攝像機是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。從能量的轉(zhuǎn)變來看，攝像機的工作原理是一個光－－電－－磁－－電－－光的轉(zhuǎn)換過程。
　　攝像機所以能攝影成像，主要是靠鏡頭將被攝體結(jié)成影像投在攝像管或固體攝像器件的成像面上。
景深原理在攝像上有著極其重要的作用。正確理解和運用景深，有助于拍出滿意的畫面。光圈、焦距和物距是決定景深的主要因素。
　　變焦距鏡頭具有在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變焦距而成像面位置不變的性能，已成為家用攝像機上運用最廣泛的鏡頭。
　　自動聚集裝置有四種工作方式，即紅外線方式、超聲波方式、海耐烏艾方式和佳能SST方式。它們都有較高的測量精度，分別被應用在不同類型的攝像機之中。

一、攝像機的工作原理

　　攝像機是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。其結(jié)構(gòu)大致可分為三部分：光學系統(tǒng)（主要指鏡頭）、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（主要指攝像管或固體攝像器件）以及電路系統(tǒng)（主要指視頻處理電路）。

　　光學系統(tǒng)的主要部件是光學鏡頭，它由透鏡系統(tǒng)組合而成。這個透鏡系統(tǒng)包含著許多片凸凹不同的透鏡，其中凸透鏡的中比邊緣厚，因而經(jīng)透鏡邊緣部分的光線比中央部分的光線會發(fā)生更多的折射。當被攝對象經(jīng)過光學系統(tǒng)透鏡的折射，在光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的攝像管或固體攝像器件的成像面上形成“焦點”。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的光敏原件會把“焦點”外的光學圖像轉(zhuǎn)變成攜帶電荷的電信號。這些電信號的作用是微弱的，必須經(jīng)過電路系統(tǒng)進一步放大，形成符合特定技術要求的信號，并從攝像機中輸出。

　　光學系統(tǒng)相當于攝像機的眼睛，與操作技巧密切相關，在本章以后的小節(jié)里將詳細敘述。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是攝像機的核心，攝像管或固體攝像器件便是攝像機的“心臟”，有關這一部分的內(nèi)容，將在第三章里介紹。由于家用攝像機大多是將攝像部分和錄像部分合為一體，下面再概述一下錄像部分的工作原理。

　　當攝像機中的攝像系統(tǒng)把被攝對象的光學圖像轉(zhuǎn)變成相應的電信號后，便形成了被記錄的信號源。錄像系統(tǒng)把信號源送來的電信號通過電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成磁信號，并將其記錄在錄像帶上。如果需要攝像機的放像系統(tǒng)將所記錄的信號重放出來，可操縱有關按鍵，把錄像帶上的磁信號變成電信號，再經(jīng)過放大處理后送到電視機的屏幕上成像。

　　從能量的轉(zhuǎn)變來看，攝像機的工作原理是一個光－－電－－磁－－電－－光的轉(zhuǎn)換過程。


三片CCD攝像機的組成框圖

二、鏡頭及其成像原理

　是攝像機最主要的組成部分，并被喻為人的眼睛。人眼之所以能看到宇宙萬物，是由于憑眼球水晶體能在視網(wǎng)膜上結(jié)成影像的緣故；攝像機所以能攝影成像，也主要是靠鏡頭將被攝體結(jié)成影像投在攝像管或固體攝像器件的成像面上。因此說，鏡頭就是攝像機的眼睛。電視畫面的清晰程度和影像層次是否豐富等表現(xiàn)能力，受光學鏡頭的內(nèi)在質(zhì)量所制約。當今市場上常見的各種攝像機的鏡頭都是加膜鏡頭。加膜就是在鏡頭表面涂上一層帶色彩的薄膜，用以消減鏡片與鏡片之間所產(chǎn)生的色散現(xiàn)象，還能減少逆光拍攝時所產(chǎn)生的眩光，保護光線順利通過鏡頭，提高鏡頭透光的能力，使所攝的畫面更清晰。

