骆东淼

（中国电子视像行业协会 大屏幕投影显示设备分会专家组，北京 100026）

投影镜头专指微显示投影机所用的镜头，它实现能量的传送，决定了投影系统屏幕上图像质量的好坏。不同于电影放映、幻灯投影、书写投影、投影测量等投影镜头，微显示投影镜头具有特殊的结构和要求，除了要求成像清晰、色彩丰富鲜艳、消除畸变、画面亮度均匀以外，还要求与投影机的光学引擎相配合，与显示器件相配合。按使用情况，各种型号的投影机镜头如图1所示。

随着投影技术的不断发展，尤其是短焦互动投影技术的问世，更加使得投影机在教育方面的地位无可动摇。短焦/超短焦投影机超越空间束缚，可以更好地发挥优势，投影机市场具有更快速的发展。在2010年国内投影机市场的销量为167万台，2011年市场销量超过200万台，尤其是新技术的应用，以及新概念的不断涌现，更是让投影产品被广泛关注，短焦投影机将成为未来教育投影机市场的主流。它克服了投影机的强光直接射入演讲者眼睛，带来直接刺激，影响视力健康的问题，达到了在最小空间内实现清晰大画面的最佳分享。短焦投影机还可以缩小投影机的投影距离，更重要的是能够有效增加教学的互动性。在开标的各地“班班通”投影机采购项目，几乎全部将短焦投影机配白板的整体方案要求写进了标书，短焦投影机每年增长速度远远快于市场平均值。厂商预测，短焦的需求将愈来愈多，短焦加白板的应用方案则会快速成长（见图2）。

短焦/超短焦投影机的投影镜头成像需要解决两个问题：第一，短焦/超短焦投影机的照明系统和短焦/超短焦投影物镜成像系统的光能量值满足Etendue值；第二，短焦/超短焦投影机投影成像的空间距离投射比要小。除了基本参数焦距f′小、F ′数小、视场角大（广角≥60°）以外，还要注意投影镜头光学的反远距设计，使投影镜头后焦点到后顶点的距离大于2～3倍焦距，以及远心结构设计使主光线平行于光轴，可在投影屏幕上得到最大图像对比度和最大照度均匀性。短焦/超短焦投影机的短焦投影镜头一般为定焦镜头。因此，从严谨、科学的角度，对于短焦/超短焦投影机，投射比应作为重要技术参数，而不是变焦比。

第一，短焦/超短焦投影机的照明系统和短焦/超短焦投影物镜成像系统的光能量值满足Etendue值。

在设计短焦/超短焦投影机的照明系统和短焦/超短焦投影物镜成像系统时要控制光束扩展的发生，使其不产生“光溢出”，达到光能全被利用。

Etendue不变量基本概念表述如下：

1）Etendue值，即光束扩展值，纯粹是一个几何值。Etendue自身不表示光量的多少，只表示光量存在的空间，它是光束几何尺寸的度量。

2）Etendue值乘以面光源亮度即可求得光源在该扩展范围的光通量。

3）Etendue是一个二元因次值，单位为m2·sr。

4）Etendue适合理想光学系统，即近轴光学系统，系统无像差、无渐晕、无吸收。在此条件下，Etendue值守恒，是非成像系统的光学不变量。

5）光在照明系统传递中，Etendue值保持不变或增加，但不会减小，这一点类似于热力学第二定律中熵的概念，是不可逆的过程。

6）当E光源=E显示器时，照明系统的光能利用率最高，所有光能全被利用，无光能损失；

当E光源〉E显示器时，照明系统的光能利用率低下，因光通量溢出而浪费；

当E光源〈E显示器时，照明系统可用，光能无损失。但不应相差太大，否则系统尺寸过大而浪费，这是一般设计要求。

7）Etendue值为确定系统各个元件的参数提供依据，可以估算系统的光能利用率。

第二，短焦/超短焦投影机投影成像的空间距离要小，即投射比值小；投射比（见图3）是短焦/超短焦投影机的一个重要参数。

投射比R=投影距离d/画面宽度W。其比值越小，说明相同投影距离，投射画面的宽度越大。由于计算方便、描述直观，一般都以对角线为100 in（1 in=2.54 cm）画面作为投影机的标准参照尺寸。画面比例为4∶3的100 in画面，宽约为2 m，高约为1.5 m。

短焦技术主要分为两类。一类按投射比可简单划分为三种：第一种投射比在0.4以内，现阶段都是反射式超短焦投影机；第二种投射比在0.4～0.7之间的短焦投影机；第三种投射比在0.65～1.00之间的普通短焦产品。另一类按投影镜头的结构可划分为两种：一种采用鱼眼式投影镜头的短焦技术；另一种则是采用自由曲面镜头+反射镜式投影镜头的超短焦技术。

