摄像机镜头的光学特性

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1、 摄像机镜头的光学特性摄像机镜头的光学特性 第一章 摄像机变焦镜头的功能 1. 基本原和结构 2. 变焦和视角的变化 3. 景深和焦深 第二章 摄像机变焦镜头的光学特性 1. 画面尺寸 2. 焦距 3. 视角和视野 4. 变焦比 5. 影像 (光阑指数和 T制光阑) 6. 斜波 (光阑指数) 7. 最小物距 8. 后基距，后焦距和后截距 9. 镜片补偿 10. 出射光瞳 11. 相对照 12. 分解和调制传递函数 (MTF) 13. 色差 14. 赛徳尔偏差 15. 超近拍摄机构 16. 扩展器机构第一章第一章 摄像机变焦镜头的功能摄像机变焦镜头的功能 1. 基本原和结构基本原和结构 变焦镜文

2、能在保持聚焦的同时使焦距连续变化， 相应地，图像的大小也在连续变化。用单镜头 时，要改变图像的大小，只能改变物体到镜头的 距离，然而这样的话，图像的位置也变。如困 把两个能连续移动的镜头配合来使用，那么在改 变图像大小的同时，仍能保持聚焦 (见图 1)。 电视摄像机变焦镜头的结构很复杂，但基本原 就是移动透镜系统的一分以改变图像大小，由此 而帶来的散焦通过移动透镜系统的另一部分加以 补偿。基本型式如图 2 和图 3 所示。 图 1. 双透镜变焦镜头的结构 图 2 所示结构的镜文中各透镜组的功能如下： 1. 聚焦组聚焦组 聚焦组的作用是把物体进焦区內。 2. 变焦组变焦组 用来改变图像的大小。

3、3. 补偿组补偿组 与变焦组联动，能修正焦点的沶移。 镜组 1-3是变焦镜头的核心，称变焦单元。 4. 正像镜组正像镜组 通过这组透镜使聚焦单元形式的图像平于光轴，鏡组 1到 4 又被称为远焦系统。 5. 中继镜组中继镜组 由于远焦镜组能汇聚光线，因而在它的后面安裝中继镜组使物体在特定的范围成像。 为在变焦过程中得到清晰的图像，必須对变焦镜文的偏差加以适当修正。来自物体的光 线通过各组透镜时，光非常复杂并随调焦而变化。在总焦距內，各组透镜內出现的误差必須尽可 能小。在各自鏡组內未能修正的偏差在同的鏡组之间得到平衡以抵消误差。电摄像机的变焦镜 头通常由一系透镜组合而成以修正误差，透镜的数比其他形

4、式的照相机要多。 设计变焦镜头需要很强的光程跟踪和性能评定能，这就必須采用专有的计算机辅助设计 和计算机光学模拟技术。能满足最新型电视摄像机的质和性能要求的镜头，必須在具有坚实的设 计、制造的技术的基础上，才能生产出来。 2. 变焦和视角的变化变焦和视角的变化 变焦镜头的拍摄范围可以通过调节焦距而改变。短焦距的鏡头(广角镜头)有宽的视角。用 广角镜头拍摄到的图像，由于远的和近的景物同时被摄人，所以大好的景深透视感。与此相反，长 焦距的镜头(望远镜头)视角小，物体显得大。这可用来把远处的物体放大在固定的取景框得到大 的图像。望远镜头因景深透视效果低，只能得到一个比较平面的图像。 3. 景深和焦深

5、景深和焦深 透镜光轴上的物体在成像面上成像。一定大小的物体显现在成像面上，好象把出现在聚焦 点前后某一范围內的物体都聚焦。相应地，如果成像面上散焦区在某一尺寸之內，那在人眼看来 就都是焦点清晰的。这个区域的直径被称为容许模糊圈。(请参见图 5) 在电视摄像机镜头中，容许模糊圈的直径可由扫描线的宽大致决定，从而也与图像尺寸 有并，还受机器性能和操作条件的影响。 在光轴上出现在像前后一定区域內，其散焦程小于容许模糊圈，这段距离叫做焦深。同焦深相对 应的景物的尺寸范围，称为景深。景深之內的物体，都会显现在焦点上。 景深有下性质： 1. 随光阑指数的增大而增大。 2. 随焦距的增大而减小。 3. 景物

