镜头（见图3-14）是机器视觉系统中必不可少的核心部件，直接影响成像质量的优劣和算法的实现及效果。镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头、长焦镜头；从视场大小上可分为广角、标准、远摄镜头；从结构上可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头和电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头等[222]。
图3-14 镜头实物图
对于任何相机来说，镜头的好坏一直是影响其成像质量的关键因素，数码相机也不例外[223]。虽然数码相机的CCD分辨率有限，原则上对镜头的光学分辨率要求较低，但由于数码相机的成像面积较小（因为数码相机是成像在CCD面板上，而CCD的面积较传统35 mm相机的胶片小很多），因而需要镜头保证一定的成像质量。
例如，对某一确定的被摄体，水平方向需要200像素才能完美再现其细节，如果成像宽度为10 mm，则光学分辨率为20线/mm的镜头就能胜任；但如果成像宽度仅为1 mm的话，则要求镜头的光学分辨率必须在200线/mm以上。此外，传统胶卷对紫外线比较敏感，户外拍照时通常需要加装UV镜，而CCD对红外线比较敏感，需要为镜头增加特殊的镀层或外加滤镜，以提高成像质量[224]。同时，镜头的物理口径也需要认真考虑，且不管其相对口径如何，其物理口径越大，光通量就越大，数码相机对光线的接受和控制就会更好，成像质量也就越高。
镜头对机器视觉系统来说同样十分重要，选择时需要注意以下几个性能参数：
（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，指平行光入射时从透镜光心到焦点的距离，也是照相机中从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳的聚光能力[225]。简单来说，焦距就是焦点到镜头中心点之间的距离。
（2）镜头口径。
镜头口径也叫“有效口径”或“最大口径”。它指每只镜头开足光圈时前镜的光束直径（也可视作透镜直径）与焦距的比数[226]。它表示该镜头最大光圈的纳光能力。如某个镜头焦距是4，前镜光束直径是1时，这就是说焦距比光束直径大4倍，一般称它为f系数，f代表焦距。
（3）光圈。(www.xing528.com)
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，它通常安装在镜头内部。平时所说的光圈值F1、F1.2、F1.4、F2、F2.8、F4、F5.6、F8、F11、F16、F22、F32、F44和F64等是光圈“系数”，是相对光圈，并非光圈的物理孔径，它与光圈的物理孔径及镜头到感光器件（胶片、CCD或CMOS）的距离有关。
表达光圈大小用的是F值。光圈F值=镜头的焦距/镜头口径的直径。从以上公式可知：要达到相同的光圈F值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离越远，F数越大；反之，镜头中心与感光器件距离越近，通过光孔到达感光器件的光密度越高，F数就越小。
这里需要提及的是，光圈F值越小，在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光量刚好是下一级的两倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进光量便多一倍，也可以说光圈开大了一级[227-228]。多数非专业数码相机镜头的焦距短、物理口径很小，F8时光圈的物理孔径已经很小了，继续缩小就会发生衍射之类的光学现象，影响成像。所以一般非专业数码相机的最小光圈都在F8至F11，而专业型数码相机感光器件面积大，镜头与感光器件距离远，光圈值可以很小。对于消费型数码相机而言，光圈F值常常介于F2.8～F16之间。
（4）放大倍数。
它是光学镜头的一项性能参数，是指物体通过透镜在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值。
（5）影像至目标的距离。
它也是光学镜头的一项性能参数，是指成像平面上的影像与目标之间的实际距离。
（6）畸变。
畸变是由机器于视觉系统中垂轴放大率在整个视场范围内不能保持常数引起的。当一个有畸变的光学系统对一个方形的网状物体成像时，由于某些参数的不同，可能会形成一个啤酒桶状的图像，这种畸变称为正畸变，也可称为桶形畸变；还有可能会形成一种枕头状的图像，这种畸变称为负畸变，也可称为枕形畸变。在一般的光学系统中，只要畸变引起的图像变形不为人眼所觉察，是可以允许存在的，这一允许的畸变值约为4%。但是有些需要根据图像来测定物体尺寸的光学系统，如航空测量镜头等，畸变则直接影响其测量精度，必须对其严加校正，使畸变小到万分之一甚至十万分之几。
图3-15 相机实物图
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