数字电影放映系统中的光学技术研究

徐美芬

摘 要：最近几年，电影行业在快速的发展，而数字电影方面的发展也越来越成熟，人们越来越重视数字电影放映系统的完善和发展。基于此，本文首先简要概述何为数字电影放映系统，其次详细分析了光学原理在数字电影成像中的应用以及光学技术在终端投影镜头中的应用，最后介绍电影放映中一个非常重要的物理量——有效光通量的分析计算方法。

关键词：数字电影放映系统；光学；有效光通量

中图分类号：J943.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0221-02

同传统电影的机械胶片放映模式相比，数字电影有诸多优势。比如影片的制作过程、发行以及拷贝等方面，同时简化了影片的传输过程，影片放映时具有较小的震动和噪声产生，最重要的是能够输出更高质量的声音和图像。从2002年开始，我国便通过投入巨额资金来大量引进数字电影放映设备，并建设相应的数字影院，以求推动电影业不断发展。

1 数字电影放映系统概述

数字电影系统的核心是其放映系统，因为放映系统是整个数字电影系统中最末的技术关卡，它决定了数字电影放映的实际效果。相比于传统的胶片放映机，数字电影放映系统在放映方式上有较大变化，比如采用硬盘、衛星以及光纤等数字载体来代替传统的胶片拷贝。

2 数字电影放映系统中的光学技术

2.1 基本光学原理在数字电影成像中的应用

现目前，数字电影投影成像技术中应用最多的基本光学原理主要有三种，即：直接光放大影像、数字光处理以及液晶显示，其中数字光处理的应用最为成熟。数字微镜器是数字光处理应用中的核心部分，其工作原理如下：首先通过半导体晶片的效应来驱动小动量绕轴转动，如此便可保证所有微镜之间的相互位置保持固定，并且整体呈有规律地偏转，如果在此时改变电场电路，则所有微镜会朝着电路的控制方向偏转，当光线照射于微镜之上后便会向不同方向反射，来自同一方向的光线投影至屏幕后便出现了效果图像。

上述分析了基本光学原理在投影成像中的应用，那么想要得到彩色图像，则需要采用过滤光波的彩色轮在靶面光路中进行照射。彩色轮是由包括红、绿、蓝等几种颜色的扇形滤光片组成的，彩色轮的旋转频率为60HZ，其在一秒钟内可以刷出180个彩色色场。当确定好彩色模式的顺序之后，便会被数字处理技术转换为RGB数据，并按顺序依次存入DMD中。彩色轮接收了聚光系统中的白光之后，白光以单色光的形式照射，彩色轮一旦旋转，便会依次在DMD上投射出红、绿、蓝光，视频信号与彩色轮同步，当有红光投射于DMD表面时，微镜开启。像素构成了数字投影的图像，红、绿、蓝光灯信息综合而成之后便呈现出了彩色图像。微镜开启时，微镜反射的光线会投射并聚焦于屏幕之上，微镜关闭时，其吸收表面会将反射的光线吸收，从而避免了无效反射光干扰图像的成像质量。

2.2 终端投影镜头中的光学技术

（1）光学技术在镜头工作环境中的应用。对于数字电影的放映镜头来讲，需要考虑的参数多种多样，如：聚合镜片的有效厚度、彩色轮反射后的单色光线的光程、靶面投射的尺寸以及色彩光线的分离等。实际工作中，如果图像亮度过高，则需要考虑因此而产生的温度，并提高镜头的耐高温水平。

（2）光学技术在确定镜头焦距中的应用。我国现目前应用最为广泛的数字电影放映机为两千像素的DP100型号。电影放映时，镜头的摆放位置是有一定要求的，通常其安放位置处于影院内某一固定的位置，这一位置的确定需要以设计或者使用经验为依据。DP100型号放映机便有几种焦距镜头，焦距从35-95mm不等，但是变焦镜头较少，并且价格较贵，如果自己设计变焦镜头，则会大大减少采购成本。

（3）光学技术用于光学镜头工作距离的确定。现目前主要有两种方法确定光学镜头的工作距离：其一，对放映机的光学引擎进行实际测量，但是光学引擎作为放映机的核心部件，其被秘密存放，所以难以对其进行测量；其二，通过了解靶面的长宽以及聚合镜片和分离色光的形式来采用逆向方法进行运算，得出工作距离的近似值，该种方法更易实现。综合来看，第二种方法的缺点是全程采用逆向计算，还要对最后的结果进行缩放，因此该方法所得结果缺乏一定的准确性，而第一种方法的步骤更为简洁方便。

