攝像機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)

1、3.2攝像機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)是攝像機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)光學(xué)系統(tǒng)的基本組成。外光學(xué)樂(lè)紙 1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(bǔ)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(bǔ)償方法。 進(jìn)而了解攝像機(jī)光學(xué) 系統(tǒng)如何解決了透鏡質(zhì)量問(wèn)題。1. 球差

2、為凸透鏡孔徑較大時(shí)，從軸上物點(diǎn)P發(fā)出的單色光束。通過(guò)透鏡 時(shí)，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(guò)邊緣部分的光線(xiàn)比近軸光線(xiàn)折射的嚴(yán)重，致使邊緣部分的光線(xiàn)含聚于焦點(diǎn) F之前的F的點(diǎn)，因此在焦點(diǎn)處形成了一個(gè)中心亮、邊緣模糊的小圖 盤(pán)，而不是很清晰的小亮點(diǎn)，這樣的像差稱(chēng)為球差。如圖38。圖3 82. 色差如圖39,軸上一點(diǎn)P發(fā)出的光為復(fù)色光，由于玻璃對(duì)不同波長(zhǎng) 的光折射率略有不同，因此不同波長(zhǎng)的光不能會(huì)聚于一點(diǎn)， 如圖上藍(lán) 光因波長(zhǎng)較短成像于QF點(diǎn)，而紅光因波長(zhǎng)較長(zhǎng)成像于 Q點(diǎn)。這樣形 成的像差稱(chēng)為色差，表現(xiàn)為圖像邊緣有彩色鑲邊。3像的幾何失真這種失真影響像與物的幾何相似性， 一般有

3、桶形失真和枕形失真。 1)桶形失真這種失真也稱(chēng)正失真，它是由于在物與透鏡之間放置了一個(gè)光闌而形 成的像差。其特點(diǎn)是整個(gè)像面的四個(gè)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(chēng)負(fù)失真，它是固在透鏡與像點(diǎn)之間放了一個(gè)光闌而 形成的像差。其特點(diǎn)是整個(gè)像面的四個(gè)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(bǔ)償凹透鏡也會(huì)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(duì)邊緣光線(xiàn)的外折射較大， 正好可以補(bǔ)償凸透鏡的球 差，如圖312又如凹透鏡對(duì)復(fù)色光中的波長(zhǎng)較短的光向外折射大，正好補(bǔ)償凸 透鏡的色差，如圖313o因此，只要將凹透鏡與凸透鏡適

4、當(dāng)?shù)慕M合起來(lái)， 既可以消除像差, 又不含改變透鏡成像的功能。如圖 314,為實(shí)際使用的雙透鏡組和 膠合雙透鏡。5. 幾何失真補(bǔ)償我們看到，當(dāng)光闌位置不同時(shí)，透鏡產(chǎn)生的失真正相反。如果把 光闌放在兩個(gè)透鏡中間，則兩個(gè)透鏡產(chǎn)生的失真相互抵消。二.變焦距鏡頭用攝像機(jī)拍攝景物時(shí)，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(xiě)等不同的場(chǎng)面； 有時(shí)要跟蹤拍攝 活動(dòng)的圖像時(shí)，又希望活動(dòng)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(lái)彩色攝像機(jī)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(jī)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(shí)，有

5、：1. 成像面與焦距的關(guān)系為：1/f=1/s=1/s式中：S物距；s像距；f 焦距。由于一般物距s焦距f,所以上式近似為：s = f（ 3 1）即攝像管的靶面位置s 近似等于焦點(diǎn)f,而且當(dāng)f改變時(shí)，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（ 3 1）式代入，則有：m=f/s（3 2）即放大率是焦距與物距的函數(shù)。當(dāng) s二常數(shù)時(shí)，m與f成正比，即 像大小隨焦距f變化。因此在拍攝活動(dòng)景物時(shí)，為使成像大小不變， 在景物遠(yuǎn)時(shí)（s大），拉長(zhǎng)焦距（f f）;當(dāng)景物近時(shí)（s 小）,應(yīng)縮短 焦距（f J）3. 視場(chǎng)角與焦距的關(guān)系視場(chǎng)角即拍攝范圍，它是在鏡頭主平面的軸

6、心處看景物或像的線(xiàn) 長(zhǎng)度（H或H2）時(shí)所張的角度，如圖315中的B角。由正切函數(shù)和反函數(shù)的關(guān)系，求出B角：-1-1,0 =2tg H/2S=2tg H2/2S已知S二f代入：則-10 =2tg H2/2f（3 3）即當(dāng)成像大小H2確定后，視場(chǎng)角0就只于焦距f有關(guān)。若f短， 則視場(chǎng)角0大，拍攝范圍大，相當(dāng)于拍全景；若 f長(zhǎng)，貝“0小，拍攝 范圍小，相當(dāng)于拍特寫(xiě)。4像面照度與焦距和透鏡孔徑的關(guān)系當(dāng)物距S二常數(shù)，透鏡孔徑也不變時(shí)，則進(jìn)入的光道量不變，根 據(jù)m=f/s可知，f越長(zhǎng)，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(qiáng)，照度就 大，反之則小。為了控制光通

7、量的大小，人們?cè)O(shè)計(jì)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大小，如圖 316所示。圖 3 16光圈與鏡頭的關(guān)系如圖317所示。光圈的直徑d使鏡頭實(shí)際圖 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，2即 Ex (D/f)(34)D/f 稱(chēng)為透鏡的相對(duì)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(lái)標(biāo)記光圈大 小，稱(chēng)為光圈指數(shù)F。則有2 2Ex (D/f) x 1/F(35)上式說(shuō)明F值越小(光圈越大)，透光能力越強(qiáng)。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