　　攝像者在自學攝像的過程中，首先要熟知鏡頭的成像原理，它主要包括焦距、視角、視場和像場。

焦距是焦點距離的簡稱。例如，把放大鏡的一面對著太陽，另一面對著紙片，上下移動到一定的距離時，紙片上就會聚成一個很亮的光點，而且一會兒就能把紙片燒焦成小孔，故稱之為“焦點”。從透鏡中心到紙片的距離，就是透鏡的焦點距離。對攝像機來說，焦距相當于從鏡頭“中心”到攝像管或固體攝像器件成像面的距離。

　　焦距是標志著光學鏡頭性能的重要數(shù)據(jù)之一，因為鏡頭拍攝影像的大小是受焦距控制的。在電視攝像的過程中，攝像者經(jīng)常變換焦距來進行造型和構(gòu)圖，以形成多樣化的視覺效果。例如，在對同一距離的同一目標拍攝時，鏡頭的焦距越長，鏡頭的水平視角越窄，拍攝到景物的范圍也就越小；鏡頭的焦距越短，鏡頭的水平視角越寬，拍攝到的景物范圍也就越大。

　　一個攝像機鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來表示，這個角度就叫鏡頭的視角。被攝對象透過鏡頭在焦點平面上結(jié)成可見影像所包括的面積，是鏡頭的視場。但是，視場上所呈現(xiàn)的影像，中心和邊緣的清晰度和亮度不一樣。中心部分及比較接近中心部分的影像清晰度較高，也較明亮；邊緣部分的影像清晰度差，也暗得多。這邊緣部分的影像，對攝像來說是不能用的。所以，在設計攝像機的鏡頭時，只采用視場。需要重點指出，攝像機最終拍攝畫面的尺寸并不完全取決于鏡頭的像場尺寸。也就是說，鏡頭成像尺寸必須與攝像管或固體攝像器件成像面的最佳尺寸一致。

　　當攝像機鏡頭的成像尺寸被確定之后，對一個固定焦距的鏡頭來說則相對具有一個固定的視野，常用視場來表示視野的大小。它的規(guī)律是，焦距越短，視角和視場就越大。所以短焦距鏡頭又被稱為廣角鏡頭。

三、鏡頭的景深原理

　　當鏡頭聚集于被攝影物的某一點時，這一點上的物體就能在電視畫面上清晰地結(jié)像。在這一點前后一定范圍內(nèi)的景物也能記錄得較為清晰。這就是說，鏡頭拍攝景物的清晰范圍是有一定限度的。這種在攝像管聚焦成像面前后能記錄得“較為清晰”的被攝影物縱深的范圍便為景深。當鏡頭對準被攝景物時，被攝景物前面的清晰范圍叫前景深，后面的清晰范圍叫后景深。前景深和后景深加在一起，也就是整個電視畫面從最近清晰點到最遠清晰點的深度，叫全景深。一般所說的景深就是指全景深。

　　有的畫面上被攝體是前面清晰而后面模糊，有的畫面上被攝體是后面清晰而前面模糊，還有的畫面上是只有被攝體清晰而前后者模糊，這些現(xiàn)象都是由鏡頭的景深特性造成的?？梢哉f，景深原理在攝像上有著極其重要的作用。正確地理解和運用景深，將有助于拍出滿意的畫面。決定景深的主要因素有如下三個方面：

光圈 在鏡頭焦距相同，拍攝距離相同時，光圈越小，景深的范圍越大；光圈越大，景深的范圍越小。這是因為光圈越小，進入鏡頭的光束越細，近軸效應越明顯，光線會聚的角度就越小。這樣在成像面前后．會聚的光線將在成像面上留下更小的光斑，使得原來離鏡頭較近和較遠的不清晰景物具備了可以接受的清晰度。

焦距 在光圈系數(shù)和拍攝距離都相同的情況下，鏡頭焦距越短，景深范圍越大；鏡頭焦越長，景深范圍越小。這是因為焦距短的鏡頭比起焦距長的鏡頭，對來自前后不同距離上的景物的光線所形成的聚焦帶（焦深）要狹窄得很多，因此會有更多光斑進入可接受的清晰度區(qū)域。

