通過入射光投影生成正視圖場景圖像的裝置的製作方法

2023-06-10 12:43:51 1

專利名稱：通過入射光投影生成正視圖場景圖像的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過入射光投影在正視圖中生成場景圖像的，尤其是在訓練站中或模擬器中或奇遇環境(Erlebniswelt)中圖像顯示的一種裝置。
從EPO836169 B1中公開了一種訓練站，在其上三個投影儀生成在顯示屏上成像的劃分圖像。經準直鏡將在顯示屏上生成的圖像折射到投影面上和提供給演示人員。
通過圖像從物體平面出發光學地成像到圖像平面上決定了，投影儀是佔很大空間地布置在演示人員的背後和遠遠地布置在他的頭部之上的。需要準直鏡，以便一般說來在通常從駕駛臺看到的範圍中生成場景圖像的一部分。
在這些例如採用於駕校培訓的模擬器上，投影儀是布置在演示人員頭部上方約2m處和在演示人員頭部後方約1m處。基於光學成像和圖像大小的光學規律性這一點是必要的，因為人們希望排除通過人員或通過司機室構造物的引起的要顯示正視圖場景圖像的陰影。所以這樣的模擬器是很大的，尤其是在移動的系統上質量大的設備部件位於遠離移動軸之外，以至於要控制由所出現的加速力引起的可觀的動態負荷。為此需要一種穩定和因而質量大的機械構造，這帶來在機械傳動和液壓傳動上的可觀的花費。
此外通常所採用的圖像投影儀具有微小的景深，並且尤其是在圖像邊緣上顯示出不能令人滿意的圖像解析度。
本發明追求這種目標，降低實現訓練設備，模擬設備或奇遇環境時的花費，並且改善所生成場景圖像的正視圖的接近實際性。本發明應既適合於具有移動系統的模擬(″浮動掃描″)，又適合於沒有移動系統的模擬(″固定掃描″)。
在通過入射光投影生成正視圖場景圖像的，尤其是藉助投影儀在訓練站中或在模擬器中或在奇遇環境中圖像顯示的裝置上，如此來按本發明解決此任務，至少一個投影儀用在投影錐之內從原點出發的，在行方向和圖像方向上偏轉的，亮度和/或顏色調製的光束將正視圖的場景圖像投射到投影面上，並且每個投影儀是如此布置的，使得它的原點位於演示人員的視線方向上。
在演示人員之前布置投影儀具有這種優點，大大減少了圖像部分通過構造物或觀察者引起的可能的陰影。因此可以將投影儀布置得更近於觀察者的眼睛高度。這尤其是具有圖像失真較小的優點。如果也還應排除這些較微小的圖像差錯，則可以用較微小的花費實現在場景圖像上的必要的修正措施。當人們從局部圖像組合成場景圖像時，也可以用例如兩個或三個的多個投影儀實現本發明的原理。
當在說明書中提及僅一個演示人員時，這不意味著，本發明是局限於具有一個單個人員的用途上。更確切地說，當存在著兩個人員，如司機和副司機，或甚至一組人員時，本發明的原理也可以應用。
用從原點出發的偏轉的，亮度和/或顏色調製的光束在投影錐之內按行和按圖像將場景圖像投射到投影面上的投影儀是特別有利的。它們也是在名稱″雷射投影儀″之下公開的。鑑於光束的成像規律性，這樣的投影儀從根本上區別於如LCD投影儀或CRT投影儀那樣的普通圖像成像投影儀。由於在″雷射投影儀″上偏轉用於投射一行像點的紅綠蘭光束，並且在這裡不進行從設備內部物面到圖像平面中的傳統的光學成像，可以達到大得多的投射角和可以在廣泛的範圍內自由選擇投影儀-投影面的距離。
