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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 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 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 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 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 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 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 80 F 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 原因是那 出现 变焦镜组中由光学玻璃的极限色散帯来的剩余像差 采用象氟化钙 CaF2 这样的晶体可减轻纵向色差 这种晶体的色散特性和普通光学玻璃 一样 图 21 调焦过程中纵向色差的变化 图 22 纵向色差 2 橫向色差 2 橫向色差 橫向色差在 同波长处产生 同的成像放大 继而使摄像机的三色重合精 变 坏 变焦区域 红和蓝的重合倾向于在绿的两边相互偏转 图 23 调焦过程中橫向色差的变化 图 24 横向色差 14 赛徳尔偏差赛徳尔偏差 一般来说 镜头有 5 种基本偏差 球差 彗差 像差 场差和失真 1 球差 1 球差 来自光轴上一点的光进入光学系统 并同进入透镜的光束高 相并时 光线 在 傍轴像点上与光轴相遇 没有形成点像 这訧叫球差 并小光阑可大幅 改善这个误 差 2 彗差 2 彗差 从光轴以外的某一物体点入射到透镜的光束 能汇聚到成像面上 而是像拖着 尾巴的彗星 这就是彗差 彗差使图形边缘的对比 下 并小光阑可减弱彗差 3 像散 3 像散 即使修正 球差和彗差 仍会出现像散 像散是指 从光轴以外的某一物体点入 射到透镜的光束 能形成像点 而是在 同位置同轴和放射方向成 很多像 成在 同轴方向的像叫正 子午 像 成在放射方向的叫径向像 两条线夹成一个直角 同时 在被聚焦物体前后的模糊点沿同轴方向成 一个平 的像 于是就称这个镜头有很糟 的模糊效应 4 场曲场曲 场曲是说成像面 是平的而是弯的 平面物体聚焦成像后 当物体中心聚好焦 时 边缘是模糊的 果调整到边缘聚好焦 中心又模糊 场曲可用增大焦距和并小 光阑来小光阑来纠正 5 失真 5 失真 指物体上的几何图形 能精确地再现在成像面上 通常用像点偏离 廃位置的水 平位移占像宽或像高的百分比来表示失真的程 如图 31 所示 图 30 变焦过程中失真 的标化 图 31 摄像机镜头失真 的表示 15 15 超近拍摄机构 超近拍摄机构 使用超近拍摄机构是为 对特別近的物体进 拍摄 这个机构通过移动聚焦镜组 以外的其他镜组来对最小物距之內的物体聚焦 达到超近拍摄用两种办法 一是移动 补偿镜组 二是移动中继镜组 1 广角近拍 移动补偿镜组 1 广角近拍 移动补偿镜组 对变焦机构加以扩展 进一步移动补偿镜组使之越过变焦的广角端来文到近拍 这时补偿机构在变焦区內 起作用 这方法多用在家用