鏡頭是投影機(jī)鏈路最后一個重要環(huán)節(jié)

/北京力創(chuàng)昕業(yè)科技發(fā)展有限公司

談到投影機(jī)大家首先是關(guān)心技術(shù)特點(diǎn)，其次是投影機(jī)相關(guān)的各個參數(shù)。似乎沒有人太在意投影機(jī)鏡頭對性能的影響。但是高清投影機(jī)鏡頭將顯示芯片圖像放大到標(biāo)稱不失真最大值（例：300”約6.5M×4M）時，放大倍數(shù)是巨大的。除了投影機(jī)對鏡頭結(jié)構(gòu)的限制外，保證顯示畫面清晰的同時，色彩、亮度、均勻度、失真、畸變、色散等一切都影響著投影機(jī)的圖像質(zhì)量。大家都知道；鏡頭的好壞一直是影響照相機(jī)成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，投影機(jī)當(dāng)然也不會例外。

早期數(shù)字投影機(jī)通用規(guī)范（SJ/T11298-2003）中的第5項中要求了光學(xué)參數(shù)指標(biāo)，明確地推出關(guān)于包含光學(xué)指標(biāo)考核的色差、光學(xué)失真、會聚誤差、鏡頭聚焦等具體參數(shù)量值。很遺憾在后面GB/T28037-2011投影機(jī)通用規(guī)范中，則以產(chǎn)品廠方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值作為計量。實(shí)際上放棄了光學(xué)的技術(shù)門檻。這將用戶辨識能力提高了檔次。似乎ISO/IEC21118中的不完整性影響了我們行業(yè)對投影機(jī)的全面認(rèn)識。但是有責(zé)任的廠家還會客觀實(shí)事求是地展示自己的全部技術(shù)參數(shù)。比如下面投影機(jī)廠家網(wǎng)上的鏡頭參數(shù)：

鏡頭型號：EN10

專利號：503-0035-00

鏡頭類型：廣角鏡頭

F值：3.50

聚焦范圍：1.5 - 20.0 m

投影比：0.95： 1 （WUXGA）

0.95：1（1080p）

1.03：1（SXGA+）

焦距：19.68mm

調(diào)制傳遞函數(shù)： MTF36lp/mm（中心60%， 邊角40%）

光學(xué)失真：

<1.45% at 1.5 m [ft]近端

<0.80% at 20.0 m [ft]遠(yuǎn)端

我們看到了光圈、焦距、調(diào)制傳遞函數(shù)： MTF、光學(xué)失真的指標(biāo)。

光圈（f-number，或稱“F比例”、“相對孔徑”、“光圈值”），表示鏡頭的焦距和實(shí)際光圈直徑大小的關(guān)系。即：焦比等于焦距數(shù)除以實(shí)際通光孔徑數(shù)。照相機(jī)通過控制光圈解決CCD通光量的窄寬容度問題。投影機(jī)沒有光圈這個控制光通量變化的必要。類似“動態(tài)虹膜”技術(shù)的光圈，實(shí)際是利用收縮的光圈，犧牲相對無效亮度，從而提高了圖象的對比度的模式應(yīng)用。但是鏡頭變焦過程中，真正投影鏡頭受到反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的限制，鏡頭通光光束仍有實(shí)際的光圈。只不過不是刻意制作的機(jī)械光圈。對于一個標(biāo)準(zhǔn)的變焦鏡頭，大多數(shù)廠家會告訴你投影比時的光圈值。比如投影比1.5-2.25：1，F(xiàn)值1.89-2.65。光圈越大（F值越?。?，鏡頭的通光率越大。照相機(jī)和投影機(jī)光學(xué)應(yīng)用是反向的。光學(xué)原理是一樣。典型照相機(jī)半級光圈值；f/# 1.0 1.2 1.4 1.7 2 2.4 2.8 3.3 4 4.8 5.6……，光圈調(diào)大一擋，光量減少1/2倍。光損是光圈級變化而相對遞進(jìn)。按照看看下面的例子：

