对投影光学的基本理解有助于系统集成商精确地预测投影图像质量并对其进行故障诊断。 
    光学镜头的制造
    有100多种不同类型的材料用于制造不同类型的光学玻璃，其中，包括石英岩、硼砂以及苏打粉。这些经过混合的材料被放置在白金或石英坩埚之中，在熔炉的高温中被熔化。由此得到的熔化玻璃以液态倒入一个盘之中，让玻璃自然冷却，然后再压碎为小玻璃片。
    这些玻璃碎片再次被加热并在1,300°C熔化，经过混合与搅拌，纯化后，在连续熔化机器中被制成均匀分布的液态玻璃(没有空气泡)。这种液态玻璃然后被做成长薄片，它们在穿过连续、缓慢冷却的熔炉过程中被逐渐冷却至室温。高度受控的熔化以及冷却过程对于确保光学玻璃的质量是极端重要的。
    下一步是检查。从每一块冷却玻璃上，切割下被测玻璃片，把两面抛光。被测玻璃片被照亮，以检查其中是否存在缺陷。如果测试合格，原始镜头就要被送去挤压和成形过程。根据要制造的镜头的类型和形状，要采用各种磨床机器和压力。
    多单元投影镜头在正面和后面显示了两个固定的非球面镜头单元。因为镜头光圈是固定的，随着焦距增加，F-Stop数会减小。
    要根据镜头形状、直径以及比重，对所需要的玻璃用量进行精密的计算。在利用金刚刀具进行切割之后，它以1克的1/10为单位进行调节。大光圈镜头要采用手工切割，而较小光圈的镜头采用自动化机器进行处理。
    对于更高精度的要求，镜头要经过进一步的碾磨处理。玻璃要进一步加热，然后，在压力下形成一定的形状。大光圈的镜头还是要手工挤压，而小光圈的镜头由自动挤压机器处理。在这一点上，每一块玻璃现在就更像一个镜头，而不仅仅是玻璃的切割盘。
    在切割以及挤压之后，每一个粗糙的镜头均展示高内部热应力。为了消除这种热应力，压制玻璃首先要在500°C的电炉中退火，然后，让它逐渐冷却。现在，要对每一块镜头进行磨光，以消除其表面的压痕。
    采用曲线发生器这种配备人造金刚石刀具的高速研磨设备，每一块压制镜头的表面被磨光，直到它按照特定的粗糙度以及尺寸被研磨成曲面。接下来，要采用人造金刚石小球浅盘，对镜头表面进行高精度研磨。在这个精细的研磨过程中，要达到1/1000毫米数量级的精度。
    然后，每一块镜头要用研磨的薄片线型大浅盘磨光，直到表面粗糙度达到特定的水平。与此同时，要把表面弯曲度精密地调节在亚微米公差范围内。镜头的正面和反面均被磨光至透明，经过这一步骤之后，镜头的表面变得越来越透明。
    现在，要采用激光束来检查镜头表面的精度。镜头要么合格，要么不合格。对于那些合格的镜头，在对准以前要在超声波清洗机中被清洗。在这一步骤，要采用金刚石旋转磨石，在镜头的光学轴中，以对称的间隔把镜头外围碾磨到一个特定的尺寸。
    为了防止不需要的反射以及保护玻璃表面，每一块镜头均要覆盖一层特殊的薄膜。在经过又一次超声波清洗之后，镜头被放置在真空蒸发器中，去除所有残留的杂质。在这一点，各个镜头单元将准备装配为成品镜头。利用安装环以及粘合剂，每一块镜头均以小公差被固定住。根据各个镜头组成单元的数量，镜头在最终检查以前可能要在一个以上的地点装配。
    当讨论镜头的时候，会涉及两个数字指标。第一个就是焦距，它被定义为从图像形成媒体的表面(如35mm幻灯或LCD面板)到镜头的焦点的距离。焦距可以采用英寸或毫米表示。
    主镜头是那些具有固定、单一焦距的镜头，如100毫米镜头或4英寸镜头。缩放镜头将具有多个焦距，如100毫米到150毫米镜头，或4英寸到6英寸镜头。毫无疑问，缩放镜头是最常见类型的投影镜头，但是，有时候固定焦距的镜头更适合于工作。
    采用较长焦距的镜头就可以把较小的图像投影到较远的距离，而采用较短的焦距，就可以把较大的图像投影到相同的距离。例如，采用一个2英寸镜头就可以把来自微型显示成像器的1英寸对角线的图像，投影到相距18英尺的屏幕上，图像宽度为12英尺。在相同的投影距离下，6英寸镜头投影得到的图像为4英尺宽，而9英寸镜头得到的图像为2英尺宽。
