运动，该运动过程斜下视视觉距离是逐渐变近的过程，当飞行器降落至地 面时，系统反馈停l卜.运动信号给步进电机组8，此时滚珠丝杠上的滑块刚好接触另一端的精密 光电限位开关，限位开关反馈停止运动信号给步进电机组，步进电机组停止运动，这时漫反射 软膜屏幕正好到达预定位置，漫反射软膜屏幕3与后投射屏2底边之间最大的距离为210mm， 此时俯视地面的视觉距离为5m。为保证此方案的安全性，在漫反射软膜屏幕两个运动极限位 置设计精密定位的精密光电限位开关及机械强制定位机构。导轨组运动方位及结构组成如图5 所示，导轨组的定位如图6所示。
图2所示，本发明的系统漫反射软膜屏幕3与后投射屏2重合时示意图，来自投影仪l图 像首先成像于漫反射软膜屏幕3上，经过散射作用后作为像面，该像面为反射镜4的焦面，再 经反射镜4成像于无穷远处，最终受训人员在出瞳区5可以观察到无穷处的虚像。
图4所示，本发明的系统漫反射软膜屏幕3与后投射屏2分开时示意图，斜下视视觉距离 可变式广角无限视景显示系统的工作机理是改变漫反射软膜屏幕3与后投射屏2外表面之间的 距离来实现与飞行器起飞、降落变化速度相对应的斜下视视觉距离发生渐进式变化，从而使飞 行训练效果大大提高。
根据高斯公式可知/ :漫反射软膜屏幕3上的图像到反射镜4主面的距离即物距； /':漫反射软膜屏幕3上的图像通过反射镜4反射所成像的像距；
反射镜的像方焦距(反射镜的焦面至主面的距离)。 注该系统以反射镜4面型为球面为例，系统成像为无限远虚像，所以/'=及/2。 A点对反射镜4的物距/如公式②。
<formula>formula see original document page 8</formula> ②
":漫反射软膜屏幕3上的A点到后投射屏2光线透射点的距离；
将公式②代入公式①可以得到系统的像距。
<formula>formula see original document page 8</formula>③
当漫反射软膜屏幕3与后投射屏2距离重合，即3=0,将^0代入公式③，得到/'为无穷 大，即漫反射软膜屏幕3上的图像在反射镜4后无穷远处成虚像，这时受训者的下视视觉距 离为无穷远，如图2所示；当漫反射软膜屏幕3与后投射屏2存在距离时，即『210mm，将 a=210mm代入公式③，得到/'为5m，即漫反射软膜屏幕3上的图像在反射镜4后5m处成虚 像，这时受训者的下视视觉距离为5m，如图4所不。
B点为漫反射软膜屏幕与后投射屏的相切点。C点为漫反射软膜屏幕与后投射屏重合时， 下视角一25°的成像点。当漫反射软膜屏幕3与后投射屏2距离一定时，漫反射软膜屏幕3从 B点到C点之间各个点距离后投射屏2的距离逐渐变大。A点为漫反射软膜屏幕上B、 C之间 的任意一点。根据公式③可以得到漫反射软膜屏幕3上的A点在反射镜4后有限远处成虚像。 这时受训者通过反射镜4观察到漫反射软膜屏幕3上从B点到C点的虚像视觉距离为从无穷 远到有限远，从而模拟地平线(B点所成的像的位置)前视视觉景象由无穷远到离观察者最近 的机场跑道(C点所成的像)至地面的斜下视视觉景象过程，即下视角-25° (C点)时的视觉 景象距离为5m,如图3所示。
通过逐渐改变本实施例中漫反射软膜屏幕3与后投射屏2下端(与斜下视视觉景象对应部 分)的距离的大小，就可以改变B点(地平线位置)在后投射屏上的位置，从而模拟飞行器 起飞、降落时地平线位置的改变，从而实现斜下视视觉距离的逐渐变化。即当B点与C点重 合时该广角无限视景显示系统视觉景象距离均为无限远；当B点与C点不重合时，B、 C两点之间的视觉景象距离为有限距离，且由B点移动到C点视觉景象距离是逐渐变小，如图4所
权利要求
1. 一种斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法，其特征在于它是这样实现的通过连续改变后投射屏(2)下端即斜下视视觉距离对应的部分与反射镜(4)焦面下端之间的距离，从而实现斜下视视觉距离的连续性变化，该变化按照飞行器起落过程的视觉变化规律及人眼视觉规律，模拟飞行器起落过程的斜下视视觉变化。
