大视场角离轴虚像显示系统的制作方法

本申请涉及飞行模拟器制造技术领域，尤其涉及一种大视场角离轴虚像显示系统。

背景技术：

由于直升机飞行员在飞行过程中通过飞机舷窗看到的视野较大，特别是在起飞、悬停及降落时，多通过飞行员观察外界下部视场环境进行飞行驾驶判断，因此，对于用于飞行训练的飞行模拟器的视景显示系统的视场角的要求就比较高，一般是下视场角不小于40°，上视场角不小于20°，即垂直视场角大于或等于60°，方可满足飞行训练对于视场角的要求，且视场角越大越符合飞行员真实飞行训练时通过飞机舷窗看到的视野的情况。

然而，现有技术中的飞行模拟器的视景显示系统所能达到的垂直视场角最大为60°，只能基本满足飞行训练对于视场角的要求，很多飞行模拟器的视景显示系统根本达不到垂直视场角60°，为40°的居多，对于垂直视场角大于60°的大视场角的视景显示系统，目前的现有技术中基本处于空白状态，现有的视景显示系统不能很好的达到国际范围内视景显示系统关于视场角的指标，不能很好的满足着舰、对地、对海训练的使用要求，这极大限制了飞行模拟器仿真模拟飞行训练场景的水平，飞行员通过该飞行模拟器进行飞行训练时场景的真实性欠佳。此外，视景显示系统在追求大视场角的同时，也要保证其成像质量，这也是现有的视景显示系统难以达到垂直视场角大于60°的主要原因。

技术实现要素：

本申请提供了一种大视场角离轴虚像显示系统，以解决现有视景显示系统中缺乏垂直视场角大于或等于60°并同时保证成像质量的视景显示系统的问题，提高了飞行模拟器的仿真水平。

本申请的第一方面提供了一种大视场角离轴虚像显示系统，包括投影仪、投影屏和球面反射镜，所述投影仪发出光直射至所述投影屏上，经所述投影屏反射或折射至所述球面反射镜上，经所述球面反射镜反射进入人眼，所述人眼所在位置为光学眼点，所述投影屏为双曲率二次曲面面型光学投影屏，其面型方程式为：

其中，双曲率二次曲面横轴曲率cx＝1/rx＝1/(-3199.67)，双曲率二次曲面纵轴曲率cy＝1/ry＝1/(-3178.66)，双曲率二次曲面横轴系数kx＝0.107，双曲率二次曲面纵轴系数ky＝0.371，x为横轴坐标，y为纵轴坐标。

本申请所提供的大视场角离轴虚像显示系统的双曲率二次曲面面型光学投影屏可以通过光学系统面型构建并根据具体的面型结构制造得到，该双曲率二次曲面面型光学投影屏为自由曲面光学投影屏，与现有的球面投影屏或球面基轮胎面投影屏相比，其面型具有更大的自由度，可大幅度减小成像畸变与像距变化，保证甚至提高大视场角离轴虚像显示系统全视角范围内的成像质量，同时，其面形结构足可以使该大视场角离轴虚像显示系统的垂直视场角达到大于或者等于60°的大视场角要求，本申请所提供的大视场角离轴虚像显示系统可以提供较高的成像质量及大视场角标准，极大提升了飞行员的训练场景真实性、沉浸感与生理舒适感，解决了现有视景显示系统中缺乏垂直视场角大于或等于60°并同时保证成像质量的视景显示系统的问题，提高了飞行模拟器的仿真水平。

进一步的，所述球面反射镜的球面半径为3300mm，所述光学眼点到所述球面反射镜的球心的水平距离为250mm，垂直距离为1565mm，所述球面反射镜的水平视场角为200°，垂直视场角为65°，所述垂直视场角的上视场角为20°，下视场角为45°。

上述实施例的垂直视场角达到了65°，实现了垂直视场角大于60°的水平，且其水平视场角也相对较大，达到了200°，这可以大幅度的提升飞行员的沉浸感与生理舒适性，有效防止眩晕情况的发生，真实感更强，有效提升了飞行模拟器的仿真水平，达到了较高的国际范围内关于虚像显示系统的视场角指标，高水准的满足了着舰、对地、对海训练使用要求。

