一种视景显示系统的背投球幕的制作方法

本发明涉及光学成像的技术领域，尤其涉及一种视景显示系统的背投球幕。

背景技术：

一般的实像视景显示系统多采用正投平面幕来将投影仪的图像投射在其上。但是对于需要沉浸式效果的场合(例如飞行训练模拟器)多采用正投球面幕来作为投影幕。正投球面幕相对于正投平面幕相对于观察者的眼点的像距一致性好，因而正投球面幕被广泛应用于飞行训练模拟器及需要高沉浸感的一些模拟设备中。由于模拟训练器一般除视景显示系统外还包含模拟座舱等设备，这些设备一般都设置在正投球幕的内部，正投球幕的投影仪投射光路也在正投球幕的内部，这样在光路排布中座舱设备会影响投影仪投射光线，使投影仪像素利用率降低并增加系统的成本，而且投影仪为了躲避球幕内的座舱设备投射在球幕上的画面分辨率均匀性也会变差，视景系统的视场角越大这种劣势越明显。而背投球幕投影仪投射光在球幕外部不会与座舱设备产生干涉，系统投影仪利用率和投影分辨率均匀性都会有很大提高，特别适用于大视场角的视景显示系统。

举例来说，在利用飞行模拟器进行飞行训练的场合，尤其是战斗机机型，其座舱内视野开阔，除其前部及侧方下视角受飞机结构限制使视场有一定限制外，四周及顶部几乎全视野不受限，并且战斗机战术训练过程中机动性大，空战对抗俯冲飞行多，那么就迫切需求360度无死角的全景视景图像显示的飞行模拟器，并且同时还要求该飞行模拟器视景显示系统具有较高的分辨率及逼真度，以达到逼真的飞行训练要求，并且防止飞行训练员产生晕眩等不良反应。

市面上可供选择的投影仪高宽比多为16:10或16:9，这种高宽比的投影仪与的飞行模拟器所使用的背投球幕匹配率低，现有技术中的背投球幕大多为水平半径与垂直半径相同的球体结构。这样单个投影仪通道的投影画面投射到该背投球幕上的像素均匀度较低，二者匹配度较低，那么为使投影画面像素分辨率均匀，就需要较多的投影仪通道投射画面，取其中像素分辨率均匀清晰的部分拼接，呈现最终人眼所看到的完整清晰的画面，这样由于投影仪高宽比和投影仪景深的限制以及投影画面清晰度质量的要求，使目前满足上述两项要求(全景图像显示要求及分辨率要求)的具有全景背投球幕视景显示系统的模拟器普遍存在单个投影仪像素利用率低的问题，从而导致投影仪使用数量过多以及成本过高的问题。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种视景显示系统的背投球幕，其既能够实现全景图像显示，又能够提高单个投影仪的像素利用率，从而避免大量使用投影仪来降低视景显示系统制造成本，更好地实现全景图像显示，实现了可视角大、分辨率高、彩色还原好、无太阳效应的技术效果。

本发明的技术方案是：这种视景显示系统的背投球幕，投影仪将投影画面投射至所述背投球幕上，光学眼点在所述背投球幕的中心，所述背投球幕的主体为环形曲面侧壁，环形曲面侧壁上的每个点对应的水平曲率半径r1小于对应的垂直曲率半径r2，所述背投球幕还包括顶盖，所述背投球幕的内表面喷涂增益漆。

投影仪将投影画面投射至本发明所述背投球幕上，光学眼点在所述背投球幕的中心，因此能够实现全景图像显示；本发明的背投球幕的主体为环形曲面侧壁，环形曲面侧壁上的每个点对应的水平曲率半径小于对应的垂直曲率半径，因此形成的背投球幕侧壁的结构形状与可选择的投影仪的高宽比更接近、更匹配、像素利用率更高，使单个投影仪投射在背投球幕上的投影画面的像素均匀度更高，使单个投影仪投射到背投球幕上的投影画面的清晰、有效的区域面积更大，从而也就提高了单个投影仪的像素利用率，从而避免大量使用投影仪来降低视景显示系统制造成本。包括顶盖的设计，使得视景显示系统能够更好地实现全景图像显示。所述背投球幕的内表面设置喷涂增益漆的涂层，这样实现了可视角大、分辨率高、彩色还原好、无太阳效应的技术效果。

