全媒体制播技术：模拟摄像机的镜头部分及自动光圈定焦镜头

摄像机虽然种类繁多，外观差异也很大，但它们的基本构成及工作原理都大致相同。从机械结构上说，镜头、机身和寻像器（VF）是构成摄像机的三个主要单元，如图3-11所示。

图3-11　摄像机基本结构

除此之外，便携式摄像机还需配备话筒、电池、背包录像机连接电缆等附件，演播室座机通常还配备有摄像机遥控器（CCU）、座机支架、长距离多芯电缆或光缆、变焦和调焦遥控杆、对讲耳机等附属设备和器件。

1.镜头

镜头可分为定焦距镜头和变焦距（变焦）镜头。

镜头部分由20～30片不同曲率的透镜和多个伺服电机（镜头伺服器）组成。镜头最基本的作用是将外界景物的光学影像经过选择后投射到摄像器件的感光面上成像。摄像机都采用变焦距镜头，这种镜头除了能改变光圈的大小和聚焦的远近外，还能方便地连续调节镜头焦距的长短。摄像机的镜头部分也常被称为外光学系统。

变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距，从而得到不同宽窄的视场角、不同大小的影像和不同景物范围的照相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。

（1）分类

摄像机镜头可按结构、视场、接口分类。

1）按结构分

固定光圈定焦镜头：镜头只有一个可以手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成像在CCD靶面上的图像最清晰。没有光圈调整环，光圈不能调整，进入镜头的光通量不能改变，只能通过改变视场的光照度来调整。结构简单，价格便宜。

手动光圈定焦镜头：手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，光圈范围一般从F1.2或F1.4到全关闭，能方便地适应被摄现场的光照度，光圈调整是通过手动人为进行的。光照度比较均匀，价格较便宜。

自动光圈定焦镜头：在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个齿轮传动的微型电机，并从驱动电路引出3或4芯屏蔽线，接到摄像机自动光圈接口座上。当进入镜头的光通量变化时，摄像机CCD靶面产生的电荷发生相应的变化，从而使视频信号电平发生变化，产生一个控制信号，传给自动光圈镜头，从而使镜头内的电机做相应的正向或反向转动，完成调整光圈大小的任务。

手动光圈手动变焦镜头：焦距可变的，有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其可变比一般为2～3倍，焦距一般为3.6～8mm。实际应用中，可通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择视场角。但是当摄像机安装位置固定以后，再频繁地手动调整变焦很不方便。因此，工程完工后，手动变焦镜头的焦距一般很少调整。仅起定焦镜头的作用。

自动光圈电动变焦镜头：与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机，其中一个电机与镜头的变焦环咬合，当其转动时可以控制镜头的焦距；另一电机与镜头的对焦环咬合，当其受控转动时可完成镜头的对焦。但是，由于增加了两个电机且镜片组数增多，镜头的体积也相应增大。

2）按视场大小分

摄像机镜头可分为小视场镜头、普通镜头（约50度左右）、广角镜头和特广角镜头（100-120度）等。

标准镜头：视角约50度，也是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角，所以又称为标准镜头。35mm相机的标准镜头的焦距多为40mm、50mm或55mm。120相机的标准镜头焦距多为80mm或75mm。CCD芯片越大则标准镜头的焦距越长。

广角镜头：视角90度以上，适用于拍摄距离近且范围大的景物，又能刻意夸大前景表现强烈远近感即透视。35mm相机的典型广角镜头是焦距28mm、视角为72度。120相机的50mm、40mm的镜头便相当于35mm相机的35mm、28mm的镜头。

长焦距镜头：适于拍摄距离远的景物，景深小容易使背景模糊主体突出，但体积笨重且对动态主体对焦不易。35mm相机长焦距镜头通常分为三级，135mm以下称中焦距，135-500mm称长焦距，500mm以上称超长焦距。120相机的150mm的镜头相当于35mm相机的105mm镜头。由于长焦距的镜头过于笨重，所以有望远镜头的设计，即在镜头后面加一副透镜，把镜头的主平面前移，便可用较短的镜体获得长焦距的效果。

反射式望远镜头：是另一种超望远镜头的设计，利用反射镜面来构成影像，但因设计的关系无法装设光圈，仅能以快门来调整曝光。

微距镜头（marco lens）：除作极近距离的微距摄影外，也可远摄。

3）按接口类型分

C型镜头：镜头基准面到焦平面（也就是CCD靶面）的距离为17.526mm或0.690in，称为法兰焦距，法兰焦距是指法兰到入射镜头的平行光的汇聚点之间的距离。

CS型镜头：镜头基准面到焦平面（也就是CCD靶面）的距离为12.5mm。

U型镜头：一种可变焦距的镜头，其法兰焦距为47.526mm或1.7913in。

特殊镜头：如显微放大系统。

要特别注意CS和C的差别，不同类型的camera和不同类型的Len连接时，要定制转接环。C型安装的摄像机可用CS型镜头，但必须加装5mm厚的接圈；CS安装的摄像机不能使用C型镜头，如图3-12所示。

