攝像機的光學(xué)系統(tǒng)

1、3.2 攝像機的光學(xué)系統(tǒng)攝像機光學(xué)系統(tǒng)是攝像機重要的組成部分，它是決定圖像質(zhì)量的關(guān)鍵部件之一，也是攝像師拍攝操作最頻繁的部位。攝像機的光學(xué)系統(tǒng)由內(nèi)、外光學(xué)系統(tǒng)兩部分組成，外光學(xué)系統(tǒng)便是攝像鏡頭，內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)則是在機身內(nèi)部的分光系統(tǒng)和各種濾色片組成。圖37所示為三片攝像機光學(xué)系統(tǒng)的基本組成。圖中：1鏡頭；2色溫濾色片；3紅外截上濾色片；4晶體光學(xué)低通濾色片；5分光棱鏡；6紅、綠、藍(lán)譜帶校正片。一.透鏡成像的誤差及其補償除了平面反射鏡之外，任何光學(xué)系統(tǒng)成像都是有誤差的。因此，我們要了解透鏡成像的誤差性質(zhì)及其補償方法。進(jìn)而了解攝像機光學(xué)系統(tǒng)如何解決了透鏡質(zhì)量問題。1. 球差為凸透鏡孔徑較大時，從軸上物

2、點P發(fā)出的單色光束。通過透鏡時，由于凸透鏡的邊緣部分比中心部分彎曲的厲害些，所以通過邊緣部分的光線比近軸光線折射的嚴(yán)重，致使邊緣部分的光線含聚于焦點F之前的F的點，因此在焦點處形成了一個中心亮、邊緣模糊的小圖盤，而不是很清晰的小亮點，這樣的像差稱為球差。如圖38。圖382. 色差如圖39，軸上一點P發(fā)出的光為復(fù)色光，由于玻璃對不同波長的光折射率略有不同，因此不同波長的光不能會聚于一點，如圖上藍(lán)光因波長較短成像于QF點，而紅光因波長較長成像于QC點。這樣形成的像差稱為色差，表現(xiàn)為圖像邊緣有彩色鑲邊。圖393. 像的幾何失真這種失真影響像與物的幾何相似性，一般有桶形失真和枕形失真。（1） 桶形失真

3、這種失真也稱正失真，它是由于在物與透鏡之間放置了一個光闌而形成的像差。其特點是整個像面的四個角向中心收攏，顯得中間向外凸，如圖3-10。（2）枕形失真這種失真也稱負(fù)失真，它是固在透鏡與像點之間放了一個光闌而形成的像差。其特點是整個像面的四個角向外拉伸，與桶形失真真正相反，如圖311所示。4. 球差和色差的補償凹透鏡也會產(chǎn)生球差和色差，但其性質(zhì)與凸透鏡形成的像差正好相反。如凹透鏡對邊緣光線的外折射較大，正好可以補償凸透鏡的球差，如圖312。又如凹透鏡對復(fù)色光中的波長較短的光向外折射大，正好補償凸透鏡的色差，如圖313。因此，只要將凹透鏡與凸透鏡適當(dāng)?shù)慕M合起來，既可以消除像差，又不含改變透鏡成像的

4、功能。如圖314，為實際使用的雙透鏡組和膠合雙透鏡。5.幾何失真補償我們看到，當(dāng)光闌位置不同時，透鏡產(chǎn)生的失真正相反。如果把光闌放在兩個透鏡中間 ，則兩個透鏡產(chǎn)生的失真相互抵消。二變焦距鏡頭 用攝像機拍攝景物時，既要看到它的全貌，又要看到它的細(xì)節(jié)，這就要求攝像系統(tǒng)能提供全景和特寫等不同的場面；有時要跟蹤拍攝活動的圖像時，又希望活動的圖像大小不變，這就需要攝像系統(tǒng)具有可變焦距的功能。近年來彩色攝像機均采用焦距在大范圍內(nèi)可變的變焦鏡頭，特別是便攜式攝錄一體機一般都具有十幾倍到二十幾倍的變焦鏡頭。根據(jù)已掌握的有關(guān)光學(xué)透鏡的知識，有：1. 成像面與焦距的關(guān)系為：1/f=1/s=1/s式中：s物距；s像

5、距；f焦距。 由于一般物距s焦距f,所以上式近似為： s= f （31）即攝像管的靶面位置 s近似等于焦點f,而且當(dāng)f改變時，s也變，即成像面改變。2. 成像大小與焦距的關(guān)系為：m=s/s 式中：m透鏡放大率將（31）式代入，則有： m=f/s (32) 即放大率是焦距與物距的函數(shù)。當(dāng)s=常數(shù)時，m與f成正比，即像大小隨焦距f變化。因此在拍攝活動景物時，為使成像大小不變，在景物遠(yuǎn)時（s大），拉長焦距（f）；當(dāng)景物近時（s?。?，應(yīng)縮短焦距（f）3. 視場角與焦距的關(guān)系視場角即拍攝范圍，它是在鏡頭主平面的軸心處看景物或像的線長度（H1或H2）時所張的角度，如圖315中的角。由正切函數(shù)和反函數(shù)的關(guān)系

