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—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—9

3.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