摄像机镜头的光学特性

摄像机镜头的光学特性第一章摄像机变焦镜头的功能
1.基本原理和结构
2.变焦和视角的变化
3.景深和焦深
第二章摄像机变焦镜头的光学特性
1.画面尺寸
2.焦距
3.视角和视野
4.变焦比
5.影像亮度 (光阑指数和T制光阑)
6.斜波 (光阑指数降)
7.最小物距
8.后基距，后焦距和后截距
9.镜片补偿
10.出射光瞳
11.相对照度
12.分解力和调制传递函数 (MTF)
13.色差
14.赛徳尔偏差
15.超近拍摄机构
16.扩展器机构
第一章摄像机变焦镜头的功能
1.基本原理和结构
变焦镜文能在保持聚焦的同时使焦距连续变化，
相应地，图像的大小也在连续变化。

用单镜头
时，要改变图像的大小，只能改变物体到镜头的
距离，然而这样的话，图像的位置也变了。

如困
把两个能连续移动的镜头配合来使用，那么在改
变图像大小的同时，仍能保持聚焦 (见图1)。

电视摄像机变焦镜头的结构很复杂，但基本原理
就是移动透镜系统的一分以改变图像大小，由此
而帶来的散焦通过移动透镜系统的另一部分加以
补偿。

基本型式如图2和图3所示。

图1. 双透镜变焦镜头的结构
图2所示结构的镜文中各透镜组的功能如下：
1.聚焦组
聚焦组的作用是把物体拉进焦区內。

2. 变焦组
用来改变图像的大小。

3. 补偿组
与变焦组联动，能修正焦点的沶移。

镜组1-3是变焦镜头的核心，称变焦单元。

4. 正像镜组
通过这组透镜使聚焦单元形式的图像平行于光轴，鏡组1到4又被称为远焦系统。

5. 中继镜组
由于远焦镜组不能汇聚光线，因而在它的后面安裝中继镜组使物体在特定的范围里成像。

为了在变焦过程中得到清晰的图像，必須对变焦镜文的偏差加以适当修正。

来自物体的光线通过各组透镜时，光路非常复杂并随调焦而变化。

在总焦距內，各组透镜內出现的误差必須尽可能小。

在各自鏡组內未能修正的偏差在不同的鏡组之间得到平衡以抵消误差。

电路摄像机的变焦镜头通常由一系列透镜组合而成以修正误差，透镜的数量比其他形式的照相机要多。

设计变焦镜头需要很强的光程跟踪和性能评定能力，这就必須采用专有的计算机辅助设计和计算机光学模拟技术。

能满足最新型电视摄像机的质量和性能要求的镜头，必須在具有坚实的设计、制造的技术的基础上，才能生产出来。

2.变焦和视角的变化
变焦镜头的拍摄范围可以通过调节焦距而改变。

短焦距的鏡头(广角镜头)有宽的视角。

用广角镜头拍摄到的图像，由于远的和近的景物同时被摄人，所以大好的景深透视感。

与此相反，长焦距的镜头(望远镜头)视角小，物体显得大。

这可用来把远处的物体放大在固定的取景框里得到大的图像。

望远镜头因景深透视效果低，只能得到一个比较平面的图像。

3.景深和焦深
透镜光轴上的物体在成像面上成像。

一定大小的物体显现在成像面上，好象把出现在聚焦点前后某一范围內的物体都聚了焦。

相应地，如果成像面上散焦区在某一尺寸之內，那在人眼看来就都是焦点清晰的。

这个区域的直径被称为容许模糊圈。

(请参见图5)
在电视摄像机镜头中，容许模糊圈的直径可由扫描线的宽度大致决定，从而也与图像尺寸有并，还受机器性能和操作条件的影响。

在光轴上出现在像前后一定区域內，其散焦程度小于容许模糊圈，这段距离叫做焦深。

同焦深相对应的景物的尺寸范围，称为景深。

景深之內的物体，都会显现在焦点上。

景深有下列性质：
1.随光阑指数的增大而增大。

2.随焦距的增大而减小。

3.景物越远，景深越大。

4.景深在物体后面的部分大于前面的部分。

景深可由下面公式计算：设F = 透镜的焦距，FNo. = 光阑指数，δ = 容许模糊圈，L = 物距：
第二章摄像机变焦镜头的光学特性
1.画面尺寸
镜头把影像成在圓形的区域里，这个圓形区域叫像圈。

