摄像机镜头详细知识

监控镜头指监控摄像机的镜头，其作用是把被观察目标的光像呈现在摄像机的传感器上，也称光学成像。镜头通过将各种不同形状、不同介质（塑料、玻璃或晶体）的光学零件（反射镜、透射镜、棱镜）按一定方式组合起来，使得光线经过这些光学零件的透射或反射以后，按照人们的需要改变光线的传输方向而被接收器件接收，完成物体的光学成像过程。

1-2、镜头特点

一般来说每个镜头都由多组不同曲面曲率的透镜按不同间距组合而成。间距和镜片曲率、透光系数等指标的选择决定了该镜头的焦距。
镜头主要的参数指标包括：有效焦距、光圈、最大像面、视场角、畸变、相对照度等，各项指标数值决定了镜头的综合性能。

2、镜头分类

2-1、按结构分类

固定光圈定焦镜头，即镜头只有一个可以手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成像在 CCD靶面上的图像最清晰；没有光圈调整环，光圈不能调整，进入镜头的光通量不能通过改变镜头因素而改变，只能通过改变视场的光照度来调整。结构简单，价格便宜。
手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，光圈范围一般从F1.2或F1.4到全关闭，能方便地适应被被摄现场地光照度，光圈调整是通过手动人为进行的。光照度比较均匀，价格较便宜。
自动光圈定焦镜头，即在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个齿轮合传动的微型电机，并从驱动电路引出 3或4芯屏蔽线，接到摄像机自动光圈接口座上。当进入镜头的光通量变化时，摄像机 CCD 靶面产生的电荷发生相应的变化，从而使视频信号电平发生变化，产生一个控制信号，传给自动光圈镜头，从而使镜头内的电机做相应的正向或反向转动，完成调整大小的任务。
手动光圈变焦镜头，即焦距可变的，有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距。实际应用中，可通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择被监视地市场的市场角。但是当摄像机安装位置固定下以后，在频繁地手动调整变焦是很不方便的。因此，工程完工后，手动变焦镜头的焦距一般很少调整。仅起定焦镜头的作用。
自动光圈电动变焦镜头，与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机，其中一个电机与镜头的变焦环合，当其转动时可以控制镜头的焦距；另一电机与镜头的对焦环合，当其受控转动时可完成镜头的对焦。但是由于增加了两个电机且镜片组数增多，镜头的体积也相应增大。
电动三可变镜头，与自动光圈电动变焦镜头相比，只是将对光圈调整电机的控制由自动控制改为由控制器来手动控制。

2-2、按焦距分类

标准镜头，指焦距长度接近或等于底片/传感器对角线长度的镜头。其视角约50度，也是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角。在诸如取景范围、透视关系等方面，标准镜头都与人眼观看的效果类同，显得特别亲切、自然。
广角镜头，指焦距短于、视角大于标准镜头的镜头。视角大于90度的镜头称为“超广角镜头”。

广角镜头，适用于拍摄距离近且范围大的景物，又能刻意夸大前景表现强烈远近感即透视。其主要包括4个特点，即1）景深大，有利于获得被摄画面全部清晰的效果。广泛地用于风光片的拍摄；2）视角大，在有限的范围内可以获得较大的取景范围，在室内建筑的拍摄中尤为见长，广泛地用于房地产行业的拍摄；3）透视感强烈，可以营造具有强烈视觉冲击感的画面；4）畸变较大，尤其是在画面的边缘部分。

鱼眼镜头，一种极端的超广角镜头，视角在180度左右的镜头就可称为“鱼眼镜头”。鱼眼镜头的特点：1）视角大，被摄范围极广；2）透视感获得极大的夸张；3）鱼眼镜头存在严重的畸变，但可以获得戏剧性的效果；4）第一片镜片向外凸出，不能使用通常的滤镜，取而代之的是“内置式滤镜”。
长焦距镜头，适于拍摄距离远的景物，景深小容易使背景模糊主体突出，但体积笨重且对动态主体对焦不易。35mm 相机长焦距镜头通常分为三级，135mm以下称中焦距，135－500mm称长焦距，500mm 以上称超长焦距。长焦镜头的主要特点为：1）景深小，容易获得主体清晰，背景虚化的画面效果；2）视角小，能够获得远处主体较大的画面且不干扰被摄对象；3）压缩了画面透视的纵身感，拉近了前后景的距离；4）影像畸变较小。
反射式望远镜头，是另一种超望远镜头的设计，利用反射镜面来构成影像，但因设计的关系无法装设光圈，仅能以快门来调整曝光。
微距镜头，是一种用作微距摄影的特殊镜头，主要用于拍摄十分细微的物体，如花卉及昆虫等。为了对距离极近的被摄物也能正确对焦，微距镜头通常被设计为能够拉伸得更长，以使光学中心尽可能远离感光元件，同时在镜片组的设计上，也必须注重于近距离下的变形与色差等的控制。大多数微距镜头的焦长都大于标准镜头，可以被归类为望远镜头，但是在光学设计上可能是不如一般的望远镜头的，因此并非完全适用于一般的摄影。

