第一章电视摄像机 第二节电视摄像机的基本原理 摄像机是进行光电转换的设备。 一、摄像机的基本原理 摄像机的基本原理：利用三基色原理，通过光学系统，把彩色景物 的光像分解为红、绿、蓝三种基色光像，由摄像器件完成光信号到电信 号的转换，然后进行信号校正、处理、编码形成复合信号、分量信号等 彩色全电视信号。 二、摄像机的基本组成 从摄像机外观结构来说摄像机由镜头、机身、寻像器、话筒、电源 等部分组成：从摄像机原理来说摄像机基本组成为：由光学系统、光电 转换器件、视類处理系统、编码器、同步信号发生器等组成。 1、光学系统 光学系统组成：由变焦镜头、光圈、分光系统、滤色片及其附属设 备等组成。 (1)变焦镜头
第一章 电视摄像机 第二节 电视摄像机的基本原理 摄像机是进行光电转换的设备。 一、摄像机的基本原理 摄像机的基本原理：利用三基色原理，通过光学系统，把彩色景物 的光像分解为红、绿、蓝三种基色光像，由摄像器件完成光信号到电信 号的转换，然后进行信号校正、处理、编码形成复合信号、分量信号等 彩色全电视信号。 二、摄像机的基本组成 从摄像机外观结构来说摄像机由镜头、机身、寻像器、话筒、电源 等部分组成；从摄像机原理来说摄像机基本组成为：由光学系统、光电 转换器件、视频处理系统、编码器、同步信号发生器等组成。 1、光学系统 光学系统组成：由变焦镜头、光圈、分光系统、滤色片及其附属设 备等组成。 （1）变焦镜头
镜头一般是由若干片透镜组成的，作用是使景物成像在摄像器件 上，变焦镜头是能在一定范围内改变焦距的镜头。变焦镜头的具体结构 如下图所示 在设计变焦镜头时，通常把一个单元透镜固定，使另一个单元透镜 相对前一个单元透镜移动，来改变两组透镜之间的距离，此时不仅焦距 发生变化，而且成像而的位置也相应地有所变化。为了固定成像而位置， 还必须再增加第三个单元透镜进行补偿，并随之按一定规律移动。因此， 实际使用的变焦镜头至少要有三组单元透镜，即调焦组、变焦组和补偿 组。若要增大后焦距，还需要增加第四组，即物镜组。 (2)光图 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。 调节镜头光图调节环，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
镜头一般是由若干片透镜组成的，作用是使景物成像在摄像器件 上，变焦镜头是能在一定范围内改变焦距的镜头。变焦镜头的具体结构 如下图所示。 在设计变焦镜头时，通常把一个单元透镜固定，使另一个单元透镜 相对前一个单元透镜移动，来改变两组透镜之间的距离，此时不仅焦距 发生变化，而且成像面的位置也相应地有所变化。为了固定成像面位置， 还必须再增加第三个单元透镜进行补偿，并随之按一定规律移动。因此， 实际使用的变焦镜头至少要有三组单元透镜，即调焦组、变焦组和补偿 组。若要增大后焦距，还需要增加第四组，即物镜组。 （2）光圈 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
从下图中可以看出来，通过镜头光通量的光与光圈孔径d的大小， 以及光圈与透镜的距离有关。 一光轴 为说明这个问题，引入镜头有效孔径D的概念。镜头有效孔径D的 大小受光圈孔径的大小，以及光圈与透镜的距离两方而的影响。光圈 孔径d越大，D越大：光圈位置越靠近透镜，截断的光线越多，则D越 小。 平时如何来准确的表示光圈的大小呢？ 为统一考虑两种因素对透光能力的影响，于是定义了相对孔径A, 用相对孔径的倒数F来表示镜头光圈的大小。 相对孔径A为：D与焦距f之比A=D/F 相对孔径的倒数F即F=1/A=f/D 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
