數(shù)字電影放映系統(tǒng)中的光學技術研究

徐美芬

摘 要：最近幾年，電影行業(yè)在快速的發(fā)展，而數(shù)字電影方面的發(fā)展也越來越成熟，人們越來越重視數(shù)字電影放映系統(tǒng)的完善和發(fā)展?；诖耍疚氖紫群喴攀龊螢閿?shù)字電影放映系統(tǒng)，其次詳細分析了光學原理在數(shù)字電影成像中的應用以及光學技術在終端投影鏡頭中的應用，最后介紹電影放映中一個非常重要的物理量——有效光通量的分析計算方法。

關鍵詞：數(shù)字電影放映系統(tǒng)；光學；有效光通量

中圖分類號：J943.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0221-02

同傳統(tǒng)電影的機械膠片放映模式相比，數(shù)字電影有諸多優(yōu)勢。比如影片的制作過程、發(fā)行以及拷貝等方面，同時簡化了影片的傳輸過程，影片放映時具有較小的震動和噪聲產(chǎn)生，最重要的是能夠輸出更高質量的聲音和圖像。從2002年開始，我國便通過投入巨額資金來大量引進數(shù)字電影放映設備，并建設相應的數(shù)字影院，以求推動電影業(yè)不斷發(fā)展。

1 數(shù)字電影放映系統(tǒng)概述

數(shù)字電影系統(tǒng)的核心是其放映系統(tǒng)，因為放映系統(tǒng)是整個數(shù)字電影系統(tǒng)中最末的技術關卡，它決定了數(shù)字電影放映的實際效果。相比于傳統(tǒng)的膠片放映機，數(shù)字電影放映系統(tǒng)在放映方式上有較大變化，比如采用硬盤、衛(wèi)星以及光纖等數(shù)字載體來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片拷貝。

2 數(shù)字電影放映系統(tǒng)中的光學技術

2.1 基本光學原理在數(shù)字電影成像中的應用

現(xiàn)目前，數(shù)字電影投影成像技術中應用最多的基本光學原理主要有三種，即：直接光放大影像、數(shù)字光處理以及液晶顯示，其中數(shù)字光處理的應用最為成熟。數(shù)字微鏡器是數(shù)字光處理應用中的核心部分，其工作原理如下：首先通過半導體晶片的效應來驅動小動量繞軸轉動，如此便可保證所有微鏡之間的相互位置保持固定，并且整體呈有規(guī)律地偏轉，如果在此時改變電場電路，則所有微鏡會朝著電路的控制方向偏轉，當光線照射于微鏡之上后便會向不同方向反射，來自同一方向的光線投影至屏幕后便出現(xiàn)了效果圖像。

上述分析了基本光學原理在投影成像中的應用，那么想要得到彩色圖像，則需要采用過濾光波的彩色輪在靶面光路中進行照射。彩色輪是由包括紅、綠、藍等幾種顏色的扇形濾光片組成的，彩色輪的旋轉頻率為60HZ，其在一秒鐘內(nèi)可以刷出180個彩色色場。當確定好彩色模式的順序之后，便會被數(shù)字處理技術轉換為RGB數(shù)據(jù)，并按順序依次存入DMD中。彩色輪接收了聚光系統(tǒng)中的白光之后，白光以單色光的形式照射，彩色輪一旦旋轉，便會依次在DMD上投射出紅、綠、藍光，視頻信號與彩色輪同步，當有紅光投射于DMD表面時，微鏡開啟。像素構成了數(shù)字投影的圖像，紅、綠、藍光燈信息綜合而成之后便呈現(xiàn)出了彩色圖像。微鏡開啟時，微鏡反射的光線會投射并聚焦于屏幕之上，微鏡關閉時，其吸收表面會將反射的光線吸收，從而避免了無效反射光干擾圖像的成像質量。

2.2 終端投影鏡頭中的光學技術

（1）光學技術在鏡頭工作環(huán)境中的應用。對于數(shù)字電影的放映鏡頭來講，需要考慮的參數(shù)多種多樣，如：聚合鏡片的有效厚度、彩色輪反射后的單色光線的光程、靶面投射的尺寸以及色彩光線的分離等。實際工作中，如果圖像亮度過高，則需要考慮因此而產(chǎn)生的溫度，并提高鏡頭的耐高溫水平。

（2）光學技術在確定鏡頭焦距中的應用。我國現(xiàn)目前應用最為廣泛的數(shù)字電影放映機為兩千像素的DP100型號。電影放映時，鏡頭的擺放位置是有一定要求的，通常其安放位置處于影院內(nèi)某一固定的位置，這一位置的確定需要以設計或者使用經(jīng)驗為依據(jù)。DP100型號放映機便有幾種焦距鏡頭，焦距從35-95mm不等，但是變焦鏡頭較少，并且價格較貴，如果自己設計變焦鏡頭，則會大大減少采購成本。

