攝像機(jī)基本工作原理

1、攝像機(jī)的工作原理及應(yīng)用內(nèi)容提要攝像機(jī)是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。從能量的轉(zhuǎn)變來(lái)看， 攝像機(jī)的工作原理是一個(gè)光電磁電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程。攝像機(jī)所以能攝影成像，主要是靠鏡頭將被攝體結(jié)成影像投在攝像管或固體攝像器件的成像面上。景深原理在攝像上有著極其重要的作用。正確理解和運(yùn)用景深， 有助于拍出滿(mǎn)意的畫(huà)面。光圈、 焦距和物距是決定景深的主要因素。變焦距鏡頭具有在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變焦距而成像面位置不變的性能，已成為家用攝像機(jī)上運(yùn)用最廣泛的鏡頭。自動(dòng)聚集裝置有四種工作方式，即紅外線方式、超聲波方式、海耐烏艾方式和佳能 SSTT式。它們都有較高的測(cè)量精度， 分別 被應(yīng)用在不同類(lèi)型的攝像機(jī)之中。一、攝像機(jī)的

2、工作原理攝像機(jī)是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。其結(jié)構(gòu)大致可分為三部分：光學(xué)系統(tǒng)（主要指鏡頭）、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（主要指攝像管或固體攝像器件）以及電路系統(tǒng)（主要指視頻處理電路） 。光學(xué)系統(tǒng)的主要部件是光學(xué)鏡頭，它由透鏡系統(tǒng)組合而成。這個(gè)透鏡系統(tǒng)包含著許多片凸凹不同的透鏡，其中凸透鏡的中比邊緣厚， 因而經(jīng)透鏡邊緣部分的光線比中央部分的光線會(huì)發(fā)生更多的折射。當(dāng)被攝對(duì)象經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)透鏡的折射，在光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的攝像管或固體攝像器件的成像面上形成“焦點(diǎn)”。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的光敏原件會(huì)把 “焦點(diǎn)” 外的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成攜帶電荷的電信號(hào)。 這些電信號(hào)的作用是微弱的，必須經(jīng)過(guò)電路系統(tǒng)進(jìn)一步放大，形成符合特定技術(shù)要求

3、的信號(hào)，并從攝像機(jī)中輸出。光學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于攝像機(jī)的眼睛，與操作技巧密切相關(guān)，在本章以后的小節(jié)里將詳細(xì)敘述。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是攝像機(jī)的核心，攝像管或固體攝像器件便是攝像機(jī)的“心臟”，有關(guān)這一部分的內(nèi)容， 將在第三章里介紹。由于家用攝像機(jī)大多是將攝像部分和錄像部分合為一體，下面再概述一下錄像部分的工作原理。當(dāng)攝像機(jī)中的攝像系統(tǒng)把被攝對(duì)象的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)后，便形成了被記錄的信號(hào)源。錄像系統(tǒng)把信號(hào)源送來(lái)的電信號(hào)通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成磁信號(hào)，并將其記錄在錄像帶上。 如果需要攝像機(jī)的放像系統(tǒng)將所記錄的信號(hào)重放出來(lái)，可操縱有關(guān)按鍵，把錄像帶上的磁信號(hào)變成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大處理后送到電視機(jī)的屏幕上成像。從

4、能量的轉(zhuǎn)變來(lái)看，攝像機(jī)的工作原理是一個(gè)光電磁電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程。三片CCDS像機(jī)的組成框圖二、鏡頭及其成像原理是攝像機(jī)最主要的組成部分，并被喻為人的眼睛。人眼之所以能看到宇宙萬(wàn)物，是由于憑眼球水晶體能在視網(wǎng)膜上結(jié)成影像的緣故； 攝像機(jī)所以能攝影成像，也主要是靠鏡頭將被攝體結(jié)成影像投在攝像管或固體攝像器件的成像面上。因此說(shuō)， 鏡頭就是攝像機(jī)的眼睛。電視畫(huà)面的清晰程度和影像層次是否豐富等表現(xiàn)能力， 受光學(xué)鏡頭的內(nèi)在質(zhì)量所制約。當(dāng)今市場(chǎng)上常見(jiàn)的各種攝像機(jī)的鏡頭都是加膜鏡頭。加膜就是在鏡頭表面涂上一層帶色彩的薄膜， 用以消減鏡片與鏡片之間所產(chǎn)生的色散現(xiàn)象，還能減少逆光拍攝時(shí)所產(chǎn)生的眩光，保護(hù)光線順利通過(guò)鏡

