现代视听技术（第2版）教学课件作者王蓉第4章摄录像机.ppt

第4章 摄录像机,,,,,2,4,4. 1 摄像机原理与组成,4. 2 磁性录放原理,4. 3 录像机原理,4. 4 DV摄录机的格式、电路 结构与工作原理,4. 1摄像机原理与组成,4.1.1摄像机的基本结构 摄像机由机身、光学系统、摄像器件、寻像器和电路系统等部分组成摄像器件分为光导摄像管、固体摄像元件固体摄像元件又有两种:一种是金属一氧化物一半导体型(M0}及MOS派生的)，另一种是电荷藕合器件(CCD)或电荷注入器件(a1D}型寻像器有光学寻像器和电子寻像器两种 被摄物体光像通过光学系统成像于摄像面上(一也称靶面)，摄像器件将靶面的光像变换成电荷的图形(电子图像)，通过扫描将各像素的光信号转换成相应的电信号，从而取出视频图像信号电路系统是对整机进行控制、调整、图像扫描、信号分离和处理、加入同步信号，使摄像机输出彩色全电视信号光学寻像器是将入射光的一部分用反射镜反射，导入寻像器电子寻像器实际上是一台电视监视器寻像器是用来供摄像入员观察所摄取的景物，或者供摄像入员观看录像机重放的图像上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,4.1.2光导摄像管及三管彩色摄像机的组成 1.光导摄像管的构造 光导摄像管简称摄像管，是摄像机的心脏，是利用电子束扫描把景物的光学图像转换成电信号的一种真空电子管。

摄像管各项性能的优劣直接关系到摄像机质量的高低 图4-1所示为光导摄像管的结构图从结构来看与电视机的显像管相似，但它是将光学图像转换成视频电信号传输出去，而显像管是把视频电信号变成光学图像显示出来 摄像管的最前面是一块经过精密光学研磨的光学玻璃板，玻璃板内侧就是经过镀膜的用以被摄取物体成像的靶面内侧的第一层涂上一层透明的导电膜(一般是用氧化锡)，也称为透明电极第二层蒸镀上三硫化锑作为光电导膜层上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,在有镀层靶面的光学玻璃板和摄像管的管壁之间是锢材料的真空密封衬垫这种真空密封不用加热的方式，而是用压接方法密封的在冷压密封时，透明电极和锢密封衬垫是完全钻合在一起的，而透明电极以锢为媒介和光学玻璃面板与摄像管壁之间镶入的金属环连通这样，这个金属环成为摄像管的输出信号电极在工作时，通过负载电阻给这个信号电极加上几十伏的靶电压 聚焦电极是由靶前面的网状电极⑨(第四栅极)和圆筒状的第三栅极G3构成的第三栅极G3的作用极为重要，它利用套在摄像管上的聚焦线圈产生的聚焦磁场相对应的电压，使扫描电子束聚焦成很细尖的电子束上靶网状电极是在每毫米的间隔内用30一60根细线构成的很细的网，并与靶面形成平行的减速电场，以便电子束能够均匀地垂直上靶。

电子枪是由灯丝、第二栅极G2、第一栅极G2和阴极构成的第二栅极加有300 V电压，用以加速电子束电子束越细，摄像管的清晰度就越高为此第二栅极上有一块圆板，圆板中心有一直径为0.05 mm的,上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,微孔，这一微孔和第一栅极的孔是对齐的，且不能有偏心度第一栅极加有比阴极低的电压，调整这个电压一也就调整了束电流(发射到靶面的电子束量的大小) 电子枪发射的电子束，首先经过校正线圈产生的聚焦磁场加以校正，然后经套在摄像管上的水平和垂直偏转线圈所产生的偏转磁场，进行水平和垂直的扫描 2.摄像管的工作原理 摄像管的光电转换在靶面进行，靶面有光电材料，靶面上光电材料的每个小单元(称为像素)都可等效为电阻R和电容G的并联电路光电靶结构及等效电路如图4 -2所示 当靶面无光照时，各像素的等效电阻R都很大当电子束扫过某一像素的瞬间时，相当电子开关S接通R1C1，并联电路，此时靶压VT和阴极接成通路电流 i沿实线箭头方向流过电容C1无光照时，电阻R数值足够大，流经R的电流可以忽略不计)，对电容C1 ，充电，使电容C1 ，的左,上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,极板电位上升到VT，而右极板的电位等于阴极电位。

