镜头：投影机链路最后一个重要环节

【中国数字视听网讯】谈到投影机大家首先是关心技术特点，其次是投影机相关的各个参数。似乎没有人太在意投影机镜头对性能的影响。但是高清投影机镜头将显示芯片图像放大到标称不失真最大值（例：300”约6.5Mx4M）时，放大倍数是巨大的。除了投影机对镜头结构的限制外，保证显示画面清晰的同时，色彩、亮度、均匀度、失真、畸变、色散等一切都影响着投影机的图像质量。大家都知道；镜头的好坏一直是影响照相机成像质量的关键因素，投影机当然也不会例外。

我国早期数字投影机通用规范（SJ/T11298-2003）中的第5项中要求了光学参数指标,明确的推出关于包含光学指标考核的色差、光学失真、会聚误差、镜头聚焦等具体参数量值。很遗憾在后面GB/T28037-2011投影机通用规范中，则以产品厂方标准规定值作为计量。实际上放弃了光学的技术门槛。这将用户辨识能力提高了档次。似乎ISO/IEC21118中的不完整性影响了我们行业对投影机的全面认识。但是有责任的厂家还会客观实事求是的展示自己的全部技术参数.

光圈（f-number，或称“F比例”、“相对孔径”、“光圈值”），表示镜头的焦距和实际光圈直径大小的关系。即：焦比等于焦距数除以实际通光孔径数。照相机通过控制光圈解决CCD通光量的窄宽容度问题。投影机没有光圈这个控制光通量变化的必要。类似"动态虹膜"技术的光圈，实际是利用收缩的光圈，牺牲相对无效亮度，从而提高了图象的对比度的模式应用。但是镜头变焦过程中，真正投影镜头受到反远距结构、远心结构的限制，镜头通光光束仍有实际的光圈。只不过不是刻意制作的机械光圈。对于一个标准的变焦镜头，大多数厂家会告诉你投影比时的光圈值。比如：投影比；1.5-2.25:1，F值；1.89-2.65。光圈越大(F值越小)，镜头的通光率越大。照相机和投影机光学应用是反向的。光学原理是一样。典型照相机半级光圈值；f/#1.01.21.41.722.42.83.344.85.6…..。，光圈调大一挡，光量减少1/2倍。光损是光圈级变化而相对递进。按照看看下面的例子：

从上述表格可以看出。广角端安装实际光束光圈最大，亮度最大。也就是标称亮度值又有效值。换句话说长焦端亮度相对广角端有32%的光损。

如何破解上述问题呢？从光学基本公式可知：在焦强(光圈)不变的情况下，焦距增加一倍其透镜直径也必须增加一倍。

光圈F值=镜头焦距÷有效光束孔径

为了保证广角端的光通量。同样相对孔径的长焦镜头的透镜直径必须比广角镜头大上几倍。这也是是制造照相机恒定光圈变焦镜头的主要原理。是否可以借鉴照相机的镜头技术用于投影机镜头呢？还真有。CANON今年三月在广州举办的“佳绩共创点亮未来”新品发布会上，推出了市面首款F2.8恒定光圈LCOS投影机。从而使得远近的亮度不变。常规实现恒定光圈办法：采用变焦时光圈之后部分光路不发生变化。或是光路变化，光圈也发生相应补偿方式。

投影比示意图

回到上述镜头参数表中的投影比和焦距。投影距离与投射画面的宽度之比——投射比（D/W）,就成了投影机的一个重要指标，比值越小则说明同等投影距离内投射画面尺寸越大，反之则越小。业内通过投影比划分出超长焦、长焦、标准、短焦（广角）、超短焦（超广角）。由于光学芯片规格等因素，但并没有清晰的量化数字界面。一般投影比1.5左右是标准镜头，1.0以下就是短焦。由于短焦技术相对难度问题，有人刻意划分为小于0.6为超短焦。上面提到短焦投影机的镜头拥有大光圈，安装距离短，光效高，画面质量相对较高。主讲区域眩光影响少，工程应用范围宽泛。目前是投影机差异化发展最快的分支。目前看到的技术有；鱼眼式短焦技术、采用自由曲面镜头（相差补正）+反射镜式镜头的超短焦技术、镜头内屈折光学技术、当然也包括镜外反射投影技术。

超短焦投影机很容易产生画面亮度的不均匀、色彩不一致和画面的畸变，无论是正投式还是反射式超短焦的镜面，都要求反射弧面需要有极其高的精准度。镜头素质参差不齐，技术差异化巨大，产品少售价高。当然这需要严格的光学计算及镜头进行更精致的加工。设计中必须采用大口径非球面设计，而这方面在模具制造、注塑加工、生产装配上对于一般厂家都构成了较大的技术屏障。

