具有自由形式折叠镜的背投模拟器的制作方法

具有自由形式折叠镜的背投模拟器
1.相关申请的交叉引用
2.本发明要求2018年11月20日提交的美国临时专利申请号62/769667的优先权和权益，该申请的内容通过引用结合于此并作为其一部分。
技术领域
3.本发明涉及一种背投模拟器显示系统，具有介于投影仪和屏幕之间的自由形式折叠镜。


背景技术：

4.模拟器比如飞行模拟器通常包括投影仪和屏幕。使用模拟器的人位于屏幕前，屏幕上有多种控制装置以进行虚拟训练。在这种系统中经常使用“折叠镜”来减少系统的地板空间或天花板高度。这是通过将光线从投影仪反射到屏幕背面来实现的。这种折叠镜通常是平坦的(即平面的)。然而，使用平坦镜(在非平坦屏幕上具有来自投影仪的扩展/发散光线)会导致系统用户看到的图像的不均匀分辨率和亮度。这在投影图像的边缘或边界附近尤其明显。
5.本发明提供了一种使用折叠镜的改进系统，其校正或减少分辨率或亮度的任何损失。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种用于模拟器(例如飞行模拟器)的改进的背投显示系统。该系统利用具有一个或多个非平面部分的折叠镜，非平面部分成形为使得投影仪光锥将导致更均匀的显示性能。这种类型的镜在本文将被称为“自由形式”折叠镜。对于本文公开和要求保护的技术的一实施方式，自由形式折叠镜成形为减少或消除投影光锥的边界附近的图像分量的分辨率损失。自由形式光学表面被定义为任何非旋转对称表面，或者是围绕任何轴线(其不是对称轴线)旋转的对称表面。与旋转对称表面相比，这些表面导致较小的系统尺寸。当被点光源照射时，自由形式镜在目标表面上产生给定的照明图案，该目标表面是平坦球形的或其它形状的。对于完成设计的一种方法，光线映射可以由二阶偏微分方程来建模。对于完成设计的另一种方法，通过光线跟踪和光学表面的设计来建模和验证光学表面的近似，特别是可以确定自由形式镜。
7.根据本发明的一方面，提供了一种模拟器投影系统。该系统包括投影仪和用于从投影仪接收图像的显示屏。自由形式折叠镜介于投影仪和显示屏之间。自由形式镜包括第一弯曲部分和第一平坦部分。对于一实施方式，第一弯曲部分定位成影响由投影仪投影的图像的边缘或边界部分。
8.对于一实施方式，除了第一弯曲部分，自由形式镜还包括与第一弯曲部分隔开的第二弯曲部分。在这种布置中，第一平坦部分位于第一弯曲部分和第二弯曲部分之间。可以根据希望或需要增加额外的弯曲部分，然而，平坦部分不需要在两个弯曲部分之间，由此两
个或更多个弯曲部分直接相邻，其间没有平坦部分。
9.对于一实施方式，第一弯曲部分相对于显示屏和投影仪具有凹形横截面形状。第二弯曲部分相对于显示屏和投影仪具有凸形横截面形状。
10.系统中的投影仪配置为投影高清晰度图像。例如，高清晰度图像可以是1920x1080像素阵列。也使用更高或更低像素计数的阵列。
11.对于该技术的一实施方式，系统的显示屏是弯曲的。通常，凸侧接收投影图像，用户位于屏幕的凹侧。在某些情况下，可以使用平坦屏幕。
12.根据本发明的另一方面，提供了一种显示系统。显示系统包括用于投影图像的投影仪和用于从投影仪接收图像的屏幕。自由形式折叠镜介于投影仪和屏幕之间。自由形式折叠镜具有居中定位的第一平坦部分、邻近第一平坦部分的顶部边缘的第一弯曲部分和邻近第一平坦部分的底部边缘的第二弯曲部分。
13.对于一实施方式，第一弯曲部分形成为相对于屏幕的后表面具有凹形横截面形状。第二弯曲部分形成为相对于屏幕的后表面具有凸形横截面形状。
14.对于一实施方式，自由形式折叠镜还可以包括第二平坦部分，其中第一弯曲部分在第一平坦部分和第二平坦部分之间。另外，自由形式折叠镜还可以包括第三平坦部分，其中第二弯曲部分在第一平坦部分和第三平坦部分之间。
