駱東淼

（中國電子視像行業(yè)協(xié)會 大屏幕投影顯示設(shè)備分會專家組，北京 100026）

投影鏡頭專指微顯示投影機所用的鏡頭，它實現(xiàn)能量的傳送，決定了投影系統(tǒng)屏幕上圖像質(zhì)量的好壞。不同于電影放映、幻燈投影、書寫投影、投影測量等投影鏡頭，微顯示投影鏡頭具有特殊的結(jié)構(gòu)和要求，除了要求成像清晰、色彩豐富鮮艷、消除畸變、畫面亮度均勻以外，還要求與投影機的光學(xué)引擎相配合，與顯示器件相配合。按使用情況，各種型號的投影機鏡頭如圖1所示。

隨著投影技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是短焦互動投影技術(shù)的問世，更加使得投影機在教育方面的地位無可動搖。短焦/超短焦投影機超越空間束縛，可以更好地發(fā)揮優(yōu)勢，投影機市場具有更快速的發(fā)展。在2010年國內(nèi)投影機市場的銷量為167萬臺，2011年市場銷量超過200萬臺，尤其是新技術(shù)的應(yīng)用，以及新概念的不斷涌現(xiàn)，更是讓投影產(chǎn)品被廣泛關(guān)注，短焦投影機將成為未來教育投影機市場的主流。它克服了投影機的強光直接射入演講者眼睛，帶來直接刺激，影響視力健康的問題，達到了在最小空間內(nèi)實現(xiàn)清晰大畫面的最佳分享。短焦投影機還可以縮小投影機的投影距離，更重要的是能夠有效增加教學(xué)的互動性。在開標(biāo)的各地“班班通”投影機采購項目，幾乎全部將短焦投影機配白板的整體方案要求寫進了標(biāo)書，短焦投影機每年增長速度遠遠快于市場平均值。廠商預(yù)測，短焦的需求將愈來愈多，短焦加白板的應(yīng)用方案則會快速成長（見圖2）。

短焦/超短焦投影機的投影鏡頭成像需要解決兩個問題：第一，短焦/超短焦投影機的照明系統(tǒng)和短焦/超短焦投影物鏡成像系統(tǒng)的光能量值滿足Etendue值；第二，短焦/超短焦投影機投影成像的空間距離投射比要小。除了基本參數(shù)焦距f′小、F ′數(shù)小、視場角大（廣角≥60°）以外，還要注意投影鏡頭光學(xué)的反遠距設(shè)計，使投影鏡頭后焦點到后頂點的距離大于2～3倍焦距，以及遠心結(jié)構(gòu)設(shè)計使主光線平行于光軸，可在投影屏幕上得到最大圖像對比度和最大照度均勻性。短焦/超短焦投影機的短焦投影鏡頭一般為定焦鏡頭。因此，從嚴(yán)謹、科學(xué)的角度，對于短焦/超短焦投影機，投射比應(yīng)作為重要技術(shù)參數(shù)，而不是變焦比。

第一，短焦/超短焦投影機的照明系統(tǒng)和短焦/超短焦投影物鏡成像系統(tǒng)的光能量值滿足Etendue值。

在設(shè)計短焦/超短焦投影機的照明系統(tǒng)和短焦/超短焦投影物鏡成像系統(tǒng)時要控制光束擴展的發(fā)生，使其不產(chǎn)生“光溢出”，達到光能全被利用。

Etendue不變量基本概念表述如下：

1）Etendue值，即光束擴展值，純粹是一個幾何值。Etendue自身不表示光量的多少，只表示光量存在的空間，它是光束幾何尺寸的度量。

2）Etendue值乘以面光源亮度即可求得光源在該擴展范圍的光通量。

3）Etendue是一個二元因次值，單位為m2·sr。

4）Etendue適合理想光學(xué)系統(tǒng)，即近軸光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)無像差、無漸暈、無吸收。在此條件下，Etendue值守恒，是非成像系統(tǒng)的光學(xué)不變量。