2-3、按接口分类

C接口镜头，法兰焦距为17.526mm。法兰焦距是安装法兰到入射镜头平行光的汇聚点之间的距离。
CS接口镜头，法兰焦距为12.5mm。法兰焦距是安装法兰到入射镜头平行光的汇聚点之间的距离。通过使用转接环，C接口的镜头可以应用在CS接口的镜头座上，但反之不可。

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单板机镜头，一般指M12接口及Φ14接口的镜头。
特殊接口镜头，一般指特殊接口的镜头，如一体机镜头等。

3、镜头参数

3-1、焦距

焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。镜头的焦距是镜头的一个非常重要的指标。镜头焦距的长短决定了被摄物在成像介质（胶片或CCD等）上成像的大小，也就是相当于物和象的比例尺。当对同一距离远的同一个被摄目标拍摄时，镜头焦距长的所成的象大，镜头焦距短的所成的象小。

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3-2、视场角

在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。通俗地说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。
视场角计算公式：（θ：视场角；：图像尺寸，f：焦距）。H：水平视场角，V：垂直视场角，D：对角线视场角。

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3-3、焦距与视场角的关系

焦距与视场角成反比，即焦距越大，视场角越小，反之视场角越大。
视野计算公式：；焦距计算公式：。

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3-4、光圈

光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置，它通常是在镜头内。常用光圈F值表示光圈的大小，光圈F值=镜头的焦距/镜头有效孔径。光圈 F 值越小，通光孔径越大，在同一单位时间内的进光量便越多，画面越亮。

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3-5、调制传递函数

一般通过光学系统的输出像的对比度总比输入像的对比度要差，这个对比度的变化量与空间频率特性有密切的关系。把输出像与输入像的对比度之比成为调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF），即MTF的定义是： MTF=输出图像的对比度/输入图像的对比度。因为输出图像的对比度总小于输入图像的对比度，所以MTF值介于0~1之间。

调制传递函数可用于表示光学系统的特征，MTF越大，表示系统的成像质量越好。

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3-6、分辨率

分辨率（Resolution），又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力、解像力和分辨本领，是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力。显然分辨率越高的镜头，所拍摄的影像越清晰细腻。它的单位是“线对/毫米”。它的优点是可以量化，用数据表示，使结果更直观、更科学、更严密。

根据镜头的像素大小选用相应的相机进行拍摄测试，拍摄ISO12233 Chart，按视频输出比例4:3或16:9充满画面用专业软件读出水平和竖直方向的线对数（LW/PH），即可检测镜头的分辨率参数指标。

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3-7、杂散光

杂散光，指远离吸收光的其它波长的入射光。由于光源发出的光经过单色器时有可能从单色器舱内及其它光学元件表面发生反射，从光学元件表面以及大气中的灰尘也可以发生散射，这些都会产生杂散光。

杂散光的表现多样，常见的有光晕、呈彗星状的或发散状的亮痕、呈圆弧状的亮痕等。

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3-8、鬼影

成像系统中，像点附件有一个或者多个与像点相似的像的存在，这个除了像点之外的其他的像点统称为鬼影。产生鬼影的原因是镜片的透过率不能做到100%，这样光线经过二次反射，成像于Sensor之上，所以一般形态近似。理论上不可以消除，只能通过镀膜减弱。

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3-9、畸变

畸变是光学常见基本像差之一，通俗的讲，就是物体上的直线经过透镜成像后，变成弯曲的现像。畸变是由于透镜的放大率随光束和主轴间所成角度改变而引起。光线离主轴越远，畸变越大，但是若与主轴正交并通过主轴，则不发生畸变。放大率随入射角度增加而增大时称正畸变。（即枕形畸变）。放大率随入射角度增加而减小时负畸变（即桶形畸变）。

