摄像机光学系统.docx

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摄像机光学系统

摄像机的光学系统

摄像机光学系统是摄像机重要的组成部份，它是决定图像质量的关键部件之一，也是摄像师拍照操作最频繁的部位。

摄像机的光学系统由内、外光学系统两部份组成，外光学系统即是摄像镜头，内光学系统那么是在机身内部的分光系统和各类滤色片组成。

图3—7所示为三片摄像机光学系统的大体组成。

图中：

1—镜头；2—色温滤色片；3—红外截上滤色片；

4—晶体光学低通滤色片；5—分光棱镜；6—红、绿、蓝谱带校正片。

除平面反射镜之外，任何光学系统成像都是有误差的。

因此，咱们要了解透镜成像的误差性质及其补偿方式。

进而了解摄像机光学系统如何解决了透镜质量问题。

1.球差

为凸面镜孔径较大时，从轴上物点P发出的单色光束。

通过透镜时，由于凸面镜的边缘部份比中心部份弯曲的厉害些，因此通过边缘部份的光线比近轴光线折射的严峻，致使边缘部份的光线含聚于核心F之前的F的点，因此在核心处形成了一个中心亮、边缘模糊的小图盘，而不是很清楚的小亮点，如此的像差称为球差。

如图3—8。

图3—8

2.色差

如图3—9，轴上一点P发出的光为复色光，由于玻璃对不同波长

的光折射率略有不同，因此不同波长的光不能集聚于一点，如图上蓝光因波长较短成像于QF点，而红光因波长较长成像于QC点。

如此形成的像差称为色差，表现为图像边缘有彩色镶边。

图3—9

3.像的几何失真

这种失真阻碍像与物的几何相似性，一样有桶形失真和枕形失真。

（1）桶形失真

这种失真也称正失真，它是由于在物与透镜之间放置了一个光阑而形成的像差。

其特点是整个像面的四个角向中心收拢，显得中间向外凸，如图3-10。

（2）枕形失真

这种失真也称负失真，它是固在透镜与像点之间放了一个光阑而形成的像差。

其特点是整个像面的四个角向外拉伸，与桶形失真真正相反，如图3—11所示。

4.球差和色差的补偿

凹面镜也会产生球差和色差，但其性质与凸面镜形成的像差正好相反。

如凹面镜对边缘光线的外折射较大，正好能够补偿凸面镜的球差，如图3—12。

又如凹面镜对复色光中的波长较短的光向外折射大，正好补偿凸面镜的色差，如图3—13。

因此，只要将凹面镜与凸面镜适当的组合起来，既能够排除像差，又不含改变透镜成像的功能。

如图3—14，为实际利用的双透镜组和胶合双透镜。

5.几何失真补偿

咱们看到，当光阑位置不同时，透镜产生的失真正相反。

若是把

光阑放在两个透镜中间，那么两个透镜产生的失真彼此抵消。

二．变焦距镜头

用摄像机拍照景物时，既要看到它的全貌，又要看到它的细节，这就要求摄像系统能提供全景和特写等不同的场面；有时要跟踪拍照活动的图像时，又希望活动的图像大小不变，这就需要摄像系统具有可变焦距的功能。

最近几年来彩色摄像机均采纳焦距在大范围内可变的变焦镜头，专门是便携式摄录一体机一样都具有十几倍到二十几倍的变焦镜头。

依照已把握的有关光学透镜的知识，有：

1.成像面与焦距的关系为：

1/f=1/s=1/s’

式中：

s—物距；s’—像距；f—焦距。

由于一样物距s>>焦距f,因此上式近似为：

s’=f（3—1）

即摄像管的靶面位置s’近似等于核心f,而且当f改变时，s’也变，即成像面改变。

2.成像大小与焦距的关系为：

m=s’/s

式中：

m—透镜放大率

将（3—1）式代入，那么有：

m=f/s（3—2）

即放大率是焦距与物距的函数。

当s=常数时，m与f成正比，即像大小随焦距f转变。

因此在拍照活动景物时，为使成像大小不变，在景物远时（s大），拉长焦距（f↑）；当景物近时（s小），应缩短焦距（f↓）

3.视场角与焦距的关系

视场角即拍照范围，它是在镜头主平面的轴心处看景物或像的线长度（H1或H2）时所张的角度，如图3—15中的θ角。

由正切函数和反函数的关系，求出θ角：

θ=2tg-1H1/2S=2tg-1H2/2S’