6、越远，景深越大。 4. 景深在物体后面的部分大于前面的部分。 景深可由下面公式计算：设 F = 透镜的焦距，FNo. = 光阑指数， = 容许模糊圈，L = 物距： 第二章第二章 摄像机变焦镜头的光学特性摄像机变焦镜头的光学特性 1. 画面尺寸画面尺寸 镜头把影像成在圓形的区域，这个圓形区域叫像圈。在电视摄像机，摄像器 件用一个矩形的敏感区 (图像尺寸)检测产生在线圈的影像。摄像机有好几种类型的 掫像器件，图像尺寸也一样，有一系变焦镜头与之匹配。 电视画面中水平长与垂直高之比叫高宽比，这个比在普通的电视广播中是 4:3 (H:V)，在高清晰电视(HDTV)中是 16:9 (H:V)。 图 6.

7、 图像尺寸 2. 焦距焦距 平入射光通过凸透镜后汇聚在光轴上的一点，焦点到光心的距离就是焦距。对 单个的薄透镜，焦距等于其几何中心到焦点的距离。 图 7. 焦距 3. 视角和视野视角和视野 视角就是能夠从透镜中得到确定影像的这样一个范围，通常用角表示，一般测 视角时假定透镜焦在无限远处。知道焦距和像高可计算出视角。 如果物距确定，那就用视而用视野，即实际能拍摄到的轮尺寸。 注：变焦镜头的焦距在聚焦镜组移动时伝有少许变化，物距 (l) 是从透镜的几何中心起 测，由于这些原因，用上面公式计算出的结果，当物距较小時，会帯有一定的误差。 Fujinon 视野计算器是一组动标尺，公式的计算值都能在上面找

8、到，使用户 用繁琐的计算就能得到视野和视角的值，并很容的换算到同图像尺寸。 4. 变焦距变焦距 变焦心即是变焦镜头在最远和最近两端的焦距比。变焦镜头在物体动的情况下 能使显示器的影像改变多大幅，取决于变焦比。 5. 影像影像 (光阑指数和光阑指数和 T 制光阑)制光阑) 光阑指数 (F) 是影像的一个表征，数值越小，越高。F 与有效镜头直 径成反比，与焦距成正比。 FNo. = f/D f = 透镜的焦距 D = 有效镜头直径 FNo. = 光阑指数 (影像) 镜头上光圈的刻按2 倍变化，因为照在镜头上的光的与光通的橫截面 积 (直径的平方) 成正比。换话说，光阑指数增大一个刻，影像减少一半。

9、 光阑指数是假设镜头的透射为 100%时确定的，实际上同的镜头透射各相同， 这样，同一个光阑指数可能对应同的影像。为消除，建一个综合考虑 到光阑指数和光透射比的系统，即 T 制光阑，它和光阑指数的并系如下： Tno. = Fno./（透射率%） x 10 6. 斜波 (光阑指数)斜波 (光阑指数) 当变焦镜头的光阑幵到最大时，焦距得越长，像场照越低，这个现象称作斜 波。出现这种现象的原因是，当光阑口径与前组透镜的直径相同时，光通能再增 加，这时，焦距得越长，则光阑指数越大，像场照越低。 为防止出现斜波，前组透镜的口径一定要大于长焦端入射光瞳的直径。实际上， 为减小机器的总体积和重，出现一定的斜

10、波是允许的。前组镜头的口径被限定在一 定范围內以使整个镜头做得小。斜波的程和无斜波时焦距是评价一个镜头的价值 和实际用途的重要因素。 7. 最小物距最小物距 最小物距(M.O.D)指镜头所能拍摄的最近的物体，它从镜头最前面镜片的最高点 算起。一般使携式变焦镜头的最小物距大些；演播室专业用的广角变焦镜头的最小 距小些。这是由聚焦透镜组的结构同所至。 8. 后基距，后焦距和后截距后基距，后焦距和后截距 从镜头的安装基准面到成像面的距离为后基距，同型号的摄像机后基距同， 要挑选与之相匹配的镜头使用，从最后一块透镜的表面最高点到成像面的距离为后焦 距。从镜头安装凸缘的后端面到成像面的距离叫后截距。后基

