专利名称：通过入射光投影生成正视图场景图像的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过入射光投影在正视图中生成场景图像的，尤其是在训练站中或模拟器中或奇遇环境(Erlebniswelt)中图像显示的一种装置。
从EPO836169 B1中公开了一种训练站，在其上三个投影仪生成在显示屏上成像的划分图像。经准直镜将在显示屏上生成的图像折射到投影面上和提供给演示人员。
通过图像从物体平面出发光学地成像到图像平面上决定了，投影仪是占很大空间地布置在演示人员的背后和远远地布置在他的头部之上的。需要准直镜，以便一般说来在通常从驾驶台看到的范围中生成场景图像的一部分。
在这些例如采用于驾校培训的模拟器上，投影仪是布置在演示人员头部上方约2m处和在演示人员头部后方约1m处。基于光学成像和图像大小的光学规律性这一点是必要的，因为人们希望排除通过人员或通过司机室构造物的引起的要显示正视图场景图像的阴影。所以这样的模拟器是很大的，尤其是在移动的系统上质量大的设备部件位于远离移动轴之外，以至于要控制由所出现的加速力引起的可观的动态负荷。为此需要一种稳定和因而质量大的机械构造，这带来在机械传动和液压传动上的可观的花费。
此外通常所采用的图像投影仪具有微小的景深，并且尤其是在图像边缘上显示出不能令人满意的图像分辨率。
本发明追求这种目标，降低实现训练设备，模拟设备或奇遇环境时的花费，并且改善所生成场景图像的正视图的接近实际性。本发明应既适合于具有移动系统的模拟(″浮动扫描″)，又适合于没有移动系统的模拟(″固定扫描″)。
在通过入射光投影生成正视图场景图像的，尤其是借助投影仪在训练站中或在模拟器中或在奇遇环境中图像显示的装置上，如此来按本发明解决此任务，至少一个投影仪用在投影锥之内从原点出发的，在行方向和图像方向上偏转的，亮度和/或颜色调制的光束将正视图的场景图像投射到投影面上，并且每个投影仪是如此布置的，使得它的原点位于演示人员的视线方向上。
在演示人员之前布置投影仪具有这种优点，大大减少了图像部分通过构造物或观察者引起的可能的阴影。因此可以将投影仪布置得更近于观察者的眼睛高度。这尤其是具有图像失真较小的优点。如果也还应排除这些较微小的图像差错，则可以用较微小的花费实现在场景图像上的必要的修正措施。当人们从局部图像组合成场景图像时，也可以用例如两个或三个的多个投影仪实现本发明的原理。
当在说明书中提及仅一个演示人员时，这不意味着，本发明是局限于具有一个单个人员的用途上。更确切地说，当存在着两个人员，如司机和副司机，或甚至一组人员时，本发明的原理也可以应用。
用从原点出发的偏转的，亮度和/或颜色调制的光束在投影锥之内按行和按图像将场景图像投射到投影面上的投影仪是特别有利的。它们也是在名称″激光投影仪″之下公开的。鉴于光束的成像规律性，这样的投影仪从根本上区别于如LCD投影仪或CRT投影仪那样的普通图像成像投影仪。由于在″激光投影仪″上偏转用于投射一行像点的红绿兰光束，并且在这里不进行从设备内部物面到图像平面中的传统的光学成像，可以达到大得多的投射角和可以在广泛的范围内自由选择投影仪-投影面的距离。
在这样的投影仪上可以进行范围广阔的几何修正，使得由于斜投影的，或由于投影面形状的图像失真是在很大程度上可以修正的。此外这样投影仪的图像在很大景深范围中是清晰的，以至于到投影面的投影距离是大大地可变化的。在DE19737374C2中说明了一种这样的投影仪和图像显示的相应的修正可能性。在此对于眼睛点到投影面的位置修正场景图像，在此情况下图像摄像机或图像计算机摄取和/或计算对于此眼睛点的场景图像。当例如按DE4324849C2的变换镜组得到采用时，投影的原点是变换镜组的输出光圈，否则当不采用变换镜组时，投影的原点是通过多棱镜的行偏转的偏转点。
投影仪是有利地布置在(腹面)正面平面之前的投影射束原点位于其上的一个位置上，演示人员的眼睛点位于此正面平面中。在此位置上投影射束通过演示人员或司机室的可能阴影是最微小的，或者甚至是完全不存在的。
在装置中合理地采用至少有一个曲率中心点的投影面。用圆柱的或弧形的投影面可以特别有利地显示正视图的场景图像，因为可以用接近实际的图像内容来完全充满演示人员的视野。在投影面上尤其是可能涉及鼓形体的，例如球或抛物线鼓形体的内面。