5）光在照明系統(tǒng)傳遞中，Etendue值保持不變或增加，但不會減小，這一點類似于熱力學(xué)第二定律中熵的概念，是不可逆的過程。

6）當(dāng)E光源=E顯示器時，照明系統(tǒng)的光能利用率最高，所有光能全被利用，無光能損失；

當(dāng)E光源〉E顯示器時，照明系統(tǒng)的光能利用率低下，因光通量溢出而浪費；

當(dāng)E光源〈E顯示器時，照明系統(tǒng)可用，光能無損失。但不應(yīng)相差太大，否則系統(tǒng)尺寸過大而浪費，這是一般設(shè)計要求。

7）Etendue值為確定系統(tǒng)各個元件的參數(shù)提供依據(jù)，可以估算系統(tǒng)的光能利用率。

第二，短焦/超短焦投影機投影成像的空間距離要小，即投射比值??；投射比（見圖3）是短焦/超短焦投影機的一個重要參數(shù)。

投射比R=投影距離d/畫面寬度W。其比值越小，說明相同投影距離，投射畫面的寬度越大。由于計算方便、描述直觀，一般都以對角線為100 in（1 in=2.54 cm）畫面作為投影機的標(biāo)準(zhǔn)參照尺寸。畫面比例為4∶3的100 in畫面，寬約為2 m，高約為1.5 m。

短焦技術(shù)主要分為兩類。一類按投射比可簡單劃分為三種：第一種投射比在0.4以內(nèi)，現(xiàn)階段都是反射式超短焦投影機；第二種投射比在0.4～0.7之間的短焦投影機；第三種投射比在0.65～1.00之間的普通短焦產(chǎn)品。另一類按投影鏡頭的結(jié)構(gòu)可劃分為兩種：一種采用魚眼式投影鏡頭的短焦技術(shù)；另一種則是采用自由曲面鏡頭+反射鏡式投影鏡頭的超短焦技術(shù)。

理論上，普通投影機投射100 in畫面，距離在3 m以上；短焦機型投射距離在2 m以內(nèi)。短焦機型，一般實際投射距離在1 m以內(nèi)；超短焦機型，在0.5 m以內(nèi)。

多數(shù)短焦投影機型都采用定焦鏡頭，也有小部分短焦機型鏡頭不支持大范圍變焦，通過輕微變焦來實現(xiàn)對焦功能，隨之輕微變焦環(huán)成為了對焦環(huán)。對于投影領(lǐng)域，兩種鏡頭并存，其顯著區(qū)別是：調(diào)節(jié)對焦環(huán)時，定焦鏡頭的畫面不會改變大小，只會改變會聚效果，即為常說的畫面清晰度；而非定焦的短焦機型，調(diào)節(jié)對焦環(huán)的過程中，畫面有明顯的放大縮小現(xiàn)象。

現(xiàn)有品牌短焦投影機的主要技術(shù)參數(shù)參見表1。

表1 現(xiàn)有品牌短焦投影機的主要技術(shù)參數(shù)

魚眼式投影鏡頭（見圖4）的短焦技術(shù)增大了投影鏡頭的視場角（廣角），若干個透鏡球面為非球面、超半球或自由曲面等。魚眼式投影鏡頭等同于廣角鏡頭。超廣角鏡頭焦距為24 mm，視場角可達84°；焦距為8 mm，視角可達180°。采用魚眼式鏡頭的短焦技術(shù)，由于技術(shù)上的原因，往往會造成較嚴(yán)重的桶形畸變，從而導(dǎo)致投影畫面周邊的曲線往往會被彎曲。而且如果要進行70 in畫面的投影往往需要1 m左右的投射距離。廣角鏡頭拍攝效果如圖5所示。