2. 根据权利要求1所述的斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法，其特 征在于它是采用具有弹性变形特性的漫反射软膜屏幕(3)附着在后投射屏(2)外 表面上的方式，通过成像距离调节机构的连续性运动，使漫反射软膜屏幕(3)的 下端与后投射屏(2)即反射镜(4)的焦面下端之间的距离发生连续性变化，从而 使斜下视视觉成像距离发生渐进式变化，即在保证该系统前视及仰视视觉成像距离 为无限远不变的前提下，通过改变漫反射软膜屏幕与后投射屏之间的距离的方法来 实现斜下视视觉成像距离的可变。
3. 根据权利要求2所述的斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法，其特 征在于它采用的投影仪能够随漫反射软膜屏幕(3)下端与后投射屏(2)下端之间 的距离变化过程对视景图像的畸变及融合进行适时校正。
4. 根据权利要求1所述的斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示系统，它包 括投影仪(1)、后投射屏(2)、漫反射软膜屏幕及辅助装置(3)、反射镜(4)，辅 助装置是 一个调节漫反射软膜屏幕(3)与后投射屏(2)之间的距离发生连续变 化的装置，由移动支撑架(7)、步进电机组(8)、移动导轨组(9)、限位机构(10)、 成像距离调节机构和控制柜组成。后投射屏(2)设置在后投射屏固定底框(6)上， 移动导轨组(9)包括滚珠丝杠及精密光电限位开关部件，漫反射软膜屏幕(3)设 置在移动导轨组(9)上，限位机构(10)设置在漫反射软膜屏幕的两个运动极限 位置，步进电机组(8)驱动移动导轨组(9)，由控制柜实现控制，成像距离调节 机构连接漫反射软膜屏幕(3)与后投射屏(2)。
5. 根据权利要求4所述的斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法，其特 征在于反射镜(4)面型是非球型面或球型面。
6. 根据权利要求4所述的斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法，其特 征在于后投射屏(2)的散射层为漫反射软膜屏幕(3)，漫反射软膜屏幕是由颗粒 分布均匀，且有一定的密度，其颗粒的大小接近于光波长的材料加工成的弹性软膜。
7.根据权利要求6所述的斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示系统，其特 征在于后投射屏(2)的面型为高次曲面，本身材质为高透过率材料的有机玻璃， 后投射屏采用高温负压成型工艺成型为高次曲面，后投射屏(2)不影响系统成像， 其作用是支撑漫反射软膜屏幕(3)，使其附着于后投射屏(2)的外表面，并维持 附着其上的漫反射软膜屏幕(3)的面形与反射镜(4)的焦面一致。
全文摘要
本发明公开了一种斜下视视觉距离可变式广角无限视景显示方法及显示系统，通过连续改变后投射屏下端与反射镜焦面下端之间的距离，从而实现斜下视视觉距离的连续性变化，该变化按照飞行器起落过程的视觉变化规律及人眼视觉规律，模拟飞行器起落过程的斜下视视觉变化，提高飞行训练特别是起落时的训练效果。本发明采用具有弹性变形特性的漫反射软膜屏幕附着在后投射屏外表面上的方式，通过成像距离调节机构的连续性运动，使漫反射软膜屏幕的下端与后投射屏下端之间的距离发生连续性变化，从而使斜下视视觉成像距离发生渐进式变化，即通过改变漫反射软膜屏幕与后投射屏之间的距离的方法来实现斜下视视觉成像距离的可变。
文档编号G09B9/02GK101286276SQ20081006455
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者康为民 申请人:哈尔滨工业大学