在這樣的投影儀上可以進行範圍廣闊的幾何修正，使得由於斜投影的，或由於投影面形狀的圖像失真是在很大程度上可以修正的。此外這樣投影儀的圖像在很大景深範圍中是清晰的，以至於到投影面的投影距離是大大地可變化的。在DE19737374C2中說明了一種這樣的投影儀和圖像顯示的相應的修正可能性。在此對於眼睛點到投影面的位置修正場景圖像，在此情況下圖像攝像機或圖像計算機攝取和/或計算對於此眼睛點的場景圖像。當例如按DE4324849C2的變換鏡組得到採用時，投影的原點是變換鏡組的輸出光圈，否則當不採用變換鏡組時，投影的原點是通過多稜鏡的行偏轉的偏轉點。
投影儀是有利地布置在(腹面)正面平面之前的投影射束原點位於其上的一個位置上，演示人員的眼睛點位於此正面平面中。在此位置上投影射束通過演示人員或司機室的可能陰影是最微小的，或者甚至是完全不存在的。
在裝置中合理地採用至少有一個曲率中心點的投影面。用圓柱的或弧形的投影面可以特別有利地顯示正視圖的場景圖像，因為可以用接近實際的圖像內容來完全充滿演示人員的視野。在投影面上尤其是可能涉及鼓形體的，例如球或拋物線鼓形體的內面。
本發明的一種有利的進一步發展在於，如此選擇幾何形狀，使得演示人員的眼睛點或投影射束的原點位於投影面的曲率中心點上。所出現可見的幾何圖像失真則是最微小的，由此在要顯示場景圖像上的必要修正有同樣是微小的結果，或者甚至可以取消。在任何另外的位置上出現更大的圖像失真，這些圖像失真只有用提高了的技術上的工作量和部分地在圖像顯示質量損失的條件下才是可以修正的。
如果投影面具有多於一個的曲率中心點，則像這在拋物線的或鼓形的投影面上的情況那樣，出於上述原因合理的是，如果投影射束的原點位於投影面的一個第一曲率中心點上，並且演示人員的眼睛點位於投影面的一個第二曲率中心點上。
由於例如模擬器室和投影儀的構造物的各自在空間上的布置，將投影儀或演示人員定位到曲率中心點中的一個上不總是可能的。為了微小的圖像失真則每個投影儀是應如此布置的，它的投影錐與所選擇的平面相交於一個曲率中心點上。投影儀擁有通過兩個平面的相交線所確定的一個主投影軸通過其平行於在投影錐的圖像高度中心上的行方向的位置和通過偏轉光束的原點所規定的一個水平平面，和通過其垂直於在投影錐的圖像寬度中心上的行方向的位置和通過偏轉光束的原點所確定的一個垂直平面。當垂直平面或水平平面或兩個平面含有一個或兩個曲率中心點時，達到微小的圖像失真。
此外當演示人員位於對投影面的一個規定的位置上時，則也大大減少了投影的修正工作量。當通過演示人員眼睛點的中線平面和/或正面平面含有一個或兩個曲率中心點時，則是這種情況。
尤其是對於在其上用一個場景圖像應充滿很大的水平視角的投影儀，不用一個單個的投影儀顯示場景圖像，而是將場景圖像分成兩半，或劃分為四，並且將這些所劃分圖像中的每一個分配給一個自己的投影儀是合適的。所以至少兩個投影儀優先是如此布置的，使得這些投影儀的主投影軸交於位於演示人員背後(背面的)的一個點上，並且在此是互相如此定向的，使得每兩個所生成的圖像在投影面上的它們的相應側邊上無過渡地接觸。此時投影射束的原點位於演示人員正面平面(腹面的)中的一個之前。
因此在投影儀的主投影軸之間有一個交點，所標出平面中的一個，水平平面或垂直平面對於投影儀是等同的。此時投影儀是互相如此布置和定向的，使得兩個相鄰的圖像是在它們的共同側邊上互相無縫挨靠地置放的。由於在DE19737374C2中所說明的修正可能性可以像素準確地挨靠置放投影儀的所劃分的圖像，並且然後在投影面上看起來統一成一個場景圖像。例如像在CRT投影儀上那樣的重疊區是不必要的。