（3）光學技術用于光學鏡頭工作距離的確定?，F(xiàn)目前主要有兩種方法確定光學鏡頭的工作距離：其一，對放映機的光學引擎進行實際測量，但是光學引擎作為放映機的核心部件，其被秘密存放，所以難以對其進行測量；其二，通過了解靶面的長寬以及聚合鏡片和分離色光的形式來采用逆向方法進行運算，得出工作距離的近似值，該種方法更易實現(xiàn)。綜合來看，第二種方法的缺點是全程采用逆向計算，還要對最后的結果進行縮放，因此該方法所得結果缺乏一定的準確性，而第一種方法的步驟更為簡潔方便。

（4）光學技術應用于確定鏡頭結構。對光學技術了解十分透徹的工程師們通常認為鏡頭的結構設計較為簡單，一般情況下，電影放映時的鏡頭工作距離和鏡頭焦距之間的比值為0.5-0.7。如果該比值為3，那么鏡頭焦距將會達到40mm，如此一來，便只能選擇遠心光路的鏡頭結構，此時鏡頭孔徑較小，設計難度較大，同時要保證鏡頭在6000流明的光照下正常工作，考慮到上述情況，需要將遠心光路的權全分離式進行改進。

3 電影放映中有效光通量的分析計算

為了獲得預想的銀幕光照度，電影放映機投射至銀幕上的光通量應當不低于某一值。銀幕照度與光通量之間存在以下聯(lián)系：光通量越大，銀幕照度越大，則銀幕亮度越大。因此，數(shù)字電影放映機的有效光通量決定了主銀幕的亮度強弱。

電影放映機的有效光通量可以通過下式計算得到：

式中：E為銀幕的平均照度，單位為勒克斯；S為銀幕總面積，單位為平方米；F為有效光通量，單位為流明。

為了測定銀幕的平均照度，需要事先將銀幕劃分為大小相等的Y部分，通常情況下，寬銀幕的Y值取15，普通銀幕的Y值取9，然后分別測量每一部分的中心照度值，并通過如下公式計算銀幕的平均照度：

已知光源發(fā)出的全部光通量為F0，而F0在通過各個光學系統(tǒng)部件之后會有所損失，達到銀幕上的有效光通量為F1，則F1與F0之間存在如下關系：

上式中：η為光源的利用系數(shù)（無量綱值），τ為整個放映系統(tǒng)的總透射系數(shù)，即系統(tǒng)內(nèi)各個部件的透射系數(shù)之積。

光源的利用系數(shù)η的確定，可以根據(jù)如下公式進行計算：

其中：ΔF為系統(tǒng)投射至片門處的光通量，F(xiàn)0為光源發(fā)出的總光通量。

接下來，便可逐次確定電影放映系統(tǒng)中各部分的透射系數(shù)，如圖1所示為電影放映機內(nèi)對光投射有所影響的幾個基本部件。

（1）反光鏡。為了避免膠片因為過熱而變形，甚至是損壞，通常情況下會在其表面進行真空鍍膜，以反射可見光，并使紅外光透過，一般可見光在反光鏡處的反射率可達到90%-95%，即反光鏡的透射系數(shù)為0.9-0.95。目前，市場上常見的反光鏡類型分為兩種：錐軸橢球反光鏡和橢球反光鏡。

（2）遮光器。通常電影放映機的遮光器都具有兩個葉片，即工作葉片和非工作葉片。工作葉片的作用為畫幅移動時阻斷光源，而畫幅停留時打開光路，非工作葉片的作用為再次阻斷光線，盡量保證人眼的臨界頻率（通常為40-50HZ）低于銀幕照度閃爍的頻率，以避免畫面的閃爍影響觀影人們的視覺效果。根據(jù)自身結構的不同以及光線透射系數(shù)的不同，遮光器可分為三類：圓錐遮光器、圓盤遮光器以及圓筒遮光器。根據(jù)相關計算可得，三種遮光器的光透射系數(shù)如下：

圓錐遮光器——0.53

圓盤遮光器——0.5-0.67

圓筒遮光器——0.43

現(xiàn)目前，我國各大電影院內(nèi)的電影放映機普遍采用圓筒遮光器。

（3）片門。光源發(fā)出的光通過聚光系統(tǒng)透射至片門時，會形成一個圓形的光斑，但是片門是一個矩形方孔，如圖2所示。因此光于片門處的通過系數(shù)便等于片門的矩形孔面積和外接光斑圓的面積之比，以一般的35mm的電影放映機為例，其片門的透射系數(shù)為0.6。

（4）放映物鏡。該放映物鏡中包含了數(shù)片透鏡，其中每一片透鏡表面上都有一層增透膜，但是當光通過這些透鏡時，仍然不能保證光被完全透射，總會有一部分光被反射或者被吸收。現(xiàn)階段，電影放映機中所采用的放映物鏡所具有的透射系數(shù)一般在0.186-0.208范圍內(nèi)。

4 結語

數(shù)字電影已經(jīng)成為現(xiàn)代大眾電影的新趨勢，并且憑借其良好的視覺效果而受到廣大觀眾的喜愛。采用數(shù)碼技術對電影進行拍攝、傳播以及保留，數(shù)字電影在放映過程中會涉及諸多光學知識，光學技術對數(shù)字電影放映系統(tǒng)的運用極其重要。

參考文獻：

[1]周靜賢.光學技術在數(shù)字電影放映系統(tǒng)中的應用[J].電影技術，2016（01）.