§4.2 电视摄象机
电视摄象机是一种景物图象变换成电视信号的装置。它是电视系统中的关键设备，其性能之优劣，直接影响最终电视图象的质量。摄象机采用的摄象器件分为两类：摄象管理和固体摄象器件。它们都是利用某一种光电效应，使图象的光信号转换成电荷，构成相应的象素并在微小电容中暂时存贮。摄象管利用电子束对象素进行扫描，读取电荷形成电视图象信号；而固体摄象器件采用固体扫描方式读取象素的中电荷。
按摄象机的功能，可分为黑白摄象机和彩色摄象机两类。彩色摄象机又分为单管（片）、两管（片）、三管（片）三种形式。单管式彩色摄象机有频率分离式、相应分离式、三电极式和阶梯能量式等多种方式。广播电视普遍采用三管（片）式摄象机；由于单管（片）彩色摄象机具有体积小、重量轻、价廉、调整方便等优点，故在应用电视中得到迅速的发展和应用。下面着重介绍三管（片）式彩色摄象机的工作原理。
4.2.1 三管（片）式彩色摄象机
图4.2-1为三管式彩色摄象机组成方框图，它主要分为三部分：①机头部分；②视频图象信号处理；③编码器，彩色同步机和彩条发生器。过去这三部分是分开的，机头部分自成一体，并放置在活动的三脚云台上，由摄象员操作拍摄；后两部分设置在固定在机柜内。随着小型化的发展，当前的便携式摄象机上已能将这三部分合成一体了，其重量与体积都不超过原来的摄象机头。
摄象机头主要由摄象机的光学系统，摄象管及其附属电路，寻象器等组成。彩色景物的光象由变焦距镜头摄取，通过中性滤光片（为得到适宜的光通量）和色温滤光片（将不同的照明光源的色温转换为摄象机所要求的色温）后进入色棱镜，被分为解为三个基色光象，并分别投摄到相应摄象管的靶面而转换成电图象。管内电子束在偏转与聚焦系统作用下，实现良好的聚焦与扫描，从而获得符合一定扫描标准的随时间而变化的电信号。然后，三路微弱的电信号经各自预放器放大，再送到视频信号处理电路进行加工与处理。
视频信号处理电路主要包括输入放大、增益调整、电缆校正、黑斑校正、彩色校正（线性矩阵电路）、轮廓校正、黑电平控制及杂散光补偿、γ校正、消隐混合等各级电路。经上述电路放大处理后输出的红、绿、蓝三基色信号还必须送入编码器，编制成需电视制式的彩色全电视信号。
绝大部分彩色摄象机都配置了彩色同步信号发生器，由它产生基准副载波和各种同步信号，供机头、视频处理与编码器三部分使用，这样使摄象机单独使用（配彩色摄象机）特别方便。若要与其他摄象机中信号源在整个电视系统中联合使用，还必须附加专门的外同步锁相电路，使本机同步信号发生器与外同步信号（系统统一供给）锁相。另外，在摄象机内还附设彩条发生器和专用测试信号发生器，供调整与维修使用。
为了取景并随时掌握摄象机工作状态，每台摄象机上还附加一台寻象器。寻象器分光学型与电子型两类。光学型寻象器类似照相机上的取景器；而电子型寻象器实质上是一台小型的电视图象监视器，它利用摄象机本身输出之信号，在寻象器的显象管荧光屏上显示出图象，这样既作为取景器用，同时也监视了摄象机电路的工作状态，并随时加以调整。目前常用的显象管屏幕的尺寸有1.5、3、5英寸等三种规格。
图4.2-2示出由固体摄象器件组成的三片式彩色摄象机的方框图。它与三管式彩色摄象机相比，具有大体相同的结构形式。它主要由摄象机的光学系统，固体摄象（CCD）器件，视频信号处理电路和编码器等部分组成。
4.2.2 摄象机的光学系统
摄象机的光学系统变焦距镜头、分色棱镜、中性滤光片和色温滤光片组成。它的主要作用是把被摄景物的彩色光，分成红、绿、蓝基色光，并成象在相应的摄象管靶面上。对于两管和单管彩色摄象机而言，色分解主要是由封装在摄象管靶面前的滤色条及有关电路来完成。
一、变焦距镜头
变焦镜头是一种能任意改变焦距而成象面位置固定不变的镜头。由于焦距变化使放大率或视场角改变，这样在拍摄过程中，对景物图象取景大小可任意连续变化，增强了艺术效果。