附图说明

图1示出了根据本发明的视景显示系统的背投球幕的一个优选实施例的结构示意图。

图2示出了图1的背投球幕的主视图。

图3a示出了根据本发明的顺滑过渡形式的示意图；图3b示出了根据本发明的钝角过渡形式的示意图。

图4示出了顺滑过渡形式具体细节的一般示意图。

图5示出了根据本发明的顺滑过渡形式具体细节的示意图。

图6示出了根据本发明的钝角过渡形式具体细节的示意图。

图7为根据本发明的水平曲率半径r1为2米、垂直曲率半径r2为2米的背投球幕对应的单个投影通道的投影分辨率效果图。

图8为根据本发明的水平曲率半径r1为2米、垂直曲率半径r2为3米的背投球幕对应的单个投影通道的投影分辨率效果图。

图9为根据本发明的水平曲率半径r1为2米、垂直曲率半径r2为4米的背投球幕对应的单个投影通道的投影分辨率效果图。

图10为根据本发明的水平曲率半径r1为2米、垂直曲率半径r2为3.5米、3.8米和4.0米的背投球幕所分别对应的单个投影通道的投影分辨率效果图。

图11为根据本发明的水平曲率半径r为2米、垂直曲率半径r2分别为4.2米和4.5米的背投球幕所分别对应的单个投影通道的投影分辨率效果图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的视景显示系统，包括背投球幕10和若干个投影仪，各投影仪均将分辨率均匀、清晰度较高的投影画面区域投射到背投球幕10上，最终多个投影仪共同将拼接的完整、清晰的投影画面呈现在背投球幕10上，该背投球幕10为透明材质制成，人眼(即光学眼点，光学眼点在所述背投球幕的中心)从背投球幕10内(座舱位于背投球幕10内)就可以看到背投球幕10上呈现的投影画面。

由于现有常用的投影仪高宽比多为16:10或16:9，现有的背投球幕又大多为水平半径与垂直半径相同的球体结构，即使穹顶的半径尺寸与侧壁的半径尺寸不同，但是侧壁也是由半径相同的球体结构截去上顶部及下底部转变而来的，这种高宽比的投影仪与现有的球体结构的背投球幕匹配率较低，单个投影仪投射到背投球幕上的投影画面的像素均匀度较低，那么有效可使用的投影画面(像素分辨率均匀)的区域就面积较小，单个投影仪的像素利用率就较低，这样就需要采用数量较多的投影仪，来完成清晰完整的投影画面呈现。而本发明正是针对这种问题来研发的。

如图1、2所示，这种视景显示系统的背投球幕，投影仪将投影画面投射至所述背投球幕上，光学眼点在所述背投球幕的中心，所述背投球幕的主体12为环形曲面侧壁121，环形曲面侧壁上的每个点对应的水平曲率半径r1小于对应的垂直曲率半径r2。该背投球幕具有底部13，出入口122。所述背投球幕还包括顶盖，所述背投球幕的内表面喷涂增益漆。

投影仪将投影画面投射至本发明所述背投球幕上，光学眼点在所述背投球幕的中心，因此能够实现全景图像显示；本发明的背投球幕的主体为环形曲面侧壁，环形曲面侧壁上的每个点对应的水平曲率半径小于对应的垂直曲率半径，因此形成的背投球幕侧壁的结构形状与可选择的投影仪的高宽比更接近、更匹配、像素利用率更高，使单个投影仪投射在背投球幕上的投影画面的像素均匀度更高，使单个投影仪投射到背投球幕上的投影画面的清晰、有效的区域面积更大，从而也就提高了单个投影仪的像素利用率，从而避免大量使用投影仪来降低视景显示系统制造成本。包括顶盖的设计，使得视景显示系统能够更好地实现全景图像显示。所述背投球幕的内表面设置喷涂增益漆的涂层，这样实现了可视角大、分辨率高、彩色还原好、无太阳效应的技术效果。