已知S’=f代入：

那么

θ=2tg-1H2/2f（3—3）

即当做像大小H2确信后，视场角θ就只于焦距f有关。

假设f短，那么视场角θ大，拍照范围大，相当于拍全景；假设f长，那么θ小，拍照范围小，相当于拍特写。

4.像面照度与焦距和透镜孔径的关系

当物距s=常数，透镜孔径也不变时，那么进入的光道量不变，依照m=f/s可知，f越长，像m那么越大，分派到像面上的照度就越小。

另一方面，像面照度与镜头孔径有关。

孔径大那么透光强，照度就大，反之那么小。

为了操纵光通量的大小，人们设计了光阑（即光圈）。

光圈由多片弯月形的薄钢片组成，调剂镜头外部的光圈环可改变这些钢片所组成的光圈孔径的大小，如图3—16所示。

图3—16

光圈与镜头的关系如图3—17所示。

光圈的直径d使镜头实际有效孔径变成D（又称入射光瞳），d越大，D也越大，那么光通量越大。

图3—17

综合上述两方面因素，能够的到像平面照度E与（D/f）的平方成正比，

即E∝（D/f）2（3—4）

D/f——称为透镜的相对孔径。

由于一样情形下f>D,因此适应上用D/f的倒数f/D来标记光圈大小，称为光圈指数F。

那么有

E∝（D/f）2∝1/F2（3—5）

上式说明F值越小（光圈越大），透光能力越强。

5.景深与焦距的关系

光学镜头能把景物空间中必然范围内的物体，在像平面上都形成

较清楚的像，那个范围所对应的“空间深度”称为景深，如图3—18

中的△S.

图3—18

图中△S=△S1+△S2，△S1—前景深，△S2—后景深。

假设被摄景物平面在A处，那么像面A’前后的B’～C’的范围都可取得清楚的像，B’～C’这段距离称为焦深。

设y等于像平面上尚可被以为是一个点的最大直径，当S>>f时，有

△S’=ys2/Df（3—6）

一样能够求出△S2，而△S=△S1+△S2.

由公式（3—6）分析：

当物距S必然，D为必然值时，f越小（短焦距），景深△S越大；f越大（长焦距），景深越小。

又知，△S与S2成正比，既物越远，景深越大。

还有，当f不变、S不变时，D越小（光圈越小，F数值大），景深越大。

6.变焦距镜头

最简单的变焦透镜是由两个凸面镜组成的，如图3—19，两个单透

镜的焦距别离为f1和f2,二者之间距离为d，依照几何光学原理可知组合透镜的等效焦距f由f1、f2和d三者一起决定，并有如下关系：

1/f=1/f1+1/f2-d/f1·f2（3—7）

尽管f1、f2是定值，可是改变它们之间的距离d即可达到f的目的，这确实是变焦镜头的理论依据。

图3—19

为了直观反映镜头变焦能力的大小，咱们把最长焦距与最短焦距之比称为变焦比，n=最长焦距/最短焦距-变焦比。

并用变焦比和最短焦距来表示变焦特性。

如佳能公司的J14×9BIE镜头：

J14—变焦比；9BIE—最短焦距为9mm；最长焦距可算出来，14×9=126mm；即变焦范围9mm～126mm。

实际的摄像机变焦镜头是由很多片透镜组成的，如图3—20。

它是由几组透镜组组成的，具体可分为调焦组、变焦组、补偿组和移项组等四组。

（1）调焦组

图中“1”的部份，该组镜片与镜头外部的聚焦环相连接，调剂聚焦环时镜片位置改变，从而改变成像景物的物距。

图3—20

（2）变焦组

变焦组用来改变镜头的焦距，转动镜头外部的变焦环，能够使变焦组镜头有规律移动，通过改变与第一组镜头的距离d达到使焦距f发生转变。

具体说，当景物与摄像机之间距离不变时，转动变焦环使f变长，那么景物范围减小，像变大似乎摄像机被推近景物；反之，当f变短，那么景物范围扩大，像变小，似乎摄像机被拉远了景物。

