一种用于飞行模拟器的小型球幕投影系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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。本技术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。本技术的第二种技^ 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技术系统的优点是.-1、大视场。从图l可以看出，本技术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，本技术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。本技术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。附图说明图1是本技术小型球幕投影系统相对位置关系示意图2是本技术小型球幕投影系统投影物镜结构示意图3是本技术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，投影系统的屏幕本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鑫，白加光，王忠厚，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]