本申请的第二方面提供了一种大视场角离轴虚像显示系统，包括投影仪、投影屏和球面反射镜，所述投影屏为双曲率泽尼克面型光学投影屏，其面型方程式为：

其中，双曲率二次曲面横轴曲率cx＝1/rx＝1/(-3280.16)，双曲率二次曲面纵轴曲率cy＝1/ry＝1/(-3225.12)，双曲率二次曲面横轴系数kx＝0.11，双曲率二次曲面纵轴系数ky＝0.345，αi、βi和ai分别为自由曲面项每项对应的系数，α2＝1.377e-04，α4＝-2.673e-10，α6＝7.41e-17，α8＝-7.615e-24，α1＝α3＝α5＝α7＝α9＝α10＝α11＝α12＝α13＝α14＝α15＝α16＝0，β2＝-4.334e-05，β4＝-1.288e-10，β6＝4.653e-17，β8＝-2.771e-23，β1＝β3＝β5＝β7＝β9＝β10＝β11＝β12＝β13＝β14＝β15＝β16＝0，ai＝0，x为横轴坐标，y为纵轴坐标。

本申请所提供的大视场角离轴虚像显示系统的双曲率泽尼克面型光学投影屏可以通过光学系统面型构建并根据具体的面型结构制造得到，该双曲率泽尼克面型光学投影屏为自由曲面光学投影屏，与现有的球面投影屏或球面基轮胎面投影屏相比，其面型具有更大的自由度，系统相差小、成像质量好，弥散班小于4mm，可大幅度减小成像畸变与像距变化，保证甚至提高大视场角离轴虚像显示系统全视角范围内的成像质量，同时，其面形结构足可以使该大视场角离轴虚像显示系统的垂直视场角达到大于或者等于60°的大视场角要求，该双曲率泽尼克面型光学投影屏与投影仪和球面反射镜的对应位置关系符合离轴虚像显示系统的基本成像原理即可实现。本申请的第二种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统可以提供较高的成像质量及大视场角标准，极大提升了飞行员的训练场景真实性、沉浸感与生理舒适感，解决了现有视景显示系统中缺乏垂直视场角大于或等于60°并同时保证成像质量的视景显示系统的问题，提高了飞行模拟器的仿真水平。

进一步的，所述球面反射镜的球面半径为3300mm，所述光学眼点到所述球面反射镜的球心的水平距离为150mm，垂直距离为1620mm，所述球面反射镜的水平视场角为240°，垂直视场角为65°，所述垂直视场角的上视场角为20°，下视场角为45°。

上述实施例的垂直视场角同样可以达到65°，实现了垂直视场角大于60°的水平，且其水平视场角也相对较大，达到了220°，这可以大幅度的提升飞行员的沉浸感与生理舒适性，有效防止眩晕情况的发生，真实感更强，有效提升了飞行模拟器的仿真水平，达到了较高的国际范围内关于虚像显示系统的视场角指标，高水准的满足了着舰、对地、对海训练使用要求。

本申请的第三方面提供了一种大视场角离轴虚像显示系统，包括投影仪、投影屏和球面反射镜，所述投影仪发出光直射至所述投影屏上，经所述投影屏反射或折射至所述球面反射镜上，经所述球面反射镜反射进入人眼，所述人眼所在位置为光学眼点，所述投影屏为非球面基轮胎面面型光学投影屏，其面型方程式为：

其中，所述非球面基轮胎面的旋转半径为-2064.60mm，二次曲面曲率c＝1/r＝1/(-1552.67)，二次曲面系数k＝-0.247，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7分别为自由曲面项每项对应的系数α2＝4.687e-012，α3＝-4.957e-018，α4＝1.686e-024，α5＝-1.855e-031，α6＝7.41e-17，α8＝-7.615e-24，α1＝α6＝α7＝0，x为横轴坐标，y为纵轴坐标。