从下图中可以看出来，通过镜头光通量的光与光圈孔径 d 的大小， 以及光圈与透镜的距离有关。 为说明这个问题，引入镜头有效孔径 D 的概念。镜头有效孔径 D 的 大小受光圈孔径 d 的大小，以及光圈与透镜的距离两方面的影响。光圈 孔径 d 越大，D 越大；光圈位置越靠近透镜，截断的光线越多，则 D 越 小。 平时如何来准确的表示光圈的大小呢？ 为统一考虑两种因素对透光能力的影响，于是定义了相对孔径 A， 用相对孔径的倒数 F 来表示镜头光圈的大小。 相对孔径 A 为：D 与焦距 f 之比 A＝D／f 相对孔径的倒数 F 即 F=1／A=f／D 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、ll、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。 由于像面亮度与光图系数的平方成反比，所以光图每变化一挡，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。 (3)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是分光棱镜。 分光棱镜是由三块棱镜和两个结合面组成的，其中两个结合面上分 别镀有不同厚度的干涉膜。第一个结合面上的干涉膜能反射红光而让绿 光和蓝光通过，红光经第一棱镜的前界面的全反射而最终到达感红CCD: 第二个结合面干涉膜允许绿光通过而反射蓝光，并最终使蓝光到达感蓝 CCD:绿光通过两个结合面时不发生方向变化而直接到达感绿CCD。 CCD 忠绿CCD 感蓝CCD
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，所以光圈每变化一挡，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。 （3）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是分光棱镜。 分光棱镜是由三块棱镜和两个结合面组成的，其中两个结合面上分 别镀有不同厚度的干涉膜。第一个结合面上的干涉膜能反射红光而让绿 光和蓝光通过，红光经第一棱镜的前界面的全反射而最终到达感红 CCD； 第二个结合面干涉膜允许绿光通过而反射蓝光，并最终使蓝光到达感蓝 CCD；绿光通过两个结合面时不发生方向变化而直接到达感绿 CCD
(4)滤镜系统 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 图像色彩也有所不同。 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3200K演播室卤钨灯光源为基准进行设计的。 色温的概念：光线颜色是不同的，白炽灯、日光灯，太阳在早中晚 不同时间的光是不同的。如何来衡量光色的不同呢？用色温这个概念。 什么是色温？ 打铁的例子：铁块加热，随着温度不断增高，铁块颜色从暗红到红， 再到亮红，紫红，再到紫色。称红的发紫。 色温：某光源发出的光和加热黑体到一定温度时辐射的光具有相同 光谱特性时，黑体温度就是该光源的色温。 色温值用绝对温度K表子。 注意：色温仅是光源色调的度量单位，与发光体温度无关
（4）滤镜系统 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 图像色彩也有所不同。 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。 色温的概念：光线颜色是不同的，白炽灯、日光灯，太阳在早中晚 不同时间的光是不同的。如何来衡量光色的不同呢？用色温这个概念。 什么是色温？ 打铁的例子：铁块加热，随着温度不断增高，铁块颜色从暗红到红， 再到亮红，紫红，再到紫色。称红的发紫。 色温：某光源发出的光和加热黑体到一定温度时辐射的光具有相同 光谱特性时，黑体温度就是该光源的色温。 色温值用绝对温度 K 表子。 注意：色温仅是光源色调的度量单位，与发光体温度无关
摄像机一般是将多个不同的灰度滤色片集成在一个圆盘上，摄像时 根据光线的强度拨动圆盘，选择合适的滤色片，以适应不同光照时曝光 的要求。 摄像机上可供选择的色温校正片：A:3200KB:5600RC:6800K 滤镜系统主要完成两方面的工作：一是校正色温，调整入射到CCD 上光的光谱成分以配合白平衡的调节：二是控制通光量，用以配合摄像 镜头的曝光及景深控制。 2、光电转换器件 光电转换器件是彩色摄像机中最重要的组成部分，其核心部分就是 能完成光电转换作用的摄像器件。摄像器件的性能指标决定着摄像机图 像信号的质量，目前主要有真空管摄像管和固体摄像器件两大类。 真空管摄像管出现最早，技术较为成熟，应用比较广泛。但由于真 空管摄像管结构复杂、体积庞大、功耗大、重合精度不高、附属电路多， 目前己被淘汰。 固体摄像器件也称为半导体摄像器件，技术上较成熟的有金属氧化 物半导体MOS)器件、电荷耦合器件(CCD)和电荷驱动器件(CPD)三大类。 其中CCD应用最广，大多数摄像机使用CD作为摄像器件，它的主要优 点是画而均匀性好、灵敏度高、几何失真小、重合精度高、惰性小、抗 强光照射、耐冲击、抗振动、不受电磁干扰、寿命长等
