專利名稱：：一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及球形屏幕投影系統(tǒng)，尤其涉及一種用于小型球形屏幕上投影顯示的單鏡頭投影系統(tǒng)。
背景技術：
：飛行模擬器于20世紀30年代初出現(xiàn)以來，逐漸成為對飛行員進行訓練的重要裝置。作為飛行模擬器核心技術之一的視景顯示技術，伴隨現(xiàn)代顯示技術的發(fā)展也發(fā)生著巨大的變化。早期的飛行擬器常采用閉路電視(CCTV)視景系統(tǒng)，如美國"水星"號、"雙子星"號飛船訓練模擬器均采用這種視景系統(tǒng)。我國20世紀70年代研制的殲6飛機飛行訓練模擬器視景系統(tǒng)也采用CCTV形式，圖像源為長15m，高5m的地景模型，用攝像機和多套隨動系統(tǒng)按飛行軌跡、航向和姿態(tài)角的不同而拍攝相應地景模型的不同區(qū)域。這種形式的視景系統(tǒng)因要求很大的建筑物內部空間，機械隨動機構復雜，系統(tǒng)維護、更換場景困難等因素于70年代末逐漸被淘汰。1964年，NASA在載人航天中心安裝了第一臺能夠實時成像的電子計算機。該系統(tǒng)僅能提供平面透視圖并產生一些紋理，但是不能產生棱角。在"阿波羅"計劃中，NASA對該視景系統(tǒng)進行了改進，使其能夠產生三維立體圖像及表面紋理。70年代，計算機軟硬件技術的飛速發(fā)展已使得計算機成像技術可以產生非常逼真的三維物體。隨著技術的不斷進步，計算機成像已經成為視景系統(tǒng)的最主要圖像源。目前研制和使用的飛行模擬器幾乎全部應用計算機成像技術。我國90年代自主研制的Y7—100飛機飛行模擬器采用的就是計算機成像方式的視景系統(tǒng)。球幕投影系統(tǒng)的使用始于上個世紀80年代美國，一開始主要用于電影放映，后來逐漸被應用于天象儀和飛行模擬訓練當中，這些系統(tǒng)的球幕半徑都在十米到幾十米不等，尺寸較大、成本高昂。相比平面顯示方法，球形屏幕(簡稱球幕)投影技術具有突出的優(yōu)勢。無論是在飛行模擬器中作為圖像顯示或是民用級別的電影放映，球幕投影技術帶給使用者的都是全新的視覺感受。其最大優(yōu)點是可以得到很大的觀察野(水平和垂直視場)，尤其在垂直方向上具有其它系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢，圖像縱深感強并且更具有真實感，充分提高訓練效果和畫面的觀賞價值。目前，球幕投影系統(tǒng)有向屏幕半徑小型化發(fā)展的趨勢，這一方面降低了整套系統(tǒng)的成本，另一方面也迎合了越來越多的單位或個人對這種系統(tǒng)的需求。國外已有部分廠家開始致力于單人使用的球幕系統(tǒng)的開發(fā)和研制，近幾年已經出現(xiàn)了一些成熟產品。最主要的系統(tǒng)是采用多臺投影機(一般為3臺)聯(lián)合工作，對特定的球幕分區(qū)域投影，并采用計算機圖像無縫接合技術對圖像進行預處理，但是該系統(tǒng)的缺點是結構復雜，圖像有偏差。另一種類型的投影機使用一個投影鏡頭進行工作，無須對圖像進行過多的處理，但是該系統(tǒng)的缺點是光學系統(tǒng)視場小，象面照度均勻性差，成本高。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一種采用單投影物鏡設計方案的用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，它主要解決了現(xiàn)有球幕投影系統(tǒng)結構復雜，系統(tǒng)性能差，成本高的技術問題。本實用新型的第一種技術解決方案是一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物鏡和圖像發(fā)生器，所述半球形投影屏幕圓心通過投影物鏡的鏡頭光軸并以光軸為對稱軸，其特殊之處是所述投影物鏡包括依次設置在半球形投影屏幕和圖像發(fā)生器之間的鏡頭光軸上的前組、中間組、光闌6和正后組，所述前組包括總光焦度為負值的彎月透鏡組，所述中間組包括鼓形透鏡和平板玻璃5，所述正后組包括總光焦度為正值的物鏡組。