当电子束扫过以后，即电子开关S与R1C1，并联电路断开此时C1通过电阻R1放电，由于无光照R,阻值很大，所以放电极慢放电电流i’在图中用虚线箭头表示在对同一点两次相邻的扫描时间间隔之内(即一个帧周期)，由于电容C1放电很慢，C1右侧的电位仅上升了一个极小的量△V这表明在这一点上，从电容左侧转移到右侧的电荷量很少当该像素受到下一次扫描时，右侧电位又恢复到阴极电位这时的充电电流△ i只是用来将电容右侧的电荷泄放掉 △i是在无光照下产生的极微小的电流，称为暗电流 假如无光照时电阻R数值为无穷大，放电电流i’为零电容右边的电位并不上升，暗电流则等于零在自然界无光照时电阻为无穷大的光导材料是不存在的，因此，摄像管都具有量值不同的暗电流由暗电流在负载电阻y上产生的信号是虚假的图像电信号在理论上讲，电子束扫过各像素产生的暗电流都应相等，其输出信号相当于一个直流分量上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,实际上，由于靶结构的不均匀，各个像素单元的等值R、C数值不完全相同，所以形成的暗电流大小不等，致使RL上形成的电平不均匀，造成重现图像的底色不均匀，通常称为黑斑，需要进行补偿暗电流的大小还会随温度变化，造成黑白电平不稳。

暗电流的增大还伴随着起伏杂波的增大，这会降低摄像管输出信号的信噪比 有光照时，由于电子束的扫描，每个像素电路轮流与靶压VT 接通，靶面上所有电容两端都被充电到靶电压VT当入射光通过透镜照射到靶面上时，各像素的电阻R随光照强度而变化对应被摄景物光照强的像素，导电率提高，电阻值减小对应照度弱的像素，则阻值大经过上述放电过程以后，在两次扫描间隔时间内，R小的放电快，电容右侧电位上升量大，即电位高;R大的放电慢，电容右侧电位上升量小，一也即右侧电位低于是在一帧时间内，在整个靶右侧便形成了一幅与光像内容相对应的，由电位高低起伏构成的电子图像(即正电荷像)上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,视频信号拾取是在靶右侧电位高低起伏的电子图像形成之后，电子束的再次扫描，即再次逐个接通像素RC和靶压VT ，，在接通的瞬间，电子束中的负电子中和了该像素表面的正电荷，使像素侧电压迅速降到阴极电位，像素电容C两端的电压再次充电到靶压VT 可以证明，对应于光强的像素，充电电流大对应于光弱的像素，充电电流小显然像素电容C的充电电流与该像素的光照强度成比例这个电流流过外电路的负载电阻RT时就产生了变化的输出电压。

在图4 -2所示的电路中，所得到的输出电压是负极性的，光照强的像素，输出信号电压低;光照弱的像素，输出信号电压高 3.三管彩色摄像机的构成 图4-3所示是三管彩色摄像机的组成方框图上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,在图4-3中，左边机头部分由镜头和分光棱镜组成光学系统;三只摄像管及其偏转线圈、聚焦线圈装成三个组件，同时配备偏转电路来产生扫描电流，聚焦电路产生聚焦电流;摄像管保护电路在扫描系统出现故障时，产生控制信号使摄像管内电子束流中断;镜头伺服电路产生控制光圈和变焦距用电压;电源部分除供各电路板用直流电源外，还为摄像管各电极提供工作电压;由于摄像管输出的信号非常微弱，故每只摄像管输出信号先经过各自预放器放大后再送往下级中间部分为视频信号处理系统，对预放器输出的信号进行一系列的加工和处理，主要包括放大、电缆校正、黑斑校正、轮廓校正、γ校正和彩色校正等最后将经过校正的三基色信号R, G, B送到编码器，加入同步信号，输出彩色全电视信号 三管彩色摄像机采取三基色同时摄取的方式，如图4-4所示 从图4 -4中可见，彩色景物的光像由变焦距镜头摄取，首先在场透镜上成像，然后通过第一中继透镜到达第一个分色镜，它只将蓝光反射上去，而其他光都可以通过。