在多個投影儀的情況下，當主投影軸的交點與投影面的曲率中心點重合時是有利的。在此情況下圖像畸變是最微小的，並且可能的必要的修正要求極微小的工作量。
在球形或局部球形的投影面上主投影軸的交點合理地位於這些投影面的曲率中心點上。然後產生極微小的圖像畸變。
但是當每個投影儀的垂直平面或水平平面包含投影面的一個或兩個曲率中心點時，也實現微小圖像畸變的優點。然後主投影軸的交點不位於一個曲率中心點上。
本發明的一個進一步發展在於，就通過演示人員眼睛點的橫切平面而言，每個投影儀的投影射束原點位於演示人員眼睛點(頭部的)上方橫向少於1m處。
這一點導致這種結果，相對於用入射光投影(正面投影)工作的已知的裝置將訓練站，模擬器或奇遇環境的結構高度降低達係數0.3至0.5。現在基本上僅還通過弧形投影面的大小來決定結構高度。在此大約從圖像高度得出結構高度和從鼓形體狀的投影面的水平半徑得出寬度。在移動系統上通過顯著地減少結構尺寸產生移動系統動態性能方面的可觀的好處，因為一方面可以總共較小地維持質量，和另一方面質量重心更靠近移動軸。投影儀是有利地安放在模擬器室外罩的承載件上的。模擬器室用作為在其中例如布置了一個司機室，一個或多個投影儀和分配給這些投影儀的一個或多個投影面的外殼。用以一個投射光束工作的投影儀可以實現，比投影儀用常規物體放大的圖像投影可以達到的大得多的投影角。這有這種優點，例如可以用兩個投影儀代替用四個CRT投影儀來實現180°的投影。
本裝置的一種其它有利的構成在於，通過演示人員眼睛點的橫切平面與投影面相交，並且從演示人員出發來看此相交線位於通過投影儀的水平軸在投影面上所生成的一個其它的相交線的+/-10°的範圍中。因此保證，演示人員大致最佳地掌握圖像中心，並且可以顧及例如從機車頭駕駛室或載重汽車司機室向外的真實視線條件。
以下在機車頭模擬器的實例上藉助圖闡述本發明。


圖1在對演示人員臉部平面的視圖中展示按一般現有技術的具有入射光投影的一個模擬器；圖2在對演示人員的俯視圖中展示按圖1的一個模擬器；圖3在對演示人員臉部平面的視圖中展示具有用於生成場景圖像的入射光投影的投影儀的一個模擬器；圖4在對演示人員的俯視圖中展示按圖3的一個模擬器；圖5展示類似於圖3的，可是具有兩個投影儀的一個模擬器；圖6在對演示人員的俯視圖中展示按圖5的一個模擬器；圖7在對演示人員的俯視圖中展示類似於圖3的一個模擬器。6。1圖1在對演示人員7的視圖中展示按現有技術的用於機車司機培訓的一個模擬器。圖2展示按圖1模擬器的俯視圖。為了保持清晰性移動系統在圖中是未表示的。此外僅示意地畫入了司機室10。此司機室應表示機車頭的駕駛臺。採用分別在投影面6上生成圖像4和5的兩個CRT投影儀2和3用於場景圖像1的投影。將兩個圖像4和5組合成一個場景圖像1，此場景圖像1所具有的範圍在涉及演示人員眼睛點方面水平為90°和垂直為30°。這些以圖像成像原理工作的已知的投影儀僅在比較大的投影距離上提供相應大的，清晰的和非畸變的圖像，因此在約2m的圖像高度時投影距離必須為約4m。此外由於這些投影儀有限的景深，投影面必須具有對投影儀的儘可能保持不變的距離。
由於通過司機室的構造物可能引起圖像陰影，必須在司機室上方相應高地安放投影儀。為了避免這一點，按現有技術採用反射鏡，例如像從EP0836169B1中公開了這一點那樣。由於這些條件在演示人員7位置之後超出1m和在演示人員7位置之上超出1m布置了投影儀。當在″浮動掃描系統″上的投影儀2和3受到模擬器的動態力時，這一點則尤其是不利的。然後質量比較大的投影儀位於距移動軸很遠處。