理论上，普通投影机投射100 in画面，距离在3 m以上；短焦机型投射距离在2 m以内。短焦机型，一般实际投射距离在1 m以内；超短焦机型，在0.5 m以内。

多数短焦投影机型都采用定焦镜头，也有小部分短焦机型镜头不支持大范围变焦，通过轻微变焦来实现对焦功能，随之轻微变焦环成为了对焦环。对于投影领域，两种镜头并存，其显著区别是：调节对焦环时，定焦镜头的画面不会改变大小，只会改变会聚效果，即为常说的画面清晰度；而非定焦的短焦机型，调节对焦环的过程中，画面有明显的放大缩小现象。

现有品牌短焦投影机的主要技术参数参见表1。

表1 现有品牌短焦投影机的主要技术参数

鱼眼式投影镜头（见图4）的短焦技术增大了投影镜头的视场角（广角），若干个透镜球面为非球面、超半球或自由曲面等。鱼眼式投影镜头等同于广角镜头。超广角镜头焦距为24 mm，视场角可达84°；焦距为8 mm，视角可达180°。采用鱼眼式镜头的短焦技术，由于技术上的原因，往往会造成较严重的桶形畸变，从而导致投影画面周边的曲线往往会被弯曲。而且如果要进行70 in画面的投影往往需要1 m左右的投射距离。广角镜头拍摄效果如图5所示。

采用自由曲面镜头/反射镜的超短焦技术不仅畸变量小，投影画面变形量小，而且投影距离也较鱼眼式的镜头缩短了很多。投影70 in画面所需的投射距离往往仅需要0.5 m。不过采用自由曲面镜头/反射镜技术也存在着设计方法与计算公式复杂及制作工艺很难掌握等问题，因此现今还没有被大量推广。短焦投影镜头如图6所示。

目前市场上出现的“零距离”超短焦投影机，并非想象中的不需要投射距离，而是光线通过镜面的反射，变相缩短了投射距离。光线从镜头中发射，在镜中反射一次，画面呈现在接口的后方，若采用正投方式，在方向上，零距离投影机的镜头其实是指向观众。零距离机型，必然采用反射式设计。换言之，采用反射式设计的超短焦机型（见图7），一定是零距离投影机。零距离投影，是民用商教领域的特有产品，产品的特点非常鲜明，投射比很夸张，最好的可达0.19。

短焦/超短焦投影机顺应社会的需求现状，已经是未来的一个发展趋势。

第一，投射距离短。超短焦投影机与传统投影机相比，同样的投射距离，可以投射更大的画面。

第二，亮度损失小。亮度的高低决定着投影机的质量、适宜使用环境以及投射画面的质量。超短焦投影机与传统投影机相比，由于有超短的投射距离，能够减少远距离投影所造成的光能损失，画面表现能力更强。

第三，节省空间。超短焦投影机带来的最大好处就是降低了对空间的需求，节省空间，适用于小空间办公环境。

第四，避免画面遮挡。保证了画面的完整，避免了误入投射区域遮挡画面的尴尬。

正是因为上述优势，所以短焦/超短焦投影机广受用户的青睐，短焦的销售量也在呈逐年增长的趋势。顺利增长的短焦投影机出货量今后还将呈增长趋势。据TSR的调查预测，到2014年，短焦投影机将从2009年的34万台增至77万台，占台式投影机出货量的10%。如此可见，短焦产品将会是投影机市场的新宠儿。

短焦投影也是互动手写、背投的首选产品。当然，工程投影机通过变换镜头，也可以实现这些功能，只是未免有些大材小用。短焦投影符合商教应用的需求，是未来发展的趋势之一。但从光学系统设计的像差要求看，短焦投影物镜与像差畸变是个冤家，有短焦必然有畸变。在成本有限的范畴内，低价位短焦镜头的对焦清晰度大幅降低，画面畸变明显，色彩均匀性不佳，亮度均匀性无法保证，严重影响观看的视觉效果。而对于高清影院产品，画质最为重要，对焦都不准确的机型，当然谈不上图案清晰，色彩再好也无济于事。在高端产品中，有两三款产品采用了零距离设计，显示效果差强人意，而且售价高昂，不易被用户接受。

一方面，完善财务岗位的管理制度，注重财务人员专业素养提升。对于财务人员而言，岗位管理制度影响着个人的工作行为、理念和专业素养等各方面。新时代下，应当从财务岗位管理制度的完善入手，要求财务人员从计划管理、预算、决策和整理分析等方面提升加大学习力度，以逐步提升专业素养；