6、，求出角：=2tg-1H1/2S=2tg-1H2/2S已知S= f代入：則=2tg-1H2/2f (33) 即當(dāng)成像大小H2確定后，視場角就只于焦距f有關(guān)。若f短，則視場角大，拍攝范圍大，相當(dāng)于拍全景；若f長，則小，拍攝范圍小，相當(dāng)于拍特寫。4. 像面照度與焦距和透鏡孔徑的關(guān)系當(dāng)物距s=常數(shù)，透鏡孔徑也不變時，則進(jìn)入的光道量不變，根據(jù)m=f/s 可知，f越長，像m則越大，分配到像面上的照度就越小。另一方面，像面照度與鏡頭孔徑有關(guān)?？讖酱髣t透光強，照度就大，反之則小。為了控制光通量的大小，人們設(shè)計了光闌（即光圈）。光圈由多片彎月形的薄鋼片組成，調(diào)節(jié)鏡頭外部的光圈環(huán)可改變這些鋼片所組成的光圈孔徑的

7、大小，如圖316所示。圖316光圈與鏡頭的關(guān)系如圖317所示。光圈的直徑d 使鏡頭實際有效孔徑變?yōu)镈（又稱入射光瞳），d越大，D也越大，則光通量越大。圖317綜合上述兩方面因素，可以的到像平面照度E與（D/f）的平方成正比，即E(D/f)2 （34）D/f稱為透鏡的相對孔徑。由于一般情況下fD,所以習(xí)慣上用D/f 的倒數(shù)f/D來標(biāo)記光圈大小，稱為光圈指數(shù)F。則有 E(D/f)21/F2 （35）上式說明F值越小（光圈越大），透光能力越強。5. 景深與焦距的關(guān)系光學(xué)鏡頭能把景物空間中一定范圍內(nèi)的物體，在像平面上都形成較清晰的像，這個范圍所對應(yīng)的“空間深度”稱為景深，如圖318中的S. 圖318圖

8、中S=S1+S2，S1前景深，S2后景深。若被攝景物平面在A處，則像面A前后的BC的范圍都可得到清晰的像，BC這段距離稱為焦深。設(shè)y等于像平面上尚可被認(rèn)為是一個點的最大直徑，當(dāng)Sf時，有S=ys2/Df (36)同樣可以求出S2，而S=S1+S2.由公式（36）分析： 當(dāng)物距S一定，D為一定值時，f越小（短焦距），景深S越大；f越大（長焦距），景深越小。又知，S與S2成正比，既物越遠(yuǎn)，景深越大。還有，當(dāng)f不變、S不變時，D越?。ü馊υ叫?，F(xiàn)數(shù)值大），景深越大。6. 變焦距鏡頭最簡單的變焦透鏡是由兩個凸透鏡組成的，如圖319，兩個單透鏡的焦距分別為f1和f2,兩者之間距離為d，根據(jù)幾何光學(xué)原理可

9、知組合透鏡的等效焦距f由f1、f2和d三者共同決定，并有如下關(guān)系：1/f=1/f1+1/f2-d/f1f2 （37）雖然f1、f2是定值，但是改變它們之間的距離d即可達(dá)到f的目的，這就是變焦鏡頭的理論依據(jù)。 圖319為了直觀反映鏡頭變焦能力的大小，我們把最長焦距與最短焦距之比稱為變焦比，n=最長焦距/最短焦距-變焦比。并用變焦比和最短焦距來表示變焦特性。如佳能公司的J149BIE鏡頭：J14變焦比；9BIE最短焦距為9mm；最長焦距可算出來，149=126mm；即變焦范圍9mm126mm。實際的攝像機變焦鏡頭是由很多片透鏡組成的，如圖320。它是由幾組透鏡組構(gòu)成的，具體可分為調(diào)焦組、變焦組、補

10、償組和移項組等四組。（1） 調(diào)焦組圖中“1”的部分，該組鏡片與鏡頭外部的聚焦環(huán)相連接，調(diào)節(jié)聚焦環(huán)時鏡片位置改變，從而改變成像景物的物距。圖320（2）變焦組 變焦組用來改變鏡頭的焦距，轉(zhuǎn)動鏡頭外部的變焦環(huán)，可以使變焦組鏡頭有規(guī)律移動，通過改變與第一組鏡頭的距離d達(dá)到使焦距f發(fā)生變化。具體說，當(dāng)景物與攝像機之間距離不變時，轉(zhuǎn)動變焦環(huán)使f變長，則景物范圍減小，像變大似乎攝像機被推近景物；反之，當(dāng)f變短，則景物范圍擴大，像變小，似乎攝像機被拉遠(yuǎn)了景物。（3）補償組變焦只改變焦距，但不希望改變景物的聚焦?fàn)顟B(tài)，即在變焦過程中似乎要保持圖像清晰。但是移動變焦時，雖然f發(fā)生變化，但成像的位置也發(fā)生變化，即焦