图3-12　C接口与CS接口

（2）参数

1）焦距

焦距是镜头的一个基本特性，它可以决定影像的放大倍数和镜头所摄取的水平视场的大小。焦距是通过测量从镜头的光学中心到光线会聚在镜头后面可产生清晰影像的那个点的距离来确定的，就电视摄像机而言，这个点就是CCD的靶面。焦距越短，水平视场就越开阔，于是影像也就越小，水平视场随着焦距的增加而变窄，而被摄体则随之增大。

焦距是镜头最常用的参数，有3.5mm、4mm、6mm、8mm、12mm等多种规格（1/3”CCD的标准镜头为8mm）。

变焦距镜头的日常操作是调光圈和变、聚焦，变焦的目的是为了实现画面推拉或景物的变换，聚焦的目的是使被拍摄景物的图像最清晰。

光学变焦就是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小，如图3-13所示。

图3-13　焦距与成像

图3-13中，镜头到成像面的距离就是焦距。当改变焦点的位置时，焦距也会发生变化。例如将焦点向成像面反方向移动，则焦距会变长，图中的视角也会变小。这样，视角范围内的景物在成像面上会变得更大。

2）光圈

光圈是一个用来控制光线透过镜头、进入机身内CCD感光面的光通量的装置。

光圈是摄像机光学系统中专门设计的一个可以改变其中央通光孔径大小的孔径光阑。调节镜头光圈调节环，可以改变通光孔直径的大小，从而达到控制镜头光通量的目的。

F值一般称为光圈系数，它被标注在镜头的光圈调节环上，主要有1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16和22等序列值。注意：每两个相邻数值中，后一数值是前一数值的倍。由于像面亮度与光圈系数的平方成反比，所以光圈每变化一档，像面亮度就变化一倍。F值越小，表示光圈越大，透光能力越强，到达CCD芯片的光通量就越大。

例如f8调整到f5.6，进光量多一倍。

f值与进光量的关系如图3-14所示。

图3-14　f值与进光量的关系

每当镜头为一个被摄物调好焦点后，在该被摄物前后一段范围内的所有物体也是清晰的。这个调焦清晰的范围就叫作景深，它作为镜头的一种重要的光学特性可作为艺术创作的工具。当主被摄物体连同周围所有被摄物体都能聚焦清晰的空间很大时，就说这个镜头的景深大；如果该主被摄物体周围的这种空间不大，则称这个镜头的景深小。无论从艺术还是从技术的角度出发，景深都是很重要的。从艺术上说，景深在创作镜头的整个透视效果方面起着重要的作用；从技术上说，一个景深大的镜头，跟拍比较容易，如果景深小，那就要随着摄像机或被摄物体的移动而不断地调焦。

决定一个镜头的景深的三个要素是焦距、光圈和摄像机与被摄物的距离。镜头焦距越短景深越大，景深随焦距的增加而减小。镜头的光圈越小，景深就越大。被摄物与摄像机之间的距离越大，景深就越大。

光圈与景深的关系如图3-15所示。

图3-15　光圈与景深

此外，景深在主被摄物后边的距离大于前面的距离，也就是说，位于主被摄物后面的那些被摄物体的清晰聚焦范围大于其前面的范围。

为保证摄像机在不同光照强度下拍摄，景物图像达到正确曝光，应正确设置摄像机光圈装置，以控制镜头的进光量。

3）分辨率(www.xing528.com)

分辨率是指在像平面处1毫米内能分辨清楚的黑白相间的线条对数，单位是“线对/毫米”。CCD芯片的分辨率越高，要求镜头的分辨率也越高。

4）变形率

变形率的定义：用两张底片比较，一张是该镜头拍的底片（底片1），另一张是无变形的标准底片（底片2），两张底片的取景相同，中心严格一致，先在底片1上确定一点到底片中心点的距离（距离1），然后在底片2上找到对应的该点，并度量该点到中心点的距离（距离2），然后：（距离1-距离2）/距离2×100%

