数字电影放映系统中的光学技术

秦皇岛视听机械研究所  陈琛 左治君 李臣友

摘要

        数字电影放映系统是基于数字图像和信息处理与传输技术的新一代电影系统，这种新的系统和传统电影相比具有许多优势。目前，我国已成为全球第二大数字电影市场，进口的数字电影机以每年100到200台的速度在增长，而国内对数字电影的核心技术却掌握甚少。秦皇岛视听机械研究所在科技部专项基金的资助下，从2005年末开始立项研究数字电影放映机所涉及的光学技术，并设计了系列定焦放映镜头，本文是对该项目研究成果的简要总结，分别介绍了DMD靶面结构、光学成像光路、彩色图像合成形式，并重点讨论了放映镜头的环境参数和像差情况。

 

关键词：  数字电影  DMD靶面  分光/合光棱镜  远心光路  像差  镜头参数

 

0 引言

         数字信号处理技术和internet网络技术可并称为上世纪晚期最为重大的技术革命，标志着信息时代的彻底到来。数字电影正是在这两项技术的基础上诞生并发展，并因此引发了世界电影装备从传统的机械胶片式向数字式转化的浪潮。

和机械胶片式的传统电影相比较，数字电影有着不可比拟的优势，主要体现在影片的制作、发行、拷贝、传输过程的简化、影片放映过程中的低水平振动和噪音、图像和声音的高质量输出等方面。正因为这些优点的存在，数字电影才得到广泛认可。我国从2002年以来，投入大量的资金，引进数百套数字电影放映设备，建设了一大批高质量的数字影院，以期推动我国电影娱乐业的发展。但同时也对国内传统电影设备制造业形成了巨大的冲击。

        如何将引进对传统电影设备制造业的冲击减小到最低程度，是摆在每个电影人面前的急迫问题，在引进设备的同时，必须消化吸收其技术，而后逐渐寻求自主发展。可喜的是，2005年底，科技部下拨了专项基金，决定立项研究数字电影技术，并首先研制数字电影放映机的放映镜头（基于美国巴可公司的DP100和DP90的2K机型）。本文论述了数字电影放映机的成像原理及其相关的光学镜头设计思路。

 

1 数字电影成像的光学机理简介

1.1数字图像的靶面类型

        目前，世界范围内数字影像的核心技术主要有三种，即DLP（Digital Light Prosesing，以DMD为靶面）和透射式LCD（Liquid Crystal Display)以及D-ILA（Direct-Drive Image Light Amplifier，以LCOS为靶面）反射式液晶技术。这三种技术的成像核心技术各不相同，以DLP技术最成熟，而且画面亮度也最好（60%左右的光效），采用此技术的数字电影机数量也最多。和DLP相比较，LCD的结构较简单，制作成本也比较低，但基于LCD技术的图像色彩饱和度和画面层次感差，而且不易形成高亮度的投放。理由很简单，采用透射照明的结构类型都不可能有较大的光效，因而，LCD严重制约了放映出的画面的亮度，D-ILA技术的主要问题是光学引擎体积偏大，不容易将投影器小型化，这里不作过多的赘述。

DLP技术的核心是DMD（数字微镜器件）靶面也称空间反射式光调制器，它是在半导体晶片上构造而成的一种3层结构，该结构包括电场控制CMOS集成电路、小动量电场转向机构、微镜阵列。产生机械和光学转向的核心动力是利用了半导体材料的“偶极”效应，这些“偶极”的集合可以驱动电场内微小动量结构沿某个固定轴发生偏转运动，从而使固定在转向机构上面的每个微镜发生方向偏转，如果通过有规律的施加外界电场控制，就可以使这些小“镜子”组成的阵列按照预先设计的方向产生偏转运动，从而使照在这些“镜子”上的光线产生方向不同的反射。把其中一个方向反射出的光线经镜头投射到银幕上，就可以产生图像，严格的说就是看到这些“镜子”在银幕上所组成的像。这些“镜子”阵列就是所谓的像素，每个小“镜子”就称为一个像素元，一般来说，每个小“镜子”的尺寸大小就决定了所投射出的图像的极限“鉴别率”，因而“镜子”的尺寸越小则相同尺寸靶面上的像素元越多，图像包含的信息越丰富。就目前的工艺水平，小“镜子”的几何尺寸一般可以做到14µm*14µm左右，微镜之间的间隔为1µm，见图1、2。

图1 1000倍电子显微镜下拍摄的DMD靶面结构照片

    

图2 DMD靶面的分层结构示意图

 