上述前組包括前組第一彎月負透鏡1和前組第二彎月負透鏡2，所述中間組包括膠合在一起的中間組鼓形負透鏡3和中間組鼓形正透鏡4、平板玻璃5。上述正后組包括膠合在一起的正后組第一負透鏡7和正后組第一正透鏡8、正后組正透鏡9、膠合在一起的正后組第二負透鏡10和正后組第二正透鏡11。上述正后組可采用高斯物鏡半部系統(tǒng)。上述正后組可采用單單雙系統(tǒng)，所述單單雙系統(tǒng)包括兩個單正透鏡和一塊正雙膠合物鏡的密接形式。上述正后組可采用天塞物鏡系統(tǒng)及其衍生類型，所述天塞物鏡系統(tǒng)包括正雙膠合的單正透鏡+負物鏡+正雙膠合物鏡。上述正后組可采用三片型結構，所述三片型結構包括由正負正三片單透鏡。本實用新型的第二種技^方羞是一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物鏡和圖像發(fā)生器，所述半球形投影屏幕圓心通過投影物鏡的鏡頭光軸并以光軸為對稱軸，其特殊之處是所述投影物鏡包括依次設置在半球形投影屏幕和圖像發(fā)生器之間的前組、45度全反射鏡、中間組、光闌6和正后組，所述前組包括總光焦度為負值的彎月透鏡組，所述中間組包括鼓形透鏡和平板玻璃5，所述正后組包括總光焦度為正值的物鏡組。上述前組包括前組第一彎月負透鏡1和前組第二彎月負透鏡2;所述中間組包括膠合在一起的中間組鼓形負透鏡3和中間組鼓形正透鏡4、平板玻璃5;所述正后組包括膠合在一起的正后組第一負透鏡7和正后組第一正透鏡8、正后組正透鏡9、膠合在一起的正后組第二負透鏡10和正后組第二正透鏡11。上述正后組可采用高斯物鏡半部系統(tǒng)、單單雙系統(tǒng)、天塞物鏡系統(tǒng)或三片型結構；所述單單雙系統(tǒng)包括兩個單正透鏡和一塊正雙膠合物鏡的密接形式；所述正后組可采用天塞物鏡系統(tǒng)及其衍生類型；所述天塞物鏡系統(tǒng)包括正雙膠合的單正透鏡+負物鏡+正雙膠合物鏡；所述三片型結構包括由正負正三片單透本實用新型系統(tǒng)的優(yōu)點是.-1、大視場。從圖l可以看出，本實用新型光學系統(tǒng)的視場很大，全視場角達到170度。2、象差校正結果較好。光學系統(tǒng)在優(yōu)化設計過程中加入了對半球形屏幕的考慮，有效的控制了場曲和畸變的大小。鏡頭中大部分半徑采取彎向光闌設計，由于半徑采用彎向光闌設計的目的是為了增強系統(tǒng)的對稱性，使得通過光闌中心的主光線與光軸夾角得到減小，從而降低了隨夾角增大而引起的視場高級象差，這些對彗差、像散等隨視場變化顯著的像差有很顯著的改善。后組采用非對稱匹茲伐型物鏡，對進一步消除負前組引起的垂軸像差有利。最終系統(tǒng)接近準遠心，象面照度均勻性達到95%以上，保證了投影屏幕的均勻成像。屏幕半徑和工作距離可在系統(tǒng)組合時進行優(yōu)化選擇，進一步改善投影像質。3、可近距離球面成像。光學系統(tǒng)的焦距可由工作距離、圖像發(fā)生器尺寸、屏幕尺寸決定，本實用新型系統(tǒng)的光學系統(tǒng)的焦距小，從而可實現(xiàn)近距離投影成像。4、制造及加工成本低。本實用新型系統(tǒng)的物鏡設計主要采用了常用的ZK、ZF普通光學玻璃作為原料，原料購買和鏡頭加工都屬于成熟工藝，加工簡單，成本低廉。5、應用范圍廣。前后組間隔在設計過程中放大，為加工成折軸系統(tǒng)預留出充足的空間。圖1是本實用新型小型球幕投影系統(tǒng)相對位置關系示意圖2是本實用新型小型球幕投影系統(tǒng)投影物鏡結構示意圖3是本實用新型小型球幕投影物鏡中投影物鏡設計實例示意圖；其中l(wèi)-前組第一彎月透鏡，2-前組第二彎月透鏡，3-中間組鼓形負透鏡，4-中間組鼓形正透鏡，5-平板玻璃，6-光闌，7-正后組第一負透鏡，8-正后組第一正透鏡，9-正后組正透鏡，10-正后組第二負透鏡，11-正后組第二正透鏡，12-圖像發(fā)生器，13-投影物鏡，14-光軸，15-半球形投影屏幕。