光学背投屏幕焦距与光程分布的关系

光学背投屏幕焦距与光程分布的关系

1. 光学屏幕的焦距       屏幕焦距是光学背投幕一个比较特别和主要的参数，光学幕在制造过程中，背面的菲涅耳（Fresnel）透镜以同心圆的方向进行切割，以控制光线的入射角 度。如图所示，要想在背投幕上形成良好的图像聚焦，对光源的距离就会有一定的限制范围，在这范围内投影，才能使图像获得良好的聚焦度和解析度，避免图像模 糊或重影。如果屏幕焦距与投影距离不吻合，透镜切割的痕迹比较容易在画面上作为一个螺旋条纹背景显示出来，屏幕的四角突出更甚。       目前市面常见的光学背投幕多数为单一的焦距范围（俗称单焦幕），值得一题的是丹麦DNP 的光学背投幕采取了多种优化技术，使客户在设计方案时有更多的选择以达到最佳的预期效果。为了给客户在选择投影机时有更多的余地，尽量不受屏幕焦距的限 制，DNP 的光学幕具备多种不同的焦距范围（俗称多焦幕），以适应不同焦距的投影机镜头，目前已经面市的焦距范围几乎覆盖了0.7~2.2：1的所有镜头。       选择正确的屏幕焦距对于表现最完美的光学背投效果至关重要，在大多数单层光学屏幕的安装过程中，投影机的光线必须以正确的角度透射屏幕，再以垂直的角度分 布光线，才能使屏幕亮度达到良好的均衡。投影距离与屏幕焦距一般存在三种情况，我们以下例的配置方案加以说明：Barco SLM-G5投影机，DNP NWA120″ 3200HC光学背投幕（屏幕焦距3200mm，投影距离2600mm~4500mm）。       第一种情况：屏幕焦距=投射距离（配置Barco TLD1.2:1镜头），利用Barco Lens软件进行修正计算，投影距离=屏幕宽度（2438mm）×镜头焦距（1.2）=2964mm，很明显投射距离与屏幕焦距3200mm很接近，投影 机光线获得垂直分布，能够使屏幕亮度达到良好的均衡，见下图：       第二种情况：屏幕焦距<投射距离（配置Barco TLD1.6:1镜头），利用Barco Lens软件进行修正计算，投影距离=屏幕宽度（2438mm）×镜头焦距（1.6）=3860mm，很明显投射距离偏远了屏幕焦距3200mm，投影机 光线汇聚成比较窄角的分布，利用这种光学原理，当需要在比较小的会议室配备长焦镜头时，会议桌可以尽量的往屏幕方向靠近，见下图：       第三种情况：屏幕焦距>投射距离（配置Barco TLD0.8.:1镜头），利用Barco Lens软件进行修正计算，投影距离=屏幕宽度（2438mm）×镜头焦距（0.8）=2122mm，很明显投射距离严重偏短了屏幕焦距3200mm，投 影机光线扩散成比较广角的分布，一般会出现很明显的太阳效应（见下图）。设计单层光学背投系统时，屏幕焦距大于投射距离的方式在任何情况都不建议使用，这 种情况应该把屏幕改成DNP NWA120″ 1850HC光学背投幕（屏幕焦距1850mm，投影距离1500mm~2600mm）。 2. 屏幕焦距与最佳视像点       我们分析了屏幕焦距与投影机镜头存在密切的光学关系，也知道屏幕焦距在任何情况下都不建议大于镜头焦距。事实上，镜头焦距允许控制在大于屏幕焦距的1.4 倍之内。在此范围之内，选择不同焦距的投影机镜头会直接影响最佳视像点的观看位置。我们通过下例两种设计方案加以说明，条件是：Barco IQ-G350投影机，DNP NWA100″ 1850HC光学背投幕（屏幕焦距1850mm，投影距离1500mm~2600mm），离地110cm安装。       第一种方案：要求在屏幕最近点获得良好的亮度均衡，根据最近观众座位离屏幕距离应大于2倍图像高度的法则，我们自然想到了图像高度 （1524mm）×2=3048mm，最短镜头焦距=屏幕焦距（1850mm）/图像宽度（2032mm）：1=0.91：1，显然我们要配置Barco QVD0.85：1的短焦镜头，才比较吻合投影距离等于屏幕焦距可以获得最大亮度均衡的原则，如下图所示，观众与屏幕上缘和下缘的垂直夹角分别是13?和 14?，一般从大于10?到30?度之间称为人眼的有效视域，显然符合这个准则：       第二种方案：要求在屏幕最远点获得良好的亮度均衡。