（3）补偿组

变焦只改变焦距，但不希望改变景物的聚焦状态，即在变焦进程中似乎要维持图像清楚。

可是移动变焦时，尽管f发生转变，但成像的位置也发生转变，即焦距发生转变。

为解决那个问题，加入补偿组镜片，使其随变焦镜片移动而作相应的移动，以维持像平面大体不变，令人查觉不出图像清楚度的转变。

（4）移像组

因为在镜头的最后一片镜片与摄像管成像面之间要安装分光棱镜系统，因此需要加一组镜片将成像面后移一段距离（也称后焦距），这确实是增加移像组镜片的目的。

试探题：

1.系统电视摄像机有哪几个部份组成？

每一个部份的组成和功能。

2.透镜成像误差有几种？

产生的缘故是什么？

如何补偿？

3、证明什么缘故要用一个凸面镜和一个凹面镜来组成变焦镜头？

（设f1=1,f2=-1,代入（3-7）式求证）

三.分色镜及其原理

由被摄景物来的光通过变焦镜头后就进入了分光系统，分成红、绿、蓝三束光，并在适当位置上为摄影口件接收。

经常使用的分色系统有两种型式，一种是把分色薄膜镀在透明平板玻璃上，称为平板分色系统；另一种是把分色薄膜完全埋入玻璃里变成棱镜结构，称为棱镜分光系统。

1.平板分色系统

如图3—21所示，镜片I是镀有多层色膜Mb的分色镜，利用光

波干与原理使镜片I反射蓝色光谱，而让红色和绿色光谱完全通过。

镜片II是镀有多层色膜Mr的分色镜片，它反射红色红色光谱，透过绿色光谱。

如此入射光中的蓝色光谱被镜片I反射，在平面反射镜III处再次反射后，进入蓝色摄像管靶面；一样，红色光谱在镜片II处被反射，再在平面反射镜IV处反射，进入红色摄像管靶面；穿过镜片II的绿色光谱那么直射进入绿色摄像管靶面。

平板分色系统尽管结构简单，但其光学结构松散，光能损失较大，因此在三管机或三片机中通常采纳结构牢固的分光棱镜系统。

图3—21

2.分光棱镜系统

如图3—22所示，分光棱镜由三快或四块棱镜粘合而成，其中在

两处粘接面上蒸镀了多层色膜Mg和Mb，同时在棱镜IV与棱镜I、棱镜I与棱镜II之间均加入空气隙。

当入射光F投射到多层分色膜Mg上时，只有绿色光被反射，而其它光谱透过，被反射的绿光在界面

（1）上固入射角大于临界角而发生全反射，于是绿光通过绿色片Fg（或叫谱带校正片）再次过滤后进入摄像管G。

当透过Mg的光投射到分色膜Mb上时，蓝光B被反射而余下的红光透过，被反射的蓝光在界面

（2）上全反射后经滤色片FB过滤抵达摄像管B。

透过Mb的红光直接穿过滤色片FR抵达摄像管R，为使红、绿、蓝三路光程一样长，因此在Mb以后加了棱镜III。

由于两个分色薄膜的分光特性不可能完全符合设计要求，因此在分光棱镜的三个出口处别离加了FR、Fg、Fb三片谱带校正滤色片，其要紧作用是吸收指定谱带口处的光波。

图3—22

四.色温滤色片与中性滤色片

1.色温滤色片

人眼所观看到的物体的颜色除与物体表面反射特性有关外，还与照射该物体的照明光源的色温有关。

为了适应不同照明条件下，使重现色彩正确，目前摄像机采纳在变焦距镜头与分色棱镜之间加入几片滤色片，利用它们的光谱特性来补偿因光源色温不同引发光谱特性的转变。

图3—23，表示校正原理。

目前的彩色摄像机都是依照3200K照明色温调整的，其光谱特性如图中直线①，当光源色温为4800K时，其光谱中蓝色成份偏高，那么摄像光谱特性如曲线②；若是插入光谱特性如曲线③的色温滤色片，那么电视图像的色彩就会取得补偿而可不能永生颜色失真。

图3—23

2.中性滤色片

中性滤色片的作用是减弱进入光学系统的光强度，并非改变光谱特性，相当于墨镜，用于扩展摄像机在高照度下的利用范围，如在夏天阳光下或高原雪景等情形下拍照时，因光线太强，即便光圈关到最小，画面仍是因太亮而限幅，这时就要考虑用中性滤色片了。

中性滤色片还常经常使用来操纵景深，以达到必然的艺术成效。

中性滤色片的透光率有100%、25%、10%、%等几种。

D↓→景深↑