5、頭，提高鏡頭透光的能力，使所攝的畫(huà)面更清晰。攝像者在自學(xué)攝像的過(guò)程中，首先要熟知鏡頭的成像原理，它主要包括焦距、視角、視場(chǎng)和像場(chǎng)。焦距是焦點(diǎn)距離的簡(jiǎn)稱(chēng)。例如，把放大鏡的一面對(duì)著太陽(yáng)， 另一面對(duì)著紙片，上下移動(dòng)到一定的距離時(shí)， 紙片上就會(huì)聚成一 個(gè)很亮的光點(diǎn)，而且一會(huì)兒就能把紙片燒焦成小孔， 故稱(chēng)之為“焦 點(diǎn)”。從透鏡中心到紙片的距離，就是透鏡的焦點(diǎn)距離。對(duì)攝像 機(jī)來(lái)說(shuō)，焦距相當(dāng)于從鏡頭“中心”到攝像管或固體攝像器件成 像面的距離。焦距是標(biāo)志著光學(xué)鏡頭性能的重要數(shù)據(jù)之一，因?yàn)殓R頭拍攝影像的大小是受焦距控制的。 在電視攝像的過(guò)程中，攝像者經(jīng)常 變換焦距來(lái)進(jìn)行造型和構(gòu)圖，以形成多樣化的視覺(jué)效果。例如

6、， 在對(duì)同一距離的同一目標(biāo)拍攝時(shí)，鏡頭的焦距越長(zhǎng)，鏡頭的水平視角越窄，拍攝到景物的范圍也就越小； 鏡頭的焦距越短，鏡頭 的水平視角越寬，拍攝到的景物范圍也就越大。一個(gè)攝像機(jī)鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來(lái)表 示，這個(gè)角度就叫鏡頭的視角。 被攝對(duì)象透過(guò)鏡頭在焦點(diǎn)平面上 結(jié)成可見(jiàn)影像所包括的面積， 是鏡頭的視場(chǎng)。但是，視場(chǎng)上所呈 現(xiàn)的影像，中心和邊緣的清晰度和亮度不一樣。中心部分及比較接近中心部分的影像清晰度較高，也較明亮；邊緣部分的影像清晰度差，也暗得多。這邊緣部分的影像，對(duì)攝像來(lái)說(shuō)是不能用的。 所以，在設(shè)計(jì)攝像機(jī)的鏡頭時(shí)，只采用視場(chǎng)。需要重點(diǎn)指出，攝 像機(jī)最終拍攝畫(huà)面的尺寸并不完全取決于

7、鏡頭的像場(chǎng)尺寸。也就是說(shuō)，鏡頭成像尺寸必須與攝像管或固體攝像器件成像面的最佳 尺寸一致。當(dāng)攝像機(jī)鏡頭的成像尺寸被確定之后， 對(duì)一個(gè)固定焦距的鏡 頭來(lái)說(shuō)則相對(duì)具有一個(gè)固定的視野，常用視場(chǎng)來(lái)表示視野的大 小。它的規(guī)律是，焦距越短，視角和視場(chǎng)就越大。所以短焦距鏡 頭又被稱(chēng)為廣角鏡頭。三、鏡頭的景深原理當(dāng)鏡頭聚集于被攝影物的某一點(diǎn)時(shí)， 這一點(diǎn)上的物體就能在 電視畫(huà)面上清晰地結(jié)像。在這一點(diǎn)前后一定范圍內(nèi)的景物也能記 錄得較為清晰。這就是說(shuō)，鏡頭拍攝景物的清晰范圍是有一定限 度的。這種在攝像管聚焦成像面前后能記錄得“較為清晰”的被 攝影物縱深的范圍便為景深。當(dāng)鏡頭對(duì)準(zhǔn)被攝景物時(shí)，被攝景物 前面的清晰范圍叫