被反射上去的蓝光(B)，再经过一个反射镜1，,上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,射入第二中继透镜，然后再经蓝色(B)补偿滤色片到达蓝(B)摄像管靶面成像 透过蓝色分色镜1的其余入射光，到达分色镜2，分色镜2仅反射红光(R)，和蓝光一样，红光(R)被反射到红(R)摄像管靶面上成像 剩余的绿光(G)成分，通过分色镜2，射入绿(G)摄像管靶面上成像各摄像管前面的彩色补偿滤色片，是为了对各分色镜来的色光成分进行光谱校正用的 由此可见，通过透镜的入射光首先被分光系统分解成红(R)绿(G)蓝(B)三基色光，然后，送到红绿蓝三支摄像管转换成相应电信号，此时对每一支摄像管来说都是单色光像，其各部分只有亮度差别 三支摄像管输出的信号是非常微弱的，首先要经过各自预放器进行放大后，再送入视频信号处理系统，对此电信号进行一系列加工和处理，包括电缆校正、黑斑校正、轮廓校正、γ校正和彩色校正等主要处理过程最后将经过校正的三基色信号R, G, B送到编码器从而输出彩色全电视信号上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,4.三管式摄像机的光学系统 (1)变焦距镜头 焦距固定不变的镜头可以用几片甚至一片透镜组成。

它便于制造、成本低廉，而且容易达到高的技术指标，但是，使用固定焦距镜头时，要得到不同放大率的物像，需要改变摄像机与被拍摄物体之间的距离，或者更换焦距不同的镜头 由两个半径不同或者相同的圆球相交部分形成的单透镜是凸透镜，凹透镜可以看作两个不相交的圆球之间的部分其焦距f与两个球的半径R1、R2和球玻璃的折射率n的关系可用下式表示,上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,成像公式为 式中s1——物距; s2——像距 放大率K为 式中h1——像高; h2——物高上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,变焦距镜头的焦距在相当大的范围内连续可调(可手动或自动调节)，这样一来，在拍摄点不变的情况下，摄像机就能缓慢地或快速地连续改变摄取场面的大小，从而使摄取的电视图像更加生动活泼，为对电视节目进行艺术加工和摄像操作提供了许多方便 我们知道任何单一透镜的焦距是不可能改变的，要使镜头的焦距在一定范围内可调，镜头本身至少要由两个透镜组成 式(4. 1. 4)表明，只要通过适当的装置改变两个透镜(焦距分别为五、无)之间的距离d，就可以达到使镜头的焦距f连续可调的目的实际变焦距镜头结构比较复杂，是由许多透镜组成。

(2)像场照度、相对孔径和视场角 光学系统的像场照度关系到摄像机的灵敏度在照明条件不变时，入射至像场的光能的数量与透镜的孔径、焦距有关上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,设透镜的直径为D，焦距为f，像距与焦距之差为二，物体高度为h，某物体的像场照度E可表示为 式中 D/f ——透镜的相对孔径 摄像机镜头通常用相对孔径的倒数来标记孔径的大小，称为光圈F 视场角是用来描述镜头在摄取景物时视野的大小，镜头的视场角是指镜头与能够在规定的范围内成像的视野之间所对的最大张角 镜头成像尺寸h' . .f焦距和视场角有如下关系,上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,在成像面不变的前提下，所摄景物的视场角将随镜头的焦距而变化焦距变大、视场角将变小，所摄景物变大;反之，焦距变小、视场角将变大，所摄景物变小因此，拍摄特写场面时，用长焦距镜头;拍摄广角场面时(远景或全景)，用短焦距镜头 (3)分光棱镜 分光棱镜是把由镜头射出来的光束分解成红、绿、蓝三个基本光束，分别投射到三个摄像管靶面上，以便产生红、绿、蓝三路电信号 其原理是在棱镜的表面分别镀有多层薄膜，其薄膜的厚度和折射率决定棱镜的选色性能，即全反射某些波长的光而透过另一些波长的光，从而起到分色的作用。

这种薄膜又称为干涉膜 5.摄像机的视频信号处理电路 这里介绍的摄像机电路主要是对视频信号的处理与补偿电路上一页,下一页,返回,4. 1摄像机原理与组成,(1)预放器 由于摄像管输出信号十分微弱，在对视频信号处理之前，必须由预放器将信号放大到足够高电平以后才能进行，否则，在处理过程中引入的噪声将会把微弱的图像信号淹没 预放器由高频杂波抑制。