投影機(jī)鏡頭參數(shù)：

亮度：4，500流明 0.74" TFT LCD x 3

變焦倍率：1.8倍

F=1.7-2.6 f=21.3-37.9mm

投影距離（100in）：2.8m-5.0m/8.2ft-16.4ft

廣角端F=1.7 長焦端F=2.6 光通量相對比

4，500流明 3，080流明 68%

從上述表格可以看出。廣角端安裝實(shí)際光束光圈最大，亮度最大。也就是標(biāo)稱亮度值又有效值。換句話說長焦端亮度相對廣角端有32%的光損。

如何破解上述問題呢？從光學(xué)基本公式可知：在焦強(qiáng)（光圈）不變的情況下，焦距增加一倍其透鏡直徑也必須增加一倍。

光圈F值=鏡頭焦距÷有效光束孔徑

為了保證廣角端的光通量。同樣相對孔徑的長焦鏡頭的透鏡直徑必須比廣角鏡頭大上幾倍。這也是制造照相機(jī)恒定光圈變焦鏡頭的主要原理。是否可以借鑒照相機(jī)的鏡頭技術(shù)用于投影機(jī)鏡頭呢？還真有。CANON今年三月在廣州舉辦的“佳績共創(chuàng) 點(diǎn)亮未來”新品發(fā)布會上，推出了市面首款F2.8恒定光圈LCOS投影機(jī)。從而使得遠(yuǎn)近的亮度不變。常規(guī)實(shí)現(xiàn)恒定光圈辦法：采用變焦時光圈之后部分光路不發(fā)生變化?；蚴枪饴纷兓馊σ舶l(fā)生相應(yīng)補(bǔ)償方式。

回到上述鏡頭參數(shù)表中的投影比和焦距。投影距離與投射畫面的寬度之比——投射比（D/W）就成了投影機(jī)的一個重要指標(biāo)，比值越小則說明同等投影距離內(nèi)投射畫面尺寸越大，反之則越小。業(yè)內(nèi)通過投影比劃分出超長焦、長焦、標(biāo)準(zhǔn)、短焦（廣角）、超短焦（超廣角）。由于光學(xué)芯片規(guī)格等因素，并沒有清晰的量化數(shù)字界面。一般投影比1.5左右是標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，1.0以下就是短焦。由于短焦技術(shù)相對難度問題，有人刻意劃分為小于0.6為超短焦。上面提到短焦投影機(jī)的鏡頭擁有大光圈，安裝距離短，光效投影比示意圖高，畫面質(zhì)量相對較高，主講區(qū)域眩光影響少，工程應(yīng)用范圍寬泛，是投影機(jī)差異化發(fā)展最快的分支。目前看到的技術(shù)有；魚眼式短焦技術(shù)、采用自由曲面鏡頭（相差補(bǔ)正）+反射鏡式鏡頭的超短焦技術(shù)、鏡頭內(nèi)屈折光學(xué)技術(shù)，當(dāng)然也包括鏡外反射投影技術(shù)。

超短焦投影機(jī)很容易產(chǎn)生畫面亮度的不均勻、色彩不一致和畫面的畸變，無論是正投式還是反射式超短焦的鏡面，都要求反射弧面需要有極其高的精準(zhǔn)度。鏡頭素質(zhì)參差不齊，技術(shù)差異化巨大，產(chǎn)品少售價高。當(dāng)然這需要嚴(yán)格的光學(xué)計算及鏡頭進(jìn)行更精致的加工。設(shè)計中必須采用大口徑非球面設(shè)計，而這方面在模具制造、注塑加工、生產(chǎn)裝配上對于一般廠家都構(gòu)成了較大的技術(shù)屏障。

為了減少超短焦鏡頭的畸變，就要采用相應(yīng)的光學(xué)技術(shù)手段。光學(xué)失真為光學(xué)軸外的直型物體，呈現(xiàn)曲線時的鏡頭像差。鏡頭失真也稱為鏡頭畸變，可分為枕形失真和桶形失真。如下圖示：

投影鏡頭聚焦的鏡片構(gòu)造最簡單的就是球面鏡成像，球面鏡不能將所有光線聚焦在同一點(diǎn)，透過鏡片邊緣進(jìn)入的光線會偏離焦點(diǎn)形成像差。尤其在大光圈的時候，有較多光線可以通過鏡片。最明顯就是一些光點(diǎn)虛化現(xiàn)象。由于不同光譜光線從邊緣位置進(jìn)入的光線與中心聚焦產(chǎn)生偏差較大所致。為了對抗鏡頭畸變，大都采用非球面鏡技術(shù)、CANON發(fā)明的瑩石鏡頭技術(shù)，消色差雙透鏡技術(shù)。

