数码摄像机镜头技术综述

摘 要 镜头是摄像机的重要组成部分，是高清拍摄的眼睛和门户，是决定拍摄图像质量的关键部件之一，也是操作最频繁的部分。本文结合具体实例简单介绍摄相机镜头的基本部件结构和工作原理。

关键词 镜头 摄像机 光学防抖 OIS

中图分类号：TN948.41 文献标识码：A

虽然目前手机、数码照相机也具备相当的视频拍摄能力，但是摄像机在视频拍摄领域仍然具有不可替代的优势，在数码影像市场仍然能占有一席之地。

镜头作为摄像机的关键部件之一，决定了摄像机的主要性能参数。在应用光学领域的审查工作也经常会遇到镜头相关的申请，为了各位能够对摄像机镜头有一个直观的了解，下面结合三星的一款带光学防抖功能的高清摄像机的镜头简单介绍摄相机镜头的基本部件结构和工作原理。

镜头一般可以分为两个部分：镜筒和图像传感器。镜筒接收拍摄方向射入的光线，将图像聚焦到图像传感器上，图像传感器将接收到的光信号转换为电信号输出到主板上的DSP。

1镜筒

镜筒又包括镜片组、光圈以及驱动单元。

本文介绍的镜头的镜片组是常见的摄像机镜片组设计之一，包括4个镜片群，分别是FRONT群、ZOOM群、FIXED群以及FOCUS群，其中ZOOM群和FOCUS群在驱动单元的驱动下可以在光轴方向上移动。ZOOM群在光轴上移动以改变整个镜片组的焦距，FOCUS群进行相应的移动使得拍摄的图像能够聚焦到图像传感器上。摄像机镜头的镜筒总长度一般是固定的，即第一镜片群到图像传感器的距离是固定的。

各个镜片群分别固定在各自的固定件上，固定件一般由工程塑料注塑加工成型，在镜片安装的部位留有相应的突起，在镜片安装到固定件上之后，进行熔接工序。使用熔接机对所述的突起热压使其变形并扣在镜片边缘，这样镜片便被固定在固定件上。

镜筒中安装有4根用于定位所述ZOOM群和FOCUS群的金属杆，ZOOM群和FOCUS群上分别设置有定位部，可以接合到所述金属杆，这样ZOOM群和FOCUS群就可以在光轴上前后移动且镜片中心不偏离光轴。

在摄像机的使用过程中，尤其是手持使用的过程中，难以避免的造成摄像机在拍摄过程中的抖动，其结果就会造成拍摄图像的清晰度降低。为了消除这种不利影响，需要对拍摄过程中的抖动进行补偿，也就是防抖。目前防抖方法一般分为光学防抖和电子防抖。光学防抖，并不是让机身不抖动，它是依靠特殊的镜头或者CCD感光元件的结构在最大程度的降低操作者在使用过程中由于抖动造成影像不稳定。通过安装在机身上的陀螺仪元件探测机身的抖动，计算需要补偿的位移量，然后通过补偿镜片组，根据镜头的抖动方向及位移量加以补偿，从而有效地克服因相机的振动产生的影像模糊。电子防抖，是针对CCD上的图像进行分析，然后利用边缘图像进行补偿，它只是对采集到的数据进行后期处理，治标不治本，并没有什么实际作用，相反，对于画质有一定程度的破坏。光学防抖虽然技术难度较大，但是在成像质量上要明显优于电子防抖，在高端数码摄像机上基本都配置有光学防抖功能。

光学防抖的常见方式有镜片移动式光学防抖和图像探测器移动式光学防抖。本文介绍的镜头采用的是镜片移动式光学防抖技术。

在光学防抖中移动的镜片群是FIXED群。由于FIXED群在光轴方向的位置是固定的，因此选择FIXED群来作为光学防抖的动作部件会比较容易。FIXED群在驱动单元的作用下可以在垂直于光轴的平面上移动。

OIS单元由FIXED群以及驱动部两个部分组成，FIXED群周围安装有4片磁铁，驱动部上相对应的设置有4个电磁线圈，通过控制电磁线圈中的电流造成磁场的改变，能够使FIXED群移动。所述4个电磁线圈的背面还分别安装有铁片，借助铁片与所述4片磁铁之间的磁力能够将FIXED群固定到驱动部上。所述FIXED群和驱动部之间还设置有4颗滚珠，这样就能保证FIXED群和驱动部能够相对移动。

FIXED群移动的幅度和频率是有限的，无法对幅度过大以及频率过高的抖动进行补偿。所以光学防抖所针对的对象是拍摄者使用手持的方式操作摄像机时，因为呼吸，心跳以及无法控制的身体动作，即人体固有的抖动造成的摄像机的抖动。光学补偿的角度范围一般在10啊？5耙阅凇？

光圈安装在OIS单元上。根据图像传感器接收到的图像信号亮度可以对光圈做相应的控制，通过驱动部能够控制光圈的打开状态，调节进光量。光圈由相对配置的两个遮光片组成，根据驱动电机转动的角度，可以控制光圈开口的大小。

驱动部主要包括3个驱动电机，其中一个控制光圈的打开大小，另外两个控制ZOOM群和FOCUS群的移动。

控制镜片群移动的电机通常采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。通过步进电机的使用，可以准确的控制镜片群的移动量，实现准确的变焦和聚焦动作。

常见的变焦动作的流程是拍摄者通过按键输入变焦的指令，接着步进电机被驱动，改变ZOOM群在光轴上的位置，镜筒的焦距也随之改变，在ZOOM群移动的同时，FOCUS群根据摄像机存储器内记录的FOCUS群与ZOOM群两者之间的位置对应关系的数据进行相应的移动，保证在变焦过程中图像传感器接收到的图像始终保持清晰。

然而，通过控制步进电机，只能控制ZOOM群和FOCUS群的移动量，并不能获得它们当前所处的位置，这对于确定FOCUS群在聚焦曲线中的坐标是不利的。那么，就需要一种定位机制来获取ZOOM群和FOCUS群的准确位置。

常见的一种方式是在镜筒上设置位置探测器。在镜筒的头部和尾部分别设置有一个位置探测器，其结构为相对设置的一个发光二极管和一个光电二极管，当光线传播的路径被其他物体遮挡时就会造成输出电信号的变化。ZOOM群和FOCUS群上分别设置有一个凸起，在移动到位置探测器的相应位置时遮挡住发光二极管发出的光线。

当摄像机开机时，首先进行镜头初始化的动作。ZOOM群和FOCUS群分别向着镜头的头部和尾部移动，当到达位置探测器的相应位置时停止移动。这样一来，ZOOM群和FOCUS群的初始位置就被确定，为后续的变焦和聚焦动作提供了基础。

2图像传感器

常用的影像传感器有CCD和CMOS两种。

CMOS或CCD不同于人眼，可见光之外的电磁波也会被接收并体现在输出的图像上，显然可见光之外的这些信号是我们不希望看到的，因此需要一个滤波器将可见光之外的噪音过滤掉。通常使用的元件OLPF，即光学低通滤波器，其设置在镜筒与图像探测器之间，只通过可见光，去除不需要的噪声。

本文对摄像机镜头的基本结构和工作原理进行了介绍，镜头相关的各个部件只举了一个实例，无法全面涵盖镜头中的常用技术。为了抵御手机、照相机对视频拍摄市场的冲击，目前摄像机正在向高清晰度和高变倍数发展。