什么是虚像显示

虚像显示也称虚拟图像显示器，即对于一个正曲光度的光学系统，当物体放在焦点以内时，在物体的同侧，可形成一正立的位于远处的放大虚像。当物体渐渐趋近于焦点时，像距愈来愈大，最后当物体就在焦点或焦平面上时，从理论上讲，像即成在光学无穷远处。这种效应即虚像显示或准直显示原理，它的效果是使观察者“确实”看到物体位于远处。

虚像显示的主要类型

虚像是光的反射延长线会聚而成的像，不能用显示屏承接，具有纵深感强的特点。目前，虚像显示系统主要有两种类型：同轴虚像显示系统和旁轴虚像显示系统。

1．同轴虚像显示

同轴虚像显示系统，由CRT显示器、分光镜和球面准直镜组成，如图所示。CRT显示器显示各通道图像，其数目由通道数决定，一般为3个。球面准直镜是一种球面的反射镜，一般由玻璃磨制或在光滑球面镀上反射层形成，其特征是位于它焦平面上的物体能够成正立的无限远虚像。分光镜是设计成透射率和反射率均为50％的透镜，放置在球面准直镜的焦平面上。这样一来，CRT显示器表面发出的光线经分光镜后，一半反射到球面准直镜。球面准直镜再将约90％的光线反射到分光镜，再一次经过分光镜衰减50％后，只剩下最初光线的22．5％成为最后的有效光线，实际上最后的有效光线比22．5％还要低。由此可以看出，该类型显示系统光线损失大，致使图像亮度比较低。由于该系统属于同轴光学系统，当观察者偏离光轴较远时，看到的图像畸变较大，因此只适用于一个人观察图像。

另外，从该类型显示系统成像原理上还可以看出，其受外界杂散光线干扰大。因为分光镜本身也反射座舱内的光线，会使图像对比度降低。若座舱光线太亮，飞行员甚至可以看到自己的像。又受其本身结构的限制，该类型显示系统视场角比较小，水平视场一般很难超过50度，垂直视场难以超过35度。在前几年研制生产的一些运输机、轰炸机模拟器上，采用了该类型的显示系统。随着投影设备价格的降低，它已逐步被旁轴虚像显示系统所替代。

2．旁轴虚像显示

旁轴虚像显示系统，又称为广角无限显示设备，(Wide-Angle Infinity Display Equipment，WIDE)系统，主要由投影器、球面准直镜及后投影屏幕组成，如图所示。球面准直镜，一般是在精密光滑球面框架上用真空负压一层反射膜来制成。后投影屏幕是曲面硬幕，一般由模具热压平板有机玻璃、再经特殊的涂层工艺处理得到，要求其透射率高、漫投射效果好，屏幕背面的亮度比投影面一侧高，并安放在球面准直镜焦平面上，投影幕上的图像通过球面准直镜就能成正立无限远虚像。

该类型显示系统具有明显的优点。由于采用离轴方式，球面准直镜半径可以比较大，一般可达(3-3.5)m，水平视场角可达150度一220度，垂直视场可达40度-50度。从其成像原理上可以看出，光线损失小，亮度比较高，产生的图像可近似于空中的亮度。从其结构上还可以发现，球面准直镜倾斜放置在飞行员前，眼点不在其光轴上，座舱附近的杂散光线不会通过镜面反射到飞行员视场内，而且当观察者远离光轴时图像畸变小。因而，飞行员头位在座舱内不受视景系统的限制，并受外界杂散光线影响小，可适用于双座机模拟器选用。

从另一方面看，该系统也存在一些需要解决的技术难点。由于是旁轴型光学系统，即光学系统的物与所产生的像偏离光轴很远，因而光学系统不满足近轴光学的公式和规律，必须合理地选择后投射屏的位置和面形，以保证图像的非线性失真最小。另外，由于虚像的放大率高、成像距离远，对球面准直镜的精度和表面粗糙度要求比较高。

WIDE系统的后投影屏大都是有机玻璃板材经加温达玻璃化温度后在模具上吹压或负压接触成需要的双曲面面形，尔后在凸面上喷涂散射层材料，成形的精度和涂层工艺均直接影响成像质量。

WIDE系统的球面反射镜一直是被关注的焦点。国外早期大都是根据工艺和加工设备情况将光学硅玻璃分为若干块，单块成形为球面，进行磨砂、抛光、镀反射膜，再组合成一整体，取得了满意效果，但造价昂贵。随着化工产品新技术的发展，出现了以聚酯塑料薄膜镀反射膜经负压成形为球面反射镜代用产品，使得系统重量大大减轻，便于和运动平台兼容，制造成本大幅度下降，但同时反射效率、面形公差和分辨率等指标也有不同程度的下降，使用过程中需要面形检测仪和负压生成等附加设备来保证其工作面形，由于薄膜寿命等原因还需定期更换，而且国外高性能镀膜反射镜的价格对于国内大部分使用单位而言仍然难以承受。