为了减少超短焦镜头的畸变，就要采用相应的光学技术手段。光学失真为光学轴外的直型物体，呈现曲线时的镜头像差。镜头失真也称为镜头畸变，可分为枕形失真和桶形失真，失真情况分为枕形失真桶形失真。如下图示：

投影镜头聚焦的镜片构造最简单的就是球面镜成像，球面镜不能将所有光线聚焦在同一点，透过镜片边缘进入的光线会偏离焦点形成像差。尤其在大光圈的时候，有较多光线可以通过镜片。最明显就是一些光点虚化现象。由于不同光谱光线从边缘位置进入的光线与中心聚焦产生偏差较大所致。为了对抗镜头畸变，大都采用非球面镜技术、CANON发明的莹石镜头技术，消色差双透镜技术。

通过一个凸透镜产生的色差通过一个凸透镜产生的色差

据报道；CANON在生产非球面镜片时，采用独有的具有0.02微米研磨精度的批量生产加工技术。在1978年，还实现了高精度塑料成型的小光圈非球面镜片的生产。随后，推出了大光圈玻璃成型非球面镜片，能够以较低的成本将之应用于单反相机的镜头。并且，还确立了在球面镜片的表面形成一种紫外线硬化树脂覆膜的复制非球面技术。

凸凹镜组合消除色差

同理，复色光被分解为单色光的现象，即被称为“色散”。而这种现象导致的结果则被称为色差，是由于镜头没有把不同波长的光线聚焦到焦平面而造成的。它会导致画面清晰度降低，画面边缘上出现异常颜色线条。天然萤石镜片具有非常优秀的消色差性能，但是其性质并不是很稳定，而且生产成本过于高昂，所以通常只应用在极少数售价高达数万元的高端镜头上。由于天然萤石结晶体积一般很小，而且质地并不都很均匀，所以CANON公司开发了人工萤石结晶技术，制造出人工萤石镜片，一般直接称为萤石镜片。由光学玻璃混合专利氧化物制造的镜片被称为超低色散镜片，有着和萤石镜片相近的光学性能和相对较低的成本。采用这些镜片的镜头具有很强的抗色散能力，成像清晰度高，色差小。

最后让我们看一下镜头参数中调制传递函数MTF，他是对镜头的锐度，反差和分辨率进行综合评价的数值。但他不能反映出上面所说的镜头畸变和眩光。他的定义；成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。该指标对高清镜头评价更有意义。

调制度=（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值可以反映镜头的反差。当空间频率提高，也就是正弦光栅的密度提高时，MTF值逐渐下降，这时的MTF曲线可以反映镜头的分辨率。镜头是以光轴为中心的对称结构，中心向各方向的成像素质变化规律是相同的。由于像差等因素的影响，像场中某点与像场中心的距离越远，其MTF值一般呈下降的趋势。

因此以像场中心到像场边缘的距离为横坐标，可以反映镜头边缘的成像素质。所以看到上述例子中镜头参数指标中有两个值。不同焦距段、不同档次、不同规格以及定焦和变焦等不同镜头的MTF图进行比较意义不大。因为它们的特性受设计规格、光学特性、像差以及成本、用料的影响很大。不具有严格的可比性。只有同档次、同规格镜头的MTF图才具有比较意义。不同厂家的镜头MTF曲测试环境也存在差异，所以可比性也不大。

综上所述，镜头的素质是一个综合表现，并不是一个单纯的硬件指标就能决定所有。目前，具有镜头研发、生产的投影机厂家更具有优势。他们可以在投影机链路最后一个重要环节呈现出更加积极的作用。比如CANON的LCOS投影机，本身后发投影机技术的优势，在色彩、显示芯片、开口率、分辨率上有着明显的差异优点。针对1920X1200LCOS显示面板分辨率投影机，研发出2.7恒定光圈、投影比0.56、、内置镜头75%偏移功能的低色散、低失真、无太阳光斑、偏轴式、1.36倍变比、19片15组小体积高MTF镜头。为LCOS投影锦上添花。用于工程、教育、展陈、会议。开创了投影行业的先河。当然，还有一个相对不错的市场竞争的价格。当然，对于投影机产品的采购来说，性能与价格是永远成正比的。我们相信；今年会有不同能力的厂家角力于高清短焦、高质量投影镜头行业。