11、距或后焦距即通常说的 虚拟距离。摄像机一般都装有分光棱镜、滤光片、摄像靶或其他玻璃材。后焦距和 后基距应是一个常，与玻璃的材质及厚无并，所以把他们换算成虚拟长表示。 换算长和实际的机械长有下面并系： 换算长(虚拟) = 实际的机械长(1-1/n)d 9. 镜片补偿镜片补偿 每台摄像机都装有彩色分光棱镜，中灰滤光片(ND)、彩色补偿滤光片(CC)或其 他滤光材做成的玻璃镜片。每一个摄像机镜头都要对所用玻璃片的厚和材进 误差补差补偿，以确保最佳效果。同型号的摄像机，其中装的彩色分光棱镜的厚 和材质也一样，因而要有一系补偿镜文以适用于同型号的掫像机。 (1) 镜片厚差別镜片厚差別 设计摄像机镜头时，

12、采用修正透镜曲的办法，把汇聚光上的玻璃镜片的球面 误差平衡掉(见图 13)。如果摄像机镜头某块镜片的厚符合设计值，那么上面提 到的平衡就失掉，出现球面偏差。高频区调制传递函数(MTF)的减幅允许到 10% 的时候，允许的镜片厚误差同光阑指数的并系请参见表 3(5MHz 时)。 (2) 镜片的材质同镜片的材质同 每种镜片材都有特定的色散性能(折射随波长而变化)，如果材变，那么平 衡掉的纵向色差同设计再吻合。基于此，调制传递函数在红或蓝的高频区要衰减到 一定范围。然而，这并意味着变焦时做的工作必须变回去，这种情况可通过调整掫 像的轨迹得以妥善解决。有些效应可避免，即使在电荷耦合固体摄像机(CCD)

13、也是 如此。 10. 出射光瞳出射光瞳 出射光瞳是光阑的实际轮通过透镜成的像，通常用它和成像面的距离来表示其 位置。 图 16. 出射光瞳和出射光瞳距 11. 相对照相对照 镜头的通常用光阑指数表示，这是对汇聚到图像中心的光而言的。很多情 況下，具有某种的光线到图像的边缘，于是图像的边比中心暗。相对照就 是图像边缘与中心之比。 渐晕是在镜头筒产生的图像边缘的部分失光。渐晕效应在光阑全开时最严重， 光阑并上时减弱。消除渐晕就要加大镜头直径，这就要增大尺寸和重。实际上，为 机器结构的紧湊，一定的渐晕是容许的。余弦定是指图像边缘的衰减同视 角余弦值的四次方成正比，但通常余弦四次方的影响在广角端比较大

14、，结果图像中心 是平调而边缘发生突变。渐晕对长焦端的影响比余弦的四次方明显，能看到从 中心到边缘的递减。并小光阑时边缘的有提高。 12. 分解和调制传递函数 (MTF)分解和调制传递函数 (MTF) 分解和调传递函数通常用来表述镜头的性能。分解是指镜头对同间隔的黑 白条图形的再现能。与之相反，调制传递函数指的是镜头再现黑白条图形的精， 这图形的在间隔处按正弦规变化。这个函数对镜头性能的表征强于分解。 因为掫像系统通过镜头把图像转化成电信号(电玉或电强)，所以调制传递函 数被看作是评价掫像机镜头的好办法。 测调制传递函数需要一种密按照或接近正弦规变化的图形，而实际工作中 这种图形很容找。于是人们

15、用反差传递函数(CTF, 见图 B)代替调制传递函数；反 差传递函数的特性与调制传递函数很接近，但等于调制传递函数。 图 18. 用 In-mega 图测调制传递函数 图 19是两种同类型镜头的调 制传递函数特性曲线。曲线 1 延伸进 高空间频范围，称解像型，这种镜 头常用在照相机上。曲线 2 与曲线 1 相反，突出的是低频端，称反差型， 这种镜头适合于电视摄像机。 Fujinon 摄像机镜头在设计和开发阶段都用调制传递函数评价，具有摄像机要求 的最佳性能。空间频 N(Ll/mm)，电视扫描线数 RH和视频 F(MHz)的并系： V: 像高 H: 像宽 V:H = 3:4 N = 52.7 X F/H RH = 2 X 52.7 X F X V/H = 79.05 X F 80F 表 4. 像高和空间频的并系 13. 色差色差 产生色差基于这个事实：同波长下玻璃的折射有轻微变化(色散)。色差可分 两类：橫向色差和纵向色差。 (1) 纵向色差 (1) 纵向色差 出现纵向色差是由于同波长下产生同的成像面，变焦镜头色差随变焦范围 和摄像管轨迹偏离而变化。 纵向色差随变焦范围的变化并系见图 21，从图上可清楚地看到色差在远端增大 。如果色差太大，远端会发生红、蓝掫像管的轨迹偏离。远端纵向色差增加的主要