第1章 彩色摄像机的工作原理

焦深与景深的区别示意图
焦深与其他镜头光学属性的关系

光圈与焦深成反比 摄距与焦深成反比


焦距与焦深成正比
四、镜头的景深原理
有的画面上被摄体是前面清晰而后面模糊，有的画面上
被摄体是后面清晰而前面模糊，还有的画面上是只有被摄 体清晰而前后者模糊，这些现象都是由镜头的景深特性造 成的。
景深原理在摄像上有着极其重要的作用。 正确地理解和运用景深，将有助于拍出满意的画面。

相反，对靠近镜头的景物调焦，由于扩大了前后结焦 点的间隔，即焦深范围扩大了，因而使进入可接受的 清晰度区域的光斑减少，景深变小。 由于这样的原因，镜头的前景深总是小于后景深。

五、变焦距镜头及其原理
摄像机的镜头可划分为标准镜头、长焦距镜头和广角镜头。
在使用标准镜头拍摄时，被摄对象的空间和透视关系与摄
从镜头主平面中心向视线方向的两边边缘所形
成的角，就是视场角。 视场角是表现摄像机镜头视场大小的参数， 它决定着成像的空间范围。

摄像景别与视场角有关。
镜头的光学特性： ③变焦距镜头
是一种可连续变换焦距的镜头，由多组透镜组片构成。 （下文有述）。
镜头的变焦距功能，可以使摄像机在不移动位置的情况
像者在寻像器中所见到的相同。
焦距50毫米以上称为长焦距镜头，16毫米以下的称为广角
镜头。
目前我国的电视摄像机大多只采用一个变焦距镜头。
变焦距镜头的外部结构图
变焦距镜头的内部结构图
变焦镜头的操作
变焦距镜头的操作有一定的难度，初学者会更为明显地感到
困难，这是因为影响聚焦清晰的因素如镜头焦距、光圈、景 深以及主体离摄像机的距离等可能同时都在变化。
二、摄像机的工作原理


摄像系统：把被摄对象的光学图像转变成相应的电信号 后，便形成了被记录的信号源。 录像系统：把信号源送来的电信号通过电磁转换系统变 成磁信号，并将其记录在录像带上。 放像系统：将所记录的信号重放出来，可操纵有关按键， 把录像带上的磁信号变成电信号，再经过放大处理后送 到电视机的屏幕上成像。 从能量的转变来看，摄像机的工作原理是一个“光—电－ －磁－电－光”的转换过程。
目前广泛使用的摄像器件是CCD器件，即电荷偶合器件（Charge
Coupled Device），这是一种利用半导体原理设计制成的复杂的光 电转换器件。
CCD的直接作用是“感光度”的大小；成像感光度范围越大，对
色彩和小物件的质量表现就越好。
摄像机基本配件
三片CCD摄像机的组成构图
（2） 预放电路
f
镜头的光学特性： ⑤可变光阑（光圈）

光圈越大，进入的相机的光线就多，成像就会很亮， 反之就会很暗。光圈越大，景深就越小，背景也就越 模糊，光圈越小，景深越大，背景也就越清楚。 注：光圈和相机上的光圈数值标示相反，数值越大光 圈越小，数值越小光圈越大。

镜头的光学特性: ⑥景深

摄像机在拍摄时，能获得清晰景象的前后距离 就是“景深”。 景深的范围可大可小，根据拍摄内容要求不同 ，对景深的要求也不同。善于控制景深大小， 就可以拍摄出有特定含义的镜头内容。 景深与镜头焦距的长短、光圈的大小以及物距 的长短有关。

第 1章
摄像机的构成与工作原理
本章内容提要

一、摄像机的组成部件 二、摄像机的工作原理 三、镜头及其成像原理 四、镜头的景深原理 五、变焦距镜头及其原理 六、摄像机主体部分的主要构成与原理 七、通讯系统 八、摄像机支撑系统 九、实践实验：摄像机的构成与使用
一、摄像机的组成部件
二、摄像机的工作原理
光学系统的主要部件是光学镜头，它由透镜系统组合而成。
这个透镜系统包含着许多片凸凹不同的透镜，其中凸透镜
的中心比边缘厚，因而经透镜边缘部分的光线比中央部分的 光线会发生更多的折射。
当被摄对象经过光学系统透镜的折射，在光电转换系统的
摄像管或固体摄像器件的成像面上形成“焦点”。
为了有效地解决这一问题，初学者可以：先用变焦距镜头最
长的焦距对准被摄对象聚焦，然后再恢复到拍摄时所需要的 焦距上，这样就能保证被摄对象的清晰。
变焦镜头的操作
在实际拍摄时，当把变焦距镜头从广角端渐渐地变
为长焦端时，其画面的视觉效果好像是摄像机离这 一景物越来越近，这种效果便是所谓的摄像机镜头 进行变焦距的变化.
下，就能取得预想的视野范围。
镜头的光学特性： ④调焦
调焦
(也称为“聚焦” ) ：调整焦点。
调焦的目的与结果：
1）光线通过摄像机后能准确地会聚在摄像器件的受 光面上，从而获得轮廓清晰的景物图像。 2）除非特别要求，否则摄像镜头的焦距必须调节清 楚。
镜头的光学特性： ⑤可变光阑（光圈）
可变光阑（又称光圈）：用来控制光线透过镜头、进入机
三、镜头及其成像原理