采用自由曲面鏡頭/反射鏡的超短焦技術(shù)不僅畸變量小，投影畫面變形量小，而且投影距離也較魚眼式的鏡頭縮短了很多。投影70 in畫面所需的投射距離往往僅需要0.5 m。不過采用自由曲面鏡頭/反射鏡技術(shù)也存在著設(shè)計方法與計算公式復(fù)雜及制作工藝很難掌握等問題，因此現(xiàn)今還沒有被大量推廣。短焦投影鏡頭如圖6所示。

目前市場上出現(xiàn)的“零距離”超短焦投影機，并非想象中的不需要投射距離，而是光線通過鏡面的反射，變相縮短了投射距離。光線從鏡頭中發(fā)射，在鏡中反射一次，畫面呈現(xiàn)在接口的后方，若采用正投方式，在方向上，零距離投影機的鏡頭其實是指向觀眾。零距離機型，必然采用反射式設(shè)計。換言之，采用反射式設(shè)計的超短焦機型（見圖7），一定是零距離投影機。零距離投影，是民用商教領(lǐng)域的特有產(chǎn)品，產(chǎn)品的特點非常鮮明，投射比很夸張，最好的可達0.19。

短焦/超短焦投影機順應(yīng)社會的需求現(xiàn)狀，已經(jīng)是未來的一個發(fā)展趨勢。

第一，投射距離短。超短焦投影機與傳統(tǒng)投影機相比，同樣的投射距離，可以投射更大的畫面。

第二，亮度損失小。亮度的高低決定著投影機的質(zhì)量、適宜使用環(huán)境以及投射畫面的質(zhì)量。超短焦投影機與傳統(tǒng)投影機相比，由于有超短的投射距離，能夠減少遠距離投影所造成的光能損失，畫面表現(xiàn)能力更強。

第三，節(jié)省空間。超短焦投影機帶來的最大好處就是降低了對空間的需求，節(jié)省空間，適用于小空間辦公環(huán)境。

第四，避免畫面遮擋。保證了畫面的完整，避免了誤入投射區(qū)域遮擋畫面的尷尬。

正是因為上述優(yōu)勢，所以短焦/超短焦投影機廣受用戶的青睞，短焦的銷售量也在呈逐年增長的趨勢。順利增長的短焦投影機出貨量今后還將呈增長趨勢。據(jù)TSR的調(diào)查預(yù)測，到2014年，短焦投影機將從2009年的34萬臺增至77萬臺，占臺式投影機出貨量的10%。如此可見，短焦產(chǎn)品將會是投影機市場的新寵兒。

短焦投影也是互動手寫、背投的首選產(chǎn)品。當(dāng)然，工程投影機通過變換鏡頭，也可以實現(xiàn)這些功能，只是未免有些大材小用。短焦投影符合商教應(yīng)用的需求，是未來發(fā)展的趨勢之一。但從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的像差要求看，短焦投影物鏡與像差畸變是個冤家，有短焦必然有畸變。在成本有限的范疇內(nèi)，低價位短焦鏡頭的對焦清晰度大幅降低，畫面畸變明顯，色彩均勻性不佳，亮度均勻性無法保證，嚴(yán)重影響觀看的視覺效果。而對于高清影院產(chǎn)品，畫質(zhì)最為重要，對焦都不準(zhǔn)確的機型，當(dāng)然談不上圖案清晰，色彩再好也無濟于事。在高端產(chǎn)品中，有兩三款產(chǎn)品采用了零距離設(shè)計，顯示效果差強人意，而且售價高昂，不易被用戶接受。

一方面，完善財務(wù)崗位的管理制度，注重財務(wù)人員專業(yè)素養(yǎng)提升。對于財務(wù)人員而言，崗位管理制度影響著個人的工作行為、理念和專業(yè)素養(yǎng)等各方面。新時代下，應(yīng)當(dāng)從財務(wù)崗位管理制度的完善入手，要求財務(wù)人員從計劃管理、預(yù)算、決策和整理分析等方面提升加大學(xué)習(xí)力度，以逐步提升專業(yè)素養(yǎng)；

