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高清摄像机镜头
赵力 中仪索尼技术服务中心高级工程师
内容提要：通过对高清摄像机独特要求和技术特点的分析，对比高清镜头与标清镜头之不同，归纳总结了光学镜头技术的几大进步，试图说明高清摄像机镜头是对标清摄像机镜头技术的继承和发展，并探讨了高清镜头的一些技术特点及使用中需注意的事项。
关键词：高清摄像机 标清摄像机 高清镜头 光学镜头技术 景深 焦距

自从人类发明了电视，就一直在追求高清晰度的道路上拼搏奋进，努力使电视摄像机拍摄的画质达到电影胶片的水准也就成了这一伟大进程的动力源泉。今天的高清电视以特有的高画质、大视角、多信息量的特点，正在引领一场新的视觉革命。摄像技术一路高歌猛进，就对拍摄高清的眼睛与门户—光学镜头提出了更为严格的要求。镜头的技术是高清摄制的第一关，对高清的发展至关紧要。
图1
由于电视摄像镜头一般都是变焦镜头，首先让我们熟悉一下变焦镜头的光路。见图1。

一个高清摄像机(HDTV)镜头相对标清摄像机(SDTV)镜头而言有什么不同？它又是如何保证高清拍摄的质量的?

一、 高清摄像机的独特要求与技术特点
1． 成像面积与扫描方式不同
高清镜头CCD宽高比为16：9，成像面积为51.8平方毫米；标清镜头CCD宽高比为4：3，成像面积为58.1平方毫米，两者具有不同的感光成像面积。CCD敏感区域的减小将导致灵敏度10%左右的降低。另外由于镜头折射特性基本相同，则把同样大小的实景转移到不同面积的成像面上时镜头焦距就有较大的差异，景深不同。同时HDTV拍摄要求逐行扫描，SDTV却是隔行扫描，那么拍摄时对亮度的要求也是成倍增长。在同等光照条件下，要获得与SDTV相同的景深，镜头非但不能开大光圈，还必须缩小一级光圈，这将导致灵敏度降低到SDTV的四分之一。
图像尺寸
可允许的模糊圈误差
景深（焦距50mm,物距3米，光圈1.8）
2/3英寸SDTV镜头
0.021mm
273mm
2/3英寸HDTV镜头
0.010mm
130mm
表1
图2

表1
图2
2． 景深大小不同
由于HDTV具有很高的分辨力，即使很小的焦距偏离也能显现出来。它的可允许弥散圆误差不到SDTV的一半，景深更小（见图2、表1）。
图3-1
假设有完全相同规格的HDTV镜头和SDTV镜头，我们比较一下它们在完全相同条件下拍摄时的景深（见图3）。
图3-2
在光圈F1.4、被摄物体距离10米、焦点距离距40毫米时，SDTV拍摄的景深范围是8.5米到12.1米，镜头调焦只要落在这个范围内，就可以认为焦距是实的。与此相比，HDTV拍摄的景深范围仅为9.3米到10.9米。
在光圈F4.7、被摄物体距离10米、焦点距离距900毫米时，SDTV拍摄的景深范围是9.988米到10.012米，，HDTV拍摄的景深范围仅为9.995米到10.005米。可见与SDTV相比，HDTV的景深非常狭窄；并且随着镜头焦距的加大，HDTV镜头的景深更为缩小。
二、 HDTV镜头与SDTV镜头的比较
A. 高清电视16：9不同的宽高比对镜头的焦距和视角提出了不一样的要求。
HDTV16：9的图像比例比4：3要宽，传统SDTV8毫米标准镜头是无法表达16：9的宽阔感和深度感的，在高清拍摄中，传统观念中的广角镜才是高清的标准镜。这样对HDTV变焦镜头的失真要求就更高。
B．HDTV5倍于SDTV的信息量对高清镜头的透光率及MTF提出了更高的要求。
图4

HDTV图像的像素比例为1920 X 1080；SDTV图像的像素比例为720 X 565，HDTV图像具有于SDTV 5倍的信息量。由于HDTV的像素点只有SDTV的一半左右，像差的误差范围也大为缩小，图像只要稍微偏离焦点，调制传递函数MTF都会受到很大的影响。高清镜头的MTF、像差修正要求均较标清为高（见图4）。为了更好地表现电影感，HDTV镜头还必须在提供足够清晰度的同时而不牺牲景深， 需要比SDTV镜头更高级更平均的透光率。 镀膜技术越好，透光率越高。同时，镀膜技术除了影响透光率以外，对镜头的色散系数有很大影响，而色散系数对图像的最大影响就是在极端亮度下的色彩还原准确度。高清高画质要求高清镜头具有更高超的镀膜加工技术。
C．高清晰度电视具有很高的分辨率，景深较标清为短，对镜头对焦的准确性提出了更高的要求。
高清电视具有很高的分辨率，景深较标清为短，准确对焦比较困难，并且高清晰度电视扫描线增加了一倍，如果焦点有点发虚的话将变得十分明显。同时高清是强调大屏幕播放的，如果聚焦不清，图像的缺点将一览无余。为此高清镜头要求更精密的对焦技术。
D．高清变焦镜头与标清变焦镜头的结构区别
图5

由图5可见，市场上某品牌的镜头，具有相同变焦倍数的HDTV变焦镜头由27个镜片所组成，SDTV变焦镜头由24个镜片所组成。镜头生产厂家通过新光路设计、采用Hi-UD/ED玻璃、改善IF等，在与SDTV镜头大小相当的镜头上实现了高清镜头所必须的高光学特性。

（未完待续）