镜头是摄像机最主要的组成部分，并被喻为人的眼睛。

人眼之所以能看到宇宙万物，是由于凭眼球水晶体能在视 网膜上结成影像的缘故。

摄像机所以能摄影成像，主要是靠镜头将被摄体结成影像 投在摄像管或固体摄像器件的成像面上。
电视画面的清晰程度和影像层次是否丰富等表现能力，受 光学镜头的内在质量所制约。
四、镜头的景深原理

当镜头聚集于被摄影物的某一点时，这一点上 的物体就能在电视画面上清晰地结像。 在这一点前后一定范围内的景物也能记录得较 为清晰。 这就是说，镜头拍摄景物的清晰范围是有一定 限度的。

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四、镜头的景深原理




这种在摄像管聚焦成像面前后能记录得“较为 清晰”的被摄影物纵深的范围便为景深。 当镜头对准被摄景物时，被摄景物前面的清晰 范围叫前景深，后面的清晰范围叫后景深。 前景深和后景深加在一起，也就是整个电视画 面从最近清晰点到最远清晰点的深度，叫全景 深。 一般所说的景深就是指全景深。
的角度就越小。这样在成像面前后．会聚的光线将在成像面上留下更小 的光斑，使得原来离镜头较近和较远的不清晰景物具备了可以接受的清 晰度。
案例
案例
决定景深的主要因素: (2)焦距

在光圈系数和拍摄距离都相同的情况下，镜头焦距越 短，景深范围越大；镜头焦距越长，景深范围越小。 这是因为焦距短的镜头比起焦距长的镜头，对来自前 后不同距离上的景物的光线所形成的聚焦带（焦深） 要狭窄得很多，因此会有更多光斑进入可接受的清晰 度区域。
机身部分主要包括： 1. 内部光学系统 2. 摄像器件 3. 预放电路 4. 信号处理 5. 电子快门 6. 信号编码 7. 信号记录 8. 视频返送 9. 信号输出处理 10. 其他
（1） 摄像器件
电视摄像机能将景物光转变成电信号，依靠的是摄像器件，它也是
决定图像质量的关键器件。
摄像器件有电子管摄像器件和CCD器件（半导体摄像器件）之分
案例图
决定景深的三个主要因素

（1）光圈 （2）焦距


（3）物距
决定景深的主要因素: (1)光圈
在镜头焦距相同，拍摄距离相同时，光圈越小，景深的范
围越大；光圈越大，景深的范围越小。
即：光圈越大，景深越浅。光圈越小，景深越深。
这是因为光圈越小，进入镜头的光束越细，近轴效应越明显，光线会聚
影视节目采编制作
主讲: 陈旭鑫
教材和主要教学参考书
教材:《当代电视摄影制作教程》（黄匡宇著，复旦大 学出版社，2005） 主要教学参考书: 1、《电视节目制作技术》（李焕芹、郭峰主编，电子 工业出版社，2008年9月第1版） 2、《实用电视摄像》（苏启崇 主编，中国广播电视 出版社，2000年7月第1版） 3、《开拍啦——怎样制作电视节目》（[英]哈里斯•华 兹 著，徐雄雄等译，中国广播电视出版社2006年9月 第1版）
变焦的两种方法：一是电动变焦，二是手动变焦。
变焦镜头的操作
（1）电动变焦：靠电动推拉杆（T推－W拉）来控制， 手在推拉杆上用力的大小可改变镜头运动的速度。

电动变焦的特点是镜头在推拉的过程中变化均匀。
（2）手动变焦：通过直接用手拨动变焦环实现。

手动变焦一般是在镜头需要急速推拉时才能使用。
六、摄像机主体构成与原理

决定景深的主要因素：(3)物距

在镜头焦距和光圈系数都相等的情况下，物距越远， 景深范围越大；物距越近，景深范围越小。 这是因为，远离镜头的景物只需做很少的调节就能获 得清晰调焦，而且前后景物结焦点被聚集得很紧密。 这样会使更多的光斑进入可接受的清晰度区域，因此 景深就增大。