8、晰的像，這個(gè)范圍所對(duì)應(yīng)的“空間深度”稱(chēng)為景深，如圖318中的 S.圖 318圖中 S=A$+ S, S 前景深， S?后景深。若被攝景物 平面在A處，則像面A前后的BC的范圍都可得到清晰的像， B C這段距離稱(chēng)為焦深。設(shè)y等于像平面上尚可被認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)的最大直徑，當(dāng)Sf時(shí)，有2 S二ys/Df(3 6)同樣可以求出 5,而厶S=A$+ S2.由公式(36)分析： 當(dāng)物距S一定，D為一定值時(shí)，f越小(短 焦距)，景深 S越大；f越大(長(zhǎng)焦距)，景深越小。又知， S與 S成正比，既物越遠(yuǎn)，景深越大。還有，當(dāng) f不變、S不變時(shí)，D越 小(光圈越小，F(xiàn)數(shù)值大)，景深越大。6. 變焦距鏡頭最簡(jiǎn)單的變焦透

9、鏡是由兩個(gè)凸透鏡組成的， 如圖319,兩個(gè)單透 鏡的焦距分別為f 1和f2,兩者之間距離為d,根據(jù)幾何光學(xué)原理可知 組合透鏡的等效焦距f由fl、f2和d三者共同決定，并有如下關(guān)系：1/f=1/f i+1/f 2-d/f 1 f2(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)。為了直觀反映鏡頭變焦能力的大小，我們把最長(zhǎng)焦距與最短焦距 之比稱(chēng)為變焦比，n二最長(zhǎng)焦距/最短焦距-變焦比。并用變焦比和最短焦距來(lái)表示變焦特性。如佳能公司的J14X 9BIE鏡頭：J14變焦比； 9BIE最短焦距為9mm最長(zhǎng)焦距可算出來(lái)，14X 9=126mm即變焦 范圍

10、 9mnr 126mm實(shí)際的攝像機(jī)變焦鏡頭是由很多片透鏡組成的，如圖3 20。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(bǔ)償組和移項(xiàng) 組等四組。(1) 調(diào)焦組圖中“T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(shí)鏡片位置改變，從而改變成像景物的物距。(2) 變焦組變焦組用來(lái)改變鏡頭的焦距，轉(zhuǎn)動(dòng)鏡頭外部的變焦環(huán)，可以使 變焦組鏡頭有規(guī)律移動(dòng)，通過(guò)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(shuō)，當(dāng)景物與攝像機(jī)之間距離不變時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)變焦環(huán) 使f變長(zhǎng)，則景物范圍減小，像變大似乎攝像機(jī)被推近景物；反之， 當(dāng)f變短，則景物范圍擴(kuò)大，像變小，似乎攝像機(jī)被拉遠(yuǎn)了景物。(3) 補(bǔ)償組變焦

11、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(guò) 程中似乎要保持圖像清晰。但是移動(dòng)變焦時(shí)，雖然 f發(fā)生變化，但成 像的位置也發(fā)生變化，即焦距發(fā)生變化。為解決這個(gè)問(wèn)題，加入補(bǔ)償 組鏡片，使其隨變焦鏡片移動(dòng)而作相應(yīng)的移動(dòng)， 以保持像平面基本不 變，使人查覺(jué)不出圖像清晰度的變化。(4) 移像組因?yàn)樵阽R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(chēng)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(jī)有哪幾個(gè)部分組成？每個(gè)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(bǔ)償？3、證明為什么要用一個(gè)凸透鏡和一個(gè)凹透鏡

12、來(lái)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(lái)的光通過(guò)變焦鏡頭后就進(jìn)入了分光系統(tǒng)，分成紅、 綠、藍(lán)三束光，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?cè)谕该髌桨宀Ａ希?稱(chēng)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(chēng)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(guò)。 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(guò) 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

13、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(guò)鏡 片II的綠色光譜則直射進(jìn)入綠色攝像管靶面。平板分色系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其光學(xué)結(jié)構(gòu)松散，光能損失較大,因此在三管機(jī)或三片機(jī)中通常采用結(jié)構(gòu)牢固的分光棱鏡系統(tǒng)圖 3 212.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(shí)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(shí)，只有綠色光被反射，而 其它光譜透過(guò)，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

14、，于是綠光經(jīng)過(guò)綠色片 Fg （或叫譜帶校正片）再次過(guò)濾 后進(jìn)入攝像管G。當(dāng)透過(guò)Mg的光投射到分色膜Mb上時(shí)，藍(lán)光B被反射而余下的 紅光透過(guò)，被反射的藍(lán)光在界面（2） 上全反射后經(jīng)濾色片 FB過(guò)濾 到達(dá)攝像管B。透過(guò)Mb的紅光直接穿過(guò)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(zhǎng)，所以在 Mb之后加了棱鏡III。由于兩個(gè)分色薄膜的分光特性不可能完全符合設(shè)計(jì)要求，所以在 分光棱鏡的三個(gè)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。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(jī)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(lái)補(bǔ)償因光源色溫不同引起光譜特性 的變化。圖3 23,表示校正原理。目前的彩色攝像機(jī)都是按照 3200K照 明色溫調(diào)整的，其光譜特性如圖中直線(xiàn)，當(dāng)光源色溫為4800K時(shí),其光譜中藍(lán)色成分偏高，則攝像光譜特性如曲線(xiàn)；如果插入光譜特