摄像机原理：如何将光学信号转变为电信号？

无论何种型号的摄像机，其系统构成和工作原理大致相同，都是把光学信号转变为电信号。当我们把摄像机对准目标物像时，摄像机镜头把被摄对象上反射回来的光线收集起来，通过镜头组的发散与汇聚作用，聚集在摄像器件的受光面上，通过摄像器件(CCD、CMOS或摄像管)把光信号转换为电信号，并获得了“视频信号”，但这种信号比较微弱，需要通过预放电路进行信号的放大，同时，经过彩色信号发生器和同步信号发生器的合成作用，经过编码器的调整和处理后，得到的标准信号送到录像机同步记录相应的信息，从而完成成像和记录的过程。

图2-1-1　摄像机的工作原理

摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置。其结构大致可分为四部分：光学系统(主要指镜头)、光电转换系统(主要指摄像管或固体摄像器件)、图像信号处理及自动控制系统。

(一)光学系统

光学系统的主要部件是光学镜头，它由透镜系统组合而成。这个透镜系统包含着许多片凸凹不同的透镜，其中凸透镜的中央比边缘厚，因而经透镜边缘部分的光线比中央部分的光线会发生更多的折射。当被摄对象经过光学系统透镜的折射，在光电转换系统的摄像管或固体摄像器件的成像面上形成“焦点”。光电转换系统中的光敏原件会把“焦点”外的光学图像转变成携带电荷的电信号。这些电信号的作用是微弱的，必须经过电路系统进一步放大，形成符合特定技术要求的信号，并从摄像机中输出。

图2-1-2　摄像机的系统构成

光学系统相当于摄像机的眼睛，与操作技巧密切相关，在镜头及其成像原理里将详细叙述。光电转换系统是摄像机的核心，摄像管或固体摄像器件便是摄像机的“心脏”，也就相当于传统照相机里的胶片和数字照相机里的传感器，它是决定图像质量的关键部件之一，也是摄像师拍摄操作最频繁的部位。

摄像机的光学系统主要由一组变焦距镜头、色温滤色片、红绿蓝分光系统等构件组成，可以得到成像于各自对应的摄像器材靶面上的红色、绿色和蓝色(也即R/G/B三原色)三幅不同色光的光像。摄像机的光学系统由内、外光学系统两部分组成，外光学系统便是摄像镜头，内光学系统则是在机身内部的分光系统和各种滤色片组成。

图2-1-3　摄像机的光学系统构成图

注：1—镜头；2—色温滤色片；3—红外截上滤色片；4—晶体光学低通滤色片；5—分光棱镜；6—红、绿、蓝谱带校正片。

(1)分光系统。

来自被摄对象反射的光通过变焦镜头后就进入了分光系统，分成红、绿、蓝三束不同的色光，并在摄像器材靶面上被接收。常用的分色系统有两种类型，一种是把分色薄膜镀在透明平板玻璃上，称为平板分色系统；另一种是把分色薄膜完全埋入玻璃里变成棱镜结构，称为棱镜分光系统。

平板分色系统虽然结构简单，但其光学结构松散，光能损失较大，因此在三管机或三片机中通常采用结构牢固的棱镜分光系统。(www.xing528.com)

(2)色温滤色片。

人眼所观察到的物体的颜色除了与物体表面反射特性有关外，还与照射该物体的照明光源的色温有关。为了适应不同照明条件下，使重现色彩正确，目前摄像机采用在变焦距镜头与分色棱镜之间加入几片滤色片，利用它们的光谱特性来补偿因光源色温不同引起光谱特性的变化。

目前的彩色摄像机都是按照3200K照明色温调整的，当光源色温为4800K时，其光谱中蓝色成分偏高，如果插入相应光谱特性的色温滤色片，电视图像的色彩就会得到补偿而不会出现颜色失真。

(二)光电转换系统

光电转换系统主要将成像于摄像器材靶面上的光信号转换成电信号。光电转换系统利用光电发射作用或光电导作用，将摄像机镜头所摄景物的光影像在靶上转换为相应的电位分布图。扫描系统使电子束在靶上扫描，将此电位分布图逐行逐点地转换为电信号。这是电视摄像机成像的重要功能，来自现实生活中的物像之所以能够被逼真的再现在屏幕上，得益于摄像机的光电转换系统(见图2-1-4)。

图2-1-4　光电转换系统原理图

(三)图像信号处理系统

图像信号处理系统具有放大、校正和处理电信号的作用，同时完成信号的编码工作，最终形成彩色全电视信号输出到屏幕上。

(四)自动控制系统

现代电子摄录设备已实现高度的自动化，在具体拍摄时需要根据实际灵活使用和操作摄像机。摄像机上的自动或电动控制系统有助于快速实现调节摄像机的目的，极大地简化了摄像机的操作，有助于拍摄复杂的环境和对运动物体的追随摄像。一般来说，摄像机上的自动控制系统包含了电动变焦、自动白平衡、自动光圈和自动对焦等功能。

(五)录像系统

由于现在使用的摄像机大多是将摄像部分和录像部分合为一体，下面再概述一下录像部分的工作原理。

当摄像机中的摄像系统把被摄对象的光学图像转变成相应的电信号后，便形成了被记录的信号源。录像系统把信号源送来的电信号通过电磁转换系统变成磁信号，并将其记录在录像带上。如果需要摄像机的放像系统将所记录的信号重放出来，可操纵有关按键，把录像带上的磁信号变成电信号，再经过放大处理后送到电视机的屏幕上成像。

从能量的转变来看，摄像机的工作原理是一个光——电——磁——电——光的转换过程。