據(jù)報道，CANON在生產(chǎn)非球面鏡片時，采用獨(dú)有的具有0.02微米研磨精度的批量生產(chǎn)加工技術(shù)。在1978年，還實(shí)現(xiàn)了高精度塑料成型的小光圈非球面鏡片的生產(chǎn)。隨后，推出了大光圈玻璃成型非球面鏡片，能夠以較低的成本將之應(yīng)用于單反相機(jī)的鏡頭。并且，還確立了在球面鏡片的表面形成一種紫外線硬化樹脂覆膜的復(fù)制非球面技術(shù)。

同理，復(fù)色光被分解為單色光的現(xiàn)象，即被稱為“色散”。而這種現(xiàn)象導(dǎo)致的結(jié)果則被稱為色差，是由于鏡頭沒有把不同波長的光線聚焦到焦平面而造成的。它會導(dǎo)致畫面清晰度降低，畫面邊緣上出現(xiàn)異常顏色線條。天然螢石鏡片具有非常優(yōu)秀的消色差性能，但是其性質(zhì)并不是很穩(wěn)定，而且生產(chǎn)成本過于高昂，所以通常只應(yīng)用在極少數(shù)售價高達(dá)數(shù)萬元的高端鏡頭上。由于天然螢石結(jié)晶體積一般很小，而且質(zhì)地并不都很均勻，所以CANON公司開發(fā)了人工螢石結(jié)晶技術(shù)，制造出人工螢石鏡片，一般直接稱為螢石鏡片。由光學(xué)玻璃混合專利氧化物制造的鏡片被稱為超低色散鏡片，有著和螢石鏡片相近的光學(xué)性能和相對較低的成本。采用這些鏡片的鏡頭具有很強(qiáng)的抗色散能力，成像清晰度高，色差小。

最后讓我們看一下鏡頭參數(shù)中調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，它是對鏡頭的銳度，反差和分辨率進(jìn)行綜合評價的數(shù)值。但它不能反映出上面所說的鏡頭畸變和眩光。它的定義：成像時再現(xiàn)物體表面的濃淡變化而使用的空間周波數(shù)和對比度。該指標(biāo)對高清鏡頭評價更有意義。

調(diào)制度=（照度的最大值-照度的最小值）/（照度的最大值+照度的最小值）。

MTF值可以反映鏡頭的反差。當(dāng)空間頻率提高，也就是正弦光柵的密度提高時，MTF值逐漸下降，這時的MTF曲線可以反映鏡頭的分辨率。鏡頭是以光軸為中心的對稱結(jié)構(gòu)，中心向各方向的成像素質(zhì)變化規(guī)律是相同的。由于像差等因素的影響，像場中某點(diǎn)與像場中心的距離越遠(yuǎn)，其MTF值一般呈下降的趨勢。

因此以像場中心到像場邊緣的距離為橫坐標(biāo)，可以反映鏡頭邊緣的成像素質(zhì)。所以看到上述例子中鏡頭參數(shù)指標(biāo)中有兩個值。不同焦距段、不同檔次、不同規(guī)格以及定焦和變焦等不同鏡頭的MTF圖進(jìn)行比較意義不大。因為它們的特性受設(shè)計規(guī)格、光學(xué)特性、像差以及成本、用料的影響很大。不具有嚴(yán)格的可比性。只有同檔次、同規(guī)格鏡頭的MTF圖才具有比較意義。不同廠家的鏡頭MTF曲測試環(huán)境也存在差異，所以可比性也不大。

綜上所述，鏡頭的素質(zhì)是一個綜合表現(xiàn)，并不是一個單純的硬件指標(biāo)就能決定所有。目前，具有鏡頭研發(fā)、生產(chǎn)的投影機(jī)廠家更具有優(yōu)勢。他們可以在投影機(jī)鏈路最后一個重要環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出更加積極的作用。比如CANON的LCOS投影機(jī)，本身后發(fā)投影機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，在色彩、顯示芯片、開口率、分辨率上有著明顯的差異優(yōu)點(diǎn)。針對1920×1200 LCOS顯示面板分辨率投影機(jī)，研發(fā)出2.7恒定光圈、投影比0.56、內(nèi)置鏡頭75%偏移功能的低色散、低失真、無太陽光斑、偏軸式、1.36倍變比、19片15組小體積高M(jìn)TF鏡頭，為LCOS投影錦上添花，且有一個相對不錯的市場競爭的價格。當(dāng)然，對于投影機(jī)產(chǎn)品的采購來說，性能與價格是永遠(yuǎn)成正比的。我們相信；今年會有不同能力的廠家角力于高清短焦、高質(zhì)量投影鏡頭行業(yè)。