DLP投影机光学概述

闲云野鹤归庐隐 2016-07-15

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光学人生，从这里开始！

光在投影机中是非常重要的，没有光，就没有影像被投射出来，光路设计的瑕疵，或者光路中元件有质量问题的话，不仅使投影机投影出的影响会产生亮度低、亮度不均匀、整机功率消耗过大，还会为投影机产品的寿命大大缩短。光路出现问题，或者光路的几何尺寸公差过大，将会直接导致投影影像亮度变低、颜色出现偏差及投影影像的几何畸形。
　　在投影机光路中，除去光源灯外，UV/IR镀膜玻璃、分色元件（色轮）、匀光元件（光棒）、中继镜片组（场镜）及镜头等是光所经过的全部元器件，它们质量的优劣、设计的好坏将直接影响着每一台投影机亮度的高低、图象质量的好坏。但从根本上讲，都是光路设计的优劣所决定的，而这些，就成为投影机除去芯片外价格千差万异的又一个因素。

　投影机单纯就光路来说，也就分为两种，单片机和三片机，（对于DLP中的两片机，我们可以用简单的理论把它归入三片机中去！）两种光路是不同的！前者是采用空间混色原理进行空间混色的！而后者的混色是叠加合成的！前者光路简单但投影效果差，后者光路复杂但投影效果好！在价格上也是前者廉价，而后者昂贵！
　　投影机的光路系统中，包含照明系统与成像系统两部分，在大多数情况下，两者可以分别独立设计。但在有些情况下，系统中包含场镜，场镜同时位于照明系统和成像系统中，这样就不能分别独立设计。

照明光路是用来将光棒出口成像于DMD处，其结构可分为远心和非远心两种。远心结构（参照图1）中，照明系统的出瞳（投影物镜的入瞳）位于DMD平面无穷远处或者足够远的位置上，照射到每一个小反射镜上光束的主光线相互平行，通常采用TIR棱镜区分入射和出射光路。为了最有效地利用光能，同时保证系统的对比度，照明光路的光轴与成像光路的光轴之间的夹角为微反射镜转动角度的2倍。远心结构的优点在于系统亮度均匀性好，结构紧凑，投影物镜的后工作距离短，调焦时不会引起图像放大率的变化，而且采用TIR棱镜便于实现可调节的偏心系统设计。同时，远心结构对照明系统和投影物镜的光阑的位置匹配要求宽松，二者可单独设计，较低了系统设计的复杂度。远心结构的一个主要缺点是引入的TIR棱镜不仅增加了系统的复杂度和成本，棱镜各表面的反射也会降低系统的能量利用率。二是照明光束与其它状态光束之间间隔小，无用的杂散光容易进入投影物镜引起系统对比度下降。另外，系统采用偏心设计时，会引起投影物镜口径的增大，导致整个系统体积的增加。

非远心光路（图2）的出瞳位于DMD平面附近，同样要求投影物镜的入瞳和其相匹配。非远心结构中，照明光束在DMD芯片上的入射角较远心结构中更大，增加了成像光路和照明光路的分离程度，提高了系统的对比度。同时，入射角的增大增加了TIR 棱镜的设计难度，因此非远心系统不采用TIR棱镜，而是综合考虑机构、照明光路和投影物镜的设计，实现空间上的光路分离。对于非远心光路，照射到各个反射镜上的主光线相互会聚，不同位置上的照明光的入射角不同，导致暗场均匀性变差。经由DMD芯片反射的出射光的主光线同样存在会聚和倾斜，要求投影物镜采用偏心结构。非远心系统的结构比较简单，所需光学元件少，投影物镜的后组尺寸较小，易于照明光路和出射光路的分离。

下面就分别介绍一下投影机光路系统中所包含的光学部件的设计考虑因素及主要功用。

　一、光源（灯泡）

灯的选择主要考虑以下因素：

1、 投影机大小、噪音、重量的目标值

2、寿命

3、 光谱分布

4、 光谱及弧长的稳定性

5、 光效率

6、 对安装位置的要求（不恰当的安装位置影响寿命）。

二、反光杯：

反光杯的作用是收集光源发出的光，并把它传送到照明系统中。同时，还需考虑如下特性：

1、 镀冷反光膜，减小进入系统中的UV/IR

2、 抛物面面型，使得进入后续系统光的最大化。

三、色轮

色轮的光学特性决定了前投图像的色域、亮度和色温等重要参数。

具体如下：1、白点色坐标2、基色色坐标3、亮度4、对比度5、色温6、噪音

四、光棒：光棒可将光源输出的分布不均匀的圆形光斑转化为DMD所需要的均匀矩形光斑。光棒可以是实心的玻璃棱镜，也可以是镀有高反射膜的平面反射镜粘接而成的空心器件。实心光棒利用光的全反射原理，其特点是反射率高，加工方便，成本低。而空心光棒则利用反射镜实现光能在光棒内的传输，反射效率较低，但也避免了玻璃材料的吸收和实心光棒前后表面的能量损失。同时由于没有玻璃的折射，光线在光棒内有更大的角度，因而空心光棒可以在更短的长度内实现同样次数的内部反射，达到相同的照明均匀性，而且也避免了实心光棒中由于前后表面的瑕疵对均匀性的影响。

五、中继镜片：中继镜片组可反射光、折射光，或是二者的组合。使用光棒匀光的系统中，中继镜片一般为阿贝结构。中继镜片组的作用是传送尽可能多的光到DMD，同时保证光入射面的大小以及均匀性。
　六、镜头
　　对于镜头，最关键的参数就是光圈F值的大小，对于投影机，投影镜头是投影机光路中的最后一个环节，（当然，影像从镜头出来，光路还要在空气介质中传播，然后经过幕反射（正投安装方式）或幕透射（背投安装方式）进入观看者的眼中。在这里我们不讨论这些，光路讨论只到投影镜头为止。）光圈大（光圈的大小和F值成反比，F值越小，光圈越大，理想状态下，F值为1，但只要有光学元件存在，就不可能达到1。焦距与光学镜片直径的比值就是F值。）投影影像的亮度就高，对于定焦镜头来说，光圈值是一个恒定值，对于变焦镜头来说，通过F值的定义我们可以看出，由于焦距的改变，它的数值是是在一个范围内。比如F2.8——F3.4。投影机的光圈值是个非常重要的参数，举个例子，同样的机器，使用F值不同的镜头，其亮度的区别是非常大的！比如F2.8的投影机，就是F4的投影机亮度的二倍，是F5.6投影机亮度的四倍，是F8投影机亮度的八倍……
　　任何两只镜头，只要它们的f值相同，那么它们所传送的光量就是完全一样的。例如，两只不同的镜头均为f/2.8，那么就会有相同的光量通过镜头到达银幕。不一定投影机镜头大，它的F值就大，它是和镜头的焦距有密切关系的！有可能一支口径小的投影机镜头F值比大镜头的F值还要小，（通光量更大）。
　　焦距也是用数值来表示的，通常从15-90，分为短焦、标准和长焦，还有超短和超长焦的。数值越小焦距越短，数值越大焦距越长，投影机对镜头焦距的要求正投一般在50-140，焦距决定了打满预定尺寸时投影机与影幕的距离，焦距越短，投影机与影幕的距离就越近，反之就越远。如果要在短距离投射大画面就需要选择短焦镜头的投影机，反之则需要选择长焦镜头。一般的投影机都为标准镜头。