本申请所提供的大视场角离轴虚像显示系统的非球面基轮胎面面型光学投影屏可以通过光学系统面型构建并根据具体的面型结构制造得到，该非球面基轮胎面面型光学投影屏为自由曲面光学投影屏，与现有的球面投影屏或球面基轮胎面投影屏相比，其面型具有更大的自由度，系统相差小、成像质量好，弥散班小于4mm，可大幅度减小成像畸变与像距变化，保证甚至提高大视场角离轴虚像显示系统全视角范围内的成像质量，同时，其面形结构足可以使该大视场角离轴虚像显示系统的垂直视场角达到大于或者等于60°的大视场角要求，该非球面基轮胎面面型光学投影屏与投影仪和球面反射镜的对应位置关系符合离轴虚像显示系统的基本成像原理即可实现。本申请的第二种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统可以提供较高的成像质量及大视场角标准，极大提升了飞行员的训练场景真实性、沉浸感与生理舒适感，解决了现有视景显示系统中缺乏垂直视场角大于或等于60°并同时保证成像质量的视景显示系统的问题，提高了飞行模拟器的仿真水平。

进一步的，所述球面反射镜的球面半径为3300mm，所述光学眼点到所述球面反射镜的球心的水平距离为0，垂直距离为1800mm，所述球面反射镜的水平视场角为320°，垂直视场角为60°，所述垂直视场角的上视场角为20°，下视场角为40°。

上述实施例的垂直视场角达到了65°，其水平视场角达到了320°，接近环视效果，这可大大提升了飞行员的沉浸感与生理舒适性，更有效防止了眩晕情况的发生，其真实感更强，进一步有效提升了飞行模拟器的仿真水平，高水准的满足了着舰、对地、对海训练使用要求。

更进一步的，前述任一项所述的大视场角离轴虚像显示系统中，所述投影屏由航空级有机玻璃材料一体成形。

与现有的软幕投影屏相比，这种由航空级有机玻璃材料一体成形的投影屏不仅可以充分满足前述实施例对大视场的要求，还可以较好校正像差，并具有强度高、重量轻的优点。

更进一步的，前述任一项所述的大视场角离轴虚像显示系统中，所述球面反射镜由多块硬质球面镜依次拼接而成，所述硬质球面镜由硬质硅玻璃球面基片和铝基座复合连接成形。

采用拼接的方式可以提高球面反射镜大视场角要求的可实现性；该硬质硅玻璃球面成本较低、且可以较方便的进行拼接，并且可以达到球面反射镜的成像质量要求；该铝基座具有重量轻、强度较高、成本较低的优点。

更进一步的，前述任一项所述的大视场角离轴虚像显示系统中，所述球面反射镜由多块硬质球面镜依次拼接而成，所述硬质球面镜由航空级有机玻璃球面基片和碳纤维基座复合连接而成形。

采用拼接的方式可以提高球面反射镜大视场角要求的可实现性；该航空级有机玻璃球面可以实现球面反射镜面形精度高、视场范围内成像距误差一致性好和空间像点定位精度高的标准，且该镜面反射效率更高，大于85％，成像更清晰，并且该航空级有机玻璃与前述的硅玻璃相比，其重量更轻；该碳纤维基座与前述的铝基座相比，其重量更轻、强度更高，可以更好的满足飞行仿真模拟器工作需求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请第一种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的部分结构的正视图；

