专利名称：：一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及球形屏幕投影系统，尤其涉及一种用于小型球形屏幕上投影显示的单镜头投影系统。
背景技术：
：飞行模拟器于20世纪30年代初出现以来，逐渐成为对飞行员进行训练的重要装置。作为飞行模拟器核心技术之一的视景显示技术，伴随现代显示技术的发展也发生着巨大的变化。早期的飞行拟器常采用闭路电视(CCTV)视景系统，如美国"水星"号、"双子星"号飞船训练模拟器均采用这种视景系统。我国20世纪70年代研制的歼6飞机飞行训练模拟器视景系统也采用CCTV形式，图像源为长15m，高5m的地景模型，用摄像机和多套随动系统按飞行轨迹、航向和姿态角的不同而拍摄相应地景模型的不同区域。这种形式的视景系统因要求很大的建筑物内部空间，机械随动机构复杂，系统维护、更换场景困难等因素于70年代末逐渐被淘汰。1964年，NASA在载人航天中心安装了第一台能够实时成像的电子计算机。该系统仅能提供平面透视图并产生一些纹理，但是不能产生棱角。在"阿波罗"计划中，NASA对该视景系统进行了改进，使其能够产生三维立体图像及表面纹理。70年代，计算机软硬件技术的飞速发展已使得计算机成像技术可以产生非常逼真的三维物体。随着技术的不断进步，计算机成像已经成为视景系统的最主要图像源。目前研制和使用的飞行模拟器几乎全部应用计算机成像技术。我国90年代自主研制的Y7—100飞机飞行模拟器采用的就是计算机成像方式的视景系统。球幕投影系统的使用始于上个世纪80年代美国，一开始主要用于电影放映，后来逐渐被应用于天象仪和飞行模拟训练当中，这些系统的球幕半径都在十米到几十米不等，尺寸较大、成本高昂。相比平面显示方法，球形屏幕(简称球幕)投影技术具有突出的优势。无论是在飞行模拟器中作为图像显示或是民用级别的电影放映，球幕投影技术带给使用者的都是全新的视觉感受。其最大优点是可以得到很大的观察野(水平和垂直视场)，尤其在垂直方向上具有其它系统不可比拟的优势，图像纵深感强并且更具有真实感，充分提高训练效果和画面的观赏价值。目前，球幕投影系统有向屏幕半径小型化发展的趋势，这一方面降低了整套系统的成本，另一方面也迎合了越来越多的单位或个人对这种系统的需求。国外已有部分厂家开始致力于单人使用的球幕系统的开发和研制，近几年已经出现了一些成熟产品。最主要的系统是采用多台投影机(一般为3台)联合工作，对特定的球幕分区域投影，并采用计算机图像无缝接合技术对图像进行预处理，但是该系统的缺点是结构复杂，图像有偏差。另一种类型的投影机使用一个投影镜头进行工作，无须对图像进行过多的处理，但是该系统的缺点是光学系统视场小，象面照度均匀性差，成本高。
发明内容本实用新型的目的是提供一种采用单投影物镜设计方案的用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，它主要解决了现有球幕投影系统结构复杂，系统性能差，成本高的技术问题。本实用新型的第一种技术解决方案是一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物镜和图像发生器，所述半球形投影屏幕圆心通过投影物镜的镜头光轴并以光轴为对称轴，其特殊之处是所述投影物镜包括依次设置在半球形投影屏幕和图像发生器之间的镜头光轴上的前组、中间组、光阑6和正后组，所述前组包括总光焦度为负值的弯月透镜组，所述中间组包括鼓形透镜和平板玻璃5，所述正后组包括总光焦度为正值的物镜组。上述前组包括前组第一弯月负透镜1和前组第二弯月负透镜2，所述中间组包括胶合在一起的中间组鼓形负透镜3和中间组鼓形正透镜4、平板玻璃5。上述正后组包括胶合在一起的正后组第一负透镜7和正后组第一正透镜8、正后组正透镜9、胶合在一起的正后组第二负透镜10和正后组第二正透镜11。上述正后组可采用高斯物镜半部系统。上述正后组可采用单单双系统，所述单单双系统包括两个单正透镜和一块正双胶合物镜的密接形式。上述正后组可采用天塞物镜系统及其衍生类型，所述天塞物镜系统包括正双胶合的单正透镜+负物镜+正双胶合物镜。上述正后组可采用三片型结构，所述三片型结构包括由正负正三片单透镜。本实用新型的第二种技^方羞是一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物镜和图像发生器，所述半球形投影屏幕圆心通过投影物镜的镜头光轴并以光轴为对称轴，其特殊之处是所述投影物镜包括依次设置在半球形投影屏幕和图像发生器之间的前组、45度全反射镜、中间组、光阑6和正后组，所述前组包括总光焦度为负值的弯月透镜组，所述中间组包括鼓形透镜和平板玻璃5，所述正后组包括总光焦度为正值的物镜组。上述前组包括前组第一弯月负透镜1和前组第二弯月负透镜2;所述中间组包括胶合在一起的中间组鼓形负透镜3和中间组鼓形正透镜4、平板玻璃5;所述正后组包括胶合在一起的正后组第一负透镜7和正后组第一正透镜8、正后组正透镜9、胶合在一起的正后组第二负透镜10和正后组第二正透镜11。