摄像机构造和功能简介

无论是复杂的数字摄像机、单反相机，还是手机，其摄像系统的基本结构和工作原理都是相似的。下面我们来看看摄像机是由什么器件构成，又是如何工作的。

摄像机大体上是由光学系统、光—电转换系统、图像信号处理系统以及一些附件辅助系统构成的。而且，所有的摄像机都以相同的原理工作，并实现同样的功能，也就是完成光的分解和光—电转换。具体来说是这样的，首先，利用三基色原理把彩色景物的光像分解为红、绿、蓝三种基色光像，再由CCD等感光元件将不同光谱成分和明暗程度的光信号转换成电信号；然后，通过各种电路进行信号的加工和处理；最后，形成视频信号输出或记录在磁带、磁卡上。

（一）摄像机的光学系统

在摄像机的光学系统里，最重要的就是镜头和分色棱镜。

1.镜头

摄像机的镜头一般是由若干组透镜组成的，其主要功能是将被摄体反射过来的光汇聚在成像元件上。一般在专业摄像机镜头前安装有遮光罩，一是防止杂光射在镜头表面形成光晕，影响画面质量；二是有助于在搬运摄像机时保护镜头。镜头可分为定焦距镜头和变焦镜头。定焦距镜头的焦距是固定的，又可分为标准镜头、长焦距镜头和短焦距镜头。长焦距镜头也就是望远镜头，短焦距镜头也就是广角镜头。而变焦镜头则是把这两类镜头组合在一起，并可以根据需要在不同的焦距区域之间连续变化，变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比就是我们所说的变焦倍数。

（1）镜头焦距

镜头的一个基本特性是焦距，焦距是物理学上的一个专业术语，是指从镜头的光学中心到镜头的影像聚焦的距离。它可以决定影像的放大倍数和镜头所摄的水平视角的大小。焦距愈短，水平视角就愈开阔，影像也就愈小。标准镜头拍出的景物的大小、比例、距离感与人眼直接看到的景物最接近。短焦距镜头拍出的景物比标准镜头小而远，但可视范围广、视角大。长焦距镜头可以把远处的景物拉近、放大，但视角小。对变焦镜头而言，镜头可从其最大的视角到其最小的视角范围内连续变化，视角随着焦距变化而反向变化，即随着焦距的增大而变小，随着焦距的减小而变大；被摄物体的成像却随着焦距的变化而正向变化，即随着焦距的增大而变大，随着焦距的减小而变小。变焦镜头可以从任一种焦距开始，以任意速度连续改变镜头焦距，从而可以连续改变成像和视阈大小，连续变化的推拉镜头就是通过焦距连续变大和变小来实现的。镜头焦距及其特性，如图1-9所示。

图1-9　镜头焦距及其特性

由于被摄对象与镜头之间的距离随时都在改变，所以，必须随时调节镜头焦距，以确保准确成像。变焦镜头最前面的一组镜片就是聚焦用的，旋转其外环就可以进行焦距调整，而且可以看到对应的焦距长度，如图1-10所示。对变焦镜头最基本的要求是变焦时图像的亮度和清晰度不变。所有镜头均有一个最小的拍摄距离，也就是被摄体和镜头之间可以允许的最短距离，在此距离以上才能获得对焦清晰的图像。

图1-10　镜头上的变焦环和聚焦环

镜头上除了变焦环外，还有一个转环是聚焦环，聚焦分为自动聚焦和手动聚焦两种模式，摄像机上有AF和MF两个控制键进行选择。自动聚焦模式下不要转动聚焦环；手动聚焦模式时可以转动聚焦环来聚焦，使图像清晰。我们可以通过操作聚焦环来拍摄模糊渐变画面，城市的夜晚，霓虹闪烁，车灯、路灯、广告灯等由模糊变清晰，一幢大楼、一条马路、一座城市逐渐展现在我们面前，这样的镜头常常用来作为开场镜头使用，吸引我们的目光。

（2）光圈(www.xing528.com)