在电视摄像机里，摄像器件用一个矩形的敏感区(图像尺寸)检测产生在线圈里的影像。

摄像机有好几种类型的
掫像器件，图像尺寸也不一样，有一系列变焦镜头与之匹配。

电视画面中水平长度与垂直高度之比叫高宽比，这个比例在普通的电视广播中是4:3 (H:V)，在高清晰度电视(HDTV)中是16:9 (H:V)。

图6. 图像尺寸
2.焦距
平行入射光通过凸透镜后汇聚在光轴上的一点，焦点到光心的距离就是焦距。

对单个的薄透镜，焦距等于其几何中心到焦点的距离。

图7. 焦距
3.视角和视野
视角就是能夠从透镜中得到确定影像的这样一个范围，通常用角度表示，一般测量视角时假定透镜焦在无限远处。

知道了焦距和像高可计算出视角。

如果物距确定，那就不用视而用视野，即实际能拍摄到的轮廓尺寸。

注：变焦镜头的焦距在聚焦镜组移动时伝有少许变化，物距 (l) 是从透镜的几何中心起测，由于这些原因，用上面公式计算出的结果，当物距较小時，会帯有一定的误差。

Fujinon视野计算器是一组滑动标尺，公式的计算值都能在上面找到，使用户不用繁琐的计算就能得到视野和视角的值，并很容易的换算到不同图像尺寸。

4.变焦距
变焦心即是变焦镜头在最远和最近两端的焦距比。

变焦镜头在物体不动的情况下能使显示器里的影像改变多大幅度，取决于变焦比。

5.影像亮度 (光阑指数和T制光阑)
光阑指数 (F) 是影像亮度的一个表征，数值越小，亮度越高。

F与有效镜头直径成反比，与焦距成正比。

FNo. = f/D
f = 透镜的焦距
有效镜头直径
D
=
FNo. = 光阑指数 (影像亮度)
镜头上光圈的刻度按√2倍率变化，因为照在镜头上的光的量与光通量的橫截面积 (直径的平方) 成正比。

换句话说，光阑指数增大一个刻度，影像亮度减少一半。

光阑指数是假设镜头的透射率为100%时确定的，实际上不同的镜头透射率各不相同，这样，同一个光阑指数可能对应不同的影像亮度。

为消除不便，建立了一个综合考虑到光阑指数和光透射比的系统，即T制光阑，它和光阑指数的并系如下：
Tno. = [ Fno./（透射率%）] x 10
6.斜波 (光阑指数降)
当变焦镜头的光阑幵到最大时，焦距拉得越长，像场照度越低，这个现象称作斜波。

出现这种现象的原因是，当光阑口径与前组透镜的直径相同时，光通量不能再增加，这时，焦距拉得越长，则光阑指数越大，像场照度越低。

为防止出现斜波，前组透镜的口径一定要大于长焦端入射光瞳的直径。

实际上，为减小机器的总体积和重量，出现一定的斜波是允许的。

前组镜头的口径被限定在一定范围內以使整个镜头做得更小。

斜波的程度和无斜波时焦距是评价一个镜头的价值和实际用途的重要因素。

7.最小物距
最小物距(M.O.D)指镜头所能拍摄的最近的物体，它从镜头最前面镜片的最高点算起。

一般使携式变焦镜头的最小物距大些；演播室里专业用的广角变焦镜头的最小距小些。

这是由聚焦透镜组的结构不同所至。

8.后基距，后焦距和后截距
从镜头的安装基准面到成像面的距离为后基距，不同型号的摄像机后基距不同，要挑选与之相匹配的镜头使用，从最后一块透镜的表面最高点到成像面的距离为后焦距。