图2为本申请第一种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的第一球面反射镜的俯视图；

图3为本申请第一种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的部分结构示意图；

图4为本申请第二种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的部分结构的正视图；

图5为本申请第二种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的第二球面反射镜的俯视图；

图6为本申请第二种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的部分结构示意图；

图7为本申请第三种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的部分结构的正视图；

图8为本申请第三种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的第三球面反射镜的俯视图；

图9为本申请第三种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统的部分结构示意图。

附图标记：

11-双曲率二次曲面面型光学投影屏；

12-第一球面反射镜；

θ1–第一垂直视场角；

θ11–第一上视场角；

θ12–第一下视场角；

–第一水平视场角；

–第一右视场角；

–第一左视场角；

21-双曲率泽尼克面型光学投影屏；

22-第二球面反射镜；

θ2–第二垂直视场角；

θ21–第二上视场角；

θ22–第二下视场角；

–第二水平视场角；

–第二右视场角；

–第二左视场角；

31-非球面基轮胎面面型光学投影屏；

32-第三球面反射镜；

θ3–第三垂直视场角；

θ31–第三上视场角；

θ32–第三下视场角；

–第三水平视场角；

–第三右视场角；

–第三左视场角；

o-光学眼点；

40-座舱；

50-硬质球面镜。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

本申请实施例提供了一种大视场角离轴虚像显示系统，离轴虚像显示系统具有景深大、亮度高、分辨率高、对比度好等优点，故广泛应用于飞行模拟器中。离轴虚像显示系统可以包括投影仪、投影屏和球面反射镜以及座舱40(如图3和图6所示)，该投影仪发出光直射到该投影屏上，经该投影屏反射(若投影屏为正投影屏时)或折射(若投影屏为背投影屏时)后，投射到该球面反射镜上，再经该球面反射镜反射后进入人眼，该人眼所在位置为光学眼点o(如图1-2、图4-5及图7-8所示)，可以理解为该光学眼点o与球面反射镜的球心之间的水平距离和/或垂直距离不为0即是离轴，前述座舱40位于光学眼点o附近。

如图1-3所示，本申请第一种实施例提供了一种大视场角离轴虚像显示系统，其投影屏为双曲率二次曲面面型光学投影屏11，该双曲率二次曲面面型光学投影屏11的面型方程式为：

其中，双曲率二次曲面横轴曲率cx＝1/rx＝1/(-3199.67)，双曲率二次曲面纵轴曲率cy＝1/ry＝1/(-3178.66)，双曲率二次曲面横轴系数kx＝0.107，双曲率二次曲面纵轴系数ky＝0.371，x为横轴坐标，y为纵轴坐标。

该双曲率二次曲面面型光学投影屏11可以通过光学系统面型构建并根据具体的面型结构制造得到，该双曲率二次曲面面型光学投影屏11为自由曲面光学投影屏，与现有的球面投影屏或球面基轮胎面投影屏相比，其面型具有更大的自由度，系统相差小、成像质量好，弥散班小于4mm，可大幅度地减小成像畸变与像距变化，保证甚至提高大视场角离轴虚像显示系统全视角范围内的成像质量，同时，其面形结构足可以使该大视场角离轴虚像显示系统的垂直视场角达到大于或者等于60°的大视场角要求，该双曲率二次曲面面型光学投影屏11与投影仪和球面反射镜的对应位置关系符合离轴虚像显示系统的基本成像原理即可实现。本申请的第一种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统可以提供较高的成像质量及大视场角标准，极大提升了飞行员的训练场景真实性、沉浸感与生理舒适感，解决了现有视景显示系统中缺乏垂直视场角大于或等于60°并同时保证成像质量的视景显示系统的问题，提高了飞行模拟器的仿真水平。

一种具体的实施例是，如图1-3所示，该第一球面反射镜12的球面半径为3300mm，光学眼点o到该第一球面反射镜12的球心的水平距离为250mm，垂直距离为1565mm，该第一球面反射镜12的第一水平视场角为200°，该第一球面反射镜12为垂直水平面对称结构，即其第一右视场角与第一左视场角相等，分别为100°，该第一球面反射镜12的第一垂直视场角θ1为65°，其第一上视场角θ11为20°，第一下视场角θ12为45°。

上述具体实施例的垂直视场角达到了65°，实现了垂直视场角大于60°的水平，且其水平视场角也相对较大，达到了200°，这可以大幅度的提升飞行员的沉浸感与生理舒适性，有效防止眩晕情况的发生，真实感更强，有效提升了飞行模拟器的仿真水平，达到了较高的国际范围内关于虚像显示系统的视场角指标，高水准的满足了着舰、对地、对海训练使用要求。

