摄像机的光学系统

3.2 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分，它是决定图像质量的关键部件之一，也是摄像师拍摄操作最频繁的部位。

摄像机的光学系统由内、外光学系统两部分组成，外光学系统便是摄像镜头，内光学系统则是在机身内部的分光系统和各种滤色片组成。

图3—7所示为三片摄像机光学系统的基本组成。

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。

一.透镜成像的误差及其补偿除了平面反射镜之外，任何光学系统成像都是有误差的。

因此，我们要了解透镜成像的误差性质及其补偿方法。

进而了解摄像机光学系统如何解决了透镜质量问题。

1.球差为凸透镜孔径较大时，从轴上物点P发出的单色光束。

通过透镜时，由于凸透镜的边缘部分比中心部分弯曲的厉害些，所以通过边缘部分的光线比近轴光线折射的严重，致使边缘部分的光线含聚于焦点F之前的F的点，因此在焦点处形成了一个中心亮、边缘模糊的小图盘，而不是很清晰的小亮点，这样的像差称为球差。

如图3—8。

图3—82.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会聚于一点，如图上蓝光因波长较短成像于Q F点，而红光因波长较长成像于Q C点。

这样形成的像差称为色差，表现为图像边缘有彩色镶边。

图3—93.像的几何失真这种失真影响像与物的几何相似性，一般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透镜也会产生球差和色差，但其性质与凸透镜形成的像差正好相反。

如凹透镜对边缘光线的外折射较大，正好可以补偿凸透镜的球差，如图3—12。

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

因此，只要将凹透镜与凸透镜适当的组合起来，既可以消除像差，又不含改变透镜成像的功能。

如图3—14，为实际使用的双透镜组和胶合双透镜。

5.几何失真补偿我们看到，当光阑位置不同时，透镜产生的失真正相反。

如果把光阑放在两个透镜中间，则两个透镜产生的失真相互抵消。

二．变焦距镜头用摄像机拍摄景物时，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；有时要跟踪拍摄活动的图像时，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。

近年来彩色摄像机均采用焦距在大范围内可变的变焦镜头，特别是便携式摄录一体机一般都具有十几倍到二十几倍的变焦镜头。

根据已掌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。

由于一般物距s>>焦距f,所以上式近似为：s’= f （3—1）即摄像管的靶面位置 s’近似等于焦点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，则有：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变化。

因此在拍摄活动景物时，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摄范围，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：则θ=2tg-1H2/2f (3—3)即当成像大小H2确定后，视场角θ就只于焦距f有关。

若f短，则视场角θ大，拍摄范围大，相当于拍全景；若f长，则θ小，拍摄范围小，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，则进入的光道量不变，根据m=f/s 可知，f越长，像m则越大，分配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。

孔径大则透光强，照度就大，反之则小。

为了控制光通量的大小，人们设计了光阑（即光圈）。

光圈由多片弯月形的薄钢片组成，调节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为D（又称入射光瞳），d越大，D也越大，则光通量越大。

图3—17综合上述两方面因素，可以的到像平面照度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。

由于一般情况下f>D,所以习惯上用D/f 的倒数f/D来标记光圈大小，称为光圈指数F。

则有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一定范围内的物体，在像平面上都形成较清晰的像，这个范围所对应的“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。

若被摄景物平面在A处，则像面A’前后的B’～C’的范围都可得到清晰的像，B’～C’这段距离称为焦深。

设y等于像平面上尚可被认为是一个点的最大直径，当S>>f时，有△S’=ys2/Df (3—6) 同样可以求出△S2，而△S=△S1+△S2.由公式（3—6）分析：当物距S一定，D为一定值时，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透镜组成的，如图3—19，两个单透镜的焦距分别为f1和f2,两者之间距离为d，根据几何光学原理可知组合透镜的等效焦距f由f1、f2和d三者共同决定，并有如下关系：1/f=1/f1+1/f2-d/f1·f2（3—7）虽然f1、f2是定值，但是改变它们之间的距离d即可达到f的目的，这就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，我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。

它是由几组透镜组构成的，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”的部分，该组镜片与镜头外部的聚焦环相连接，调节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，可以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发生变化。

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，则景物范围减小，像变大似乎摄像机被推近景物；反之，当f变短，则景物范围扩大，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，即在变焦过程中似乎要保持图像清晰。

但是移动变焦时，虽然f发生变化，但成像的位置也发生变化，即焦距发生变化。

为解决这个问题，加入补偿组镜片，使其随变焦镜片移动而作相应的移动，以保持像平面基本不变，使人查觉不出图像清晰度的变化。

（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，所以需要加一组镜片将成像面后移一段距离（也称后焦距），这就是增加移像组镜片的目的。

思考题：1.系统电视摄像机有哪几个部分组成？每个部分的组成和功能。

2.透镜成像误差有几种？产生的原因是什么？如何补偿？3、证明为什么要用一个凸透镜和一个凹透镜来组成变焦镜头？（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。

常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，利用光波干涉原理使镜片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。

这样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；同样，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的绿色光谱则直射进入绿色摄像管靶面。

平板分色系统虽然结构简单，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用结构牢固的分光棱镜系统。

图3—212.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，于是绿光经过绿色片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过滤到达摄像管B。

透过Mb的红光直接穿过滤色片FR到达摄像管R，为使红、绿、蓝三路光程一样长，所以在Mb之后加了棱镜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，所以在分光棱镜的三个出口处分别加了FR、Fg、Fb三片谱带校正滤色片，其主要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察到的物体的颜色除了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，目前摄像机采用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起光谱特性的变化。

图3—23，表示校正原理。

目前的彩色摄像机都是按照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，其光谱中蓝色成分偏高，则摄像光谱特性如曲线②；如果插入光谱特性如曲线③的色温滤色片，则电视图像的色彩就会得到补偿而不会长生颜色失真。