　　物距 在鏡頭焦距和光圈系數(shù)都相等的情況下，物距越遠，景深范圍越大；物距越近，景深范圍越小。這是因為遠離鏡頭的景物只需做很少的調(diào)節(jié)就能獲得清晰調(diào)焦，而且前后景物結(jié)焦點被聚集得很緊密。這樣會使更多的光斑進入可接受的清晰度區(qū)域，因此景深就增大。相反，對靠近鏡頭的景物調(diào)焦，由于擴大了前后結(jié)焦點的間隔，即焦深范圍擴大了，因而使進入可接受的清晰度區(qū)域的光斑減少，景深變小。由于這樣的原因，鏡頭的前景深總是小于后景深。

四、變焦距鏡頭及其原理

　　攝像機的鏡頭可劃分為標準鏡頭、長焦距鏡頭和廣角鏡頭。以16毫米的攝影機為例，其標準鏡頭的焦距是25毫米，之所以將此焦確定為標準鏡頭的焦距，其主要原因是這一焦距和人眼正常的水平視角（24度）相似。在使用標準鏡頭拍攝時，被攝對象的空間和透視關系與攝像者在尋像器中所見到的相同。焦距50毫米以上稱為長焦距鏡頭，16毫米以下的稱為廣角鏡頭。攝像機劃分鏡頭的標準基本與16毫米攝影機相同。但是，目前我國的電視攝像機大多只采用一個變焦距鏡頭，即一個透鏡系統(tǒng)能實現(xiàn)從“廣角鏡頭”到“標準鏡頭”以至“長焦距鏡頭”的連續(xù)轉(zhuǎn)換，從而給攝像的操作帶來了極大的方便。

　　距鏡頭的主要特點之一是具有在一定范圍內(nèi)邊疆改變焦距而成像面位置不變的性能，已成為家用攝像機上運用最廣泛的鏡頭。

　　變集中鏡頭由許多單透鏡組成。最簡單的是由兩個凸透鏡組成的組合鏡?，F(xiàn)設定兩個透鏡之間的距離為X，通過實踐可以得知，只要改變兩個凸透鏡之間的距離X的長短，就能使組合透鏡的焦距發(fā)生變化。這是變焦距鏡頭的最基本原理。但是，上述組合透鏡的缺點是，當改變了X的距離后，不僅使焦距發(fā)生了變化，而且成像面的位置也會有所改變。為了使成像面的位置不變，還必須再增加幾組透鏡，并有規(guī)律地共同移動。因此，攝像機中的變焦距鏡頭至少要有三組組合透鏡，即調(diào)焦組、變焦組和像面補償組。如果因為像距太長，成像面亮度不中，需要縮短像距時，還要再增加一組組合透鏡，這組透鏡叫物鏡組。圖五是變焦距鏡頭的結(jié)構(gòu)圖。

　　變焦距鏡頭在變焦時，視角也發(fā)生了改變，但焦點位置與光圈開度不變。通常所說的鏡頭的就焦倍數(shù)，是指變焦距鏡頭的最長焦距與最短焦距之比。目前，在一些普及型的攝像機中，其變焦距鏡頭的變焦范圍大體上是從10－90（mm），故其倍數(shù)約為6－8倍。一些廣播級攝像機變焦距鏡頭的倍數(shù)約為14－15倍。另外，有些機器上還裝有一個變焦倍率器，使鏡頭焦距可以在最長焦距的基礎上增加一倍，從而延伸了鏡頭的長焦范圍。但是，這種變倍裝置會影響圖像的質(zhì)量，使用時要格外謹慎。