    投影镜头的第二个数值指标就是光圈，或让光线投射到屏幕上的玻璃表面积。镜头光圈通常以所谓的F-Stop为单位来表示。F-Stop数值低表示光圈大且图像比较亮；而F-Stop较高则表示光圈较小，且图像较昏暗。
    镜头光圈对图像的锐度有负面影响。在图像的焦点前后的一小块面积看来还是锐利的。这个区域被称为镜头的景深。随着光圈尺寸的减少(F-Stop数减少)，景深会增加。
    投影镜头的光圈
    与摄像相比，景深在投影机中几乎不是问题，这就是为什么大多数投影镜头具有低的F-Stop数(宽光圈)。对于投影机来说，亮度是关键。然而，假设镜头最锐利的设置通常比完全打开时要低两或三个F-Stop，那么，聚焦一致性也是至关重要的。
    当投影到不平坦的表面，如弯曲的墙壁或屏幕上时，有必要增加景深。这样，在图像亮度上就要做出一些牺牲，但是，在水平以及垂直尺寸上聚焦将保持不变。
    在大多数情形下，投影图像的焦平面非常薄(或许不到1英寸)，所以本质上是二维的。因此，投影镜头通常具有低的F-Stop数值，从而提供较大的光圈以及由此得到的屏幕上比较亮的图像。
    图像亮度与镜头光圈尺寸的比率可以方便地确定。在其它条件一样的情况下，f-2.0光圈的投影镜头将产生比f-2.8光圈的投影镜头亮两倍(1 f-stop)的图像。关键在于许多短和长焦距镜头在相同光圈下不可用。 
    假设你要把投影机向房间后面挪动一下，但是，要保持图像大小不变。你可以采用1.3:1比率的缩放镜头，f-stop为2.0。制造商提供了可用的3:1缩放比，但是，那是一个陷阱，因为光圈被定为f-3.5。图像会一样明亮吗？
    当然不会！在这种情况下，图像亮度大约下降1.5 f-stop。如果你采用1.3:1镜头测得2000流明的图像亮度，那么，切换到较长的缩放比将导致测得大约750流明的亮度。
    你不必把长镜头的光圈提高回原来的f-2.0，以保持先前的图像亮度。然而，这种较宽光圈的镜头会更大且更重(如果你能找到这样一种镜头的话)，因为玻璃单元的尺寸以及直径增加了。
    实际上，3:1缩放比的玻璃单元需要比1.3:1缩放大两倍的直径，才能实现相同的镜头光圈以及通过相同的光量。随着焦距的增加，镜头光圈通常会减小，因为制造商努力维持不变的镜头尺寸以及形状。与中等焦距的镜头相比，具有非常短焦距(小于1:1)的镜头通常也具有较小的光圈。
    几何尺寸与失真
    为微型投影机而设计的主镜头采用的是扁平类视区，整个成像区域与后镜头单元的焦距是不变的，并处于同一平面。这种设计确保当我们聚焦我们的投影机镜头之后，整个图像就自动聚焦并保持不变。
    在CRT投影机上，比较常见的是采用曲面视区设计。成像设备(CRT)的薄膜表面区域是不一样平的，因此，在成像平面的所有部分上，扁平视区镜头无法同时维持一致的聚焦。
    缩放镜头在质量上变化很大，一些次等型号在焦距上限和下限上展示出“针垫”和不平坦的聚焦。这些失真可能在整个投影屏幕上对图像的锐度产生反作用，使人们难以—如果不是不可能的话—读出小的文字和数字。
    此外，当光线通过镜头时，不平坦的聚焦会造成一种被称为球形失真的光学失真。它可能出现在整幅图像上或图像的一部分上。调整焦距无法同时使整个图像清晰。
    纠正这种情况的最佳办法就是采用一种非球面镜头结构。过去，这种类型的镜头非常难以精密地研磨，但是，现在在较高端投影以及摄像机镜头中常见。非球面镜头确保尽可能多的光线落在严格相同的焦平面上，以获得一致的锐度。
    对于镜头设计工程师来说，折射和反射是另一个挑战。十全十美的镜头是不存在的，所有镜头均把通过它们的光线散射和折射掉。任何反射回光源的异相光线均会造成对消以及进一步降低图像的对比度。要在镜头表面覆盖特殊的覆膜，以最小化折射及放射。