具體實施方式一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物鏡和圖像發(fā)生器，投影系統(tǒng)的屏幕和投影物鏡鏡頭位置關系如圖1，其中工作距離即物鏡投影距離在一定范圍可調。屏幕圓心通過鏡頭光軸，并以光軸為對稱軸。物鏡放大倍率由屏幕尺寸和圖像發(fā)生器尺寸決定并滿足關系式(y'為屏幕開口尺寸，y為圖像發(fā)生器尺寸)。投影物鏡包括依次設置在半球形投影屏幕和圖像發(fā)生器之間的鏡頭光軸上的前組、中間組、光闌和正后組，前組包括總光焦度為負值的彎月透鏡組，彎月透鏡組由前組第一彎月負透鏡1和前組第二彎月負透鏡2組成，中間組包括膠合在一起的中間組鼓形負透鏡3和中間組鼓形正透鏡4和平板玻璃5，正后組包括總光焦度為正值的物鏡組，可以有多種形式，比如a.高斯物鏡半部系統(tǒng)；b.單單雙系統(tǒng)，所述單單雙系統(tǒng)包括兩個單正透鏡和一塊正雙膠合的密接形式；c.天塞物鏡形式及其復雜化，所述天塞物鏡形一般包括單正(正雙膠合)+負+正雙膠合；d.三片型結構及其復雜化，所述三片性結構一般由正負正三片單透鏡構成。本實用新型優(yōu)選如下方案:正后組包括膠合在一起的正后組第一負透鏡7和正后組第一正透鏡8、正后組正透鏡9、膠合在一起的正后組第二負透鏡10和正后組第二正透鏡11。為了減小體積或者適應場地的需要，可在前組和中間之間設置一個45度全反射鏡，形成折軸系統(tǒng)。表1是根據(jù)本設計的設計思想給出了當屏幕半徑選擇在750mm-850mm之間，工作距離在500mm-550mm之間的一個實例的設計實例，將其焦距歸一化后各透鏡半徑、厚度、空氣間隔、光學材料的折射率及色散系數(shù)如表l給出，序號相對關系如圖3，其中d9=0.30+0.27、/=lmra、2w=170°、乃//=1/3.8、k;15.84咖。整個投影物鏡共采用了6組10片透鏡，最大鏡頭口徑為70咖。本實用新型系統(tǒng)的參數(shù)如下全視場角20=170°;相對孔徑焦距/=5.478腿；系統(tǒng)總長度丄=130.67咖；后截足巨丄后=15.84腿。<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表1本實用新型原理本實用新型采用魚眼物鏡的標準結構但相對簡化，屬于反遠攝成像物鏡范疇，包括了組分i和組分n兩個大的組成部分。其中組分i稱為負前組，包括前組第一彎月和前組第二彎月共兩片負透鏡，其功能是放大該光學系統(tǒng)的視場。組分n包括八片透鏡，其中中間組鼓形負透鏡3和中間組鼓形正透鏡4膠合組成中間組鼓形透鏡，另一個透鏡為一塊平板玻璃，正后組第一負透鏡7和正后組第一正透鏡8進行膠合組成正后組第一片透鏡，還有一個透鏡是正后組正透鏡9，正后組第二負透鏡10和正后組第二正11膠合后作為正后組第三片透鏡。組分II在系統(tǒng)中的作用是消除組分I帶來的各種軸外象差。在本設計的結構基礎上進行適當改進依然可以達到本設計的使用要求，但主體結構不會發(fā)生變化，即改進后的光學系統(tǒng)必然也能歸化成兩大組分，前組必為總光焦度為負值的彎月透鏡組，后組必為光焦度為正值的物鏡組，且在光闌后的部分可用多種其他物鏡形式代替。權利要求1、一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物鏡和圖像發(fā)生器，所述半球形投影屏幕圓心通過投影物鏡的鏡頭光軸并以光軸為對稱軸，其特征在于所述投影物鏡包括依次設置在半球形投影屏幕和圖像發(fā)生器之間的鏡頭光軸上的前組、中間組、光闌(6)和正后組，所述前組包括總光焦度為負值的彎月透鏡組，所述中間組包括鼓形透鏡和平板玻璃(5)，所述正后組包括總光焦度為正值的物鏡組。2、根據(jù)權利要求1所述的一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，其特征在于所述前組包括前組第一彎月負透鏡(1)和前組第二彎月負透鏡(2)，所述中間組包括膠合在一起的中間組鼓形負透鏡(3)和中間組鼓形正透鏡(4)、平板玻璃(5)。