15.该系统还可以包括支撑框架。支撑框架可以连接到投影仪、屏幕和自由形式折叠镜中的每个。
16.自由形式镜技术的一个目标是均衡投影仪像素的大小和间距，以创建均匀分辨率，从而使图像的外观始终清晰。任何几何校正比如将正方形预变形为“桶”形，使其在观察者看来是正方形，而不是角看起来是细长的，都将由创建图像的图像生成器完成，而不是由镜完成。现有技术没有解决均匀分辨率。该技术的另一个目的是提供一种在任何屏幕表面上产生均匀的像素密度(因此均匀分辨率和更均匀亮度)的折叠镜。
17.实现这种映射技术的一种方法是使用solidworks cad模型中设置的“约束”来实现的。例如，光线从投影仪内部的单个点扩展，并在从表面反射后被限制在凸屏幕表面上(例如)相距0.10”。要做到这一点，反射表面必须成一定角度，以使“法向”(垂直)光线将来自投影仪的入射光线和必须落在屏幕特定点上的出射光线一分为二。一旦模型已经计算了大量的表面，它们被合并以创建自由形式镜形状。该建模技术是用于实现本文公开和要求保护的技术的几种方法之一。
18.举例来说，对于一实施方式，像素之间的0.10”的约束例如由观察者观察和测量某一分辨率所需的像素密度的计算来确定。例如，每光学线对像素的分辨率要求为10.52弧分，这导致从观察者的视点开始的特定角度测量，并且如果圆顶具有65”半径，则转换为屏幕表面上像素之间的0.10”距离。本文公开和要求保护的技术致力于具有均匀的分辨率分布，这将导致更均匀的亮度分布，这也取决于施加到圆顶内部的扩散涂层的增益特性。
19.本发明的其他特征和优点将从以下结合附图和附件的说明书中变得显而易见。
附图说明
20.为了理解本发明，现在将参考附图和附件通过示例的方式来描述本发明，其中：
21.图1是无镜和有平坦折叠镜的模拟器投影系统的并排横截面示意图—有和无(平
坦)折叠镜的显示占地面积的比较；
22.图2是具有平坦折叠镜的模拟器投影系统的横截面示意图，示出了屏幕分辨率降低的区域—示出了当使用平坦折叠镜时由于扩大光锥和弯曲屏幕而导致的分辨率降低；
23.图3a是在具有平坦折叠镜的模拟器投影系统中投影到屏幕上的圆形图像的图形表示；
24.图3b是图3a的投影图像的屏幕视图—示出了像素直径圆形图像上的图像拉伸；
25.图4是根据本发明一方面的具有自由形式折叠镜的模拟器投影系统的横截面示意图—示出了用于均衡图像分辨率的自由形式镜；
26.图5是图4的自由形式折叠镜的放大的上部，具有平坦折叠镜的叠加的上部—示出了在上部像素区上使用自由形式镜；以及
27.图6是具有用于比较的平坦折叠镜和自由形式折叠镜的模拟器投影系统的图形表示—示出了i/itsec显示。
28.虽然所公开的技术易于进行各种修改和替代形式，但其具体实施方式在附图中以示例的方式示出，并将在此详细描述。然而，应该理解的是，本文呈现的附图和详细描述并不旨在将本公开限制于所公开的特定实施方式，相反，本发明旨在覆盖落入所公开的和由所附权利要求限定的本技术范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
29.根据所公开的本技术的实施方式，在图1
‑
6中示出了各种视图，并且在所有附图的各种视图和图形中，相同的附图标记始终用于指代该技术的相同和相应的部分。此外，请注意，给定项目或部分技术的参考标记的第一个数字应对应于项目或部分首次被识别的图号。说明书中对“一个实施例”或“一实施例”；“一个实施方式”或“一实施方式”的引用意味着结合该实施例或实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或实施方式中。在说明书的不同地方出现的短语“在一实施例中”或“在一实施方式中”不一定都指相同的实施例或相同的实施方式，也不一定是与其他实施例或实施方式相互排斥的单独或替代的实施例或实施方式。虽然本发明可以有许多不同形式的实施例，但在附图和附件中示出了本发明，并且在此将详细描述本发明的优选实施例，应当理解，本公开被认为是本发明原理的范例，并且不旨在将本发明的广泛方面限制于所示的实施例。