优选地，所述环形曲面侧壁由一竖直的、曲率半径为垂直曲率半径r2的弧线段以水平曲率半径r1为水平旋转半径绕中心轴旋转一周而成，且所述弧线段到所述中心轴的最大距离为水平曲率半径r1。通过这样的方式，能够获取加工这种背投球幕的具体方法。

优选地，所述垂直曲率半径r2与所述水平曲率半径r1的比值为大于或等于1.75且小于或等于2.25。该比值范围更接近现有可选的投影仪的高宽比，使像素分辨率均匀度更高，同时更符合实像显示系统的像距一致性要求，也更符合人眼看见的较优清晰度要求。

具体地，所述水平曲率半径r1为1.5-2.5米，所述垂直曲率半径r2的取值范围为3.5米-4.5米。这个大小的背投球幕比较适合用于现在常用的飞行模拟器中，比较容易且方便替换现有的背投球幕，降低匹配修改方案的难度。

或者，所述水平曲率半径r1为2米，所述垂直曲率半径r2为3.5米，所述投影仪的水平视场角为±26.0°，垂直视场角为±41.0°。这样设置可以具有均匀度较高的投影像素分别率，单个投影仪的像素利用率也就较高，有效的清晰的投影画面区域的面积就较大，需使用的投影仪的数量就可以较少。

或者，所述水平曲率半径r1为2米，所述垂直曲率半径r2为3.8米，所述投影仪的水平视场角±26.5°，垂直视场角为±41.0°。这样设置可以进一步具有均匀度较高的投影像素分别率，单个投影仪的像素利用率也就较高，有效的清晰的投影画面区域的面积就较大，需使用的投影仪的数量就可以较少。

或者，所述水平曲率半径r1为2米，所述垂直曲率半径r2为4.0米，所述投影仪的水平视场角为±27°，垂直视场角为±40.8°。这样设置可以具有均匀度较高的投影像素分别率，单个投影仪的像素利用率也就较高，有效的清晰的投影画面区域的面积就较大，需使用的投影仪的数量就可以较少。

或者，所述水平曲率半径r1为2米，所述垂直曲率半径r2为4.2米，所述投影仪的水平视场角为±27.3°，垂直视场角为±40.8°。这样设置可以具有均匀度较高的投影像素分别率，单个投影仪的像素利用率也就较高，有效的清晰的投影画面区域的面积就较大，需使用的投影仪的数量就可以较少。

或者，所述水平曲率半径r1为2米，所述垂直曲率半径r2为4.5米，所述投影仪的水平视场角为±28°，垂直视场角为±40.6°。这样设置可以具有均匀度较高的投影像素分别率，单个投影仪的像素利用率也就较高，有效的清晰的投影画面区域的面积就较大，需使用的投影仪的数量就可以较少。

如图7-9所示，分别提供了水平曲率半径r1为2米、垂直曲率半径r2分别为2米、3米和4米的背投球幕10对应的单个投影通道的投影分辨率效果图，需要说明的是，图7-9中的各图的横坐标表示投影仪水平方向的投影角度，纵坐标表示投影仪垂直方向的投影角度，单位均为度。透过图可以清楚的看出，垂直曲率半径r2为4米的背投球幕10的单个投影通道的投影分辨率的均匀度要优于垂直曲率半径r2为3米的背投球幕10的单个投影通道的投影分辨率的均匀度，而垂直曲率半径r2为3米的背投球幕10的单个投影通道的投影分辨率的均匀度要优于垂直曲率半径r2为2米的背投球幕10的单个投影通道的投影分辨率的均匀度，初步得出结论，r2与r1的比值越接近1，其投影的像素分辨率均匀度越低，r2与r1的比值越大(与投影仪匹配时最大)，其投影的像素分辨率均匀度越高，但是又不可以盲目追求r2与r1的比值大，要考虑到像距一致性问题，也就是贴合人眼的需求，符合场景逼真性的要求，(产品尺寸增大，制造难度增加)而像素分辨率均匀度越高，说明单个投影仪20的像素利用率越高，有效的清晰的投影画面区域的面积越大，需使用的投影仪20的数量就越少。

