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    鏡頭是投影機(jī)鏈路最后一個重要環(huán)節(jié)

2014-07-06 15:32:19
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  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6.5Mx4M)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。

  我國早期數(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),明確的推出關(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)事求是的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: 19.68 mm
  • 調(diào)制傳遞函數(shù): MTF 36 lp/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值越小),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: 4500流明 0.74" TFT LCD x 3

變焦倍率: 1.8 F = 1.7 ~ 2.6 f = 21.3 ~ 37.9 mm

投影距離(100 in) 2.8 m-5.0 m/8.2 ft-16.4 ft

廣角端 F = 1.7

長焦端 F = 2.6

光通量相對比

4500 流明

3080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,但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。目前是投影機(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,失真情況分為枕形失真桶形失真。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)。

  通過一個凸透鏡產(chǎn)生的色差 通過一個凸透鏡產(chǎn)生的色差

  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,他是對鏡頭的銳度,反差和分辨率進(jìn)行綜合評價的數(shù)值。

  但他不能反映出上面所說的鏡頭畸變和眩光。他的定義;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?yàn)樗鼈兊奶匦允茉O(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1920X1200 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。用于工程、教育、展陳、會議。開創(chuàng)了投影行業(yè)的先河。當(dāng)然,還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)。