（4）光学技术应用于确定镜头结构。对光学技术了解十分透彻的工程师们通常认为镜头的结构设计较为简单，一般情况下，电影放映时的镜头工作距离和镜头焦距之间的比值为0.5-0.7。如果该比值为3，那么镜头焦距将会达到40mm，如此一来，便只能选择远心光路的镜头结构，此时镜头孔径较小，设计难度较大，同时要保证镜头在6000流明的光照下正常工作，考虑到上述情况，需要将远心光路的权全分离式进行改进。

3 电影放映中有效光通量的分析计算

为了获得预想的银幕光照度，电影放映机投射至银幕上的光通量应当不低于某一值。银幕照度与光通量之间存在以下联系：光通量越大，银幕照度越大，则银幕亮度越大。因此，数字电影放映机的有效光通量决定了主银幕的亮度强弱。

电影放映机的有效光通量可以通过下式计算得到：

式中：E为银幕的平均照度，单位为勒克斯；S为银幕总面积，单位为平方米；F为有效光通量，单位为流明。

为了测定银幕的平均照度，需要事先将银幕划分为大小相等的Y部分，通常情况下，宽银幕的Y值取15，普通银幕的Y值取9，然后分别测量每一部分的中心照度值，并通过如下公式计算银幕的平均照度：

已知光源发出的全部光通量为F0，而F0在通过各个光学系统部件之后会有所损失，达到银幕上的有效光通量为F1，则F1与F0之间存在如下关系：

上式中：η为光源的利用系数（无量纲值），τ为整个放映系统的总透射系数，即系统内各个部件的透射系数之积。

光源的利用系数η的确定，可以根据如下公式进行计算：

其中：ΔF为系统投射至片门处的光通量，F0为光源发出的总光通量。

接下来，便可逐次确定电影放映系统中各部分的透射系数，如图1所示为电影放映机内对光投射有所影响的几个基本部件。

（1）反光镜。为了避免胶片因为过热而变形，甚至是损坏，通常情况下会在其表面进行真空镀膜，以反射可见光，并使红外光透过，一般可见光在反光镜处的反射率可达到90%-95%，即反光镜的透射系数为0.9-0.95。目前，市场上常见的反光鏡类型分为两种：锥轴椭球反光镜和椭球反光镜。

（2）遮光器。通常电影放映机的遮光器都具有两个叶片，即工作叶片和非工作叶片。工作叶片的作用为画幅移动时阻断光源，而画幅停留时打开光路，非工作叶片的作用为再次阻断光线，尽量保证人眼的临界频率（通常为40-50HZ）低于银幕照度闪烁的频率，以避免画面的闪烁影响观影人们的视觉效果。根据自身结构的不同以及光线透射系数的不同，遮光器可分为三类：圆锥遮光器、圆盘遮光器以及圆筒遮光器。根据相关计算可得，三种遮光器的光透射系数如下：

圆锥遮光器——0.53

圆盘遮光器——0.5-0.67

圆筒遮光器——0.43

现目前，我国各大电影院内的电影放映机普遍采用圆筒遮光器。

（3）片门。光源发出的光通过聚光系统透射至片门时，会形成一个圆形的光斑，但是片门是一个矩形方孔，如图2所示。因此光于片门处的通过系数便等于片门的矩形孔面积和外接光斑圆的面积之比，以一般的35mm的电影放映机为例，其片门的透射系数为0.6。

（4）放映物镜。该放映物镜中包含了数片透镜，其中每一片透镜表面上都有一层增透膜，但是当光通过这些透镜时，仍然不能保证光被完全透射，总会有一部分光被反射或者被吸收。现阶段，电影放映机中所采用的放映物镜所具有的透射系数一般在0.186-0.208范围内。

4 结语

数字电影已经成为现代大众电影的新趋势，并且凭借其良好的视觉效果而受到广大观众的喜爱。采用数码技术对电影进行拍摄、传播以及保留，数字电影在放映过程中会涉及诸多光学知识，光学技术对数字电影放映系统的运用极其重要。

参考文献：

[1]周静贤.光学技术在数字电影放映系统中的应用[J].电影技术，2016（01）.