根据上述实施例得到的初步结论，以及符合人眼的要求，人眼看见的较清晰的分辨率为接近或优于2弧分/像素(基于2560*1600分辨率投影仪分析)，而r2与r1的比值越接近1的背投球幕10，对应的单个投影仪20所投影的画面的像素分辨率均匀度不仅低，且还有相对较多的区域的分别率为低于2弧分/像素的，低于人眼看见的较优清晰度要求。那么进一步的，可以采用r2与r1的比值为大于或等于1.75且小于或等于2.25的背投球幕10，这样该比例范围更接近现有的投影仪20的高宽比，既可以使投影的像素分辨率均匀度更高，同时还符合人眼看见的较优清晰度要求，又可以保证实像显示系统的像距一致性要求。

具体的实施例为，该水平曲率半径r1为2米，垂直曲率半径r2的取值范围为3.5米-4.5米。这个大小的背投球幕10比较适合用于现在常用的飞行模拟器中，比较容易且方便替换现有的背投球幕，降低匹配修改方案的难度。

如图10和图11所示，包括水平曲率半径r1为2米、垂直曲率半径r2分别为3.5米、3.8米、4.0米、4.2米和4.5米的背投球幕所分别对应的单个投影通道的投影分辨率效果图，同样需要说明的是，图10和图11中的各图的横坐标表示投影仪水平方向的投影角度，纵坐标表示投影仪垂直方向的投影角度，单位均为度。透过图可以清楚的看出，各图对应的单个投影通道的投影像素分辨率的均匀度均较高，且均有较大部分区域的分辨率在2-3弧分/像素，符合人眼对清晰度的要求。表1为通过实际r1、r2尺寸参数及实际投影仪20的水平视场角及垂直视场角以及图中示出的分辨率效果信息而归总绘制而成的。

表1

如表1所示，第一种情况的实施例为，采用水平曲率半径r1为2米，垂直曲率半径r2为3.5米的背投球幕10，其r2与r1的比值为1.75，且设置每个投影仪的水平视场角为±26.0°，垂直视场角为±41.0°，对应的，接近或优于2弧分/像素的水平视场角为±26.0°，垂直视场角为±28.0°。

第二种情况的实施例为，采用水平曲率半径r1为2米，垂直曲率半径r2为3.8米的背投球幕10，其r2与r1的比值为1.9，设置每个投影仪的水平视场角为±26.5°，垂直视场角为±41.0°，对应的，接近或优于2弧分/像素的水平视场角为±26.5°，垂直视场角为30.0°。

第三种情况的实施例为，采用水平曲率半径r1为2米，垂直曲率半径r2为4.0米的背投球幕10，其r2与r1的比值为2，设置每个投影仪的水平视场角为±27°，垂直视场角为±40.8°，对应的，接近或优于2弧分/像素的水平视场角为±27.0°，垂直视场角为30.5°。

第四种情况的实施例为，采用水平曲率半径r1为2米，垂直曲率半径r2为4.2米的背投球幕10，其r2与r1的比值为2.1，设置每个投影仪的水平视场角为±27.3°，垂直视场角为±40.8°，对应的，接近或优于2弧分/像素的水平视场角为±27.3°，垂直视场角为31.8°。

第五种情况的实施例为，采用水平曲率半径r1为2米，垂直曲率半径r2为4.5米的背投球幕10，其r2与r1的比值为2.25，设置每个投影仪的水平视场角为±28.0°，垂直视场角为±40.6°，对应的，接近或优于2弧分/像素的水平视场角为±27.0°，垂直视场角为35.0°。