30.本发明提供了一种改进的模拟器显示系统。该系统提供了投影到模拟器显示器上的图像的更均匀的分辨率，以及更均匀的图像亮度，因为当图像的像素靠近时，亮度趋于增加。更均匀的分辨率和亮度也应该减少与模拟器显示系统相关的任何自动对准系统的工作量。本系统还可用于进一步减少背投视觉显示器的占地面积和/或天花板高度。
31.参考图1的左侧，典型的模拟器显示系统包括将图像投影到屏幕12上的图像投影仪10。图1示出了平坦屏幕14和弯曲屏幕16。系统的用户18位于屏幕12的前面。如图1所示，投影仪10提供具有光锥20的图像。该光锥20部分地规定了投影仪10和屏幕12之间所需的距离。
32.为了缩短系统的占地面积，一些系统已经利用了介于投影仪10和屏幕12之间的平坦折叠镜22，如图1右侧所示。比较左侧和右侧，当使用折叠镜时，投影仪10和用户18之间的距离较短。折叠镜用于许多投影技术中，以减小投影设备的总投射距离，从而减小系统的总
尺寸(深度)。折叠镜在实施例中被用作减小设备整体尺寸的方法。自由形式镜是具有非对称光学表面的光学器件，具有许多优点，包括校正各种像差。自由形式光学器件被定义为其表面形状缺乏关于垂直于平均平面的轴线的平移或旋转对称性的光学器件。使用自由形式光学器件设计的常见第一步方法是改变决定每个表面的自由形式形状的所有系数，并让光线跟踪优化器决定最终的系数和表面形状。光线跟踪优化器包括基于计算机的软件工具，用于对光线跟踪和折叠镜的最终自由形式形状进行建模。
33.使用平坦折叠镜会出现某些分辨率和亮度问题。具体而言，来自投影仪10的扩展光锥20将光线从屏幕12背面的图像中心扩散开。当屏幕16如图2所示在飞行模拟器的背投圆顶中弯曲时，这尤其成问题。在该图中，屏幕16在观察者/用户18侧是凹的，在屏幕16的投影仪10侧是凸的。扩散的光线与远离投影仪弯曲的屏幕16结合，产生恶化的分辨率和亮度(例如拉伸图像)。例如，图像中心24(7.99
‘
/olp)和图像顶部26或底部28(16.09
‘
/olp)之间的分辨率降低50％在图2中示出(以弧分钟/光学线对(
‘
/olp)给出，这是具有视觉显示的训练模拟器中分辨率的标准度量)。相比之下，“20/20”的视觉分辨率约为2
‘
/olp，数字越小表示分辨率越高。图2(和图3)中所示的图像中心24、顶部26和底部28中的每个都具有100像素的光锥。
34.由于扩散光线导致图像亮度不均匀，图像亮度也有类似的降低。这种效果在图像边缘更明显。图3示出了从用户18角度的该图像拉伸对100像素直径圆形物体24、26、28(太阳、月亮等)的影响，除非应用了一些图像扭曲。这种扭曲只能通过使用小于原始100像素来使物体再次圆形化(从而降低图像的分辨率)。
35.图4和5示出了自由形式折叠镜30，其克服了平坦折叠镜22的问题。本文描述的自由形式折叠镜30将调节投影仪的光线在屏幕16上的分布，以均衡图像上的分辨率，并产生更加均匀的分辨率和亮度。在图4和5所示的例子中，这将通过将光线从图像中心扩散开并将其集中到图像边界或边缘来实现。
36.聚焦于由图4中的投影仪10生成的顶部图像(即最右边的光锥)，自由形式折叠镜30包括靠近镜30顶部的第一非平面弯曲部分32(方向或位置术语比如“顶部”、“底部”、“右侧”等在此用于关于如图所示的位置或方位，并不意味着将本发明限制在这些位置或方位—也就是说，整个投影仪/镜组合可以放置在其侧面或倒置即投影仪在顶部—并且仍结合本发明)。第一弯曲部分32具有凹形横截面形状(即相对于屏幕或投影光锥)。自由形式折叠镜30包括在第一弯曲部分32下方形成镜30的中心或中间部分的平坦部分34和在第一弯曲部分32上方的另一平坦部分36。