镜头还有一个重要器件就是光圈，光圈决定着镜头的进光量。当外面光线过强时，应适当缩小光圈；当光线太弱时，应适当增大光圈。其目的是让通过镜头的光线强度保持稳定，从而使得到的图像不致过亮或过暗，保持适当的层次。光圈有一组可调整的光阑，它们的张开或缩小便可以控制曝光量。光圈孔径的大小以光圈系数来界定，我们可以在光圈环上看到代表光圈系数的数字（1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22），如图1-11所示。这些看似互不相干的系数其实是有规律可循的，后一个系数是前一个系数与的乘积。每个光圈系数都代表左边相邻光圈系数的光量的一半，代表右边相邻光圈系数的光量的两倍，具体来说，光圈系数为8时的进光量是光圈系数为5.6时的一半，是光圈系数为11时的两倍。由此来看，光圈系数和光圈孔径成反比，也就是说，光圈系数越大，实际上光圈孔径越小，进光量越少。

图1-11　镜头光圈系数

（3）滤镜

摄像机通常安装有ND镜，又叫“中灰密度镜”，一般位于机身左侧靠近镜头的位置，它的作用是减弱光线，避免过曝。而且，它可以均匀减少镜头进光量，而不改变景物原本颜色和反差。ND镜有多种密度可供选择，比如，有的摄像机的ND镜有1、2、3和OFF挡，在室内拍摄时，一般要把ND镜调到OFF的位置，在室内开ND镜会造成画面噪点变多，画质下降；在室外拍摄时，一般要按照液晶屏的提示打开ND镜，例如，如果需要在阳光强烈的室外拍摄，又或者需要在正常光线条件下用较长的曝光时间，以慢速快门拍摄瀑布以表现出虚化的水流等特殊效果，都需要ND镜。总之，ND镜的正确使用是摄像机达到最佳画质的条件之一。

我们知道，数码相机的镜头一般都是可以更换的，有些相机还可以安装一些具有特殊功能的滤镜，比如UV镜、偏振镜、星光镜等，大部分滤镜装在镜头前端，上面有螺纹，拧上去就行；也有一些滤镜装在镜头后面，需要把镜头取下来才能装；另外，还有一些镜头是不能装滤镜的，比如一般鱼眼镜头前镜片甚至突出镜筒，没地方装滤镜。

2.分色棱镜

分色棱镜也就是红绿蓝分光装置，我们从摄像机的外观上是看不见的，这一装置与三基色原理有关。在棱镜实验中，白光通过棱镜折射成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光，就是可见光谱。其中，人眼对红、绿、蓝三种光最为敏感，人眼就像一个三色接受体系，大多数光可以通过红、绿、蓝按不同的比例混合而成。同样，绝大多数单色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。这一根据人眼彩色视觉特性总结出的重现彩色感觉和混合色彩的规律就是三基色原理。自然界景物的影像都可以用不同强度和不同比例的红、绿、蓝三个基色表现，这样便于电子电路进行处理和节省传送宽带。摄像机的分色装置就是完成这个功能。它把镜头传来的光束分解为红、绿、蓝三个基色光束，并分别投向各自的摄像器件的成像面上。分色装置多采用分色棱镜，由三块棱镜（如图1-12所示：A、B、C）黏合而成，由于不同棱镜表面的分色膜有不同的厚度和折射率，它可以反射一些波长的光，而透过一些波长的光，从而起到分色作用。

图1-12　分色棱镜

（二）光—电转换系统

下面我们再来简单了解一下摄像机的光—电转换系统，也就是我们前面讲过的摄像管或者CCD等感光元件，这套系统是摄像机机身的核心部件，拿CCD来说，它的全称是电荷耦合器件，外界景物通过镜头所成的像恰好落在摄像器件的感光面上，感光面上排列着许多感光小单元，就是我们熟悉的像素，每个像素都可以把感知到的光线变成电信号。单位面积的像素越多，分辨图像的能力越强，图像的清晰度也就越高。摄像器件的各个像素将产生与被摄物体相对应的图像电信号，其中包含亮度、对比度和色度等各种信息。图像亮度是指整个图像的明暗程度；图像对比度是指图像中亮暗部分的对比程度，还有黑白反差度；图像色度包括色调和饱和度，其中，色调表示图像的颜色，饱和度表示颜色的浓淡深浅。光—电转换系统很重要，但是我们在使用摄像机时是不用操作它的，不过在选购摄像机的时候要注意相关的性能。

摄像机的图像信号处理系统主要是一些电路，虽然也看不见，但是操作的时候我们需要进行一些调整或处理，其中最重要的就是白平衡的调整，由于这个问题非常系统和复杂，我们将在下文进行专门的、详细的介绍。

（三）附件

摄像机还包括一些其他的附件，比如寻像器、液晶显示器、三脚架、话筒、充电器和电池、磁卡、读卡器、铝箱或摄影包等。