从镜头安装凸缘的后端面到成像面的距离叫后截距。

后基距或后焦距即通常说的虚拟距离。

摄像机一般都装有分光棱镜、滤光片、摄像靶或其他玻璃材料。

后焦距和后基距应是一个常量，与玻璃的材质及厚度无并，所以把他们换算成虚拟长度表示。

换算长度和实际的机械长度有下面并系：
换算长度(虚拟) = 实际的机械长度(1-1/n)d
9.镜片补偿
每台摄像机都装有彩色分光棱镜，中灰滤光片(ND)、彩色补偿滤光片(CC)或其他滤光材料做成的玻璃镜片。

每一个摄像机镜头都要对所用玻璃片的厚度和材料进行误差补差补偿，以确保最佳效果。

不同型号的摄像机，其中装的彩色分光棱镜的厚度和材质也不一样，因而要有一系列补偿镜文以适用于不同型号的掫像机。

(1) 镜片厚度差別
设计摄像机镜头时，采用修正透镜曲率的办法，把汇聚光路上的玻璃镜片的球面误差平衡掉(见图13)。

如果摄像机镜头里某块镜片的厚度不符合设计值，那么上面提到的平衡就失掉了，出现了球面偏差。

高频区调制传递函数(MTF)的减幅允许到10%的时候，允许的镜片厚度误差同光阑指数的并系请参见表3(5MHz时)。

(2) 镜片的材质不同
每种镜片材料都有特定的色散性能(折射率随波长而变化)，如果材料变了，那么平衡掉的纵向色差同设计不再吻合。

基于此，调制传递函数在红或蓝的高频区要衰减到一定范围。

然而，这并不意味着变焦时做的工作必须变回去，这种情况可通过调整掫像的轨迹得以妥善解决。

有些效应不可避免，即使在电荷耦合固体摄像机里(CCD)也是如此。

10.出射光瞳
出射光瞳是光阑的实际轮廓通过透镜成的像，通常用它和成像面的距离来表示其位置。

图16. 出射光瞳和出射光瞳距
11.相对照度
镜头的亮度通常用光阑指数表示，这是对汇聚到图像中心的光量而言的。

很多情況下，具有某种亮度的光线到不了图像的边缘，于是图像的边比中心暗。

相对照度就是图像边缘与中心亮度之比。

渐晕是在镜头筒里产生的图像边缘的部分失光。

渐晕效应在光阑全开时最严重，光阑并上时减弱。

消除渐晕就要加大镜头直径，这就要增大尺寸和重量。

实际上，为了机器结构的紧湊，一定量的渐晕是容许的。

余弦定律是指图像边缘亮度的衰减同视角余弦值的四次方成正比，但通常余弦四次方的影响在广角端比较大，结果图像中心是平调而边缘发生突变。

渐晕对长焦端的影响比余弦的四次方更明显，能看到亮度从中心到边缘的递减。

并小光阑时边缘的亮度有提高。

12.分解力和调制传递函数 (MTF)
分解力和调传递函数通常用来表述镜头的性能。

分解力是指镜头对不同间隔的黑白条图形的再现能力。

与之相反，调制传递函数指的是镜头再现黑白条图形的精度，这图形的亮度在间隔处按正弦规律变化。

这个函数对镜头性能的表征力强于分解力。

因为掫像系统通过镜头把图像转化成电信号(电玉或电流强度)，所以调制传递函数被看作是评价掫像机镜头的好办法。

测量调制传递函数需要一种密度按照或接近正弦规律变化的图形，而实际工作中这种图形很不容易找。

于是人们用反差传递函数(CTF, 见图B)代替调制传递函数；反差传递函数的特性与调制传递函数很接近，但不等于调制传递函数。

图18. 用In-mega 图测量调制传递函数
图19是两种不同类型镜头的调
制传递函数特性曲线。

曲线1延伸进
高空间频率范围，称解像型，这种镜
头常用在照相机上。

曲线2与曲线1
相反，突出的是低频端，称反差型，
这种镜头适合于电视摄像机。

Fujinon摄像机镜头在设计和开发阶段都用调制传递函数评价，具有摄像机要求的最佳性能。

空间频率N(Ll/mm)，电视扫描线数RH和视频F(MHz)的并系：
V: 像高
H: 像宽
V:H = 3:4
N = 52.7 X F/H
RH = 2 X 52.7 X F X V/H = 79.05 X F ≒80‧F
表4. 像高和空间频率的并系
13.色差
产生色差基于这个事实：不同波长下玻璃的折射率有轻微变化(色散)。