    在较低成本的镜头中，还常见色差失常。光波覆盖相当的频率范围，蓝光的波长为400纳米，而红光的波长接近700纳米。如果这些不同的色彩不同时抵达相同的焦平面，就可能看到光环，或色彩可能看起来不收敛。
    通过在不同的点弯曲不同的光线，多单元镜头被设计用来补偿光波波长的差异；而在单一镜头单元中，没有办法对所有的光线在同一点补偿光波波长的差异。把多单元镜头和单一镜头单元结合起来，不同程度的聚焦偏差就覆盖了最终单元，因此，所有色彩的光线均精密地得到调整。
    图像失真的最常见形式不是因镜头产生的，而是因投影角引起的。这种几何失真被称为梯形失真，这是由投影机的上下倾斜或投影屏幕的光学中心线的左右倾斜造成的。在这种情况下，屏幕的平面与投影机的平面不并行，从而导致不平坦的梯形图像，而不是矩形图像。
    你可以矫正梯形失真，否则的话，更科学地说就是消除视差失真，二者必居其一。第一种方法确保投影机镜头在水平和垂直平面上均并行于屏幕表面。然而，这对于许多观众来说，可能阻碍屏幕，除非投影机就在屏幕后面。
    另一种方法就是把一些类型的机械镜头结合到投影机之中。这个控制的原理非常像老式的观察照相机，相对于背后升起或降低正面的镜头单元。投影图像然后沿着镜头的光学中心上下变化，不会引入任何图像失真。 
    比较便宜且更为有利的方法就是采用电子手段重新调节图像像素的大小，从而在投影之前创建一种抗梯形失真的图像。电控梯形失真矫正方法的问题在于，它解决不了投影角引起的景深问题，并且它丧失了像素分辨率。
    投影镜头的研究与开发从未止步。看来镜头才刚刚开始变得越来越好。随着这些新型宽屏幕、高清晰度投影机进入市场，那必定是一讲好事。
    镜头技术的未来发展
    光学设备制造商Navitar公司的Julian Goldstein透露，下列趋势会影响镜头设计:
    微型投影机成像面板的尺寸将持续缩小，以便制造商生产出更为紧凑和比较廉价的投影机。跟1.3英寸XGA (1024×768) LCD面板相比，生产0.8英寸XGA (1024×768) LCD面板的成本更低，而所有的光学组件也必须缩小尺寸。
    —像素尺寸在缩小，而像素密度在增加。这意味着图像的中心与边缘的锐度必须一致。
    —随着高清晰度投影占据主导地位，16:9宽屏幕格式市场正稳定成长。投影机制造商正在为高清晰度(16:9)市场促销1080p (1920×1080)和WXGA (1366×768)投影机，而为4:3应用促销SXGA+(1400×1050)投影机。WXGA格式有望在企业市场获得普及，因为它容许你同时呈现4:3 XGA (1024×768)信息以及16:9 720p (1280×720)信息。
    这些要求可能会给镜头制造商带来巨大的挑战，因为在设计一款标准XGA分辨率镜头以及一款高清晰度1080p镜头之间，存在天壤之别。此外，镜头设计工程师还必须:
    创建一种具有大调制转移函数性能的设计，在视区边缘上具有最少的分辨率以及亮度的下降；该设计必须实现以前从未预期过的性能水平；
    要逐个像素分析光线如何在每一个像素上聚焦；像素越小，指标就越严格；
    选择特殊的玻璃材料，以实现更好的色彩校正；
    分析侧面色彩，以便各个色彩维持同步，并且不会在屏幕上产生色彩分离；
    把失真降低到最小，以便图像能被无缝结合在一起，从而创建巨幅由多台投影机产生的图像。
    分析轴向色彩，以便像黑色这样的色彩看起来真正是黑色，而不是灰黑；
    检查可能使图像锐度下降的球面像差；
    给镜头单元增加宽带覆膜以进一步提高对比度；
    产生一种镜头设计，它能够适合某种封装尺寸，并能够以合理的成本生产；