8、前景深， 后面的清晰范圍叫后景深。 前景深和 后景深加在一起，也就是整個(gè)電視畫(huà)面從最近清晰點(diǎn)到最遠(yuǎn)清晰點(diǎn)的深度，叫全景深。一般所說(shuō)的景深就是指全景深。有的畫(huà)面上被攝體是前面清晰而后面模糊，有的畫(huà)面上被攝 體是后面清晰而前面模糊，還有的畫(huà)面上是只有被攝體清晰而前 后者模糊，這些現(xiàn)象都是由鏡頭的景深特性造成的?？梢哉f(shuō)，景深原理在攝像上有著極其重要的作用。正確地理解和運(yùn)用景深， 將有助于拍出滿(mǎn)意的畫(huà)面。決定景深的主要因素有如下三個(gè)方面：光圈 在鏡頭焦距相同，拍攝距離相同時(shí)，光圈越小，景深 的范圍越大；光圈越大，景深的范圍越小。這是因?yàn)楣馊υ叫。?進(jìn)入鏡頭的光束越細(xì)，近軸效應(yīng)越明顯，光線會(huì)聚的角度就越

9、小。 這樣在成像面前后.會(huì)聚的光線將在成像面上留下更小的光斑， 使得原來(lái)離鏡頭較近和較遠(yuǎn)的不清晰景物具備了可以接受的清晰度。焦距 在光圈系數(shù)和拍攝距離都相同的情況下，鏡頭焦距越短，景深范圍越大；鏡頭焦越長(zhǎng)，景深范圍越小。這是因?yàn)榻咕喽痰溺R頭比起焦距長(zhǎng)的鏡頭，對(duì)來(lái)自前后不同距離上的景物的光線所形成的聚焦帶（焦深）要狹窄得很多，因此會(huì)有更多光斑進(jìn)入可接受的清晰度區(qū)域。物距 在鏡頭焦距和光圈系數(shù)都相等的情況下，物距越遠(yuǎn)， 景深范圍越大；物距越近，景深范圍越小。這是因?yàn)檫h(yuǎn)離鏡頭的 景物只需做很少的調(diào)節(jié)就能獲得清晰調(diào)焦，而且前后景物結(jié)焦點(diǎn) 被聚集得很緊密。這樣會(huì)使更多的光斑進(jìn)入可接受的清晰度區(qū) 域，因此

10、景深就增大。相反，對(duì)靠近鏡頭的景物調(diào)焦，由于擴(kuò)大 了前后結(jié)焦點(diǎn)的間隔，即焦深范圍擴(kuò)大了，因而使進(jìn)入可接受的 清晰度區(qū)域的光斑減少， 景深變小。由于這樣的原因，鏡頭的前 景深總是小于后景深。四、變焦距鏡頭及其原理攝像機(jī)的鏡頭可劃分為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長(zhǎng)焦距鏡頭和廣角鏡頭。以 16毫米的攝影機(jī)為例，其標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距是25毫米， 之所以將此焦確定為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距，其主要原因是這一焦距和人眼正常的水平視角（24 度）相似。在使用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭拍攝時(shí)，被攝對(duì)象的空間和透視關(guān)系與攝像者在尋像器中所見(jiàn)到的相同。焦距50 毫米以上稱(chēng)為長(zhǎng)焦距鏡頭，16 毫米以下的稱(chēng)為廣角鏡頭。攝像機(jī)劃分鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)基本與16 毫米攝影機(jī)相同。