3、根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，其特征在于所述正后組包括膠合在一起的正后組第一負透鏡(7)和正后組第一正透鏡(8)、正后組正透鏡(9)、膠合在一起的正后組第二負透鏡(10)和正后組第二正透鏡(11)。4、根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，其特征在于所述正后組可采用高斯物鏡半部系統(tǒng)。5、根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，其特征在于所述正后組可采用單單雙系統(tǒng)，所述單單雙系統(tǒng)包括兩個單正透鏡和一塊正雙膠合物鏡的密接形式。6、根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，其特特征在于所述正后組可采用天塞物鏡系統(tǒng)及其衍生類型，所述天塞物鏡系統(tǒng)包括正雙膠合的單正透鏡+負物鏡+正雙膠合物鏡。7、根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，其特征在于所述正后組可采用三片型結構，所述三片型結構包括由正負正三片單透鏡。8、一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物鏡和圖像發(fā)生器，所述半球形投影屏幕圓心通過投影物鏡的鏡頭光軸并以光軸為對稱軸，其特征在于所述投影物鏡包括依次設置在半球形投影屏幕和圖像發(fā)生器之間的前組、45度全反射鏡、中間組、光闌(6)和正后組，所述前組包括總光焦度為負值的彎月透鏡組，所述中間組包括鼓形透鏡和平板玻璃(5)，所述正后組包括總光焦度為正值的物鏡組。9、根據(jù)權利要求8所述的一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，其特征在于所述前組包括前組第一彎月負透鏡(1)和前組第二彎月負透鏡(2);所述中間組包括膠合在一起的中間組鼓形負透鏡(3)和中間組鼓形正透鏡(4)、平板玻璃(5);所述正后組包括膠合在一起的正后組第一負透鏡(7)和正后組第一正透鏡(8)、正后組正透鏡(9)、膠合在一起的正后組第二負透鏡(10)和正后組第二正透鏡(11)。10、根據(jù)權利要求8或9所述的一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，其特征在于所述正后組可采用高斯物鏡半部系統(tǒng)、單單雙系統(tǒng)、天塞物鏡系統(tǒng)或三片型結構；所述單單雙系統(tǒng)包括兩個單正透鏡和一塊正雙膠合物鏡的密接形式；所述正后組可采用天塞物鏡系統(tǒng)及其衍生類型；所述天塞物鏡系統(tǒng)包括正雙膠合的單正透鏡+負物鏡+正雙膠合物鏡；所述三片型結構包括由正負正三片單透鏡。專利摘要本實用新型涉及一種用于飛行模擬器的小型球幕投影系統(tǒng)，包括固定尺寸的半球形投影屏幕、投影物鏡和圖像發(fā)生器，半球形投影屏幕圓心通過投影物鏡的鏡頭光軸并以光軸為對稱軸，投影物鏡包括依次設置在半球形投影屏幕和圖像發(fā)生器之間的鏡頭光軸上的前組、中間組、光闌和正后組，前組包括總光焦度為負值的彎月透鏡組，中間組包括鼓形透鏡和平板玻璃，正后組包括總光焦度為正值的物鏡組。本實用新型解決了現(xiàn)有球幕投影系統(tǒng)結構復雜，系統(tǒng)性能差，成本高的技術問題。具有大視場，象差校正結果較好，可近距離球面成像，制造及加工成本低，應用范圍廣的優(yōu)點。文檔編號G02B13/00GK201075146SQ20072003237公開日2008年6月18日申請日期2007年7月31日優(yōu)先權日2007年7月31日發(fā)明者鑫孫,王忠厚,白加光申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所