色差可分两类：橫向色差和纵向色差。

(1) 纵向色差
出现纵向色差是由于不同波长下产生了不同的成像面，变焦镜头色差随变焦范围和摄像管轨迹偏离而变化。

纵向色差随变焦范围的变化并系见图21，从图上可清楚地看到色差在远端增大了。

如果色差太大，远端会发生红、蓝掫像管的轨迹偏离。

远端纵向色差增加的主要原因是那里出现了变焦镜组中由光学玻璃的极限色散帯来的剩余像差。

采用象氟化钙(CaF2)这样的晶体可减轻纵向色差，这种晶体的色散特性和普通光学玻璃不一样。

图21. 调焦过程中纵向色差的变化图22. 纵向色差
(2). 橫向色差
橫向色差在不同波长处产生不同的成像放大率，继而使摄像机的三色重合精度变坏。

变焦区域里红和蓝的重合倾向于在绿的两边相互偏转。

图23. 调焦过程中橫向色差的变化 图24. 横向色差
14.赛徳尔偏差
一般来说，镜头有5种基本偏差：球差，彗差，像差，场差和失真
(1) 球差
来自光轴上一点的光进入光学系统，并同进入透镜的光束高度相并时，光线不在傍轴像点上与光轴相遇，没有形成点像。

这訧叫球差。

并小光阑可大幅度改善这个误差。

(2) 彗差
从光轴以外的某一物体点入射到透镜的光束，不能汇聚到成像面上，而是像拖着尾巴的彗星，这就是彗差。

彗差使图形边缘的对比度下降，并小光阑可减弱彗差。

(3) 像散
即使修正了球差和彗差，仍会出现像散。

像散是指，从光轴以外的某一物体点入射到透镜的光束，不能形成像点，而是在不同位置同轴和放射方向成了很多像。

成在同轴方向的像叫正切(子午)像，成在放射方向的叫径向像，两条线夹成一个直角。

同时在被聚焦物体前后的模糊点沿同轴方向成了一个平滑的像，于是就称这个镜头有很糟的模糊效应。

(4) 场曲
场曲是说成像面不是平的而是弯的。

平面物体聚焦成像后，当物体中心聚好焦时，边缘是模糊的，果调整到边缘聚好焦，中心又模糊了。

场曲可用增大焦距和并小光阑来小光阑来纠正。

(5) 失真
指物体上的几何图形不能精确地再现在成像面上。

通常用像点偏离理廃位置的水平位移占像宽或像高的百分比来表示失真的程度。

如图31所示。

图30. 变焦过程中失真度的标化
图31. 摄像机镜头失真度的表示
15.超近拍摄机构
使用超近拍摄机构是为了对特別近的物体进行拍摄。

这个机构通过移动聚焦镜组以外的其他镜组来对最小物距之內的物体聚焦。

达到超近拍摄用两种办法，一是移动补偿镜组，二是移动中继镜组。

(1) 广角近拍(移动补偿镜组)
对变焦机构加以扩展，进一步移动补偿镜组使之越过变焦的广角端来文到近拍，这时补偿机构在变焦区內不起作用。

这方法多用在家用掫像机上。

(2) 全程近拍(移动中继镜组)
引入后基距调整机构，把中继镜组移向物体文到近拍。

这时中继机构在变焦区內不工作，除此之外，近拍中使用变焦还改变了调焦距离。

因为这时调整了后基距，所以还要有一套机构使机器在退出近拍功能后能正确复原。

全程近拍一般用于电视广播或工业掫像机上。

16.扩展器机构
使用扩展器时，镜头的焦距按扩展器的放大倍数增大，光阑指数也按同样倍数增加但全程都可变焦，最小物距不变。

內藏式扩展器对精度要求很高，从制造技朮的角度讲淮度很大。

Fujinon是世界上第一家设计出这种系统并开发出制造技朮的公司，至今一直采用这样一个流行机构。