所有的镜头都存在变形现象，一般情况下，焦距越短的镜头，变形率越大。

（3）组成

变焦距镜头一般是由若干片透镜组成，主要由调焦组、变焦组、补偿组、光圈、移像组（又叫固定组）等单元构成，如图3-16所示。

图3-16　变焦镜头结构

每组透镜由多个不同曲率、不同材料的透镜组成，以校正镜头系统中的像差和色差。在设计变焦镜头时，通常把调焦组透镜固定，变焦组位置可变，便于改变两组透镜之间的距离，使焦距发生变化，但是成像面的位置也相应地有所变化。补偿组的作用是确保成像面位置不变，它随变焦组一起移动，以保证成像的清晰度不变。移像组是固定的，它可以将镜头的成像面后移一段距离，这段距离称为后焦距或后截距，以便在镜头和CCD之间安装色温滤色片和分色棱镜等。

2.寻像器

寻像器又称取景器，是摄像师聚焦和选景构图不可缺少的部件，其功能与照相机的取景器类似，只不过照相机的取景器一般是纯光学器件，而寻像器却是一只小小的电视监视器。另外，寻像器还可用来检查摄像机的工作状态和图像质量，以进行正确的调整和操作。便携式摄像机的寻像器显示屏对角线尺寸大多为1.5英寸，演播室摄像机采用的寻像器较大，一般有3英寸、5英寸、7英寸等几种。

3.机身

机身是摄像机的主体部分，机身内部包括滤色片、分光系统（也称内光学系统）、光电转换器件、视频处理放大器、同步信号发生器、编码器以及各种自动调整和控制电路等。典型的三片CCD摄像机的基本组成方框图如图3-17所示。

图3-17　三片CCD摄像机基本组成框图

三片摄像机的基本工作过程可概括为：被摄景物的光像通过变焦镜头进入分光系统，在这里被分解成红、绿、蓝三个基色光像，并分别成像在三个摄像器件的感光面上。三个摄像器件同时进行光电转换，分别输出相应的红、绿、蓝三基色电信号，它们经过放大处理后一起送入编码器，最终从编码器输出彩色全电视信号。

4.滤色片

滤色片包括中性滤色片、色温滤色片。

中性滤色片（ND）的作用：减少进入镜头的光通量，使强光下拍摄的图像具有丰富的层次和细节并能得到一定的艺术效果。中性滤色片只削弱光强而不改变色彩。

色温滤色片的作用：使摄像机适应多种色温的光源。利用色温滤色片的光谱响应特性，能补偿光源色温使其校正到接近演播室标准灯光的色温（3200K）

彩色摄像机在不同的光照条件下，拍摄同一景物时，屏幕上重现的图像色彩会有所不同。为了适应不同的照明条件，正确重现景物的色彩，必须对光源的色温进行校正。色温校正具体方法：就是在变焦镜头和分色棱镜之间加入色温滤色片，利用它的光谱特性，补偿色温不同所引起的重现色彩失真，把不同色温的光源转换成摄像机内部的标准色温。通常摄像机上的分色装置是以3200 K演播室卤钨灯光源为基准进行设计的。

5.分光系统

由于光线色彩不同，波长差异较大，对于专业级摄像机来说，为保证电路处理的效果，一般要用分光系统将入射光线分解成红、绿、蓝三种单色光。在摄像机的光学系统中常用的分光系统有双向分色镜系统和分色棱镜系统两种。

分色棱镜是一种常用的分光系统，其结构如图3-18所示。

图3-18　分色棱镜的结构

分光棱镜通常由三块或四块楔状多棱镜黏合而成，棱镜1和2的表面分别镀有多层干涉膜Mg和Mb，使第一分色面和第二分色面形成双向分色镜。利用光波干涉原理可使进入棱镜的绿光在第一个薄膜Mg表面反射出来，而红光和蓝光则透射过去；同理，第二个薄膜Mb表面使蓝光反射出来，红光透射过去。这样，就可将进入棱镜的光分解成红、绿、蓝三基色光。由于两个干涉膜的分光特性不可能完全符合设计要求，因此在分光棱镜的三个出口处各自固定了一个滤色片。分色棱镜系统体积小、结构紧凑、安装方便，广泛应用于摄像机中。

6.视频处理放大器

由于镜头、分光系统及摄像器件的特性都不是理想的，所以经过光电转换产生的三基色电信号不仅很弱，而且还存在很多缺陷，如图像细节信号弱、黑色不均匀、彩色不自然等，因此需要用专门的电路对三基色电信号进行放大并进行必要的校正和补偿，视频处理放大器就是为此目的而设立的，这部分电路的设计、调节以及稳定性对图像质量的影响很大。CCD输出的图像信号需经过一系列处理，包括预放、黑斑校正、增益提升、自动黑/白平衡、白斑校正、杂散光校正、黑电平建立、白压缩和γ预校正（或者预弯曲）、轮廓校正、彩色校正、γ校正等。