光學(xué)自由曲面是非對稱性、不規(guī)則、不適合用統(tǒng)一的光學(xué)光程式來描述的光學(xué)曲面。光學(xué)自由曲面面形精度要求亞微米級，表面粗糙度達納米級。加工工藝采用高精度壓縮成型、多軸超精密金鋼鉆加工、微細加工研磨、高可靠薄膜設(shè)計等諸多綜合基礎(chǔ)技術(shù)，設(shè)計并加工出了自由曲面鏡頭/反射鏡。自由曲面光學(xué)元件在光電產(chǎn)品、光通信產(chǎn)品中應(yīng)用日益廣泛。下文列舉幾個采用自由曲面鏡頭/反射鏡的超短焦產(chǎn)品。

1）日立HCP-A8投影機搭載日立世界首創(chuàng)的自由曲面技術(shù)（相差補正），其反射鏡至屏幕47 cm、投射60 in畫面的超短距創(chuàng)造了國內(nèi)上市投影機最短投射距離的新紀(jì)錄。成就其超短距投影的核心部分是鏡頭組，由三種、多個不同的鏡片組成。自由曲面鏡頭+反射鏡式光學(xué)系統(tǒng)原理如圖8所示。

其中，自由曲面反射鏡在不發(fā)生倍率色彩像差的基礎(chǔ)上，可以補正歪曲像差。傳統(tǒng)投影機投射光線須垂直于屏幕進行投射，角度的偏離會造成影像的歪曲變形，而日立A8投影機則是置于屏幕斜上方，光線由多組鏡頭折射后投射到自由曲面反射鏡上，反射鏡再以傾斜的角度將畫面完美地投射到屏幕上，其原理是：自由曲面反射鏡將鏡頭投射進來的光線按不同角度散射出去，依據(jù)自由曲面反射鏡來做梯形校正，使投射在屏幕上的影像毫無扭曲和畸變。

另外，季節(jié)的變化使室內(nèi)的濕度和溫度發(fā)生很大變化，而機身散熱也會使機身溫度上升，這些變化都會造成鏡頭的輕微變形，從而對焦不準(zhǔn)，投射出的影像也會發(fā)生模糊和變形現(xiàn)象，而日立采用的自由曲面鏡頭可以抵消由溫度/濕度變化而產(chǎn)生的聚焦變動，使投影機在外部環(huán)境發(fā)生變化的時候，仍可以投射出精致的畫面。不難想象，投影機鏡頭到屏幕各點的距離是不同的，距離遠的地方影像變大，顏色變淺，整體影像亮度不均，即產(chǎn)生像差。這種情況在傳統(tǒng)投影機中非常常見，而由于日立A8的投射位置，這一情況會變得更加嚴(yán)重。為此，機身內(nèi)部安裝了非球面鏡頭用于補正彗形像差/點球像差，使投射到屏幕上的各成像點尺寸、影像各部分的亮度和飽和度一致，使畫面色彩均勻且明亮。

自由曲面技術(shù)（相差補正）的使用，使超短距投影技術(shù)發(fā)生了革命性的進步，以將影像投射到60 in的白板或幕布上為例，機身底面與屏幕的距離有28.9 cm，根據(jù)屏幕高度的不同，投影機距離地面的高度至少為2 m，這樣的距離既不會妨礙演講者，也便于對投影機的日常維護，為使用者帶來了愉快的應(yīng)用體驗。與現(xiàn)有的非球面鏡頭相比，自由曲面鏡頭/反射鏡不僅設(shè)計方法與計算公式非常復(fù)雜，其所要求的制作工藝亦很難掌握，日立采用的高精度壓縮成型技術(shù)、微細加工研磨技術(shù)、高可靠薄膜設(shè)計等諸多綜合基礎(chǔ)技術(shù)才是HCP-A8得以成功的保證，高超的技術(shù)水準(zhǔn)是日立長久領(lǐng)先于業(yè)內(nèi)同行的秘訣。