        光线直接照射DMD靶面尽管可以产生图像，却不足以产生彩色图像，如果要得到彩色图像还需要对这样的基本装置进行必要改造，以得到高品质图像。这种改造是基于三元色混合机理，在低端数字影像设备中，一般采用单靶面结构，高端设备则采用3靶面结构，目前数字电影主流结构是3靶面结构，最有代表性的是巴可公司和科视公司的设备。由于靶面数量的不同，就决定了彩色图像生成结构的不同。

1.2 单靶面结构彩色图像的产生

      对于单靶面结构来说，一般要在照射靶面的光路中加入一个斩波彩色轮如图3所示。彩色轮是一个具有扇形红、绿、蓝滤光片的系统，它能以60 HZ的频率旋转，每秒给出180个彩色场。在此结构中，DLP工作在顺序彩色模式。输入信号被分解成RGB数据，如同静态存储器一样，数据被顺序地写入DMD。用一个聚光系统将白光照射到彩色轮上，光穿过彩色轮，在DMD表面形成单色光照射。当彩色轮旋转时，红、绿、蓝光依次射到DMD靶面上。彩色轮与视频信号是同步的，当某一瞬间红光照射到DMD上，微镜根据要显示的红光信息（何处显示，显示多强的红光)转动到“开”状态，绿光和蓝光也是如此。DMD表面形成的图像，利用投射镜头投到屏幕上形成由方形像素组成的数字投影图像。利用人的“视觉暂留”现象把红、绿、蓝3种信息综合，形成完整的彩色图像。微镜在‘开”位置（-10º）时，微镜反射的光通过投射聚焦镜头投射到屏幕上；在“关”位置（+10º）时，把光反射到一个吸收表面进行吸收以消除无用的反射光线对图像的干扰。

  

图3 BARCO1.3K机型微镜偏转反射成像示意图

  

 

图4 单靶面数字投影光路示意图

1.3 三靶面结构彩色图像的产生

        如图5所示，这是典型数字放映机的工作光路，从图中可以看出，该结构比较复杂，同样是运用了反射成像原理。和单靶面结构不同的是，该结构采用了一组色光分离/聚合棱镜，白光由大功率照明氙灯射出，经镜头规范成平行光，再反射进入棱镜组，该棱镜组具有在相同的入射角条件下，把白光严格分解成红、绿、蓝三种单色光，考虑到最终成像的亮度，一般使每一种色光的频谱在一个适当的波长范围内，而不是一个单波长，最大限度节约光强度。被分解开的各单色光（具有一定的分离角）再入射到三个靶面上，经靶面“镜子”阵列反射后，重新进入棱镜组，射出的耦合光便具有了三元色的彩色图像信息，最后经过镜头把三个靶面的像素——“镜子”阵列的像成在银幕上，于是，便得到了彩色图像。

容易理解，当靶面“镜子”阵列具有相同的反射率并且入射的光强度相同时，三靶面结构的有效光利用率应该是单靶面结构的3倍，正是由于这个特点，目前的数字电影放映机，几乎都采用三靶面结构。

   

图5 3靶面数字电影工作光路示意图

 

2 终端光学投影镜头

2.1 光学镜头工作环境参数分析

        每一个光学投影系统，都应该有具体的基本工作参数，包括焦距、孔径、后工作距离、外部安装尺寸要求，而对于数字放映镜头来说，需要确定的参数要更多，包括靶面有效尺寸、三靶面所反射单色光的光程差、色光分离、聚合棱镜光程有效厚度、三元单色光的中心波长、靶面像素元对应的镜头鉴别率极限值等等。另外，根据实际经验，当图像亮度大于5000流明时，由于高照度氙灯的使用，会产生过高的环境温度，因此镜头应具有耐受100ºC高温的能力，这个因素也会影响到镜头的结构特点。

2.2 镜头焦距的确定

        以目前我国引进最多的BARCO公司2K像素DP100机型为例。根据以往电影放映镜头设计及使用经验，一般的影院都是在相对固定的距离（放映机到银幕距离）放映，因此，设计系列固定焦距的放映镜头便可以满足绝大多数影院的使用要求，而BARCO公司则给出了四种变焦距镜头供选择，即35—41mm、42----52mm、50----67mm、70---95mm，焦距范围覆盖了35mm----95mm的较大范围，这样，BARCO公司虽然以最少的镜头种类满足了多数用户，但变焦镜头的价格却很昂贵（一般在5—8万元人民币），从而增加了用户的采购成本。我们则分别设计了10种焦距的定焦镜头，焦距范围从40----120mm，分别为40、45、50、55、60、70、80、90、100、120mm，基本上和BARCO公司的焦距覆盖范围相当。而我们自行设计的这些定焦镜头的价格在2.5---3.5万元。