光学自由曲面是非对称性、不规则、不适合用统一的光学光程式来描述的光学曲面。光学自由曲面面形精度要求亚微米级，表面粗糙度达纳米级。加工工艺采用高精度压缩成型、多轴超精密金钢钻加工、微细加工研磨、高可靠薄膜设计等诸多综合基础技术，设计并加工出了自由曲面镜头/反射镜。自由曲面光学元件在光电产品、光通信产品中应用日益广泛。下文列举几个采用自由曲面镜头/反射镜的超短焦产品。

1）日立HCP-A8投影机搭载日立世界首创的自由曲面技术（相差补正），其反射镜至屏幕47 cm、投射60 in画面的超短距创造了国内上市投影机最短投射距离的新纪录。成就其超短距投影的核心部分是镜头组，由三种、多个不同的镜片组成。自由曲面镜头+反射镜式光学系统原理如图8所示。

其中，自由曲面反射镜在不发生倍率色彩像差的基础上，可以补正歪曲像差。传统投影机投射光线须垂直于屏幕进行投射，角度的偏离会造成影像的歪曲变形，而日立A8投影机则是置于屏幕斜上方，光线由多组镜头折射后投射到自由曲面反射镜上，反射镜再以倾斜的角度将画面完美地投射到屏幕上，其原理是：自由曲面反射镜将镜头投射进来的光线按不同角度散射出去，依据自由曲面反射镜来做梯形校正，使投射在屏幕上的影像毫无扭曲和畸变。

另外，季节的变化使室内的湿度和温度发生很大变化，而机身散热也会使机身温度上升，这些变化都会造成镜头的轻微变形，从而对焦不准，投射出的影像也会发生模糊和变形现象，而日立采用的自由曲面镜头可以抵消由温度/湿度变化而产生的聚焦变动，使投影机在外部环境发生变化的时候，仍可以投射出精致的画面。不难想象，投影机镜头到屏幕各点的距离是不同的，距离远的地方影像变大，颜色变浅，整体影像亮度不均，即产生像差。这种情况在传统投影机中非常常见，而由于日立A8的投射位置，这一情况会变得更加严重。为此，机身内部安装了非球面镜头用于补正彗形像差/点球像差，使投射到屏幕上的各成像点尺寸、影像各部分的亮度和饱和度一致，使画面色彩均匀且明亮。

自由曲面技术（相差补正）的使用，使超短距投影技术发生了革命性的进步，以将影像投射到60 in的白板或幕布上为例，机身底面与屏幕的距离有28.9 cm，根据屏幕高度的不同，投影机距离地面的高度至少为2 m，这样的距离既不会妨碍演讲者，也便于对投影机的日常维护，为使用者带来了愉快的应用体验。与现有的非球面镜头相比，自由曲面镜头/反射镜不仅设计方法与计算公式非常复杂，其所要求的制作工艺亦很难掌握，日立采用的高精度压缩成型技术、微细加工研磨技术、高可靠薄膜设计等诸多综合基础技术才是HCP-A8得以成功的保证，高超的技术水准是日立长久领先于业内同行的秘诀。

日立HCP-A8投影机的技术创新还不止于此，反射镜采用旋转结构和自动开闭方式，不仅操作简单，更重要的是让反射镜和镜头组不必暴露在空气中，起到了防尘的作用，并且更加安全和美观。由于新技术的采用使A8的使用方式更加多样化，但是不同的摆放方式对投影机的散热系统提出了更高的要求，为此日立在不同的位置和角度上采用了更多的风扇，在吊顶（水平放置）和桌面（垂直放置）的情况下，通过倒置的传感器检查到装置的方向，自动切换风向和风量，使投影机在不同摆放方式时，均可以得到良好的散热保护，这样优秀的散热技术在同类产品中还是前所未有的。

2）2012年初，雅图0.3级的反射式超短焦投影RAC100系列（见图9）加入了其军团级的产品线，凭借先进的设计理念和思路，RAC100系列成为覆盖娱乐、商务、教育多领域的超短焦多功能投影机型，自上市以来就受到市场用户的广泛好评。

雅图RAC100系列采用反射式液晶显示技术，19.5 cm就可以投射80 in大小的画面，投射比具有很强的竞争优势。主要型号有四款：RAC100，RAC200，RAC300，RAC400。雅图RAC100系列内置一组高性能自由曲面镜头，能有效避免鱼眼镜头出现的图像桶形失真，既能在短距离内演绎超大画面和高清晰影像，又能解决普通投影机和普通短焦投影机存在的晃眼、阴影干扰等问题。