如图4-6所示，本申请第二种实施例提供了一种大视场角离轴虚像显示系统，其投影屏为双曲率泽尼克面型光学投影屏21，该双曲率泽尼克面型光学投影屏21的面型方程式为：

其中，双曲率二次曲面横轴曲率cx＝1/rx＝1/(-3280.16)，双曲率二次曲面纵轴曲率cy＝1/ry＝1/(-3225.12)，双曲率二次曲面横轴系数kx＝0.11，双曲率二次曲面纵轴系数ky＝0.345，αi、βi和ai分别为自由曲面项每项对应的系数，α2＝1.377e-04，α4＝-2.673e-10，α6＝7.41e-17，α8＝-7.615e-24，α1＝α3＝α5＝α7＝α9＝α10＝α11＝α12＝α13＝α14＝α15＝α16＝0，β2＝-4.334e-05，β4＝-1.288e-10，β6＝4.653e-17，β8＝-2.771e-23，β1＝β3＝β5＝β7＝β9＝β10＝β11＝β12＝β13＝β14＝β15＝β16＝0，ai＝0，x为横轴坐标，y为纵轴坐标。。

同样的，该双曲率泽尼克面型光学投影屏21可以通过光学系统面型构建并根据具体的面型结构制造得到，该双曲率泽尼克面型光学投影屏21为自由曲面光学投影屏，与现有的球面投影屏或球面基轮胎面投影屏相比，其面型具有更大的自由度，系统相差小、成像质量好，弥散班小于4mm，可大幅度减小成像畸变与像距变化，保证甚至提高大视场角离轴虚像显示系统全视角范围内的成像质量，同时，其面形结构足可以使该大视场角离轴虚像显示系统的垂直视场角达到大于或者等于60°的大视场角要求，该双曲率泽尼克面型光学投影屏21与投影仪和球面反射镜的对应位置关系符合离轴虚像显示系统的基本成像原理即可实现。本申请的第二种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统可以提供较高的成像质量及大视场角标准，极大提升了飞行员的训练场景真实性、沉浸感与生理舒适感，解决了现有视景显示系统中缺乏垂直视场角大于或等于60°并同时保证成像质量的视景显示系统的问题，提高了飞行模拟器的仿真水平。

又一种具体的实施例是，如图4-6所示，该第二球面反射镜22的球面半径为3300mm，光学眼点o到该第二球面反射镜22的球心的水平距离为150mm，垂直距离为1620mm，该第二球面反射镜22的第二水平视场角为240°，该第二球面反射镜22为垂直水平面对称结构，即其第二第二右视场角与第二左视场角相等，分别为120°，该第二球面反射镜22的第二垂直视场角θ2为65°，其第二上视场角θ21为20°，第二下视场角θ22为45°。

上述具体实施例的垂直视场角同样可以达到65°，实现了垂直视场角大于60°的水平，且其水平视场角也相对较大，达到了220°，这可以大幅度的提升飞行员的沉浸感与生理舒适性，有效防止眩晕情况的发生，真实感更强，有效提升了飞行模拟器的仿真水平，达到了较高的国际范围内关于虚像显示系统的视场角指标，高水准的满足了着舰、对地、对海训练使用要求。

如图7-9所示，本申请第三种实施例提供了一种大视场角离轴虚像显示系统，其投影屏为非球面基轮胎面面型光学投影屏31，该非球面基轮胎面面型光学投影屏31的面型方程式为：

其中，所述非球面基轮胎面的旋转半径为-2064.60mm，二次曲面曲率c＝1/r＝1/(-1552.67)，二次曲面系数k＝-0.247，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7分别为自由曲面项每项对应的系数α2＝4.687e-012，α3＝-4.957e-018，α4＝1.686e-024，α5＝-1.855e-031，α6＝7.41e-17，α8＝-7.615e-24，α1＝α6＝α7＝0，x为横轴坐标，y为纵轴坐标。