11、距發(fā)生變化。為解決這個問題，加入補償組鏡片，使其隨變焦鏡片移動而作相應(yīng)的移動，以保持像平面基本不變，使人查覺不出圖像清晰度的變化。 （4）移像組 因為在鏡頭的最后一片鏡片與攝像管成像面之間要安裝分光棱鏡系統(tǒng)，所以需要加一組鏡片將成像面后移一段距離（也稱后焦距），這就是增加移像組鏡片的目的。思考題：1. 系統(tǒng)電視攝像機有哪幾個部分組成？每個部分的組成和功能。2. 透鏡成像誤差有幾種？產(chǎn)生的原因是什么？如何補償？3、證明為什么要用一個凸透鏡和一個凹透鏡來組成變焦鏡頭？（設(shè)f1=1,f2=-1,代入（3-7）式求證）三.分色鏡及其原理由被攝景物來的光通過變焦鏡頭后就進(jìn)入了分光系統(tǒng)，分成紅、綠、藍(lán)三束

12、光，并在適當(dāng)位置上為攝影口件接收。常用的分色系統(tǒng)有兩種型式，一種是把分色薄膜鍍在透明平板玻璃上，稱為平板分色系統(tǒng)；另一種是把分色薄膜完全埋入玻璃里變成棱鏡結(jié)構(gòu)，稱為棱鏡分光系統(tǒng)。1. 平板分色系統(tǒng)如圖321所示，鏡片I是鍍有多層色膜Mb的分色鏡，利用光波干涉原理使鏡片I反射藍(lán)色光譜，而讓紅色和綠色光譜完全通過。鏡片II是鍍有多層色膜Mr的分色鏡片，它反射紅色紅色光譜，透過綠色光譜。這樣入射光中的藍(lán)色光譜被鏡片I反射，在平面反射鏡III處再次反射后，進(jìn)入藍(lán)色攝像管靶面；同樣，紅色光譜在鏡片II處被反射，再在平面反射鏡IV處反射，進(jìn)入紅色攝像管靶面；穿過鏡片II的綠色光譜則直射進(jìn)入綠色攝像管靶面。

13、平板分色系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其光學(xué)結(jié)構(gòu)松散，光能損失較大，因此在三管機或三片機中通常采用結(jié)構(gòu)牢固的分光棱鏡系統(tǒng)。圖3212. 分光棱鏡系統(tǒng)如圖322所示，分光棱鏡由三快或四塊棱鏡粘合而成，其中在兩處粘接面上蒸鍍了多層色膜Mg和Mb，同時在棱鏡IV與棱鏡I、棱鏡I與棱鏡II之間均加入空氣隙。當(dāng)入射光F投射到多層分色膜Mg上時，只有綠色光被反射，而其它光譜透過，被反射的綠光在界面（1）上固入射角大于臨界角而發(fā)生全反射，于是綠光經(jīng)過綠色片F(xiàn)g（或叫譜帶校正片）再次過濾后進(jìn)入攝像管G。當(dāng)透過Mg的光投射到分色膜Mb上時，藍(lán)光B被反射而余下的紅光透過，被反射的藍(lán)光在界面（2）上全反射后經(jīng)濾色片F(xiàn)B過濾到

14、達(dá)攝像管B。透過Mb的紅光直接穿過濾色片F(xiàn)R到達(dá)攝像管R，為使紅、綠、藍(lán)三路光程一樣長，所以在Mb之后加了棱鏡III。由于兩個分色薄膜的分光特性不可能完全符合設(shè)計要求，所以在分光棱鏡的三個出口處分別加了FR、Fg、Fb三片譜帶校正濾色片，其主要作用是吸收指定譜帶口處的光波。圖322四.色溫濾色片與中性濾色片1.色溫濾色片 人眼所觀察到的物體的顏色除了與物體表面反射特性有關(guān)外，還與照射該物體的照明光源的色溫有關(guān)。為了適應(yīng)不同照明條件下，使重現(xiàn)色彩正確，目前攝像機采用在變焦距鏡頭與分色棱鏡之間加入幾片濾色片，利用它們的光譜特性來補償因光源色溫不同引起光譜特性的變化。圖323，表示校正原理。目前的彩色攝像機都是按照3200K照明色溫調(diào)整的，其光譜特性如圖中直線，當(dāng)光源色溫為4800K時，其光譜中藍(lán)色成分偏高，則攝像光譜特性如曲線；如果插入