有一个经验值是最远观众座位的距离不超过4倍屏幕的高度。因为涉及到光学屏幕的焦距问题，丹麦DNP公司有另外一个参考公式：        我们先偿试配置Barco QVD1.3~1.8的变焦镜头，取最小焦距代入上述的公式可得：       如下图所示，投影距离2.504m是屏幕焦距1.850m的1.35倍，仍然符合镜头焦距允许控制在大于屏幕焦距的1.4倍之内的准则，只是观众与屏幕上 缘和下缘的垂直夹角收窄到了6度，这也是建议光学背投屏幕到到最远观众座位的距离不超过4倍屏幕高度的依据之一： 3. 折射投影距离的计算       光学背投屏幕是目前大屏幕显示系统最顶尖的技术之一，但存在需要配备一个专用投影暗房而造成浪费建筑空间的缺点。为了尽量节省背投房的空间，目前普遍使用真空镀膜反射镜对投影光路进行一次甚至多次的折射。       早期有设计师为了节省成本或没有理解反射镜真空镀膜技术的意义，采用普通的镜面进行投影光路折射，由于普通的镜面多数采用背面水银镀层，水银镀层和玻璃面的相互作用会形成光路的多次折射与反射，造成图像重影模糊，如下图所示：       很多工程师利用一些概率来估算一次或多次折射可以缩短的投影距离，但欠缺科学和严谨的态度，因为这个数据与屏幕安装高度、投影方式（离轴或偏轴）、投影机 体积、反射镜面积等息息相关。当我们掌握了所有与投影有关的环境数据后，利用AutoCad软件进行模拟制图是一个非常有效、快捷且精确的方法。比如在上 述屏幕焦距论述的第一种情况中，我们假设工程的指定环境如下，要求提供一次和二次折射投影的设计图纸：       * 图像底边离地高度:110cm      * 投影方式：TLD1.2:1镜头在轴投影       * 投影机尺寸：宽529mm×高429 mm×深795mm，不含镜头       因为Barco Lens软件修正后的计算值不需要考虑投影机镜头的长度，所以我们可以精确计算出120″直接投影需要的背投房总深度=投影光程2964mm+投影机机身深度795mm+安装空间100mm=3859mm，见下图：       按比例在AutoCad上先制作直接在轴投射的图纸，再利用软件的"镜像"功能，反复调整反射镜的距离和角度，直到投影机顶部与屏幕最接近但不遮光为止 （尽量避免反射镜需要很大的仰卧角度），最后把所有需要知道的数据标注出来，这时你可以论证"经验概率"与实际的误差有多大。二次折射投影的制图原则一 样，但因为需要兼顾二次反射之间的相互牵制，制图的时间会稍长。由于目前良好的真空镀膜反射镜反射率都高达94%以上，所以二次折射投影不会对亮度造成明 显的损耗。 4. 菲涅耳透镜点距       菲涅耳（Fresnel）透镜的技术广泛应用在光学屏幕的制造工艺上，传统的光学镜头只有曲面部分起作用，其他所有的部分都可以去掉。如果拉平有效的镜头曲面部分，就成了菲涅尔镜头，菲涅耳透镜由CAD/CAM采用钻石切割而成：       菲涅耳透镜结构可以将入射光汇聚成平行光线，在一定的视角范围内增加屏幕的亮度。在一块屏幕上，切割了多达1万种不同剖面的菲涅耳镜头。菲涅耳透镜的点 距，是指相邻两个菲涅耳透镜之间的距离，也即每个剖面的尺寸，常用单位为mm；菲涅耳透镜点距代表屏幕的分辨率，在同等面积屏幕范围内，菲涅耳透镜点距的 单位越大，则能够显示的最高分辨率越底，一般菲涅耳透镜点距的大小与屏幕的大小成正比。       下表载录了丹麦DNP多种光学屏幕菲涅耳透镜的不同点距，很明显如果在小面积屏幕范围要达到更高的解析度，则菲涅耳透镜的点距要求更精细： 5. 柱面透镜点距       柱面透镜的技术也广泛应用在光学屏幕的制造工艺上，通过屏幕正面的柱面透镜结构，可以控制水平方向和垂直方向的光线分布，具有扩大视角范围的功能。柱面透 镜的点距，是指相邻两个柱面透镜之间的距离，常用单位为mm，单位越小，则图像细节更细腻，画面的整体感觉越丰富；单位越大，则屏幕显示图像的解析度越粗 糟，像素颗粒感觉越强烈。 也有部分光学背投幕正面没有柱面透镜，散射层（Dispersion）表面无法控制光线的扩散角度，虽然可以获得同等的水平与垂直1/2增益角，但视像范围会相对狭窄。