由上，可以说明，在一定范围内，随着垂直曲率半径r2的逐渐加大，以及投影仪的水平视场角逐渐扩大，接近或优于2弧分/像素的水平视场角及垂直视场角也会扩大，且在水平视场角从±26.0°逐渐变化到±27.3°的过程中，接近或优于2弧分/像素的水平视场角的度数均与之相同，但是到水平视场角继续增加到±28.0°时，接近或优于2弧分/像素的水平视场角的度数反而减小，说明并不是投影仪的水平视场角越大，接近或优于2弧分/像素的水平视场角的度数就越大，这个推论是有一定局限的，投影仪的水平视场角的度数最好控制在±28.0°以内，既然接近或优于2弧分/像素的水平视场角的度数已不再增加，那么也没有一味的增加r2的必要，且还需要兼顾到像距一致性问题，故可以控制垂直曲率半径r2在4.5米以内，其中接近或优于2弧分/像素的垂直视场角的变化与投影仪的垂直视场角的变化到没有直接的线性关系，接近或优于2弧分/像素的垂直视场角还是随着r2的增大而增大的。其上述五种情况的实施例均具有均匀度较高的投影像素分别率，单个投影仪的像素利用率均较高，均是较优的实施例，更优选的，可以采用第二种、第三种及第四种情况的实施例。

进一步地，所述背投球幕还包括顶盖11，顶盖与所述主体采用顺滑过渡方式，顶盖与主体通过一段半径r3的圆弧过渡111，圆弧的下半部分在主体上且上半部分在顶盖上；投影仪从顶盖投射出光线，在顶盖边缘处光线入射角为32度。包括顶盖的设计，使得视景显示系统能够更好地实现全景图像显示。那么顶盖与主体的接缝处就需要有过渡(如图3a、3b所示)。在顺滑过渡方式中，投影仪从顶部投射出光线，在顶盖边缘处光线入射角太大以至于超过全反射入射光角42度(如图4所示)，导致光线无法进入到屏幕背面。所以需调整上顶盖入射角避免全反射的发生，如图5所示，此时投影仪从顶部投射出光线，在顶盖边缘处光线入射角为32度，可以满足使用。

更进一步地，如图2所示，所述背投球幕的顶盖为环形曲面侧壁，环形曲面侧壁上的每个点对应的水平曲率半径等于对应的垂直曲率半径。具体地，当所述水平曲率半径r1为2米，所述垂直曲率半径r2为3.8米时，所述背投球幕的顶盖为半径为5米的环形曲面侧壁，此时顶盖与主体通过一段半径r3等于0.3米的圆弧过渡。

另一种技术方案是，所述背投球幕还包括顶盖，顶盖与所述主体采用相切的过渡方式。包括顶盖的设计，使得视景显示系统能够更好地实现全景图像显示。那么顶盖与主体的接缝处就需要有过渡。如图6所示，在钝角过渡方式中，可以避免发生全反射角，从而不产生视景图像黑缝，同时钝角过渡方式的顶盖高度低，对投影仪的景深要求小，可以得到分辨率较为一致的图像。但是会在上下背投幕相交的地方有一条折线。

钝角平顶过渡和顺滑圆顶过渡两种方式都满足使用要求，区别之处在于校正融合，钝角过渡相比于顺滑过渡，需要采用硬拼接的方式，对于拼缝处的校正融合提出了较高的技术要求，而采用顺滑圆顶过渡的方式可以避免硬拼接，但是对加工中的模具、球幕和顶盖的连接提出了较高的技术要求。

申请人优先考虑视景校正融合后的仿真效果，采用顺滑圆顶过渡的方式，通过加工阶段的技术攻关，将顶盖投影机边缘处入射角减小，并依据此开展校正融合算法，实现了非常好的技术效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。