11、但是，目前我國(guó)的電視攝像機(jī)大多只采用一個(gè)變焦距鏡頭，即一個(gè)透鏡系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)從“廣角鏡頭”到“標(biāo)準(zhǔn)鏡頭”以至“長(zhǎng)焦距鏡頭”的連續(xù)轉(zhuǎn)換，從而給攝像的操作帶來(lái)了極大的方便。距鏡頭的主要特點(diǎn)之一是具有在一定范圍內(nèi)邊疆改變焦距而成像面位置不變的性能，已成為家用攝像機(jī)上運(yùn)用最廣泛的鏡頭。變集中鏡頭由許多單透鏡組成。最簡(jiǎn)單的是由兩個(gè)凸透鏡組成的組合鏡?，F(xiàn)設(shè)定兩個(gè)透鏡之間的距離為X,通過(guò)實(shí)踐可以得知， 只要改變兩個(gè)凸透鏡之間的距離X 的長(zhǎng)短， 就能使組合透鏡的焦距發(fā)生變化。這是變焦距鏡頭的最基本原理。但是， 上述組合透鏡的缺點(diǎn)是，當(dāng)改變了 X的距離后，不僅使焦距發(fā)生了變化，而且成像面的位置也會(huì)有所改變。為了使成

12、像面的位置不變，還必須再增加幾組透鏡，并有規(guī)律地共同移動(dòng)。因此， 攝像機(jī)中的變焦距鏡頭至少要有三組組合透鏡，即調(diào)焦組、變焦組和像面補(bǔ)償組。如果因?yàn)橄窬嗵L(zhǎng)，成像面亮度不中，需要縮短像距時(shí)，還要再增加一組組合透鏡，這組透鏡叫物鏡組。圖五是變焦距鏡頭的結(jié)構(gòu)圖。變焦距鏡頭在變焦時(shí)，視角也發(fā)生了改變，但焦點(diǎn)位置與光圈開(kāi)度不變。通常所說(shuō)的鏡頭的就焦倍數(shù)，是指變焦距鏡頭的最長(zhǎng)焦距與最短焦距之比。目前， 在一些普及型的攝像機(jī)中，其變焦距鏡頭的變焦范圍大體上是從10 90（ mm） ，故其倍數(shù)約為6 8 倍。一些廣播級(jí)攝像機(jī)變焦距鏡頭的倍數(shù)約為14 15 倍。另外， 有些機(jī)器上還裝有一個(gè)變焦倍率器，使鏡頭焦距

13、可以在最長(zhǎng)焦距的基礎(chǔ)上增加一倍，從而延伸了鏡頭的長(zhǎng)焦范圍。但是，這種變倍裝置會(huì)影響圖像的質(zhì)量，使用時(shí)要格外謹(jǐn)慎。在實(shí)際拍攝時(shí)，當(dāng)把變焦距鏡頭從廣角端漸漸地變?yōu)殚L(zhǎng)焦端時(shí)， 其畫(huà)面的視覺(jué)效果好像是攝像機(jī)離這一景物越來(lái)越近，這種效果便是所謂的“推鏡頭”。相反的變化效果便是“拉鏡頭”。攝像機(jī)鏡頭進(jìn)行變焦距的變化有兩種控制方法，一是電動(dòng)變焦，二是手動(dòng)變焦。電動(dòng)變焦靠電動(dòng)推拉桿（T推-W拉）來(lái)控制，手在推拉桿上用力的大小可改變鏡頭運(yùn)動(dòng)的速度。電動(dòng)變焦的特點(diǎn)是鏡頭在推拉的過(guò)程中變化均勻。手動(dòng)變焦是通過(guò)直接用手撥動(dòng)變焦環(huán)實(shí)現(xiàn)的，手動(dòng)變焦一般是在鏡頭需要急速推拉時(shí)才能使用。變焦距鏡頭的操作有一定的難度，初學(xué)者會(huì)