日立HCP-A8投影機的技術(shù)創(chuàng)新還不止于此，反射鏡采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和自動開閉方式，不僅操作簡單，更重要的是讓反射鏡和鏡頭組不必暴露在空氣中，起到了防塵的作用，并且更加安全和美觀。由于新技術(shù)的采用使A8的使用方式更加多樣化，但是不同的擺放方式對投影機的散熱系統(tǒng)提出了更高的要求，為此日立在不同的位置和角度上采用了更多的風(fēng)扇，在吊頂（水平放置）和桌面（垂直放置）的情況下，通過倒置的傳感器檢查到裝置的方向，自動切換風(fēng)向和風(fēng)量，使投影機在不同擺放方式時，均可以得到良好的散熱保護，這樣優(yōu)秀的散熱技術(shù)在同類產(chǎn)品中還是前所未有的。

2）2012年初，雅圖0.3級的反射式超短焦投影RAC100系列（見圖9）加入了其軍團級的產(chǎn)品線，憑借先進的設(shè)計理念和思路，RAC100系列成為覆蓋娛樂、商務(wù)、教育多領(lǐng)域的超短焦多功能投影機型，自上市以來就受到市場用戶的廣泛好評。

雅圖RAC100系列采用反射式液晶顯示技術(shù)，19.5 cm就可以投射80 in大小的畫面，投射比具有很強的競爭優(yōu)勢。主要型號有四款：RAC100，RAC200，RAC300，RAC400。雅圖RAC100系列內(nèi)置一組高性能自由曲面鏡頭，能有效避免魚眼鏡頭出現(xiàn)的圖像桶形失真，既能在短距離內(nèi)演繹超大畫面和高清晰影像，又能解決普通投影機和普通短焦投影機存在的晃眼、陰影干擾等問題。

雅圖RAC100系列獨特的短距離投射，使畫面更接近原始輸出亮度的呈現(xiàn)。加上采用先進的動態(tài)光圈補償技術(shù)，極大地提高了圖像的黑白對比度，使RAC100系列在擁有絕佳色彩表現(xiàn)的同時，又能呈現(xiàn)豐富的畫質(zhì)細節(jié)。

3）理光超短焦系列新品不但以最短距離11.7 cm投射出48 in圖像，并且是目前全球最小巧的、重量最輕、投射距離最短的產(chǎn)品。同時在外觀上也進行了革新，它拋棄傳統(tǒng)投影機方方正正的外觀，采用直立式設(shè)計，并通過特殊的超短焦技術(shù)，得以大幅縮短投影距離。值得特別一提的是，理光獨有的“自由曲面透鏡”技術(shù)和像差補正技術(shù)，可通過使用屈折光學(xué)系統(tǒng)，徹底排除無用空間，實現(xiàn)無法超越的小型化。

三項關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)便攜超短距投影：

（1）利用凹透鏡獲得超高倍率放大——逆向創(chuàng)意。

通常，光線是通過凸面上的反射進行傳播的。凸透鏡被設(shè)置在光路的中間，所以它必須足夠大，以便接收全部傳播的光線。理光通過采用凹透鏡，成功地減小了光學(xué)系統(tǒng)的尺寸。

通過凹透鏡，產(chǎn)生了一個中間影像，該影像可阻止來自鏡片的光流傳播。接著利用凹透鏡的反射和折射力量，將中間影像放大后，隨即投射出去。依靠這一技術(shù)，可在超短的距離實現(xiàn)大尺寸畫面的投射。該創(chuàng)意打破了傳統(tǒng)，在保持光學(xué)系統(tǒng)小巧特性的同時，也使投影機實現(xiàn)了廣視角。

