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电视变焦镜头的一些先进技术

2003-04-03 章宁 江苏常州电视台 依马狮网


    现代电视技术的迅速发展对电视变焦镜头提出了新的要求,摄像师希望他们用的变焦镜头具有更高的光学性能,提供更快的光圈速度及更好的变焦比。新型光学器件的开发和数字技术的应用使之成为可能,电视变焦镜头目前已完成了向数字化的转换,下面简要谈谈变焦镜头以数字化为主的一些先进技术。

一  内聚焦系统
    近期的变焦镜头全部都采用了内聚焦(IF)方式。以往的外聚焦式镜头是聚焦组透镜在镜头的最前方,调焦时可前后移动,前面遮光罩也随之旋转。而内聚焦方式是聚焦组镜头分固定和可移动两部分,固定部分在前,可移动部分在后,调焦时变焦距镜头前端(连同遮光罩)固定不动,而后面可移动部分移动,这种方式结构复杂些,机械精度要求高,但可做到最佳的像差校正。
    内聚焦镜头与原来的镜头相比有以下一些新特性:(1)由于内聚焦有更大自由空间的像差校正改善了镜头的光学性能,包括增加视场角、减少聚焦时色差的变化、减少畸变等。(2)普通镜头由于前镜片是旋转设计的,所以遮光罩不得不随着镜头的旋转而转动,而内聚焦式镜头在调焦时前端固定不动,所以可将遮光罩做成方形,这样可充分通过有效光线而遮挡无用光线,可比普通镜头更加有效地祛除杂散光和反射光,从而更适用于CCD摄像机。(3)内聚焦式镜头的聚焦透镜组比普通聚焦透镜组重量要轻许多,它可以用很小的电量做快速运动,具有操作方便,电机驱动省电,调焦速度快等优点,即使是在手动操作时也能平滑自如地运动。(4)便携式镜头使用各种装在前镜筒上的滤光镜,但像偏光镜、交叉光镜和半彩色滤光镜的特性将随着前镜筒的旋转而变化,所以前部旋转的普通镜头无法使用这样的镜片。而内聚焦镜头使用这些镜片所拍出的画面效果没有任何问题,这样就可以充分发挥这些滤光镜的全部效果。(5)光学附件,例如广角倍率镜、远摄倍率镜被安装在聚焦操作的镜筒上,而对内聚焦镜头,一个轻巧的非金属外罩可直接安装在前透镜组的镜筒上。

二  数字伺服系统
    随着数字技术的发展,现在的变焦镜头都配备了全新的数字伺服控制系统。数字伺服意味着镜头变焦和聚焦的伺服系统与通常的逻辑电路格式不同,它包括镜头内的32比特RISC处理器、光学编码器、一个高速串行通讯装置,及在变焦和聚焦控制上提供13比特准确度的数字控制电路,还有其他多样的崭新功能。新一代数字伺服系统有着无限的前景,将来CPU的升级,可得到各种各样的功能。这种技术的使用意味着高精度的镜头数据,以及13比特的可重复性,能够在镜头与自动装置或微机间双向传输。
数字伺服的主要特性有:(1)聚焦补偿变焦效应。当聚焦操作时,视场角会像变焦时一样发生变化,这种现象叫做聚焦时的变焦效应。通过使变焦运动与聚焦运动同步,补偿作用能使视场角保持有效恒定。(2)快速变焦。数字镜头独有的快速变焦功能用于每次拍摄前的调焦。只需按下“QUICK ZOOM”按钮,无论你是在任何景别的位置,变焦马达便以极快的速度自动变焦到最长焦的一端,当你调好焦之后,放松按钮,变焦马达便快速地返回到原来的景别状态。此功能无论是在外或是在演播室里都是一种极为省时和高效率的功能。(3)穿梭变焦。穿梭拍摄功能可记下一个任意的变焦位置。当摄影师压下一个按钮时,镜头迅速地变焦到记忆下的位置,当摄影师松开按钮时,镜头返回到初始位置。利用此功能摄影师可随意在二个焦距间来回迅速切换,想换多少次就换多少次。(4)速度预设。速度预设功能可记忆下变焦速度和方向。摄影师利用此功能可在预拍时确定变焦速度,然后在实拍时根据需要,多次调出相同的速度进行拍摄。此功能特别适用于慢速变焦效果。(5)串行数字遥控。数字化的特点是拥有数字联系的界面。通过串行数字接口与个人PC电脑或虚拟演播室等数字系统连接,可遥控镜头的变焦、聚焦和光圈。(6)镜头智能诊断系统。一套软件用来检测镜头电子部分的状态,通过内部分析以协助工程师决定有否对镜头进行调校的需要,此系统可作日常维护的工具。

三  图像稳定器
   

电视变焦镜头的一些先进技术
电视观众的需要使越来越多的变焦比大的变焦镜头出现,而这种镜头常见的一个问题就是所拍出的画面不稳定,因为焦距长,摄像机晃动会使图像位移增大,一阵风或一点点振动都会使画面晃动模糊,现在图像稳定器(IS)的出现则较好地解决了这个问题。附图为图像稳定器的原理示意图。
    当镜头振动时,来自物体的光线相对于光轴发生偏离,由于光线被偏转引起图像模糊。图(B)中表示了镜头向下运动时所发生的情况。此时通过移动垂直于光轴面上IS镜片组来校正原物光的方向,使到达像平面的光线回到原来位置,如图(C)所示。
    图像中心在像平面上向下移动,使IS镜片组在垂直面向上移动,光线就会被折射使图像中心回到像平面的中心。因为图像会在水平和垂直两个方向上抖动,IS镜片组可在垂直于光轴的平面上做水平或垂直两个方向上的移动来抵消图像的抖动。它的原理是采用了两个抖动传感器来探测镜头的运动,一个探测左右摆动另一个探测上下移动,它们探测运动的角度和速度,并将这些信息传送至一高速的32比特的微处理器中,微处理器然后把探测信号转化为对IS镜片组的驱动信号,从而驱动IS镜片组移动来使图像保持稳定。
    另外,日本富士能和佳能公司都推出了它们的HDTV变焦镜头,与普通SDTV镜头相比,HDTV变焦镜头采用了高性能的光学系统,采用了荧石和先进的超色散(UD)玻璃,并使用经过改进的聚焦方法,从而保证了无论拍摄距离有多远,也能拍出无色差的高质量的画面。随着高清数字电视的来临,现有的SDTV变焦镜头必将被高品质图像、高性能和多功能的HDTV变焦镜头所代替。

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