同样的，该非球面基轮胎面面型光学投影屏31可以通过光学系统面型构建并根据具体的面型结构制造得到，该非球面基轮胎面面型光学投影屏31为自由曲面光学投影屏，与现有的球面投影屏或球面基轮胎面投影屏相比，其面型具有更大的自由度，系统相差小、成像质量好，弥散班小于4mm，可大幅度减小成像畸变与像距变化，保证甚至提高大视场角离轴虚像显示系统全视角范围内的成像质量，同时，其面形结构足可以使该大视场角离轴虚像显示系统的垂直视场角达到大于或者等于60°的大视场角要求，该非球面基轮胎面面型光学投影屏31与投影仪和球面反射镜的对应位置关系符合离轴虚像显示系统的基本成像原理即可实现。本申请的第二种实施例所提供的大视场角离轴虚像显示系统可以提供较高的成像质量及大视场角标准，极大提升了飞行员的训练场景真实性、沉浸感与生理舒适感，解决了现有视景显示系统中缺乏垂直视场角大于或等于60°并同时保证成像质量的视景显示系统的问题，提高了飞行模拟器的仿真水平。

再一种具体的实施例是，如图7-9所示，该第三球面反射镜31的球面半径为3300mm，光学眼点o到该第三球面反射镜31的球心的水平距离为0，垂直距离为1800mm，该第三球面反射镜31的第三水平视场角为320°，该第三球面反射镜31为垂直水平面对称结构，即其第三右视场角与第三左视场角相等，分别为160°，该第三球面反射镜31的第三垂直视场角θ3为60°，其第三上视场角θ31为20°，第三下视场角θ32为40°。

上述具体实施例的垂直视场角达到了65°，其水平视场角达到了320°，接近环视效果，这可大大提升了飞行员的沉浸感与生理舒适性，更有效防止了眩晕情况的发生，其真实感更强，进一步有效提升了飞行模拟器的仿真水平，高水准的满足了着舰、对地、对海训练使用要求。

一种优选的实施例是，前述的双曲率二次曲面面型光学投影屏11、双曲率泽尼克面型光学投影屏21和非球面基轮胎面面型光学投影屏31均可以由航空级有机玻璃材料制成，并一体成形。现有的投影屏多采用软幕投影屏，但是由于软幕本身材料的限制，其可加工形成的面型类型很有限，多为球面面型或者球面基轮胎面面型，很难形成更复杂的面型结构，如前述本申请实施例所提供的双曲率二次曲面面型、双曲率泽尼克面型以及非球面基轮胎面面型等，然而球面面型或者球面基轮胎面面型智只能基本满足虚像显示需求，不能较好的校正像差。由航空级有机玻璃材料一体成形的投影屏与现有的软幕投影屏相比，不仅可以充分满足前述实施例对大视场的要求，还可以较好校正像差，并具有强度高、重量轻的优点。

另一种优选的实施例是，如图8所示，前述的球面反射镜(包括第一球面反射镜12、第二球面反射镜22及第三球面反射镜32)可以由多块硬质球面镜50依次拼接而成，采用拼接的方式可以提高球面反射镜大视场角要求的可实现性。具体的，该硬质球面镜50可以由硬质硅玻璃球面基片和铝基座复合连接成形。该硬质硅玻璃球面成本较低、且可以较方便的进行拼接，并且可以达到球面反射镜的成像质量要求；该铝基座具有重量轻、强度较高、成本较低的优点。

更优选的，该硬质球面镜50可以由航空级有机玻璃球面基片和碳纤维基座复合连接而成形。该航空级有机玻璃球面可以实现球面反射镜面形精度高、视场范围内成像距误差一致性好和空间像点定位精度高的标准，且该镜面反射效率更高，大于85％，成像更清晰，并且该航空级有机玻璃与前述实施例的硅玻璃相比，其重量更轻；该碳纤维基座与前述的铝基座相比，其重量更轻、强度更高，可以更好的满足飞行仿真模拟器工作需求。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。