仿真專業詞義辨析（二） ——虛像顯示與準直顯示
2015-09-09 16:07:42
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作者：童彭年
在飛行模擬器和其它的一些模擬器（如坦克、汽車駕駛模擬器……等）的視景系統中，有一種顯示系統，有的稱為虛像顯示系統，有的稱為準直顯示系統。在多數情況下，人們所指的是同一個具體的系統。但是，從光學的概念來說，虛像顯示系統和準直顯示系統并不能完全等同。有的虛像顯示系統也是準直顯示系統，有的虛像顯示系統卻不是準直顯示系統。兩者的差別,本質上在于”虛像”與”準直”的差別。
虛像（virtual image）
虛像是相對實像而言的。簡單地說，所謂“實像”（real image），就是在成像空間的像面上真實存在的像；所謂“虛像”，就是在成像空間的像面上實際不存在的像。具體地說，如果物體的物點發出的同心光束經過光學器件后是收斂的，其交匯點就是物點的實像點，物體所有物點的實像點的集合就構成了物體的實像；如果物體的物點發出的同心光束經過光學器件后是發散的，不能交匯于一點，但是，將這些發散的光線向其反方向延長，其虛線就會交匯成一點，這一點就是物點的虛像點，物體所有物點的虛像點的集合就構成了物體的虛像。例如在圖1（a）中，物體AB發出的光線，經過凸透鏡形成一個實像A’B’；在圖1(b)中，物體AB發出的光線，經過凹透鏡后，在與物體的同一側形成一個虛像A’’B’’。如果在實像面處放置一個幕布（或毛玻璃），則會在幕布（或毛玻璃）上顯示物體的實像，如電影屏幕上的景象或照相機毛玻璃上顯示的像；如果在虛像面處放置一個幕布（或毛玻璃），則不能在幕布（或毛玻璃）上顯示物體的虛像。人們從鏡子中看到的像，就是虛像。不論是從平面鏡還是曲面鏡（當然包括球面鏡），只要是人眼直接從鏡中看到的像，統統都是虛像。
圖1 透鏡成像原理
例如，家庭用的鏡子，是一個典型的平面反射鏡，而平面反射鏡的基本性質是對實物形成虛像，物和虛像對稱于反射面，在反射面的兩側。人們從凹面鏡中看到的虛像，物和虛像也在反射面的兩側。無知的嬰兒常常要到鏡子的背后尋找鏡子中的人，當然是找不到的，因為鏡子背后根本就沒有人。人們平常使用的放大鏡，是一種凸透鏡，通過它看到的是放大了的虛像。這種虛像與物在同一側。
因此，在各種各樣的模擬器中，只要是從鏡面中看到景象的顯示系統就是虛像顯示系統;凡是從承影屏(如屏幕)上看到景象的顯示系統就是實像顯示系統。
準直（collimation）
所謂“準直”，也是光學中的一個名詞，也就是使光線平行的意思。例如，平行光管（collimator），或稱為準直光管，是一種能夠提供無窮遠目標和平行光束的光學儀器。準直顯示系統，也就是一種能夠提供無窮遠景象和平行光束的光學顯示系統。
在飛機的駕駛艙中，飛行員通過前風擋所看到的外部景物的距離通常都是比較遠的（幾十米以上）。在遠處景物的相鄰各點所發出的(或反射的)光線基本上都是平行的。而在視景顯示系統中，幾十米的距離基本上就稱為無窮遠。因此，為了逼真地模擬艙外的景象，除少數模擬器的部分視窗（如直升機的下視窗，汽車模擬器的邊窗等）外，對于大多數模擬器的視景系統來說，應該采用準直顯示系統。圖2是一種小視場角的同軸式準直顯示系統，顯像管發出的光線，經過分光鏡的反射，再經過球面反射鏡反射，透過分光鏡，達到飛行員的眼睛。由于顯像管屏幕的位置正好在球面反射鏡的焦面上，所以球面反射鏡反射的光線是平行的。
圖2 同軸準直顯示系統
又由于球面反射鏡的主軸光線與入射光軸線重合，所以稱為同軸準直顯示系統。
圖3是當前世界上最流行的一種寬視場角的離軸式準直顯示系統。
圖3 離軸準直顯示系統
在這個系統中，投影器將圖像投影到具有半透射性能的后投影屏幕上，形成實像，而它的位置也正好在準直反射鏡的焦面上，所以準直反射鏡反射的光線也是平行的。由于準直反射鏡的主軸光線與入射光軸線有一個夾角，故稱為離軸準直顯示系統。
此系統中的準直反射鏡，既可以是球面反射鏡，也可以是拋物面鏡。從理論上來說，球形凹面鏡只有近軸光線才是平行的，拋物面鏡則可使遠軸光線也是平行的。由于飛行模擬器所要求的視場角比較大，因此采用拋物面鏡更為合適些。
從上述兩種準直顯示系統來看，它們都是虛像顯示系統。但是，如果將圖2或圖圖3的球面反射鏡改為平面鏡，雖然也是一個虛像顯示系統，但卻不是準直顯示系統。
由此可見，準直顯示系統只是虛像顯示系統的一個分支。對于具有準直作用的顯示系統，以稱“準直顯示系統”為好，因為它直接表明了它的性能特征。