变焦镜头是由许多单透镜所组成。如图4.2－3所示，即为最简单的由两个凸透镜形成的组合透镜。设透镜1和透镜2的焦距分别为f1和f2，相互间的距离为d，则组合透镜的焦距为f，其大小取决于f1、f2和d，相互关系式为：
由上式可知，只要改变d的大小，就能使f相应变化。现在再举一个简单的例子，若一个凸透镜（f1＝+1）与一个凹透镜（f2＝－1）形成组合透镜，则按式（4.2－1）可知，该组合透镜的焦距f＝1/d，焦距直接与d成反比，故只要改变两透镜的相对位置，就能很容易地改变焦距。这就是变焦距镜头的最基本的原理。
设计时把一个单元透固定，另一个单元透镜相对前一个单元透镜移动，以改为d。这样做的结果，虽然f发生变化，但成象面的位置也相应的有所变化。为了固定成象面位置，还必须再增加第三单元透镜并相应一起移动。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、变焦组和象面补傍组。若要增长后截距，还需要增加第四组－物镜组。
二、分色棱镜
1.分色棱镜
图4.2－5所示的分色棱镜由（A）、（B）和（C）三部分粘合组成，其中在Mr和Mb面上分别蒸涂上不同厚度的干涉薄膜。当光线F投射到Mr面上时，能把红光R反射出来而让其它光透过。反射出来的红光投射到界面（1）上，因入射角较小，超过临界角而发生反射，于是R光经Fr射入R摄象管。透过Mr面上光到达Fb面时能把蓝光B反射出来而让余下的G光透过，反射出来的B光在界面（2）上全反射后穿过Fb而到达B摄象管。透过的G光经（C）部分穿过Fg到达G摄象管。光线在介质中所走的路程与介质折射率的乘积称为光程，R、G、B三路的光程应严格一致。Fr、Fb、Fg来进一步校正。
2.分色原理
干涉膜Mr和Mb所以会射出某些波长的光而透射其他波长的光，其原理可由图4.2－6说明。
图中折射率为n0、厚度为d的干涉膜涂在折射率为n2的玻璃了。入射光从折射率为n1的空气中进入干涉膜的第一界面（1）时反射光为F1；透过的光在第二个界面（2）上又受到第二反射，该反射光透第（1）界面（也有一部分反射）进入空气的光为F2；如从C点向F1作垂线交于D点，并以C、D两点为基准。光束F1所走的光程n1.AD，显然比光束F2所走的光程n0.（AB＋BC）短，其光程差
（4.2－2）经过几何变换并在
》
条件下，可得到
（4.2－3）
式中，α为光线进入薄膜的入射角。
根据光的波动理论，当两束光相位相反时，迭加后相互换消，故合成幅度最小；而相位相同时，合成幅度最大。因此，当式（4.2－3）中δ＝λ2时，F1和F2相互抵消，反射光为零，即几乎全部透过；当δ＝λ时，F1和F2加强，反射光幅最大，透射光几乎为零。这样，如n1、n0和α等均固定，则只要选择适当的膜厚d即可达到所需要反射光的要求。
三、色温校正和中性滤色
摄象机的光谱性曲线的设计和白色平衡的调整，都是对一定色温的照明而言的。目前摄象机都是按3200K照明色温设计的，它的白色平衡是按D65白色要求调整的。因此，在摄象机光学镜头中，都加有把3200K转换到6500K的D白色的色温转换。但在实际工作中，照明光源是变化的。如室外自然光照在早、中、晚，阴、晴天时，色温都不一样。这时，如用摄象机去拍摄任意色温照明时的景物，会产生严重的彩色失真。为了使摄象机在不同色温光照时，摄取的景物与3200K光照、平衡于D65白色时一样，必须对由于色温不同而引起的光谱能量分布的变化进行补偿。通常在摄象光学系统中加入色温校正滤色片，它具有一定的光谱特性。它刚好能补偿色温变化引起的光谱特性误差，把不同温的照射光源，转换到3200K色温光源。例如，把4800K的照射光转到3200K的滤色片呈浅桔色。一般摄象机都有几片色温滤色片，以适应不同光照时的色温转换要求。
当摄象管在强光下工作时，应减少光圈。但有时为了达到一定艺术效果，不允许减少光圈，这就需要在光路中加入减少光量的衰减器，即中性滤色片。其常用的透光率有100％、25％、10％、1.5％数种；而光谱响应特性应当平直。
