數(shù)字電影放映系統(tǒng)中的光學(xué)技術(shù)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。基于此，本文首先簡要概述何為數(shù)字電影放映系統(tǒng)，其次詳細(xì)分析了光學(xué)原理在數(shù)字電影成像中的應(yīng)用以及光學(xué)技術(shù)在終端投影鏡頭中的應(yīng)用，最后介紹電影放映中一個(gè)非常重要的物理量——有效光通量的分析計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電影放映系統(tǒng)；光學(xué)；有效光通量

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

同傳統(tǒng)電影的機(jī)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(shí)簡化了影片的傳輸過程，影片放映時(shí)具有較小的震動(dòng)和噪聲產(chǎn)生，最重要的是能夠輸出更高質(zhì)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(jìn)數(shù)字電影放映設(shè)備，并建設(shè)相應(yīng)的數(shù)字影院，以求推動(dòng)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?yàn)榉庞诚到y(tǒng)是整個(gè)數(shù)字電影系統(tǒng)中最末的技術(shù)關(guān)卡，它決定了數(shù)字電影放映的實(shí)際效果。相比于傳統(tǒng)的膠片放映機(jī)，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(xué)技術(shù)

2.1 基本光學(xué)原理在數(shù)字電影成像中的應(yīng)用

現(xiàn)目前，數(shù)字電影投影成像技術(shù)中應(yīng)用最多的基本光學(xué)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(yīng)用最為成熟。數(shù)字微鏡器是數(shù)字光處理應(yīng)用中的核心部分，其工作原理如下：首先通過半導(dǎo)體晶片的效應(yīng)來驅(qū)動(dòng)小動(dòng)量繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)，如果在此時(shí)改變電場電路，則所有微鏡會朝著電路的控制方向偏轉(zhuǎn)，當(dāng)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(xué)原理在投影成像中的應(yīng)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(jìn)行照射。彩色輪是由包括紅、綠、藍(lán)等幾種顏色的扇形濾光片組成的，彩色輪的旋轉(zhuǎn)頻率為60HZ，其在一秒鐘內(nèi)可以刷出180個(gè)彩色色場。當(dāng)確定好彩色模式的順序之后，便會被數(shù)字處理技術(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，便會依次在DMD上投射出紅、綠、藍(lán)光，視頻信號與彩色輪同步，當(dāng)有紅光投射于DMD表面時(shí)，微鏡開啟。像素構(gòu)成了數(shù)字投影的圖像，紅、綠、藍(lán)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(shí)，微鏡反射的光線會投射并聚焦于屏幕之上，微鏡關(guān)閉時(shí)，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(zhì)量。

2.2 終端投影鏡頭中的光學(xué)技術(shù)

（1）光學(xué)技術(shù)在鏡頭工作環(huán)境中的應(yīng)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(shí)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(xué)技術(shù)在確定鏡頭焦距中的應(yīng)用。我國現(xiàn)目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字電影放映機(jī)為兩千像素的DP100型號。電影放映時(shí)，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(shè)計(jì)或者使用經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)。DP100型號放映機(jī)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(jià)格較貴，如果自己設(shè)計(jì)變焦鏡頭，則會大大減少采購成本。

（3）光學(xué)技術(shù)用于光學(xué)鏡頭工作距離的確定。現(xiàn)目前主要有兩種方法確定光學(xué)鏡頭的工作距離：其一，對放映機(jī)的光學(xué)引擎進(jìn)行實(shí)際測量，但是光學(xué)引擎作為放映機(jī)的核心部件，其被秘密存放，所以難以對其進(jìn)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(jìn)行運(yùn)算，得出工作距離的近似值，該種方法更易實(shí)現(xiàn)。綜合來看，第二種方法的缺點(diǎn)是全程采用逆向計(jì)算，還要對最后的結(jié)果進(jìn)行縮放，因此該方法所得結(jié)果缺乏一定的準(zhǔn)確性，而第一種方法的步驟更為簡潔方便。

（4）光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于確定鏡頭結(jié)構(gòu)。對光學(xué)技術(shù)了解十分透徹的工程師們通常認(rèn)為鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，一般情況下，電影放映時(shí)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(dá)到40mm，如此一來，便只能選擇遠(yuǎn)心光路的鏡頭結(jié)構(gòu)，此時(shí)鏡頭孔徑較小，設(shè)計(jì)難度較大，同時(shí)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(yuǎn)心光路的權(quán)全分離式進(jìn)行改進(jìn)。

3 電影放映中有效光通量的分析計(jì)算

為了獲得預(yù)想的銀幕光照度，電影放映機(jī)投射至銀幕上的光通量應(yīng)當(dāng)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(jī)的有效光通量決定了主銀幕的亮度強(qiáng)弱。

電影放映機(jī)的有效光通量可以通過下式計(jì)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(jì)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(gè)光學(xué)系統(tǒng)部件之后會有所損失，達(dá)到銀幕上的有效光通量為F1，則F1與F0之間存在如下關(guān)系：

上式中：η為光源的利用系數(shù)（無量綱值），τ為整個(gè)放映系統(tǒng)的總透射系數(shù)，即系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)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(jìn)行計(jì)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(jī)內(nèi)對光投射有所影響的幾個(gè)基本部件。

（1）反光鏡。為了避免膠片因?yàn)檫^熱而變形，甚至是損壞，通常情況下會在其表面進(jìn)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(dá)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(jī)的遮光器都具有兩個(gè)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(dòng)時(shí)阻斷光源，而畫幅停留時(shí)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(jié)構(gòu)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(guān)計(jì)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(jī)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(shí)，會形成一個(gè)圓形的光斑，但是片門是一個(gè)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(jī)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(dāng)光通過這些透鏡時(shí)，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(jī)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(jié)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(shù)對電影進(jìn)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(xué)知識，光學(xué)技術(shù)對數(shù)字電影放映系統(tǒng)的運(yùn)用極其重要。

參考文獻(xiàn)：

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