决定景深的主要因素：(3)物距
1．光学镜头 2．导像器 /监视器 3．主机/机体（含白平衡等） 4．话筒（外置、内置） 5. 滤色片
常见摄像机
常见摄像机
DV级的数字式摄像机 外景新闻类数字摄像机 演播室专用摄像机
常见摄像机
索尼HXR-MC1500C
常见摄像机
常见摄像机
常见摄像机
常见摄像机
二、摄像机的工作原理
摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置。 其结构大致可分为三部分： 1.光学系统（主要指镜头） 2.光电转换系统（主要指摄像管或固体摄像器件） 3.电路系统（主要指视频处理电路）。

景深焦深示意图
焦深示意图

弥散圈，指在镜头视角内但又不在镜头焦平面上的物体，在胶卷 /CCD上的投影会形成一个圆形光斑，这个光斑就是弥散圈。
前后景深的关系
焦深与景深的区别


焦深，是针对影像的焦平面可允许移动的范围 而言的； 景深，则是针对被摄物体参被清晰记录的范围 而言的。 当摄距缩短时，景深缩小、焦深增大。（注： 要产生1：1影像时，焦深=景深）
身内感光面的光量的装置，通常是在镜头内。
对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，
但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型，并且面 积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，这个装置就叫做 光圈。
表达光圈大小我们是用f值。
镜头的光学特性： ⑤可变光阑（光圈）
=镜头的焦距/镜头的有效口径的直径。 光圈 f 值越小，通光孔径越大，光圈越大，进光量越多； 反之，则越小。 完整的光圈值系列如下： f1.0，f1.4，f2.0，f2.8，f4.0， f5.6，f8.0，f11，f16，f22，f32，f44，f64
平行的直射光线穿过透镜后在另一边的光轴上汇聚成一点，
这个点称为焦点。从焦点至镜头中心的距离为该镜头的焦距。
单位：毫米（mm） 按透镜焦距的长短，镜头有短焦距镜头、长焦距镜头以及介
于两者之间的中焦距镜头之分。
不同焦距的镜头使用在不同的拍摄场合，并获得不同的画面
效果。
镜头的光学特性； ②视场角


注意清晰图像的范围：景深
清晰范围不同
景深的表现特点与使用
超焦距示意图
超焦距实例
镜头的光学特性: ⑦焦深（Depth of Focus）

焦点深度的简称。在使用显微镜时，当焦点对准某一 物体时，不仅位于该点平面上的各点都要可看清楚， 而且在此平面上下一定厚度内也能看清楚。这个清楚 部分的厚度，就是焦深。 焦深：指在保持影像景深不变的前提下，焦点沿着镜 头光轴所允许移动的距离。简单地说，就是镜头的像 平面两边的成像清晰范围。

三、镜头及其成像原理

当今市场上常见的各种摄像机的镜头都是加膜镜头。 加膜就是在镜头表面涂上一层带色彩的薄膜。 加膜的作用： 1）消减镜片与镜片之间所产生的色散现象。 2）减少逆光拍摄时所产生的眩光，保护光线顺利通过镜头，提 高镜头透光的能力，使所摄的画面更清晰。
镜头的光学特性： ①焦距
二、摄像机的工作原理

光电转换系统的光敏原件会把“焦点”外的光 学图像转变成携带电荷的电信号。 电路系统放大这些微弱的电信号，形成符合特 定技术要求的信号，并从摄像机中输出。

二、摄像机的工作原理



光学系统相当于摄像机的眼睛，与操作技巧密切 相关，在本章以后的小节里将详细叙述。 光电转换系统是摄像机的核心，摄像管或固体摄 像器件便是摄像机的“心脏”。 由于家用摄像机大多是将摄像部分和录像部分合 为一体，下面再概述一下录像部分的工作原理。

作用：将经摄像器件光电转换出来的图像电 信号放大成可以激励后级视频信号处理电路 工作的信号。 预放电路一般都是由特别低噪声的场效应管 来担任，以保证放大后的信号噪声低、增益 高和频带宽。

（3） 电子快门

电子快门是利用电子技术在时间上控制CCD芯片上电 荷的产生与转移，从而得到“快门”效果。 电子快门的特点是无运转噪声、速度档次多、速度快， 适合分析快速运动过程，但存在图像的不连续、间断 跳跃感。 电子快门速度的标值有1/50、1/100、1/200、1/500、 1/1000秒等分级，不同机器设置不同。