此外在CRT投影儀上，生成圖像4和5的投影錐的約達2°至4°的重疊是必要的，以便通過所謂的″邊緣混和″實現圖像4和5的所追求的無縫的互相接合。對此的突出之處在於，存在著像在按圖1和2實例中可看到的那樣的，遠離演示人員位置之後和遠離此位置之上的主投影射束交叉點S，並且投影射束互相交叉。
在以下的圖中相同的相關號表示像圖1和2中的相同元件。大小比例也互相相當，以便使本發明的優點清晰可見。
圖3在對演示人員7的視圖中展示用於用一個單個投影儀2生成場景圖像的一種按本發明的裝置。圖4以俯視圖展示按圖3的裝置。這裡一個單個投影儀2用於顯示大於圖1的場景圖像的場景圖像。投影儀不是成像的投影儀，而是用從原點出發的，偏轉的亮度和/或顏色調製的光束，在投影錐之內按行和按圖像地將圖像4投射到投影面6上。但是也可以像DE19726860C1所展示的那樣同時投射多個光束。
這些投影儀也稱為雷射投影儀。在DE19737374C2中說明了這樣投影儀的一個實例。在那裡進一步詳述用哪些措施可以進行圖像修正。
為了投影，雷射的採用不是強制性的，而是也可以從例如螢光二極體的另外光源中獲取的同軸的光束來滿足圖像顯示。用一個或甚至多個同軸光束按行和按圖像地投射圖像的投影儀2，在這裡像在圖4中清晰可見的那樣，是布置在演示人員7的正面平面(腹面的)之前的。由於縮短了的投影距離和由於用於甚至在大投影角時圖像修正的極其廣泛的可能性，投影儀2是以與圖1相比顯著較小的距離布置在演示人員7上方的，並且從在曲率中心點M之前的位置出發斜投影到投影面6上。
圖3展示模擬器的相對於圖1小得多的結構高度，當例如在按″浮動掃描原理″的模擬器上移動系統時，這特別有利地作用於系統的動力學。在圖3和4中球形投影面6的中心點位於投影儀2的垂直平面8中和演示人員7的中線平面中。投影儀2的和演示人員7的這種定位減小畸變少的場景圖像1投影的修正工作量。當投影儀2或演示人員7位於儘可能靠近彎曲投影面6的曲率中心點M時，卻得出圖像投影的其它優點。在圖4的裝置上如此達到這一點，在中心點M方向上如此移動投影儀2，演示人員7和司機室10，使得投影的原點與投影面的中心點是同一的。圖7中表示了這種變換，並且這種變換則導致大致相當於按圖2的較大的結構深度。從中卻不產生顯著的缺點，因為相對於圖1所減小的模擬器結構高度保持不變。
圖5在對演示人員7的視圖中展示用於用兩個投影儀2和3生成場景圖像的按本發明的裝置。圖6在俯視圖中展示按圖5的裝置。投影儀2和3在這裡同樣是布置在演示人員7的(腹面的)正面平面之前的。此外投影儀的主投影軸相交於局部球面形投影面6的曲率中心點M上。曲率中心點M繼續位於含有演示人員眼睛點的正面平面上。像在與以相同大小比例所畫的圖1的裝置相比較中那樣，可以很好地看出，投影儀是布置在演示人員7的眼睛點上方的一個顯著較小的高度上的。圖2與圖6的比較進一步展示，投影儀2和3顯著地位於演示人員7的眼睛點AP之前。實際上投影儀2和3，例如在機車頭模擬器中是可以直接布置在司機室10的正面板之上的。因此完全排除了由司機室引起的陰影。圖5中也可以看出，含有演示人員7的眼睛點AP的水平平面9大致位於所投影場景圖像1的垂直的圖像中心上。8。2儘管以上僅曾說明一個或兩個投影儀，對於兩個投影儀的，演示人的和投影面的裝置所闡述的原理以類似的方式和方法也適用於三個，四個或多個投影儀，這些投影儀由三個，四個或多個部分圖像建立一個場景圖像1。
權利要求