14、更為明顯地感到困難， 這是因?yàn)橛绊懢劢骨逦囊蛩厝珑R頭焦距、光圈、 景深以及主體離攝像機(jī)的距離等可能同時(shí)都在變化。為了有效地解決這一問(wèn)題， 初學(xué)者可以在拍攝中把握這樣一點(diǎn)，即先用變焦距鏡頭最長(zhǎng)的焦距對(duì)準(zhǔn)被攝對(duì)象聚焦，然后再恢復(fù)到拍攝時(shí)所需要的焦距上，這樣就能保證被攝對(duì)象的清晰。變焦距鏡頭的結(jié)構(gòu)五、自動(dòng)聚焦及其原理當(dāng)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)被攝對(duì)象之后，攝像機(jī)本身自動(dòng)聚實(shí)焦點(diǎn)，而不用攝像者手動(dòng)調(diào)整，這便是自動(dòng)聚焦裝置（AF）在起作用。自動(dòng)聚焦裝置有四種工作方式，即紅外線或超聲波，經(jīng)被攝體返回來(lái)后， 再由攝像機(jī)的紅外線傳感器或超聲波傳感器接受下來(lái)，從而測(cè)定出距離，然后再根據(jù)測(cè)定的距離驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)的聚焦裝置聚實(shí)焦點(diǎn)

15、。 后兩種方式是應(yīng)用了三角形測(cè)量原理的測(cè)距儀來(lái)測(cè)定攝像機(jī)與被攝體之間的距離，然后將所測(cè)定的距離輸入攝像機(jī)內(nèi)的微處理機(jī)進(jìn)行演算，并控制鏡頭的聚焦馬達(dá)根據(jù)算出的距離聚實(shí)焦點(diǎn)。以上幾種方式的聚焦裝置，各有自己獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)，并都有較高的測(cè)量精度，分別被應(yīng)用在不同類(lèi)型的攝像機(jī)之中。但是，自動(dòng)聚焦裝置也有一定的局限性， 例如，當(dāng)一臺(tái)攝像機(jī)自動(dòng)聚焦裝 置的有效檢測(cè)角度只有 6度時(shí)，如果將變焦距鏡頭置于廣角段， 其畫(huà)面中央約1/6*1 /6的范圍是自動(dòng)焦點(diǎn)的檢測(cè)范圍。 也就是 說(shuō)，在這一范圍內(nèi)的物體的焦點(diǎn)能夠自動(dòng)聚實(shí)。如果將變焦距鏡頭置于長(zhǎng)焦段，畫(huà)面的大部分都在自動(dòng)焦點(diǎn)的檢測(cè)范圍內(nèi)。不同的攝像機(jī)有不同的有效檢測(cè)

16、角度，以松下M7攝像機(jī)為例，機(jī)身的尋像器中便設(shè)有類(lèi)似有效檢測(cè)角度的焦點(diǎn)區(qū)框。只要打開(kāi)攝像機(jī)，小焦點(diǎn)區(qū)框即會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)。 在這個(gè)焦點(diǎn)框內(nèi)，自動(dòng)聚焦裝置 會(huì)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)焦點(diǎn)調(diào)實(shí)。 這一小焦點(diǎn)適于在廣角端拍攝， 或拍 攝小目標(biāo)。如果用鏡頭的長(zhǎng)焦段拍攝， 要按動(dòng)焦點(diǎn)區(qū)調(diào)整鍵，焦 點(diǎn)區(qū)框會(huì)變大（圖7）,以使畫(huà)面中的大部分被攝對(duì)象被聚實(shí)焦在使用自動(dòng)聚焦的裝置時(shí)，當(dāng)被攝對(duì)象移出自動(dòng)焦點(diǎn)檢測(cè)范 圍，自動(dòng)焦點(diǎn)裝置將會(huì)自動(dòng)地將焦點(diǎn)改變而對(duì)準(zhǔn)在檢測(cè)范圍內(nèi)原 畫(huà)面背景的物體上。例如，攝像機(jī)拍攝一個(gè)人在畫(huà)面的中間朝右 側(cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，攝像機(jī)是以這個(gè)人為主要的檢測(cè)目標(biāo)將焦點(diǎn)聚實(shí) 的，當(dāng)這個(gè)人離開(kāi)畫(huà)面之后，自動(dòng)焦點(diǎn)裝置會(huì)將自動(dòng)