摄像机一般是将多个不同的灰度滤色片集成在一个圆盘上，摄像时 根据光线的强度拨动圆盘，选择合适的滤色片，以适应不同光照时曝光 的要求。 摄像机上可供选择的色温校正片：A：3200K B：5600K C：6800K 滤镜系统主要完成两方面的工作：一是校正色温，调整入射到 CCD 上光的光谱成分以配合白平衡的调节；二是控制通光量，用以配合摄像 镜头的曝光及景深控制。 2、光电转换器件 光电转换器件是彩色摄像机中最重要的组成部分，其核心部分就是 能完成光电转换作用的摄像器件。摄像器件的性能指标决定着摄像机图 像信号的质量，目前主要有真空管摄像管和固体摄像器件两大类。 真空管摄像管出现最早，技术较为成熟，应用比较广泛。但由于真 空管摄像管结构复杂、体积庞大、功耗大、重合精度不高、附属电路多， 目前已被淘汰。 固体摄像器件也称为半导体摄像器件，技术上较成熟的有金属氧化 物半导体(MOS)器件、电荷耦合器件(CCD)和电荷驱动器件(CPD)三大类。 其中 CCD 应用最广，大多数摄像机使用 CCD 作为摄像器件，它的主要优 点是画面均匀性好、灵敏度高、几何失真小、重合精度高、惰性小、抗 强光照射、耐冲击、抗振动、不受电磁干扰、寿命长等
CCD的结构和工作原理： CCD(Charge Coupled Device),CCD的外观结构可以看做是由一 个个整齐排列的像素组成的矩阵，这些像素是CCD的最小感光单元。 CCD的工作原理可用下图来形象地描述，每个像素好像一个小容器， 它们在受光照射时可以产生电荷，电荷的积累形成电流，电流按一定的 方式转移就形成了信号。于是最终将光学影像转变为信号电流。 4、电路处理系统 当信号从光电转换器件CD中传送出来后，为了让信号的质量符合 一定的技术要求，在摄像机内配备了一系列的信号处理电路。 (1)视频信号处理电路 视烦信号处理电路将CCD输出的微蜗信号加以放大、并经过增益控 制、轮廓校正等必要的校正、补偿和处理，使信号达到最优。 (2)编码器电路 编码器电路是将红、绿、蓝三基色信号编码后按一定的电视制式标 准组合成一个影色全电视信号输出。根据彩色电视制式的不同，编码器 的组成也不相同。现在的编码器输出的信号是多种多样的，可以输出： 彩色全电视信号，即复合信号：也可输出亮度信号()，色差信号（®-Y
CCD 的结构和工作原理： CCD（Charge Coupled Device）， CCD 的外观结构可以看做是由一 个个整齐排列的像素组成的矩阵，这些像素是 CCD 的最小感光单元。 CCD 的工作原理可用下图来形象地描述，每个像素好像一个小容器， 它们在受光照射时可以产生电荷，电荷的积累形成电流，电流按一定的 方式转移就形成了信号。于是最终将光学影像转变为信号电流。 4、电路处理系统 当信号从光电转换器件 CCD 中传送出来后，为了让信号的质量符合 一定的技术要求，在摄像机内配备了一系列的信号处理电路。 （1）视频信号处理电路 视频信号处理电路将 CCD 输出的微弱信号加以放大、并经过增益控 制、轮廓校正等必要的校正、补偿和处理，使信号达到最优。 （2）编码器电路 编码器电路是将红、绿、蓝三基色信号编码后按一定的电视制式标 准组合成一个彩色全电视信号输出。根据彩色电视制式的不同，编码器 的组成也不相同。现在的编码器输出的信号是多种多样的，可以输出： 彩色全电视信号，即复合信号；也可输出亮度信号(Y)，色差信号(R-Y
B-Y),即分量信号：还可以输出亮度信号(Y)和色度信号(C),即亮色分 离信号。 (3)同步信号发生器电路 同步信号发生器电路能产生行、场同步脉冲，钳位脉冲，清隐信号 和编码器所需的色度 副载波信号等，作为形成彩色全电视信号的基准， (4)彩条信号发生器电路 彩条信号发生器电路产生白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑的标准 彩条信号，供摄像机和监视器作为调节标准， (5)自动控制电路 自动控制电路主要由微处理器构成，对整个摄像机系统的数据和信 息进行运算与存储，并发出控制指令，使摄像机的部分装置自动进行工 作。 (6)声音处理电路 声音处理电路是摄像机对声音信号的采集、处理、输出等环节，在 摄像机上主要包括摄像机内部话简和外接话简两部分。 5、寻像器