本发明的一种有利的进一步发展在于，如此选择几何形状，使得演示人员的眼睛点或投影射束的原点位于投影面的曲率中心点上。所出现可见的几何图像失真则是最微小的，由此在要显示场景图像上的必要修正有同样是微小的结果，或者甚至可以取消。在任何另外的位置上出现更大的图像失真，这些图像失真只有用提高了的技术上的工作量和部分地在图像显示质量损失的条件下才是可以修正的。
如果投影面具有多于一个的曲率中心点，则像这在抛物线的或鼓形的投影面上的情况那样，出于上述原因合理的是，如果投影射束的原点位于投影面的一个第一曲率中心点上，并且演示人员的眼睛点位于投影面的一个第二曲率中心点上。
由于例如模拟器室和投影仪的构造物的各自在空间上的布置，将投影仪或演示人员定位到曲率中心点中的一个上不总是可能的。为了微小的图像失真则每个投影仪是应如此布置的，它的投影锥与所选择的平面相交于一个曲率中心点上。投影仪拥有通过两个平面的相交线所确定的一个主投影轴通过其平行于在投影锥的图像高度中心上的行方向的位置和通过偏转光束的原点所规定的一个水平平面，和通过其垂直于在投影锥的图像宽度中心上的行方向的位置和通过偏转光束的原点所确定的一个垂直平面。当垂直平面或水平平面或两个平面含有一个或两个曲率中心点时，达到微小的图像失真。
此外当演示人员位于对投影面的一个规定的位置上时，则也大大减少了投影的修正工作量。当通过演示人员眼睛点的中线平面和/或正面平面含有一个或两个曲率中心点时，则是这种情况。
尤其是对于在其上用一个场景图像应充满很大的水平视角的投影仪，不用一个单个的投影仪显示场景图像，而是将场景图像分成两半，或划分为四，并且将这些所划分图像中的每一个分配给一个自己的投影仪是合适的。所以至少两个投影仪优先是如此布置的，使得这些投影仪的主投影轴交于位于演示人员背后(背面的)的一个点上，并且在此是互相如此定向的，使得每两个所生成的图像在投影面上的它们的相应侧边上无过渡地接触。此时投影射束的原点位于演示人员正面平面(腹面的)中的一个之前。
因此在投影仪的主投影轴之间有一个交点，所标出平面中的一个，水平平面或垂直平面对于投影仪是等同的。此时投影仪是互相如此布置和定向的，使得两个相邻的图像是在它们的共同侧边上互相无缝挨靠地置放的。由于在DE19737374C2中所说明的修正可能性可以像素准确地挨靠置放投影仪的所划分的图像，并且然后在投影面上看起来统一成一个场景图像。例如像在CRT投影仪上那样的重叠区是不必要的。
在多个投影仪的情况下，当主投影轴的交点与投影面的曲率中心点重合时是有利的。在此情况下图像畸变是最微小的，并且可能的必要的修正要求极微小的工作量。
在球形或局部球形的投影面上主投影轴的交点合理地位于这些投影面的曲率中心点上。然后产生极微小的图像畸变。
但是当每个投影仪的垂直平面或水平平面包含投影面的一个或两个曲率中心点时，也实现微小图像畸变的优点。然后主投影轴的交点不位于一个曲率中心点上。
本发明的一个进一步发展在于，就通过演示人员眼睛点的横切平面而言，每个投影仪的投影射束原点位于演示人员眼睛点(头部的)上方横向少于1m处。
这一点导致这种结果，相对于用入射光投影(正面投影)工作的已知的装置将训练站，模拟器或奇遇环境的结构高度降低达系数0.3至0.5。现在基本上仅还通过弧形投影面的大小来决定结构高度。在此大约从图像高度得出结构高度和从鼓形体状的投影面的水平半径得出宽度。在移动系统上通过显著地减少结构尺寸产生移动系统动态性能方面的可观的好处，因为一方面可以总共较小地维持质量，和另一方面质量重心更靠近移动轴。投影仪是有利地安放在模拟器室外罩的承载件上的。模拟器室用作为在其中例如布置了一个司机室，一个或多个投影仪和分配给这些投影仪的一个或多个投影面的外壳。用以一个投射光束工作的投影仪可以实现，比投影仪用常规物体放大的图像投影可以达到的大得多的投影角。这有这种优点，例如可以用两个投影仪代替用四个CRT投影仪来实现180°的投影。
本装置的一种其它有利的构成在于，通过演示人员眼睛点的横切平面与投影面相交，并且从演示人员出发来看此相交线位于通过投影仪的水平轴在投影面上所生成的一个其它的相交线的+/-10°的范围中。因此保证，演示人员大致最佳地掌握图像中心，并且可以顾及例如从机车头驾驶室或载重汽车司机室向外的真实视线条件。
以下在机车头模拟器的实例上借助图阐述本发明。
