短焦/超短焦投影鏡頭將推動投影產業創新和發展

駱東淼

（中國電子視像行業協會 大屏幕投影顯示設備分會專家組，北京 100026）

投影鏡頭專指微顯示投影機所用的鏡頭，它實現能量的傳送，決定了投影系統屏幕上圖像質量的好壞。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構和要求，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。

隨著投影技術的不斷發展，尤其是短焦互動投影技術的問世，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，可以更好地發揮優勢，投影機市場具有更快速的發展。在2010年國內投影機市場的銷量為167萬臺，2011年市場銷量超過200萬臺，尤其是新技術的應用，以及新概念的不斷涌現，更是讓投影產品被廣泛關注，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實現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的互動性。在開標的各地“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書，短焦投影機每年增長速度遠遠快于市場平均值。廠商預測，短焦的需求將愈來愈多，短焦加白板的應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和短焦/超短焦投影物鏡成像系統的光能量值滿足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。除了基本參數焦距f′小、F ′數小、視場角大（廣角≥60°）以外，還要注意投影鏡頭光學的反遠距設計，使投影鏡頭后焦點到后頂點的距離大于2～3倍焦距，以及遠心結構設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，從嚴謹、科學的角度，對于短焦/超短焦投影機，投射比應作為重要技術參數，而不是變焦比。

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

在設計短焦/超短焦投影機的照明系統和短焦/超短焦投影物鏡成像系統時要控制光束擴展的發生，使其不產生“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適合理想光學系統，即近軸光學系統，系統無像差、無漸暈、無吸收。在此條件下，Etendue值守恒，是非成像系統的光學不變量。

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

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

當E光源〉E顯示器時，照明系統的光能利用率低下，因光通量溢出而浪費；

當E光源〈E顯示器時，照明系統可用，光能無損失。但不應相差太大，否則系統尺寸過大而浪費，這是一般設計要求。

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

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

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準參照尺寸。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，現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之間的普通短焦產品。另一類按投影鏡頭的結構可劃分為兩種：一種采用魚眼式投影鏡頭的短焦技術；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。

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。短焦機型，一般實際投射距離在1 m以內；超短焦機型，在0.5 m以內。

多數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對焦功能，隨之輕微變焦環成為了對焦環。對于投影領域，兩種鏡頭并存，其顯著區別是：調節對焦環時，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，調節對焦環的過程中，畫面有明顯的放大縮小現象。

現有品牌短焦投影機的主要技術參數參見表1。

表1 現有品牌短焦投影機的主要技術參數

魚眼式投影鏡頭（見圖4）的短焦技術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，由于技術上的原因，往往會造成較嚴重的桶形畸變，從而導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/反射鏡技術也存在著設計方法與計算公式復雜及制作工藝很難掌握等問題，因此現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。光線從鏡頭中發射，在鏡中反射一次，畫面呈現在接口的后方，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，必然采用反射式設計。換言之，采用反射式設計的超短焦機型（見圖7），一定是零距離投影機。零距離投影，是民用商教領域的特有產品，產品的特點非常鮮明，投射比很夸張，最好的可達0.19。

短焦/超短焦投影機順應社會的需求現狀，已經是未來的一個發展趨勢。

第一，投射距離短。超短焦投影機與傳統投影機相比，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量、適宜使用環境以及投射畫面的質量。超短焦投影機與傳統投影機相比，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，畫面表現能力更強。

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

第四，避免畫面遮擋。保證了畫面的完整，避免了誤入投射區域遮擋畫面的尷尬。

正是因為上述優勢，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TSR的調查預測，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、背投的首選產品。當然，工程投影機通過變換鏡頭，也可以實現這些功能，只是未免有些大材小用。短焦投影符合商教應用的需求，是未來發展的趨勢之一。但從光學系統設計的像差要求看，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，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，嚴重影響觀看的視覺效果。而對于高清影院產品，畫質最為重要，對焦都不準確的機型，當然談不上圖案清晰，色彩再好也無濟于事。在高端產品中，有兩三款產品采用了零距離設計，顯示效果差強人意，而且售價高昂，不易被用戶接受。

一方面，完善財務崗位的管理制度，注重財務人員專業素養提升。對于財務人員而言，崗位管理制度影響著個人的工作行為、理念和專業素養等各方面。新時代下，應當從財務崗位管理制度的完善入手，要求財務人員從計劃管理、預算、決策和整理分析等方面提升加大學習力度，以逐步提升專業素養；