B-Y)，即分量信号；还可以输出亮度信号(Y)和色度信号(C)，即亮色分 离信号。 （3）同步信号发生器电路 同步信号发生器电路能产生行、场同步脉冲，钳位脉冲，消隐信号 和编码器所需的色度 副载波信号等，作为形成彩色全电视信号的基准。 （4）彩条信号发生器电路 彩条信号发生器电路产生白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑的标准 彩条信号，供摄像机和监视器作为调节标准。 （5）自动控制电路 自动控制电路主要由微处理器构成，对整个摄像机系统的数据和信 息进行运算与存储，并发出控制指令，使摄像机的部分装置自动进行工 作。 （6）声音处理电路 声音处理电路是摄像机对声音信号的采集、处理、输出等环节，在 摄像机上主要包括摄像机内部话筒和外接话筒两部分。 5、寻像器
寻像器即摄像机的电子取景器，从外表上来看，是一个小型的黑白 或彩色的监视器，是摄像机上位置可以活动的一个部件，其显示尺寸为 1~7英寸不等。寻像器里面装有小型显像管和相应的工作电路，通过寻 像器的放大镜，我们可以看到小型显像管显示的视频信号和摄像机本身 的文字提示信号，以及返回的电视信号。 寻像器的主要作用有： (1)作为摄像取景用，摄像师对景物的选择和构图等都要借助寻像 器来完成： (2)当摄像机进行放像操作时，它可作为监视器使用： (3)显示摄像机的工作状态和警告信息。 6、话筒 话筒能将声音信号变成音频电信号，是拾音采录的重要工具。在摄 像机上主要包括摄像机内部话筒和外接话筒两部分，内部话简用来录制 语言清晰度要求不是很高的现场同期声。为了更清晰地、准确地录制现 场同期声，大多数摄像机都配有外接话简。 专业摄像机话筒输出的电平开关有-60dB和-20dB两种，-60dB 是默认设置，输出电平较低，常用于一般拾音情况：-20B输出电平较 高，适合于话筒电缆或摄像机电缆较长时使用。有些外接话简要电源才
寻像器即摄像机的电子取景器，从外表上来看，是一个小型的黑白 或彩色的监视器，是摄像机上位置可以活动的一个部件，其显示尺寸为 1～7 英寸不等。寻像器里面装有小型显像管和相应的工作电路，通过寻 像器的放大镜，我们可以看到小型显像管显示的视频信号和摄像机本身 的文字提示信号，以及返回的电视信号。 寻像器的主要作用有： (1)作为摄像取景用，摄像师对景物的选择和构图等都要借助寻像 器来完成； (2)当摄像机进行放像操作时，它可作为监视器使用； (3)显示摄像机的工作状态和警告信息。 6、话筒 话筒能将声音信号变成音频电信号，是拾音采录的重要工具。在摄 像机上主要包括摄像机内部话筒和外接话筒两部分，内部话筒用来录制 语言清晰度要求不是很高的现场同期声。为了更清晰地、准确地录制现 场同期声，大多数摄像机都配有外接话筒。 专业摄像机话筒输出的电平开关有 -60dB 和 -20dB 两种，- 60dB 是默认设置，输出电平较低，常用于一般拾音情况：-20 dB 输出电平较 高，适合于话筒电缆或摄像机电缆较长时使用。有些外接话筒要电源才
能工作，其电源可以用电池，也可以由摄像机通过话筒电缆提供+48 电源。 7、电源 电源是保证摄像活动正常进行的动力，摄像机可由交流电源和直流 电源供电。交流供电时，交流电源通过电源适配器转换为供摄像机使用 的直流电源，只要电网不停电，摄像机都能正常工作。在流动性摄像活 动中，需要采用电源供电，尤其在户外拍摄，没有交流电源时，电池就 成了摄像活动的唯一能源
能工作，其电源可以用电池，也可以由摄像机通过话筒电缆提供+48v 电源。 7、电源 电源是保证摄像活动正常进行的动力，摄像机可由交流电源和直流 电源供电。交流供电时，交流电源通过电源适配器转换为供摄像机使用 的直流电源，只要电网不停电，摄像机都能正常工作。在流动性摄像活 动中，需要采用电源供电。尤其在户外拍摄，没有交流电源时，电池就 成了摄像活动的唯一能源