17、控制的焦點(diǎn) 從這個(gè)人的身上改變背景的物體上，也就是畫(huà)面的清晰度范圍發(fā) 生了變化。在攝像的實(shí)踐中，當(dāng)畫(huà)面中遠(yuǎn)近的被攝對(duì)象都在檢測(cè)范圍之 內(nèi)時(shí)；畫(huà)面的對(duì)比度不明顯時(shí)； 畫(huà)面具有等距的很細(xì)條狀的物體 時(shí)；當(dāng)被攝環(huán)境的光線照度不符合該攝像機(jī)最小的照明要求時(shí)， 自動(dòng)聚焦裝置往往會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的判斷。因此，在上述這些場(chǎng)合最好不要使用自動(dòng)聚焦裝置，而應(yīng)采取手動(dòng)的方式聚焦。彩色攝像機(jī)的基本原理與組成電視攝像機(jī)是將光像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，無(wú)論在廣播電視系統(tǒng)中還是在教育電視的系統(tǒng)中它都是最主要的信號(hào)源。 因此攝 像機(jī)的性能優(yōu)劣也就決定了電視圖像質(zhì)量的優(yōu)劣?？梢哉f(shuō)，電視攝像 機(jī)的發(fā)展歷史實(shí)際上就是性能不斷提高、

18、 功能的不斷完善、體積和重 量不斷減小的歷史。1 .彩色攝像機(jī)的基本原理我們知道，自然界中絕大部分彩色都可以通過(guò)紅、綠、藍(lán)三個(gè)基 色光的不同比例混合來(lái)獲得，這就是三基色原理。那么彩色攝像機(jī)就是根據(jù)這一原理首先將被攝景物中分出相對(duì)應(yīng)的紅、 綠、藍(lán)三種基色 光，這種系統(tǒng)稱(chēng)為分色系統(tǒng)。圖 31所示為目前較常用的分色棱鏡 系統(tǒng)。圖3 1經(jīng)過(guò)分色棱鏡后的三個(gè)基色光分別被三個(gè)攝像管攝取， 得到三個(gè) 基色圖像的電信號(hào)。然后將這三個(gè)電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)放大處理之后， 送 入編碼口。編碼口將三個(gè)基色信號(hào)編成一個(gè)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信 號(hào)。并按某一種電視制式的標(biāo)準(zhǔn)將信號(hào)組合成一個(gè)彩色電視信號(hào)輸 出。如圖32是三管（三片）式彩色攝像機(jī)的基本原理方框圖。可見(jiàn)，這種彩色攝像的方式實(shí)質(zhì)上就是先將彩色光像分解，再進(jìn) 行光電轉(zhuǎn)換，然后處理的過(guò)程。那么，根據(jù)對(duì)彩色光像分解的方式不由于單管式（單片式）只有一只攝像機(jī)元件，它們不能像按順序 依次取出的時(shí)間分離方式。因此采用將三基色光像按順序依次取出 的時(shí)間分離方式。單管（單片）式彩色攝像機(jī)主要在家用攝像機(jī)上 應(yīng)用。2 .彩色攝像機(jī)的基本組成。不同用途的電視攝像機(jī)雖然在外觀上相差很大，但其構(gòu)成卻大 同小異，主要由鏡頭、機(jī)身和尋象器三大部分組成，此外對(duì)便攜式 攝像機(jī)還有話筒、電池盒等，如圖 33所示。策統(tǒng)!、攝像器件、圖33由于教育電視近年來(lái)多采用便攜式彩色攝錄一體機(jī)，所以后