雅图RAC100系列独特的短距离投射，使画面更接近原始输出亮度的呈现。加上采用先进的动态光圈补偿技术，极大地提高了图像的黑白对比度，使RAC100系列在拥有绝佳色彩表现的同时，又能呈现丰富的画质细节。

3）理光超短焦系列新品不但以最短距离11.7 cm投射出48 in图像，并且是目前全球最小巧的、重量最轻、投射距离最短的产品。同时在外观上也进行了革新，它抛弃传统投影机方方正正的外观，采用直立式设计，并通过特殊的超短焦技术，得以大幅缩短投影距离。值得特别一提的是，理光独有的“自由曲面透镜”技术和像差补正技术，可通过使用屈折光学系统，彻底排除无用空间，实现无法超越的小型化。

三项关键技术实现便携超短距投影：

（1）利用凹透镜获得超高倍率放大——逆向创意。

通常，光线是通过凸面上的反射进行传播的。凸透镜被设置在光路的中间，所以它必须足够大，以便接收全部传播的光线。理光通过采用凹透镜，成功地减小了光学系统的尺寸。

通过凹透镜，产生了一个中间影像，该影像可阻止来自镜片的光流传播。接着利用凹透镜的反射和折射力量，将中间影像放大后，随即投射出去。依靠这一技术，可在超短的距离实现大尺寸画面的投射。该创意打破了传统，在保持光学系统小巧特性的同时，也使投影机实现了广视角。

（2）进一步缩小镜头尺寸的自由曲面凹透镜。

设计一款超短焦投影机涉及到多项技术挑战，如缩短投影距离、减少影像畸变以及维持高分辨力等。追求宽视角必然会带来影像畸变的增加和分辨力的降低。在过去，通过采用非球面镜片补偿像差来解决这一问题。

然而，使用非球面镜片的方法，也存在各种限制。为此，理光提供了自由曲面凹透镜，这是一个重大突破。最新开发的自由曲面凹透镜，大大地增加了设计的自由空间，可满足看似矛盾的两项需求——更小的尺寸和更高的光学性能。利用高精度注塑技术向光学元件加工精度的限制发起了挑战，最终迎来了超短距投影专用光学系统的诞生。

（3）基于独特立式结构减小镜头尺寸的屈折光学系统。

除去自由曲面凹透镜外，理光开发了一套屈折光学系统，在该系统的镜片和自由曲面凹透镜之间设置了一个反光镜。通过重叠光学系统中的光路，可以显著减小机身的体积。

4）短焦微型投影机CloudviewTM

苏州全谱光电公司研制的超短焦微型投影机，其投射比0.38～0.5，在10 cm的距离可以放大到11 in的图像，在0.5 m距离可以放大到约60 in的大屏幕图像。光通量为30～50 lm；LED光源；投影镜头焦距＞2 mm，非球面（见图10）。

上海三鑫科技发展激光微型投影机SMP120，激光光源，光通量20～50 lm，自动对焦。尺寸116 mm×61 mm×33 mm，使用寿命25000 h（见图11）。

随着技术的进步，短焦/超短焦投影机画面容易出现畸变的问题将逐渐得到改善。

最后，介绍一下投影机今后的发展趋势。

由于在照明光源、光学成像系统以及人机界面方面的技术进步，今后的投影机正在向小型化、多元化方向发展。下一代的投影机应用范围也将覆盖演示、电影、显示、游戏、照片显示、录像、交互显示等多个功能，如图12所示。

图12a投影机安装在天花板上，将画面投影到墙面上。通过教师头顶上的投影机将画面投影到黑板上，教师们将不再阻挡投影机的光线，他们可以更顺利地进行教学工作。图12b投影机安放在桌面上，将图片投影到墙上，仅需将投影机紧贴住墙面放置，也可以在狭小的空间内呈现出大幅的画面。图12c通过对地板上的投影，孩子们可以在地板上尽情地做一些益智类的游戏，诸如国际象棋等，可以很好地开发其想像力。图12d在零售商店里，图片可以被投影到一些平时不需要使用到的区域，例如通道或者是地板上，将这些区域作为活动的广告展示区。图12e作为一种背投的系统，投影机可以被安装在桌子的下面，将图片投影到桌子上面。这将允许参与者从不同的角度来检查设计图纸，从而激发他们的想像力。图12f将动态的图片投影到橱窗上，可以及时地提供各类菜肴的信息。

短焦/超短焦投影机的投影镜头在我国已经从研发进入产业化阶段，应用也越来越广范，一些技术问题也逐步得到解决，性价比优势也逐渐显现出来，提高了投影显示在多元显示竞争中的竞争力，对推动投影显示产业创新和发展将会起到很大作用，应予以积极关注和支持。