　　在實際拍攝時，當把變焦距鏡頭從廣角端漸漸地變?yōu)殚L焦端時，其畫面的視覺效果好像是攝像機離這一景物越來越近，這種效果便是所謂的“推鏡頭”。相反的變化效果便是“拉鏡頭”。攝像機鏡頭進行變焦距的變化有兩種控制方法，一是電動變焦，二是手動變焦。電動變焦靠電動推拉桿（T推－W拉）來控制，手在推拉桿上用力的大小可改變鏡頭運動的速度。電動變焦的特點是鏡頭在推拉的過程中變化均勻。手動變焦是通過直接用手撥動變焦環(huán)實現(xiàn)的，手動變焦一般是在鏡頭需要急速推拉時才能使用。

　　變焦距鏡頭的操作有一定的難度，初學者會更為明顯地感到困難，這是因為影響聚焦清晰的因素如鏡頭焦距、光圈、景深以及主體離攝像機的距離等可能同時都在變化。為了有效地解決這一問題，初學者可以在拍攝中把握這樣一點，即先用變焦距鏡頭最長的焦距對準被攝對象聚焦，然后再恢復到拍攝時所需要的焦距上，這樣就能保證被攝對象的清晰。


變焦距鏡頭的結(jié)構(gòu)

五、自動聚焦及其原理

　　當攝像機對準被攝對象之后，攝像機本身自動聚實焦點，而不用攝像者手動調(diào)整，這便是自動聚焦裝置（AF）在起作用。自動聚焦裝置有四種工作方式，即紅外線或超聲波，經(jīng)被攝體返回來后，再由攝像機的紅外線傳感器或超聲波傳感器接受下來，從而測定出距離，然后再根據(jù)測定的距離驅(qū)動攝像機的聚焦裝置聚實焦點。后兩種方式是應用了三角形測量原理的測距儀來測定攝像機與被攝體之間的距離，然后將所測定的距離輸入攝像機內(nèi)的微處理機進行演算，并控制鏡頭的聚焦馬達根據(jù)算出的距離聚實焦點。

　　以上幾種方式的聚焦裝置，各有自己獨具的優(yōu)點，并都有較高的測量精度，分別被應用在不同類型的攝像機之中。但是，自動聚焦裝置也有一定的局限性，例如，當一臺攝像機自動聚焦裝置的有效檢測角度只有6度時，如果將變焦距鏡頭置于廣角段，其畫面中央約1／6*1／6的范圍是自動焦點的檢測范圍。也就是說，在這一范圍內(nèi)的物體的焦點能夠自動聚實。如果將變焦距鏡頭置于長焦段，畫面的大部分都在自動焦點的檢測范圍內(nèi)。不同的攝像機有不同的有效檢測角度，以松下M7攝像機為例，機身的尋像器中便設有類似有效檢測角度的焦點區(qū)框。只要打開攝像機，小焦點區(qū)框即會自動出現(xiàn)。在這個焦點框內(nèi)，自動聚焦裝置會自動對準目標焦點調(diào)實。這一小焦點適于在廣角端拍攝，或拍攝小目標。如果用鏡頭的長焦段拍攝，要按動焦點區(qū)調(diào)整鍵，焦點區(qū)框會變大（圖7），以使畫面中的大部分被攝對象被聚實焦點。

　　在使用自動聚焦的裝置時，當被攝對象移出自動焦點檢測范圍，自動焦點裝置將會自動地將焦點改變而對準在檢測范圍內(nèi)原畫面背景的物體上。例如，攝像機拍攝一個人在畫面的中間朝右側(cè)運動，此時，攝像機是以這個人為主要的檢測目標將焦點聚實的，當這個人離開畫面之后，自動焦點裝置會將自動控制的焦點從這個人的身上改變背景的物體上，也就是畫面的清晰度范圍發(fā)生了變化。

　　在攝像的實踐中，當畫面中遠近的被攝對象都在檢測范圍之內(nèi)時；畫面的對比度不明顯時；畫面具有等距的很細條狀的物體時；當被攝環(huán)境的光線照度不符合該攝像機最小的照明要求時，自動聚焦裝置往往會發(fā)生錯誤的判斷。因此，在上述這些場合最好不要使用自動聚焦裝置，而應采取手動的方式聚焦。




參考文獻：遼寧師范大學計算機與信息技術學院