光學自由曲面是非對稱性、不規則、不適合用統一的光學光程式來描述的光學曲面。光學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、高可靠薄膜設計等諸多綜合基礎技術，設計并加工出了自由曲面鏡頭/反射鏡。自由曲面光學元件在光電產品、光通信產品中應用日益廣泛。下文列舉幾個采用自由曲面鏡頭/反射鏡的超短焦產品。

1）日立HCP-A8投影機搭載日立世界首創的自由曲面技術（相差補正），其反射鏡至屏幕47 cm、投射60 in畫面的超短距創造了國內上市投影機最短投射距離的新紀錄。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+反射鏡式光學系統原理如圖8所示。

其中，自由曲面反射鏡在不發生倍率色彩像差的基礎上，可以補正歪曲像差。傳統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，季節的變化使室內的濕度和溫度發生很大變化，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，投射出的影像也會發生模糊和變形現象，而日立采用的自由曲面鏡頭可以抵消由溫度/濕度變化而產生的聚焦變動，使投影機在外部環境發生變化的時候，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，即產生像差。這種情況在傳統投影機中非常常見，而由于日立A8的投射位置，這一情況會變得更加嚴重。為此，機身內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（相差補正）的使用，使超短距投影技術發生了革命性的進步，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用體驗。與現有的非球面鏡頭相比，自由曲面鏡頭/反射鏡不僅設計方法與計算公式非常復雜，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、微細加工研磨技術、高可靠薄膜設計等諸多綜合基礎技術才是HCP-A8得以成功的保證，高超的技術水準是日立長久領先于業內同行的秘訣。

日立HCP-A8投影機的技術創新還不止于此，反射鏡采用旋轉結構和自動開閉方式，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，自動切換風向和風量，使投影機在不同擺放方式時，均可以得到良好的散熱保護，這樣優秀的散熱技術在同類產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品線，憑借先進的設計理念和思路，RAC100系列成為覆蓋娛樂、商務、教育多領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，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勢。主要型號有四款：RAC100，RAC200，RAC300，RAC400。雅圖RAC100系列內置一組高性能自由曲面鏡頭，能有效避免魚眼鏡頭出現的圖像桶形失真，既能在短距離內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。加上采用先進的動態光圈補償技術，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的同時，又能呈現豐富的畫質細節。

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、投射距離最短的產品。同時在外觀上也進行了革新，它拋棄傳統投影機方方正正的外觀，采用直立式設計，并通過特殊的超短焦技術，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”技術和像差補正技術，可通過使用屈折光學系統，徹底排除無用空間，實現無法超越的小型化。

三項關鍵技術實現便攜超短距投影：

（1）利用凹透鏡獲得超高倍率放大——逆向創意。

通常，光線是通過凸面上的反射進行傳播的。凸透鏡被設置在光路的中間，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，成功地減小了光學系統的尺寸。

通過凹透鏡，產生了一個中間影像，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，可在超短的距離實現大尺寸畫面的投射。該創意打破了傳統，在保持光學系統小巧特性的同時，也使投影機實現了廣視角。

（2）進一步縮小鏡頭尺寸的自由曲面凹透鏡。

設計一款超短焦投影機涉及到多項技術挑戰，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。最新開發的自由曲面凹透鏡，大大地增加了設計的自由空間，可滿足看似矛盾的兩項需求——更小的尺寸和更高的光學性能。利用高精度注塑技術向光學元件加工精度的限制發起了挑戰，最終迎來了超短距投影專用光學系統的誕生。

（3）基于獨特立式結構減小鏡頭尺寸的屈折光學系統。

除去自由曲面凹透鏡外，理光開發了一套屈折光學系統，在該系統的鏡片和自由曲面凹透鏡之間設置了一個反光鏡。通過重疊光學系統中的光路，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）。

隨著技術的進步，短焦/超短焦投影機畫面容易出現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展趨勢。

由于在照明光源、光學成像系統以及人機界面方面的技術進步，今后的投影機正在向小型化、多元化方向發展。下一代的投影機應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呈現出大幅的畫面。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域，例如通道或者是地板上，將這些區域作為活動的廣告展示區。圖12e作為一種背投的系統，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計圖紙，從而激發他們的想像力。圖12f將動態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從研發進入產業化階段，應用也越來越廣范，一些技術問題也逐步得到解決，性價比優勢也逐漸顯現出來，提高了投影顯示在多元顯示競爭中的競爭力，對推動投影顯示產業創新和發展將會起到很大作用，應予以積極關注和支持。