7.编码器

编码器的作用是将红、绿、蓝三基色信号编码成一个亮度信号和两个色差信号，并把它们按某一电视标准组合成一个彩色全电视信号输出。

摄像机中的编码器和彩色电视接收机中的解码器对信号的处理过程正好相反。PAL制电视的编码过程如图3-19所示。

图3-19　PAL制编码器框图

经过视频处理和放大的三基色电信号R、G、B首先进入编码矩阵，在这里编码成亮度信号Y和色差信号R-Y、B-Y。R-Y和B-Y信号通过低通滤波器进行频带压缩，然后进行正交平衡调幅。调幅之后的两个色差信号加在一起，并与延时后的亮度信号及复合同步信号相加，形成彩色全电视信号。

8.自动控制系统

摄像机的自动控制系统以单片机微处理器为基础，通过预先固化在微处理器内的控制程序实现对摄像机工作状态的自动控制、调整、显示、告警等功能。

自动控制系统的主要工作有自动白平衡、自动黑平衡、自动黑电平、自动光圈控制、自动聚焦、自动电池告警、自动低亮度指示等。在自动化程度高的摄像机中，视频处理放大器中各部分电路的工作状态都可以自动调节，甚至可以全自动拍摄。下面只对几个主要功能做一介绍。

（1）自动白平衡

白平衡：根据亮度方程，当摄像机拍摄白色物体时，输出的三个基色电压必须相等，这样在屏幕上才能重现出标准白，这种条件就称为摄像机的白平衡。

白平衡调整的原因：摄像机输出的三个基色电平不仅与摄像机本身的光谱响应特性有关，还与照射物体的光源的光谱功率分布有关，即与光源的色温有关。同一白色物体在白炽灯照明下，拍摄出的图像偏红，而在荧光灯照明下拍摄出的图像就可能偏蓝。为了消除光源色温变化所引起的重现图像偏色现象，可在电路系统中精确调整红、绿、蓝三路信号的相对增益，使输出三基色电压相等，从而使重现图像的颜色恢复标准白，这就是白平衡调整。

自动白平衡调整：指摄像机自动进行白平衡调整。其具体过程为：拍摄一白色物体后，扳动一下面板上的自动白平衡开关，这时自动控制系统就会通过视频处理放大器分别控制红路和蓝路的增益，最终使红、绿、蓝三路信号电平相等，从而实现白平衡。

（2）自动黑平衡

黑电平：没有光进入摄像机镜头时，红、绿、蓝三路的输出电平称为黑色电平，简称黑电平。一般将黑电平调节在白电平的2%～5%上，这个电平送到显示器上，可使屏幕刚刚不亮，呈现黑色。

黑平衡：若红、绿、蓝三路的黑色电平相等，则称为黑平衡。若拍摄时不满足黑平衡，则重现图像的黑色部分会出现偏色现象。

黑平衡调整的原因：①摄像机红、绿、蓝三路放大器的直流输出电平不同，造成三路信号黑电平不同；②三路摄像器件的暗电流不同也会造成三路信号黑电平不同。因此，需要进行黑平衡调整。

自动黑平衡调整：在盖上镜头盖或关闭光圈的情况下，先调节好绿路的黑电平，然后调节红路与蓝路的黑电平，使它们与绿路的黑电平相等，这样就实现了黑平衡。在实际操作中，只要扳动一下面板上的自动黑平衡开关，光圈就会自动关闭，三路信号在自动控制系统的控制下依次完成黑电平的调整，最后使三路黑电平相等，实现黑平衡。

（3）自动光圈控制

自动控制系统能根据所拍摄景物的光照情况自动调整光圈的大小，这称为自动光圈控制。自动光圈控制的基本工作原理是：由视频处理放大器输出的三基色信号获得图像亮度信息，用此信息产生控制电压，用以控制光圈电机的转动，从而调节光圈大小，使摄像机输出的图像信号峰峰值电平保持在0.7VPP，如图3-20所示。

图3-20　自动光圈控制电路

图3-20中，为了保证图像中心部分的景物亮度合适，加入窗口脉冲。窗口一般定在图像中心的圆形、方形或椭圆形区域内，在窗口脉冲作用下，只有窗口内的图像信号才能进入控制电压产生电路，输出光圈控制电压。P/A混合中，P是峰值电平，A是平均电平。电子开关接通比较放大器输出端为自动控制，接通CPU来的光圈控制数据（CCU送来）放大器输出端为手动控制，即由CCU面板进行手动控制。

9.同步信号发生器

同步信号发生器（即同步机）的作用是产生行推动（HD）脉冲、场推动（VD）脉冲、场识别（FLD）脉冲、复合消隐（BLK）脉冲、复合同步（S）脉冲、K脉冲、P脉冲、色副载波等定时和基准信号，用来供视频处理放大器、编码器以及光电转换器件使用。