上述正后组可采用高斯物镜半部系统、单单双系统、天塞物镜系统或三片型结构；所述单单双系统包括两个单正透镜和一块正双胶合物镜的密接形式；所述正后组可采用天塞物镜系统及其衍生类型；所述天塞物镜系统包括正双胶合的单正透镜+负物镜+正双胶合物镜；所述三片型结构包括由正负正三片单透本实用新型系统的优点是.-1、大视场。从图l可以看出，本实用新型光学系统的视场很大，全视场角达到170度。2、象差校正结果较好。光学系统在优化设计过程中加入了对半球形屏幕的考虑，有效的控制了场曲和畸变的大小。镜头中大部分半径采取弯向光阑设计，由于半径采用弯向光阑设计的目的是为了增强系统的对称性，使得通过光阑中心的主光线与光轴夹角得到减小，从而降低了随夹角增大而引起的视场高级象差，这些对彗差、像散等随视场变化显著的像差有很显著的改善。后组采用非对称匹兹伐型物镜，对进一步消除负前组引起的垂轴像差有利。最终系统接近准远心，象面照度均匀性达到95%以上，保证了投影屏幕的均匀成像。屏幕半径和工作距离可在系统组合时进行优化选择，进一步改善投影像质。3、可近距离球面成像。光学系统的焦距可由工作距离、图像发生器尺寸、屏幕尺寸决定，本实用新型系统的光学系统的焦距小，从而可实现近距离投影成像。4、制造及加工成本低。本实用新型系统的物镜设计主要采用了常用的ZK、ZF普通光学玻璃作为原料，原料购买和镜头加工都属于成熟工艺，加工简单，成本低廉。5、应用范围广。前后组间隔在设计过程中放大，为加工成折轴系统预留出充足的空间。图1是本实用新型小型球幕投影系统相对位置关系示意图2是本实用新型小型球幕投影系统投影物镜结构示意图3是本实用新型小型球幕投影物镜中投影物镜设计实例示意图；其中l-前组第一弯月透镜，2-前组第二弯月透镜，3-中间组鼓形负透镜，4-中间组鼓形正透镜，5-平板玻璃，6-光阑，7-正后组第一负透镜，8-正后组第一正透镜，9-正后组正透镜，10-正后组第二负透镜，11-正后组第二正透镜，12-图像发生器，13-投影物镜，14-光轴，15-半球形投影屏幕。具体实施方式一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物镜和图像发生器，投影系统的屏幕和投影物镜镜头位置关系如图1，其中工作距离即物镜投影距离在一定范围可调。屏幕圆心通过镜头光轴，并以光轴为对称轴。物镜放大倍率由屏幕尺寸和图像发生器尺寸决定并满足关系式(y'为屏幕开口尺寸，y为图像发生器尺寸)。投影物镜包括依次设置在半球形投影屏幕和图像发生器之间的镜头光轴上的前组、中间组、光阑和正后组，前组包括总光焦度为负值的弯月透镜组，弯月透镜组由前组第一弯月负透镜1和前组第二弯月负透镜2组成，中间组包括胶合在一起的中间组鼓形负透镜3和中间组鼓形正透镜4和平板玻璃5，正后组包括总光焦度为正值的物镜组，可以有多种形式，比如a.高斯物镜半部系统；b.单单双系统，所述单单双系统包括两个单正透镜和一块正双胶合的密接形式；c.天塞物镜形式及其复杂化，所述天塞物镜形一般包括单正(正双胶合)+负+正双胶合；d.三片型结构及其复杂化，所述三片性结构一般由正负正三片单透镜构成。本实用新型优选如下方案:正后组包括胶合在一起的正后组第一负透镜7和正后组第一正透镜8、正后组正透镜9、胶合在一起的正后组第二负透镜10和正后组第二正透镜11。为了减小体积或者适应场地的需要，可在前组和中间之间设置一个45度全反射镜，形成折轴系统。表1是根据本设计的设计思想给出了当屏幕半径选择在750mm-850mm之间，工作距离在500mm-550mm之间的一个实例的设计实例，将其焦距归一化后各透镜半径、厚度、空气间隔、光学材料的折射率及色散系数如表l给出，序号相对关系如图3，其中d9=0.30+0.27、/=lmra、2w=170°、乃//=1/3.8、k;15.84咖。整个投影物镜共采用了6组10片透镜，最大镜头口径为70咖。本实用新型系统的参数如下全视场角20=170°;相对孔径焦距/=5.478腿；系统总长度丄=130.67咖；后截足巨丄后=15.84腿。<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表1本实用新型原理本实用新型采用鱼眼物镜的标准结构但相对简化，属于反远摄成像物镜范畴，包括了组分i和组分n两个大的组成部分。其中组分i称为负前组，包括前组第一弯月和前组第二弯月共两片负透镜，其功能是放大该光学系统的视场。组分n包括八片透镜，其中中间组鼓形负透镜3和中间组鼓形正透镜4胶合组成中间组鼓形透镜，另一个透镜为一块平板玻璃，正后组第一负透镜7和正后组第一正透镜8进行胶合组成正后组第一片透镜，还有一个透镜是正后组正透镜9，正后组第二负透镜10和正后组第二正11胶合后作为正后组第三片透镜。组分II在系统中的作用是消除组分I带来的各种轴外象差。