图1在对演示人员脸部平面的视图中展示按一般现有技术的具有入射光投影的一个模拟器；图2在对演示人员的俯视图中展示按图1的一个模拟器；图3在对演示人员脸部平面的视图中展示具有用于生成场景图像的入射光投影的投影仪的一个模拟器；图4在对演示人员的俯视图中展示按图3的一个模拟器；图5展示类似于图3的，可是具有两个投影仪的一个模拟器；图6在对演示人员的俯视图中展示按图5的一个模拟器；图7在对演示人员的俯视图中展示类似于图3的一个模拟器。6。1图1在对演示人员7的视图中展示按现有技术的用于机车司机培训的一个模拟器。图2展示按图1模拟器的俯视图。为了保持清晰性移动系统在图中是未表示的。此外仅示意地画入了司机室10。此司机室应表示机车头的驾驶台。采用分别在投影面6上生成图像4和5的两个CRT投影仪2和3用于场景图像1的投影。将两个图像4和5组合成一个场景图像1，此场景图像1所具有的范围在涉及演示人员眼睛点方面水平为90°和垂直为30°。这些以图像成像原理工作的已知的投影仪仅在比较大的投影距离上提供相应大的，清晰的和非畸变的图像，因此在约2m的图像高度时投影距离必须为约4m。此外由于这些投影仪有限的景深，投影面必须具有对投影仪的尽可能保持不变的距离。
由于通过司机室的构造物可能引起图像阴影，必须在司机室上方相应高地安放投影仪。为了避免这一点，按现有技术采用反射镜，例如像从EP0836169B1中公开了这一点那样。由于这些条件在演示人员7位置之后超出1m和在演示人员7位置之上超出1m布置了投影仪。当在″浮动扫描系统″上的投影仪2和3受到模拟器的动态力时，这一点则尤其是不利的。然后质量比较大的投影仪位于距移动轴很远处。
此外在CRT投影仪上，生成图像4和5的投影锥的约达2°至4°的重叠是必要的，以便通过所谓的″边缘混和″实现图像4和5的所追求的无缝的互相接合。对此的突出之处在于，存在着像在按图1和2实例中可看到的那样的，远离演示人员位置之后和远离此位置之上的主投影射束交叉点S，并且投影射束互相交叉。
在以下的图中相同的相关号表示像图1和2中的相同元件。大小比例也互相相当，以便使本发明的优点清晰可见。
图3在对演示人员7的视图中展示用于用一个单个投影仪2生成场景图像的一种按本发明的装置。图4以俯视图展示按图3的装置。这里一个单个投影仪2用于显示大于图1的场景图像的场景图像。投影仪不是成像的投影仪，而是用从原点出发的，偏转的亮度和/或颜色调制的光束，在投影锥之内按行和按图像地将图像4投射到投影面6上。但是也可以像DE19726860C1所展示的那样同时投射多个光束。
这些投影仪也称为激光投影仪。在DE19737374C2中说明了这样投影仪的一个实例。在那里进一步详述用哪些措施可以进行图像修正。
为了投影，激光的采用不是强制性的，而是也可以从例如荧光二极管的另外光源中获取的同轴的光束来满足图像显示。用一个或甚至多个同轴光束按行和按图像地投射图像的投影仪2，在这里像在图4中清晰可见的那样，是布置在演示人员7的正面平面(腹面的)之前的。由于缩短了的投影距离和由于用于甚至在大投影角时图像修正的极其广泛的可能性，投影仪2是以与图1相比显著较小的距离布置在演示人员7上方的，并且从在曲率中心点M之前的位置出发斜投影到投影面6上。
图3展示模拟器的相对于图1小得多的结构高度，当例如在按″浮动扫描原理″的模拟器上移动系统时，这特别有利地作用于系统的动力学。在图3和4中球形投影面6的中心点位于投影仪2的垂直平面8中和演示人员7的中线平面中。投影仪2的和演示人员7的这种定位减小畸变少的场景图像1投影的修正工作量。当投影仪2或演示人员7位于尽可能靠近弯曲投影面6的曲率中心点M时，却得出图像投影的其它优点。在图4的装置上如此达到这一点，在中心点M方向上如此移动投影仪2，演示人员7和司机室10，使得投影的原点与投影面的中心点是同一的。图7中表示了这种变换，并且这种变换则导致大致相当于按图2的较大的结构深度。从中却不产生显著的缺点，因为相对于图1所减小的模拟器结构高度保持不变。