畸变不影响成像清晰度，但图像会变形失真，影响观察效果。

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3-10、色散

色散是由于的镜头对不同波长的光线聚焦不在同一个焦平面（不同波长的光线的焦距是不同的），或者和镜头对不同波长的光线放大的程度不同而形成的。

常见的紫边现象，实际就是因镜头色散导致的。

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3-11、景深

景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，便叫做景深。在镜头前方（调焦点的前、后）有一段一定长度的空间，当被摄物体位于这段空间内时，其在底片上的成像恰位于焦点前后这两个弥散圆之间。被摄体所在的这段空间的长度，就叫景深。换言之，在这段空间内的被摄体，其呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内，这段空间的长度就是景深。
光圈、镜头、及拍摄物的距离是影响景深的重要因素：

1）光圈越大（光圈值f越小）景深越浅，光圈越小（光圈值f越大）景深越深；

2）镜头焦距越长景深越浅、反之景深越深；

3）主体越近，景深越浅，主体越远，景深越深。

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3-12、 ICR

ICR双滤光片切换器由一个红外截止滤光片和一个全光谱光学玻璃构成，当白天的光线充分时红外截止滤光片工作，CCD还原出真实彩色，当夜间光线不足时，红外截止滤光片自动移开，全光谱光学玻璃开始工作，使CCD充分利用到所有光线，从而大大提高了低照性能。

ICR 专为CCD摄影机修正偏色、失焦的问题，促使撷取影像画面不失焦、不偏色,红外夜视更通透，解决红外一体机，日夜图像偏色影响，能够过滤强光让画面色彩纯美更柔和、达到人眼视觉色彩一致。

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3-13、偏振镜

偏振镜，也叫偏光镜，简称PL镜，是一种滤色镜。偏振镜的出色功用是能有选择地让某个方向振动的光线通过，在彩色和黑白摄影中常用来消除或减弱非金属表面的强反光，从而消除或减轻光斑。例如，在景物和风光摄影中，常用来表现强反光处的物体的质感，突出玻璃后面的景物，压暗天空和表现蓝天白云等。

4、常见镜头

4-1、定焦镜头

定焦镜头（primelens）特指只有一个固定焦距的镜头，只有一个焦段，或者说只有一个视野。定焦镜头没有变焦功能。定焦镜头的设计相对变焦镜头而言要简单得多，但一般变焦镜头在变焦过程中对成像会有所影响，而定焦镜头相对于变焦机器的最大好处就是对焦速度快，成像质量稳定。不少拥有定焦镜头的数码相机所拍摄的运动物体图像清晰而稳定，对焦非常准确，画面细腻，颗粒感非常轻微，测光也比较准确。
定焦镜头的好处，主要体现在短焦段的使用上。

1）定焦的广角或标准镜头一般都比涵盖相应焦距段的变焦镜头口径大；

2）定焦的广角镜头一般都比涵盖相应焦距段的变焦镜头最短对焦距离近；

3）定焦广角镜头一般都比涵盖相应焦距段的变焦镜头体积小，重量轻；

4）广角定焦镜头一般都比变焦镜头的广角段成像好，这是镜头的设计所决定的，变焦镜头由于要考虑所有焦距段都有相对好的成像，就要牺牲局部的利益让整体有一个相对好的表现。但定焦镜头不用考虑这些。

5）定焦镜头唯一的缺点恐怕就是不方便了，需要调整拍摄物体的大小时只有通过摄影者的移动来实现，在某些不适合移动的场合就无能力了。

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4-2、红外镜头

采用新的光学设计方法，特殊的光学玻璃材料以及特殊镀膜和材质等先进技术，消除可见光和红外光的焦面偏移，使可见光区到红外光区都可以在同一个焦面位置成像，从而实现日夜监控。
常用矫正方法：光学矫正、ED（超低色散）玻璃矫正、红外多层镀膜技术（红外增透）。

4-3、手动变焦镜头

手动变焦镜头，顾名思义，手动变焦镜头的焦距是可变的，它有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距。

一般情况，通过手动变焦后，由于镜组的前后移动，镜头的总机械长度会增加。但通过光学设计，也可以实现在镜头总机械长度不变的情况下，通过中间镜组的前后移动，实现焦距的变化。

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4-4、电动变焦镜头

电动变焦也称作动力变焦，它是通过操作人员按压“推”、“拉”按钮，由电路产生相应的控制信号，控制变焦电机动作，带动变焦镜头组以一定速度匀速前移动来实现的。这样操作起来十分方便，变焦过程平稳，效果良好。但变焦速度受到限制，没有太多的变化。
一般来说, 电动变焦镜头的变焦倍数都比较大, 常用的有6倍7倍10 倍的镜头, 焦距大多在100mm以下, 还有15,16倍20倍、22倍等中倍数的, 焦距大多在100-200mm之间, 再往上还有30 倍33倍50倍100倍, 一般焦距都在300 以上的, 有些甚至可以达到或超过1000mm, 特别适合超远距离监控。与手动变焦镜头不同, 电动变焦镜头由于焦距可以通过后端人为改变, 对于场景中的重点部分可以拉近放大观察, 监控效果非常好。
进一步划分，电动变焦镜头可以划分为电动二可变镜头及电动三可变镜头。