在本设计的结构基础上进行适当改进依然可以达到本设计的使用要求，但主体结构不会发生变化，即改进后的光学系统必然也能归化成两大组分，前组必为总光焦度为负值的弯月透镜组，后组必为光焦度为正值的物镜组，且在光阑后的部分可用多种其他物镜形式代替。权利要求1、一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物镜和图像发生器，所述半球形投影屏幕圆心通过投影物镜的镜头光轴并以光轴为对称轴，其特征在于所述投影物镜包括依次设置在半球形投影屏幕和图像发生器之间的镜头光轴上的前组、中间组、光阑(6)和正后组，所述前组包括总光焦度为负值的弯月透镜组，所述中间组包括鼓形透镜和平板玻璃(5)，所述正后组包括总光焦度为正值的物镜组。2、根据权利要求1所述的一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，其特征在于所述前组包括前组第一弯月负透镜(1)和前组第二弯月负透镜(2)，所述中间组包括胶合在一起的中间组鼓形负透镜(3)和中间组鼓形正透镜(4)、平板玻璃(5)。3、根据权利要求1或2所述的一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，其特征在于所述正后组包括胶合在一起的正后组第一负透镜(7)和正后组第一正透镜(8)、正后组正透镜(9)、胶合在一起的正后组第二负透镜(10)和正后组第二正透镜(11)。4、根据权利要求1或2所述的一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，其特征在于所述正后组可采用高斯物镜半部系统。5、根据权利要求1或2所述的一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，其特征在于所述正后组可采用单单双系统，所述单单双系统包括两个单正透镜和一块正双胶合物镜的密接形式。6、根据权利要求1或2所述的一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，其特特征在于所述正后组可采用天塞物镜系统及其衍生类型，所述天塞物镜系统包括正双胶合的单正透镜+负物镜+正双胶合物镜。7、根据权利要求1或2所述的一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，其特征在于所述正后组可采用三片型结构，所述三片型结构包括由正负正三片单透镜。8、一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物镜和图像发生器，所述半球形投影屏幕圆心通过投影物镜的镜头光轴并以光轴为对称轴，其特征在于所述投影物镜包括依次设置在半球形投影屏幕和图像发生器之间的前组、45度全反射镜、中间组、光阑(6)和正后组，所述前组包括总光焦度为负值的弯月透镜组，所述中间组包括鼓形透镜和平板玻璃(5)，所述正后组包括总光焦度为正值的物镜组。9、根据权利要求8所述的一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，其特征在于所述前组包括前组第一弯月负透镜(1)和前组第二弯月负透镜(2);所述中间组包括胶合在一起的中间组鼓形负透镜(3)和中间组鼓形正透镜(4)、平板玻璃(5);所述正后组包括胶合在一起的正后组第一负透镜(7)和正后组第一正透镜(8)、正后组正透镜(9)、胶合在一起的正后组第二负透镜(10)和正后组第二正透镜(11)。10、根据权利要求8或9所述的一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，其特征在于所述正后组可采用高斯物镜半部系统、单单双系统、天塞物镜系统或三片型结构；所述单单双系统包括两个单正透镜和一块正双胶合物镜的密接形式；所述正后组可采用天塞物镜系统及其衍生类型；所述天塞物镜系统包括正双胶合的单正透镜+负物镜+正双胶合物镜；所述三片型结构包括由正负正三片单透镜。专利摘要本实用新型涉及一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物镜和图像发生器，半球形投影屏幕圆心通过投影物镜的镜头光轴并以光轴为对称轴，投影物镜包括依次设置在半球形投影屏幕和图像发生器之间的镜头光轴上的前组、中间组、光阑和正后组，前组包括总光焦度为负值的弯月透镜组，中间组包括鼓形透镜和平板玻璃，正后组包括总光焦度为正值的物镜组。本实用新型解决了现有球幕投影系统结构复杂，系统性能差，成本高的技术问题。具有大视场，象差校正结果较好，可近距离球面成像，制造及加工成本低，应用范围广的优点。文档编号G02B13/00GK201075146SQ20072003237公开日2008年6月18日申请日期2007年7月31日优先权日2007年7月31日发明者鑫孙,王忠厚,白加光申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所