（2）進一步縮小鏡頭尺寸的自由曲面凹透鏡。

設(shè)計一款超短焦投影機涉及到多項技術(shù)挑戰(zhàn)，如縮短投影距離、減少影像畸變以及維持高分辨力等。追求寬視角必然會帶來影像畸變的增加和分辨力的降低。在過去，通過采用非球面鏡片補償像差來解決這一問題。

然而，使用非球面鏡片的方法，也存在各種限制。為此，理光提供了自由曲面凹透鏡，這是一個重大突破。最新開發(fā)的自由曲面凹透鏡，大大地增加了設(shè)計的自由空間，可滿足看似矛盾的兩項需求——更小的尺寸和更高的光學(xué)性能。利用高精度注塑技術(shù)向光學(xué)元件加工精度的限制發(fā)起了挑戰(zhàn)，最終迎來了超短距投影專用光學(xué)系統(tǒng)的誕生。

（3）基于獨特立式結(jié)構(gòu)減小鏡頭尺寸的屈折光學(xué)系統(tǒng)。

除去自由曲面凹透鏡外，理光開發(fā)了一套屈折光學(xué)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的鏡片和自由曲面凹透鏡之間設(shè)置了一個反光鏡。通過重疊光學(xué)系統(tǒng)中的光路，可以顯著減小機身的體積。

4）短焦微型投影機CloudviewTM

蘇州全譜光電公司研制的超短焦微型投影機，其投射比0.38～0.5，在10 cm的距離可以放大到11 in的圖像，在0.5 m距離可以放大到約60 in的大屏幕圖像。光通量為30～50 lm；LED光源；投影鏡頭焦距＞2 mm，非球面（見圖10）。

上海三鑫科技發(fā)展激光微型投影機SMP120，激光光源，光通量20～50 lm，自動對焦。尺寸116 mm×61 mm×33 mm，使用壽命25000 h（見圖11）。

隨著技術(shù)的進步，短焦/超短焦投影機畫面容易出現(xiàn)畸變的問題將逐漸得到改善。

最后，介紹一下投影機今后的發(fā)展趨勢。

由于在照明光源、光學(xué)成像系統(tǒng)以及人機界面方面的技術(shù)進步，今后的投影機正在向小型化、多元化方向發(fā)展。下一代的投影機應(yīng)用范圍也將覆蓋演示、電影、顯示、游戲、照片顯示、錄像、交互顯示等多個功能，如圖12所示。

圖12a投影機安裝在天花板上，將畫面投影到墻面上。通過教師頭頂上的投影機將畫面投影到黑板上，教師們將不再阻擋投影機的光線，他們可以更順利地進行教學(xué)工作。圖12b投影機安放在桌面上，將圖片投影到墻上，僅需將投影機緊貼住墻面放置，也可以在狹小的空間內(nèi)呈現(xiàn)出大幅的畫面。圖12c通過對地板上的投影，孩子們可以在地板上盡情地做一些益智類的游戲，諸如國際象棋等，可以很好地開發(fā)其想像力。圖12d在零售商店里，圖片可以被投影到一些平時不需要使用到的區(qū)域，例如通道或者是地板上，將這些區(qū)域作為活動的廣告展示區(qū)。圖12e作為一種背投的系統(tǒng)，投影機可以被安裝在桌子的下面，將圖片投影到桌子上面。這將允許參與者從不同的角度來檢查設(shè)計圖紙，從而激發(fā)他們的想像力。圖12f將動態(tài)的圖片投影到櫥窗上，可以及時地提供各類菜肴的信息。

短焦/超短焦投影機的投影鏡頭在我國已經(jīng)從研發(fā)進入產(chǎn)業(yè)化階段，應(yīng)用也越來越廣范，一些技術(shù)問題也逐步得到解決，性價比優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)出來，提高了投影顯示在多元顯示競爭中的競爭力，對推動投影顯示產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和發(fā)展將會起到很大作用，應(yīng)予以積極關(guān)注和支持。