电动二可变镜头，即指焦距、聚焦均通过马达驱动变化，而光圈通过摄像机驱动信号自动控制，即自动光圈；

电动三可变镜头，即指焦距、聚焦、光圈三个参数均通过电动马达驱动变化。

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4-5、自动对焦镜头

自动对焦（AutoFocus）是利用物体光反射的原理,将反射的光被相机上的传感器 CCD接受，通过计算机处理，带动电动对焦装置进行对焦的方式叫自动对焦。它多分为二类：一是主动式，另一个则是被动式。
主动式自动对焦镜头：相机上的红外线发生器、超声波发生器发出红外光或超声波到被摄体。相机上的接受器接受反射回来的红外光或超声波进行对焦，其光学原理类似三角测距对焦法.主动式中又有能量法，用于低档普及型相机的自动对焦，广泛用于各种平视取景相机.主动式对焦对斜面,光滑面对焦困难.对亮度大,远距离的被摄体对焦困难.这是由于发出的光被反射到其它方向,或达不到被摄体所至.主动式由于是相机主动发出光或波,所以可以在低反差、弱光线下对焦.对细线条的被摄体，对动体都能自动对焦.缺点是当被摄体能吸收光或波时对焦困难，还会被玻璃反射故透过玻璃对焦困难。
被动式自动对焦镜头：即直接接收分析来自景物自身的反光,进行自动对焦的方式.这种自动对焦方式的优点是;自身不要发射系统，因而耗能少，有利于小型化.对具有一定亮度的被摄体能理想的自动对焦，在逆光下也能良好的对焦.对远处亮度大的物体能自动对焦。能透过玻璃对焦.但缺点是对细线条的被摄体自动对焦较困难.在低反差，弱光下的对焦困难.对动体自动对焦能力差.对含偏光的被摄体自动对焦能力差.黑色物体或镜面的对焦能力差。

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4-6、同步对焦镜头

同步对焦镜头，是采用高清变焦镜头与EDOF（扩展景深）技术相结合的全新设计方案，在设计过程中，精确记录各焦距段，图像清晰情况下前景组与后镜组的相对位置关系，获得光学同步对焦算法曲线。利用光学同步对焦算法曲线，使光学前镜组和后镜组的位置关系精确定位，成严格的一一对应关系，并利用结构设计，将该算法曲线固化为结构件精确的非线性/线性槽，确保当前镜组移动时，后镜组受线性槽限制，移动到对应的位置，从而实现变倍过程图像清晰。
EDOF（扩展景深）技术设计，使镜头MTF曲线更平缓，从而使所设计镜头具备更大的景深优势，为开发同步对焦镜头的核心技术。

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5、其他特殊镜头

5-1、光纤镜头

在特殊的CCTV安全镜头族群中，值得一提的品种包括光纤镜头、管道镜头、分像镜头、拐角镜头、中继镜头、安定镜头。这些镜头各有所长，可以实现普通镜头所无法完成的特殊功能。
设计难度较大的监控系统中往往需要使用粘连光纤束镜头。与通常用于视频信号传输的单模光纤和多模光纤不同，这种光纤束是由上千根单独的玻璃光纤粘连在一起组成的。它可以将物镜得到的光学图像传输到十几厘米到几米远的地方。中继镜头从光纤束处理到图像后，再将其传送到摄像机的传感器上。通过光纤镜头取得的画面，其质量不如通过普通镜头取得的画面好。因此，这种镜头只能用在普通镜头无法解决问题的场合。光纤镜头分为刚性和柔性两种。
高分辨率（450 线）的粘连光纤束中有几万根玻璃纤维，光学图像就是通过这些纤维从一端传输到另一段，每根光纤在光纤束两端的几何阵列中所处的位置完全相同。完整的“光纤镜头”除了包括这个光纤束外，还需要在前面加装成像用的物镜，在后端加装传递图像用的中继镜头（以便图像会聚到传感器上）。
光纤镜头通常用于穿过厚墙对隔壁房间的监视，有时也用在必须将摄像机与镜头分开一端距离的场合。

