摄像机原理及其应用

摄像机的工作原理及应用

1. 摄像机概述

摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置。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。

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。

景深原理在摄像上有着极其重要的作用。正确理解和运用景深，有助于拍出满意的画面。光圈、焦距和物距是决定景深的主要因素。变焦距镜头具有在一定范围内连续改变焦距而成像面位置不变的性能，已成为家用摄像机上运用最广泛的镜头。

自动聚集装置有四种工作方式，即红外线方式、超声波方式、海耐乌艾方式和佳能SST方式。它们都有较高的测量精度，分别被应用在不同类型的摄像机之中。

1. 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：光学系统（主要指镜头）、光电转换系统（主要指摄像管或固体摄像器件）以及电路系统（主要指视频处理电路）。

1. 1. 光学系统

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”。光电转换系统中的光敏原件会把“焦点”外的光学图像转变成携带电荷的电信号。这些电信号的作用是微弱的，必须经过电路系统进一步放大，形成符合特定技术要求的信号，并从摄像机中输出。

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”，有关这一部分的内容，将在第三章里介绍。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。

1. 1. 工作原理

当摄像机中的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。如果需要摄像机的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。

1. 1. 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，也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。因此说，镜头就是摄像机的眼睛。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。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，用以消减镜片与镜片之间所产生的色散现象，还能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。

摄像者在自学摄像的过程中，首先要熟知镜头的成像原理，它主要包括焦距、视角、视场和像场。

1. 1. 1. 焦距

焦距是焦点距离的简称。例如，把放大镜的一面对着太阳，另一面对着纸片，上下移动到一定的距离时，纸片上就会聚成一个很亮的光点，而且一会儿就能把纸片烧焦成小孔，故称之为“焦点”。从透镜中心到纸片的距离，就是透镜的焦点距离。对摄像机来说，焦距相当于从镜头“中心”到摄像管或固体摄像器件成像面的距离。

焦距是标志着光学镜头性能的重要数据之一，因为镜头拍摄影像的大小是受焦距控制的。在电视摄像的过程中，摄像者经常变换焦距来进行造型和构图，以形成多样化的视觉效果。例如，在对同一距离的同一目标拍摄时，镜头的焦距越长，镜头的水平视角越窄，拍摄到景物的范围也就越小；镜头的焦距越短，镜头的水平视角越宽，拍摄到的景物范围也就越大。

一个摄像机镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角。被摄对象透过镜头在焦点平面上结成可见影像所包括的面积，是镜头的视场。但是，视场上所呈现的影像，中心和边缘的清晰度和亮度不一样。中心部分及比较接近中心部分的影像清晰度较高，也较明亮；边缘部分的影像清晰度差，也暗得多。这边缘部分的影像，对摄像来说是不能用的。所以，在设计摄像机的镜头时，只采用视场。需要重点指出，摄像机最终拍摄画面的尺寸并不完全取决于镜头的像场尺寸。也就是说，镜头成像尺寸必须与摄像管或固体摄像器件成像面的最佳尺寸一致。

当摄像机镜头的成像尺寸被确定之后，对一个固定焦距的镜头来说则相对具有一个固定的视野，常用视场来表示视野的大小。它的规律是，焦距越短，视角和视场就越大。所以短焦距镜头又被称为广角镜头。

1. 1. 1. 景深

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。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。

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。可以说，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。决定景深的主要因素有如下三个方面：

1. 1. 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。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。

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。

1. 1. 1. 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。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。

1. 1. 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。以16毫米的摄影机为例，其标准镜头的焦距是25毫米，之所以将此焦确定为标准镜头的焦距，其主要原因是这一焦距和人眼正常的水平视角（24度）相似。在使用标准镜头拍摄时，被摄对象的空间和透视关系与摄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。摄像机划分镜头的标准基本与16毫米摄影机相同。但是，目前我国的电视摄像机大多只采用一个变焦距镜头，即一个透镜系统能实现从“广角镜头”到“标准镜头”以至“长焦距镜头”的连续转换，从而给摄像的操作带来了极大的方便。

距镜头的主要特点之一是具有在一定范围内边疆改变焦距而成像面位置不变的性能，已成为家用摄像机上运用最广泛的镜头。

变集中镜头由许多单透镜组成。最简单的是由两个凸透镜组成的组合镜。现设定两个透镜之间的距离为X，通过实践可以得知，只要改变两个凸透镜之间的距离X的长短，就能使组合透镜的焦距发生变化。这是变焦距镜头的最基本原理。但是，上述组合透镜的缺点是，当改变了X的距离后，不仅使焦距发生了变化，而且成像面的位置也会有所改变。为了使成像面的位置不变，还必须再增加几组透镜，并有规律地共同移动。因此，摄像机中的变焦距镜头至少要有三组组合透镜，即调焦组、变焦组和像面补偿组。如果因为像距太长，成像面亮度不中，需要缩短像距时，还要再增加一组组合透镜，这组透镜叫物镜组。

变焦距镜头在变焦时，视角也发生了改变，但焦点位置与光圈开度不变。通常所说的镜头的就焦倍数，是指变焦距镜头的最长焦距与最短焦距之比。目前，在一些普及型的摄像机中，其变焦距镜头的变焦范围大体上是从10－90（mm），故其倍数约为6－8倍。一些广播级摄像机变焦距镜头的倍数约为14－15倍。另外，有些机器上还装有一个变焦倍率器，使镜头焦距可以在最长焦距的基础上增加一倍，从而延伸了镜头的长焦范围。但是，这种变倍装置会影响图像的质量，使用时要格外谨慎。