图5在对演示人员7的视图中展示用于用两个投影仪2和3生成场景图像的按本发明的装置。图6在俯视图中展示按图5的装置。投影仪2和3在这里同样是布置在演示人员7的(腹面的)正面平面之前的。此外投影仪的主投影轴相交于局部球面形投影面6的曲率中心点M上。曲率中心点M继续位于含有演示人员眼睛点的正面平面上。像在与以相同大小比例所画的图1的装置相比较中那样，可以很好地看出，投影仪是布置在演示人员7的眼睛点上方的一个显著较小的高度上的。图2与图6的比较进一步展示，投影仪2和3显著地位于演示人员7的眼睛点AP之前。实际上投影仪2和3，例如在机车头模拟器中是可以直接布置在司机室10的正面板之上的。因此完全排除了由司机室引起的阴影。图5中也可以看出，含有演示人员7的眼睛点AP的水平平面9大致位于所投影场景图像1的垂直的图像中心上。8。2尽管以上仅曾说明一个或两个投影仪，对于两个投影仪的，演示人的和投影面的装置所阐述的原理以类似的方式和方法也适用于三个，四个或多个投影仪，这些投影仪由三个，四个或多个部分图像建立一个场景图像1。
权利要求
1.通过入射光投影在正视图中生成场景图像(1)的，尤其是在训练站中，模拟器中或奇遇环境中图像显示的装置，其特征在于，至少一个投影仪(2，3)用在投影锥之内从原点出发的，在行和图像方向上偏转的亮度和/或颜色调制的光束将场景图像(1)投射到投影面(6)上，并且每个投影仪(2，3)是如此布置的，使得它的原点位于演示人员(7)之前的视线方向上。
2.按权利要求1的装置，其特征在于，投影仪(2，3)位于含有演示人员(7)的眼睛点(AP)的正面平面之前。
3.按权利要求1或2的装置，其特征在于，投影面(6)具有一个或两个曲率中心点(M)。
4.按权利要求3的装置，其特征在于，演示人员(7)的眼睛点(AP)或投影射束的原点位于投影面(6)的曲率中心点(M)上。
5.按权利要求3的装置，其特征在于，投影射束的原点位于投影面(6)的一个第一曲率中心点上，并且演示人员的眼睛点位于投影面(6)的一个第二曲率中心点上。
6.按权利要求3的装置，其特征在于，至少一个投影仪(2，3)具有一个主投影射束，此主投影射束的特征在于一个水平平面(9)与一个垂直平面(8)的相交线，此水平平面(9)是通过它的平行于在投影锥的图像高度中心上的行方向的位置和通过偏转光束的原点确定的，此垂直平面(8)是通过它的垂直于在投影锥的图像宽度中心上的行方向的位置和通过偏转光束的原点确定的，在此这些平面(8或9)中的一个含有一个曲率中心点(M)。
7.按权利要求3的装置，其特征在于，通过演示人员眼睛点(AP)的中线平面和/或正面平面含有一个曲率中心点(M)。
8.按权利要求1的装置，其特征在于，规定了其主投影轴相交于位于演示人员(7)背后的点(S)上的两个或多个投影仪(2，3)，并且投影仪是如此互相定向的，使得每两个所生成的并列图像(4，5)在投影面(6)上的它们的侧边中的一个上无过渡地接触。
9.按权利要求3和8的装置，其特征在于，主投影射束的交点(S)与投影面(6)的一个曲率中心点(M)重合。
10.按权利要求9的装置，其特征在于，主投影射束的交点(S)位于球形或局部球形投影面(6)的曲率中心点(M)上。
11.按权利要求8和权利要求6的装置，其特征在于，投影仪(2，3)之中每一个投影仪的垂直平面(8)和/或水平平面(9)含有一个曲率中心点(M)。
12.按权利要求1或权利要求8的装置，其特征在于，投影仪(2，3)之中的每一个投影仪的投影射束的原点，相关于通过演示人员眼睛点(AP)的横切平面位于演示人员(7)眼睛点(AP)上方少于1m处。
13.按权利要求12的装置，其特征在于，通过演示人员(7)眼睛点(AP)的横切平面与投影面(6)相交，并且从演示人员(7)出发看，此相交线位于到通过投影仪(2，3)的水平轴(9)在投影面(6)上所生成的其它相交线的+/-10°的范围中。
全文摘要
本发明涉及通过入射光投影生成正视图场景图像(1)的,尤其是借助投影仪(2,3)在训练站中或模拟器中或奇遇环境中图像显示的一种装置。它的特征在于,一个或多个投影仪(2,3)用从原点出发的,偏转的亮度和/或颜色调制的光束在投影锥之内按行和按图像将正视图场景图像(1)投射到投影面(6)上,并且这些投影仪(2,3)是布置在一个在其上投影射束的原点位于演示人员(7)的正面平面之前的位置上的。
文档编号G03B21/10GK1336073SQ00802529
公开日2002年2月13日 申请日期2000年11月2日 优先权日1999年11月3日
发明者K·希勒, C·德特, H·－W·库尔曼 申请人:施奈德激光技术有限公司