37.如图5中更详细地示出，击中自由形式镜32的顶部的光锥的外部(或最左边)光线38撞击镜30的第一弯曲部分32，并被反射向屏幕16，光锥的内部(或最右边)光线40撞击第一弯曲部分32上方的平坦部分36，并也被反射向屏幕16。该光锥是来自投影仪10的图像的上部100个像素。图5还包括叠加在自由形式折叠镜30前面的平坦折叠镜22。这样做是为了说明如果使用平坦折叠镜22代替自由形式折叠镜32，光锥的外部光线38’会反射到哪里。显而易见，光线38和40与自由形式折叠镜30的间距明显小于光线38’和40与平坦折叠镜22的间距。因此，该区域中的图像26’没有被自由形式折叠镜30拉伸得像被平坦折叠镜22拉伸得那样多。如图4所示，系统的用户18看到的三个图像24’、26’和28’(来自三个示例性光锥)中的每个都是10.52
‘
/olp。
38.图4还示出了通过撞击自由形式折叠镜30上的第二非平面弯曲部分42形成的下部图像(即从投影仪10发射的最左侧光锥)。与第一弯曲部分32相反，第二弯曲部分42相对于光锥和屏幕16是凸的。另一平坦部分44邻近第二弯曲部分42，与居中定位的平坦部分34相对。
39.为了说明平坦折叠镜22和自由形式折叠镜30之间的区别，在图6中示出了具有两个镜22、30的模拟显示系统。两个镜22、30都安装在支撑框架46上。镜22、30可滑动以允许任一镜处于投影仪的光路中。支撑框架46还保持投影仪10和屏幕16(类似的支撑框架用于保持图1
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5中示意性示出的系统的部件)。整个系统可以是封闭的，和/或安装在可移动平台上(该平台模拟飞机或者与模拟器相关的其他交通工具或机械的运动)。
40.本发明的自由形式折叠镜30不同于典型的平坦平面镜，并且将具有比平坦镜更复杂的形状。在一些情况下，自由形式折叠镜可以是彼此连接或相邻放置的一个或多个镜部件。
41.虽然自由形式折叠镜30在图中示出为具有两个弯曲部分32、42，但它可以根据需要具有更少或更多的弯曲部分，以向投影图像提供任何期望的效果。此外，屏幕的位置和形状会影响这种镜的任何弯曲部分的数量和位置。
42.根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以以不同于具体描述的方式受到保护。
43.上面示出的各种实施方式和示例示出了用于具有自由形式折叠镜的背投系统的方法和系统。根据期望的应用，本方法和系统的用户可以选择上述实施方式中的任何一种或其等同物。在这点上，应该认识到，在不脱离所公开的本技术和各种实施方式的范围的情况下，可以利用各种形式的主题自由形式折叠镜方法和系统。
44.从前面的描述显而易见的是，本实施方式的某些方面不受本文示出的示例的特定细节的限制，因此可以设想，本领域技术人员将会想到其他修改和应用或其等同物。因此，权利要求将覆盖不脱离本实施方式的范围的所有这些修改和应用。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的。
45.本文将某些系统、装置、应用或过程描述为包括多个模块。模块可以是以软件、硬件或其组合呈现的不同功能的单元。当模块的功能通过软件在任何部分执行时，模块包括计算机可读介质。模块可被认为是通信耦合的。本发明的主题可以以多种不同的实施方式来表示，其中存在许多可能的排列。