5-2、管道镜头

另一种常用的长距离采光镜头是管道（borescope）镜头。管道镜头由直径为 0.04～0.5英寸、长 6～30 英寸的通光管、杆状镜头和多联式中继镜头共同组成。中间的镜头用于将物镜形成的光学图像传送给后面的镜头，进而传送到摄像机传感器上。单杆镜头使用的是独特的 GRIN（graded index，渐变折射率）玻璃杆，光学图像在通过它之间能够重新聚焦。由于杆和镜头的直径都很小，只有少量的光线能透入摄像机内部，因此这种系统的光学速度较慢，通常为 f/11 和 f/30。这一特性使得管道镜头只能与光线充足的场景和高灵敏度的摄像机配用。因为管道镜头中使用的都是玻璃透镜，它的图像质量比光纤镜头要好一些。

5-3、分像镜头

能够将两个单独场景同时成像的同一摄像机上的镜头称作分像镜头或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜获取两个场景的图像后，再将其投射到摄像机的传感器上，其中的两个透镜焦距可能相同，也可能不同；可能朝向同一方向，也可能朝向不同的方向。
分像镜头的转接器可以起到同样的作用。除了用于连接摄像机的接口外，转接器上还有两个C 型接口或CS接口，可以连接两个普通镜头，从而实现“一机两景”。根据双焦镜头设计的不同，最后得到的双景图像可以是左右分割的，也可以是上下分割的。所以定焦镜头、变焦镜头、针孔镜头或其它镜头，只要其接口是 C 型或 CS型的，就都可以用到这种转换器上。侧镜位置安装的可调式反射镜可以改变镜头观察的方向。在侧镜旁边再加装一只反射镜，就可以让两中镜头对准同一场景。在这种情况下，如果前镜使用广角镜头（6.5mm），侧镜使用狭角镜头（75mm），就构成一个双焦镜头，与之相连的摄像机可以同时看到同一场景的广角和狭角的图像。在左右分割时，每个镜头的水平视场都变为正常情况下的 1/2（每个镜头只能使用传感器的一半宽度）。将分像镜头旋转 90°，可以得到上下分割的图像。双焦镜头在监视器上形成的图像是倒转的，因此需要将摄像机倒转过来安装。
三向光学分像镜头可以同时观察三个不同的场景。三分镜头主要用于观察丁字型走廊，但是也可以作其它用途。使用三分镜头，可以同时观察三个不同的场景（放大倍数可以相同，也可以不同），而这三个场景是显示在同一监视器上。这样，我们就节省了两只摄像机、两台监视器和一只画面分割器。每个场景占据在监视器屏幕的 1/3 面积。镜头上的可调光学器件允许分别调节三个物镜的仰角，以适用长短不同的走廊需要（长走廊镜头接近水平，短走廊需要镜头略微冲下）。与双分镜头一样，摄像机也要倒转安装。

5-4、拐角镜头

拐角镜头使得摄像机可以做贴墙式的安装，即摄像机与轴线与墙面相平行。
在墙壁后面的空间比较有限的场合，像柜员机、天花板或升降机内，拐角镜头将会是一个很好的解决方案。拐角光学镜头使得 2.6mm 镜头的轴线变得与摄像机的轴线相垂直，因为 2.6mm 镜头的视场可以达到 110°，所以使用反光镜来解决这个问题将是不可能的。因为平面反射镜无法将全部场景反射到摄像机镜头上。这种黑边（vignitting）现象将使得我们无法在监视器上看到场景的部分边缘。
拐角转接器可以套接所有焦距的镜头，但镜头必须带有 C型或 CS型的接口。

5-5、中继镜头

中继镜头用来将镜头或粘连光纤束聚焦的光学图像传送到摄像机传感器上。这种镜头必须与其它物镜一起使用，其自身不能成像。在与光纤镜头配用时，它将光纤束输出端上面的图像投射到传感器上。与分像镜头或拐角镜头配用时，它也可以将双景图像或改向的图像投射到传感器上。中继镜头可以被看作是一个没有放大倍数的附加镜头，在与普通镜头配用时，它的主要作用是使得镜头和传感器之间的距离适当增大。

5-6、安定镜头

在安全系统中，当镜头和摄像机在观察场景时晃动或震动时，就需要使用安定镜头。安定镜头广泛应用在手提式摄录机、车载摄像机、空中平台摄像机和船载摄像机系统中。安定镜头可以抵消摄像机因风吹而引起的严重晃动。这种镜头系统内部设有活动光学器件，并通过这种器件的反向移动来抵消摄像机和场景之间相对移动。

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