1.通過入射光投影在正視圖中生成場景圖像(1)的，尤其是在訓練站中，模擬器中或奇遇環境中圖像顯示的裝置，其特徵在於，至少一個投影儀(2，3)用在投影錐之內從原點出發的，在行和圖像方向上偏轉的亮度和/或顏色調製的光束將場景圖像(1)投射到投影面(6)上，並且每個投影儀(2，3)是如此布置的，使得它的原點位於演示人員(7)之前的視線方向上。
2.按權利要求1的裝置，其特徵在於，投影儀(2，3)位於含有演示人員(7)的眼睛點(AP)的正面平面之前。
3.按權利要求1或2的裝置，其特徵在於，投影面(6)具有一個或兩個曲率中心點(M)。
4.按權利要求3的裝置，其特徵在於，演示人員(7)的眼睛點(AP)或投影射束的原點位於投影面(6)的曲率中心點(M)上。
5.按權利要求3的裝置，其特徵在於，投影射束的原點位於投影面(6)的一個第一曲率中心點上，並且演示人員的眼睛點位於投影面(6)的一個第二曲率中心點上。
6.按權利要求3的裝置，其特徵在於，至少一個投影儀(2，3)具有一個主投影射束，此主投影射束的特徵在於一個水平平面(9)與一個垂直平面(8)的相交線，此水平平面(9)是通過它的平行於在投影錐的圖像高度中心上的行方向的位置和通過偏轉光束的原點確定的，此垂直平面(8)是通過它的垂直於在投影錐的圖像寬度中心上的行方向的位置和通過偏轉光束的原點確定的，在此這些平面(8或9)中的一個含有一個曲率中心點(M)。
7.按權利要求3的裝置，其特徵在於，通過演示人員眼睛點(AP)的中線平面和/或正面平面含有一個曲率中心點(M)。
8.按權利要求1的裝置，其特徵在於，規定了其主投影軸相交於位於演示人員(7)背後的點(S)上的兩個或多個投影儀(2，3)，並且投影儀是如此互相定向的，使得每兩個所生成的並列圖像(4，5)在投影面(6)上的它們的側邊中的一個上無過渡地接觸。
9.按權利要求3和8的裝置，其特徵在於，主投影射束的交點(S)與投影面(6)的一個曲率中心點(M)重合。
10.按權利要求9的裝置，其特徵在於，主投影射束的交點(S)位於球形或局部球形投影面(6)的曲率中心點(M)上。
11.按權利要求8和權利要求6的裝置，其特徵在於，投影儀(2，3)之中每一個投影儀的垂直平面(8)和/或水平平面(9)含有一個曲率中心點(M)。
12.按權利要求1或權利要求8的裝置，其特徵在於，投影儀(2，3)之中的每一個投影儀的投影射束的原點，相關於通過演示人員眼睛點(AP)的橫切平面位於演示人員(7)眼睛點(AP)上方少於1m處。
13.按權利要求12的裝置，其特徵在於，通過演示人員(7)眼睛點(AP)的橫切平面與投影面(6)相交，並且從演示人員(7)出發看，此相交線位於到通過投影儀(2，3)的水平軸(9)在投影面(6)上所生成的其它相交線的+/-10°的範圍中。
全文摘要
本發明涉及通過入射光投影生成正視圖場景圖像(1)的,尤其是藉助投影儀(2,3)在訓練站中或模擬器中或奇遇環境中圖像顯示的一種裝置。它的特徵在於,一個或多個投影儀(2,3)用從原點出發的,偏轉的亮度和/或顏色調製的光束在投影錐之內按行和按圖像將正視圖場景圖像(1)投射到投影面(6)上,並且這些投影儀(2,3)是布置在一個在其上投影射束的原點位於演示人員(7)的正面平面之前的位置上的。
文檔編號G03B21/10GK1336073SQ00802529
公開日2002年2月13日 申請日期2000年11月2日 優先權日1999年11月3日
發明者K·希勒, C·德特, H·－W·庫爾曼 申請人:施奈德雷射技術有限公司