46.本文描述的方法不必以所描述的顺序或任何特定的顺序来执行。此外，针对本文所标识的方法描述的各种活动可以串行或并行方式执行。在前面的详细描述中，可以看出，为了简化本公开，在单个实施例中将各种特征组合在一起。该公开方法不应被解释为反映要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确陈述的更多的特征的意图。相反，如以下权利要求反映，本发明的主题可能存在于单个公开的实施例的少于所有的特征。因此，下面的权利要求由此被结合到详细描述中，每个权利要求独立地作为单独的实施例。
47.在示例实施方式中，机器作为独立设备操作，或者可以连接(例如联网)到其他机器。在网络化部署中，机器可以在服务器
‑
客户端网络环境中以服务器或客户端机器的身份运行，或者在对等(或分布式)网络环境中作为对等机器运行。该机器可以是服务器计算机、客户端计算机、个人计算机(pc)、平板pc、机顶盒(stb)、个人数字助理(pda)、蜂窝电话、网
络设备、网络路由器、交换机或网桥，或者能够执行指定该机器或计算设备要采取的动作的一组指令(顺序的或其他方式)的任何机器。此外，虽然仅示出了单个机器，但术语“机器”也应被理解为包括单独或共同执行一组(或多组)指令以执行本文讨论的任何一种或多种方法的任何机器集合。举例来说，对于设计制造和提供自由形式镜的一实施方式，利用了光线跟踪优化器，其包括基于计算机的软件工具，用于对光线跟踪以及最终折叠镜的自由形式形状进行建模。自由形式镜可以利用这种基于计算机的工具预先制造。然而，对于一实施方式，自由形式镜用机械推/拉系统动态地调整，该系统将镜的反射表面机械地变形至适当的曲率。对于一实施方式，推/拉机构由计算机控制，以基于其他系统参数来调整镜的曲率，从而减少像差并提高分辨率。
48.示例计算机系统和客户端计算机可以包括处理器(例如中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)或两者)、主存储器和静态存储器，它们通过总线彼此通信。计算机系统还可以包括视频/图形显示单元(例如液晶显示器(lcd)或阴极射线管(crt))。计算机系统和客户端计算设备还可以包括字母数字输入设备(例如键盘)、光标控制设备(例如鼠标)、驱动单元、信号生成设备(例如扬声器)和网络接口设备。
49.驱动单元包括计算机可读介质，其上存储有一组或多组指令(例如软件)，这些指令体现了本文描述的任何一种或多种方法或系统。软件也可以在由计算机系统执行期间完全或至少部分地驻留在主存储器和/或处理器中，主存储器和处理器也构成计算机可读介质。软件还可以通过网络接口设备在网络上传输或接收。
50.术语“计算机可读介质”应被理解为包括存储一组或多组指令的单个介质或多个介质(例如集中式或分布式数据库，和/或相关的高速缓存和服务器)。术语“计算机可读介质”还应被理解为包括能够存储或编码由机器执行的一组指令并使机器执行本实施方式的任何一种或多种方法的任何介质。因此，术语“计算机可读介质”应被理解为包括但不限于固态存储器、光学介质和磁性介质。
51.上面所示的各种自由形式折叠镜背投示例说明了背投系统的方法和系统。根据期望的应用，所公开的本技术的用户可以选择上述实施方式中的任何一种或其等同物。在这点上，认识到在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用主题技术的各种形式。
52.从前面的描述显而易见的是，所公开的本技术的某些方面不受本文示出的示例的特定细节的限制，因此可以设想，本领域技术人员将会想到其他修改和应用，或者其等同物。因此，权利要求将覆盖不脱离所公开和要求保护的本技术的范围的所有这些修改和应用。
53.通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，可以获得所公开的本技术的其他方面、目的和优点。