2.3 镜头光学后工作距离的确定

        确定这个参数的途径有两种，一是实际测量放映机光学引擎的具体尺寸，但走这条途径难度相当大，理由是光学引擎是放映机的核心，是在一个密封的腔体内（技术保密和清洁的要求），第二就是根据靶面阵列的长、宽尺寸和色光分离、聚合棱镜的形式，按比例进行逆向运算，从而得到一个近似的后工作距离数值。这样的运算方法是基于如下考虑。首先，分光、聚合棱镜组的结构形式是固定的，它的几何尺寸是根据通过光束的尺寸大小而成比例缩放，它唯一的变化是红光和绿光分离角度的差异，而这个角度值从放映机的结构外型上就可以得到，而不用拆开机器。以DP100机型为例，其靶面尺寸为对角线1.2英寸，像素为2048*1080，根据这两个信息，就可以计算出棱镜组的具体尺寸，再结合生产工艺上的预留空间，得出该机型的真实后工作距离为105----106mm，其光学后工作距离在118—119mm，这两者的差值是因棱镜组光程长度所引起的像面位移造成的。这两个参数在实际设计当中特别重要，直接影响镜头的光学结构类型和目标像差，尤其是红光和蓝光的色差。

2.4 镜头结构类型的确定

        所有的光学设计工程师都清楚，当镜头的光学后工作距离L和焦距f的比在0.5~0.7附近时结构可以较简单，我们看到当焦距在40mm时，L/f近似为3，这样大的比值在设计时可供选择的类型只有远心光路结构，但远心光路结构的相对孔径一般又不易很大，所以设计困难很大，加之考虑到镜头的耐高温特性（6000流明的照度），结构中又不能出现胶合面，只能采用一种全分离式改进的远心光路结构，使得该结构所能承担的相对孔径达到D/f=1/2，以充分提高有效光照度。值得说明的是，DP100机型的镜头座有二维调整画面能力，就是说，当机器位置固定后，仅*镜头位置在一个平面内的移动，就可以将画面准确的投射到银幕上，因此，镜头必须有较大的像高适应能力，就是说，所设计的镜头的适应像高不能正好等于DMD靶面的对角线长，而是至少在X、Y方向各增加12mm，每个方向预留6mm，这样，相当于DMD靶面尺寸增加到了1.87英寸时的情况。如图8所示，是我们设计的焦距40mm的数字电影放映镜头的光学结构图。该结构已经申报了发明专利。

 

图6 自主设计的全分离类远心光路镜头光学结构图

图7  自主设计加工出的5种焦距的数字放映镜头

 

        在科技部专项基金的资助下，在中国电影器材进出口总公司的大力帮助下，数字电影放映镜头定焦系列镜头的设计和试制已获得圆满成功，其中的5个焦距的镜头经某影院的试用，效果良好，清晰度、色彩饱和度和色调等各项指标都已经赶上或超过了原配镜头。

3 镜头像差情况

        任何基于光学成像系统的画面像质都受光学系统像差的影响，数字电影放映机也是这样，光源、靶面、色光分离聚合棱镜组和投影镜头都会对最终的画面质量产生影响，而其中投影镜头更为关键，因为其它部分所产生的像差基本是固定的。因此，研究投影（放映）镜头的像差，就显得尤为重要。下面以表格形式给出了已完成的焦距为40mm数字电影放映镜头的主要像差数据。其它焦距镜头的像差趋势与此相仿。所有像差为长度单位mm。

轴上各孔径的球差及色球差分布

各视场场曲和像散数据

各视场各孔径慧差

各视场畸变数据

各视场各孔径垂轴色差

综合特性曲线数据

4 结论

       本文简要讨论了数字电影放映机中涉及的几何光学技术，并对已经完成的数字电影放映镜头的设计方案和设计思路进行了讨论，给出了可*的数据。但涉及数字电信号处理和控制以及μs(微秒)级“光开关”制作技术的内容并没有讨论，这些技术的突破将预示着数字电影机将真正可以国产，这是中国广大电影技术人一直的梦想。

 

参考文献：

1．  顾正保编译《实践数字电影放映》;现代电影技术;2007.5。

2．  邹静娴等《数字光处理（DLP）投影系统》;电视技术;2003.4。