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“推镜头”。相反的变化效果便是“拉镜头”。摄像机镜头进行变焦距的变化有两种控制方法，一是电动变焦，二是手动变焦。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。手动变焦是通过直接用手拨动变焦环实现的，手动变焦一般是在镜头需要急速推拉时才能使用。

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。为了有效地解决这一问题，初学者可以在拍摄中把握这样一点，即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。

1. 1. 自动聚焦及其原理

当摄像机对准被摄对象之后，摄像机本身自动聚实焦点，而不用摄像者手动调整，这便是自动聚焦装置（AF）在起作用。自动聚焦装置有四种工作方式，即红外线或超声波，经被摄体返回来后，再由摄像机的红外线传感器或超声波传感器接受下来，从而测定出距离，然后再根据测定的距离驱动摄像机的聚焦装置聚实焦点。后两种方式是应用了三角形测量原理的测距仪来测定摄像机与被摄体之间的距离，然后将所测定的距离输入摄像机内的微处理机进行演算，并控制镜头的聚焦马达根据算出的距离聚实焦点。

以上几种方式的聚焦装置，各有自己独具的优点，并都有较高的测量精度，分别被应用在不同类型的摄像机之中。但是，自动聚焦装置也有一定的局限性，例如，当一台摄像机自动聚焦装置的有效检测角度只有6度时，如果将变焦距镜头置于广角段，其画面中央约1／6*1／6的范围是自动焦点的检测范围。也就是说，在这一范围内的物体的焦点能够自动聚实。如果将变焦距镜头置于长焦段，画面的大部分都在自动焦点的检测范围内。不同的摄像机有不同的有效检测角度，以松下M7摄像机为例，机身的寻像器中便设有类似有效检测角度的焦点区框。只要打开摄像机，小焦点区框即会自动出现。在这个焦点框内，自动聚焦装置会自动对准目标焦点调实。这一小焦点适于在广角端拍摄，或拍摄小目标。如果用镜头的长焦段拍摄，要按动焦点区调整键，焦点区框会变大（图7），以使画面中的大部分被摄对象被聚实焦点。

在使用自动聚焦的装置时，当被摄对象移出自动焦点检测范围，自动焦点装置将会自动地将焦点改变而对准在检测范围内原画面背景的物体上。例如，摄像机拍摄一个人在画面的中间朝右侧运动，此时，摄像机是以这个人为主要的检测目标将焦点聚实的，当这个人离开画面之后，自动焦点装置会将自动控制的焦点从这个人的身上改变背景的物体上，也就是画面的清晰度范围发生了变化。

在摄像的实践中，当画面中远近的被摄对象都在检测范围之内时；画面的对比度不明显时；画面具有等距的很细条状的物体时；当被摄环境的光线照度不符合该摄像机最小的照明要求时，自动聚焦装置往往会发生错误的判断。因此，在上述这些场合最好不要使用自动聚焦装置，而应采取手动的方式聚焦。

1. 1. 彩色摄像机的基本原理与组成

电视摄像机是将光像转换成电信号的光电转换设备，无论在广播电视系统中还是在教育电视的系统中它都是最主要的信号源。因此摄像机的性能优劣也就决定了电视图像质量的优劣。可以说，电视摄像机的发展历史实际上就是性能不断提高、功能的不断完善、体积和重量不断减小的历史。

我们知道，自然界中绝大部分彩色都可以通过红、绿、蓝三个基色光的不同比例混合来获得，这就是三基色原理。那么彩色摄像机就是根据这一原理首先将被摄景物中分出相对应的红、绿、蓝三种基色光，这种系统称为分色系统。图3—1所示为目前较常用的分色棱镜系统。

图3—1

经过分色棱镜后的三个基色光分别被三个摄像管摄取，得到三个基色图像的电信号。然后将这三个电信号分别经过放大处理之后，送入编码口。编码口将三个基色信号编成一个亮度信号和两个色差信号。并按某一种电视制式的标准将信号组合成一个彩色电视信号输出。如图3—2是三管（三片）式彩色摄像机的基本原理方框图。

图3—2

可见，这种彩色摄像的方式实质上就是先将彩色光像分解，再进行光电转换，然后处理的过程。那么，根据对彩色光像分解的方式不同，长生了不同类型的彩色摄像机。它们是：

由于单管式（单片式）只有一只摄像机元件，它们不能像按顺序依次取出的时间分离方式。因此采用将三基色光像按顺序依次取出的时间分离方式。单管（单片）式彩色摄像机主要在家用摄像机上应用。

1. 1. 彩色摄像机的基本组成

不同用途的电视摄像机虽然在外观上相差很大，但其构成却大同小异，主要由镜头、机身和寻象器三大部分组成，此外对便携式摄像机还有话筒、电池盒等，如图3—3所示。

图3—3

由于教育电视近年来多采用便携式彩色摄录一体机，所以后面举例都以便携式为主。

1. 1. 1. 镜头

镜头是由许多光学玻璃镜片、镜头和多个伺副服电机等部分组成的光学装置。

如图3—4。

图3—4

1. 1. 1. 机身

 机身是摄像机的主体部分，机身内部包括有分光系统、摄像器件、视频信号处理电路、编码器以及各种自动调整和控制电路等等。对于摄录一体机来说，机身的大部分是录像机的部分，并且可以自由拆卸。如图3—5。

1. 1. 1. 寻象器

寻象器实质上是摄像机的“取景框”，它是摄像师聚焦和选景构图必不可少的部件。摄像机的寻象器完全不同于照相机的取景器，照相机的取景器一般只是纯光学件，而寻象器却是一只小小的监视器，因而它被称为“电子寻象器”。便携式摄像机的寻象器屏幕较小，一般1.5英寸；演播室摄像机的寻象器则较大，一般在5英寸左右，固定在机身顶部。如图3—6。