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镜头的基本功能就是实现光束变换（调制）。在数字图像处理系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上，使成像单元能获得清晰影像。镜头的质量直接影响到整个系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是数字图像处理系统设计的重要环节。
常见的成像镜头，由透镜和光阑两部分组成。
单个透镜是进行光束变换的基本单元。常见的有凸透镜和凹透镜两种，凸透镜对光线具有汇聚作用，也称为汇聚透镜或正透镜；凹透镜对光线具有发散作用，也称为发散透镜或负透镜。镜头设计中，常常将这两类镜头结合使用，校正各种像差和失真，以达到满意的成像效果。
光阑的作用就是约束进入镜头的光束部分。使有益的光束进入镜头成像，而有害的光束不能进入镜头。根据光阑设置的目的不同，光阑又进一步细分为以下几种：
孔径光阑决定了进入镜头的成像光束的多寡（口径）。从而决定了镜头成像面的亮度，是镜头的关键部件之一。通常讲的“调节光圈”，就是调节孔径光阑的口径，从而改变成像面的亮度。
视场光阑限制、约束着镜头的成像范围。镜头的成像范围可能受一系列物理的边框、边界约束，因此实际镜头大多存在多个视场光阑。例如，每个单透镜的边框都能限制斜入射的光束，因此它们都可以算作视场光阑；CCD、CMOS或其他感光器件的物理边界也限制了有效成像的范围，因此这些边界也是视场光阑。
消杂光光阑是为了限制杂散光到达成像面而设置的光阑。镜头成像的过程中，除了正常的成像光束能到达像面外，仍有一部分非成像光束也到达像面，它们被统称为杂散光。杂散光对成像来说是非常有害的，相对于成像光束它们就是干扰、噪声，它们的存在降低了成像面的对比度。为了减少杂散光的影响，可以在设计过程中设置光阑来吸收阻挡杂散光到达成像面。为此目的而引入的光阑都称为消杂光光阑。
总而言之，透镜和光阑都是镜头的重要光学功能单元，透镜侧重于光束的变换（例如实现一定的组合焦距、减少像差等），光阑侧重于光束的取舍约束。
图2-8展示了工业镜头成像的基本性质。如图2-8a所示，假设发光体位于无限远处（无穷远处物体所发光被认为是平行光），将工业镜头（透镜）与这些平行光垂直，则这些光线将聚集在一点，这一点就是焦点。换句话说，焦点是无限远处光源的映射。工业镜头与焦点之间的距离称为焦距 f 。因此，如果想要在图像传感器（焦平面）上获取一个无限的远物体的像，工业镜头与图像传感器的距离就正好是镜头的焦距。如果将发光体移近工业镜头，如图2-8b所示，工业镜头就将光线聚焦在焦点前面，因此如果要获取尖锐的图像，就必须增加镜头与传感器的距离。因此，镜头对焦意味着改变工业镜头本身与图像传感器的距离，距离改变靠机械装置进行约束。这不仅应用于理想的薄透镜，也可以应用于实际由多镜片组成的复合镜头。
图2-8 工业镜头成像的基本性质
理想薄透镜成像原理如图2-9所示。当镜头应用于不同检测场合时，利用理想薄透镜公式与实际透镜组计算公式，来计算出所需的焦距。公式（2-1）是对于理想薄透镜的基本透镜公式，由图2-9可以得到公式（2-2），进而推导出公式（2-3）。
图2-9 理想薄透镜成像
其中， V 和 U 分别是工业镜头光心到图像传感器的距离和工业镜头光心到物体的距离， y′ 和 y 分别是图像的大小和物体的大小。 V 与 U 之比就是放大因子 m （或称放大倍率）。
焦距是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离，焦距的大小决定着视角的大小。焦距数值小，视角大，所观察的范围也大；焦距数值大，视角小，观察范围小。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。
在已知相机CCD尺寸、工作距离和视野的情况下，可以计算出所需镜头的焦距 f 。
如图2-10所示，视场角（Field of View, FOV）就是整个系统能够观察的物体的尺寸范围，进一步可以分为水平视场和垂直视场，也就是芯片上能够成像对应的实际物体大小，定义为FOV= L / m ，其中， L 是芯片的高或者宽， m 是放大率，定义为 m = v / u , v 是相距， u 是物距，FOV即是相应方向的物体大小。当然，FOV也可以表示成镜头对视野的高度和宽度的张角，即视场角 α ，定义为
图2-10 视场角示意图
如图2-11所示，光圈（Aperture）是机械装置，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，它通常在镜头内，通过控制镜头光孔的大小来达到这一作用。当外界光线较弱时，就将光圈调大；反之，就将光圈调小。光圈大小用镜头焦距 f 和通光孔径 D 的比值来衡量，用 f 值表示。完整的光圈值由小到大依次为： f /1、 f /1.4、 f /2、 f /2.8、 f /4、 f /5.6、 f /8、 f /11、 f /16、 f /22、 f /32、 f /44和 f /64。
图2-11 光圈示意图
光圈 f 值愈小，光圈开得越大，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一倍，例如光圈从 f /8调整到 f /5.6，进光量便多一倍，也可以说光圈开大了一级。
景深（Depth of field, DOF）是指在摄影机镜头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如图2-12所示。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，称为景深。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。光圈越大，景深越小；光圈越小、景深越大。焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。距离拍摄体越近时，景深越小；距离拍摄体越远时，景深越大。
图2-12 景深示意图
分辨率描述的是图像采集系统能够分辨的最小物体的距离，如图2-13所示。通常用黑白相间的线来标定镜头的分辨率，即像面处镜头在单位毫米内能够分辨的黑白相间的条纹对数，即每毫米多少线对，大小为1/2 d ，单位是“线对/毫米”（lp/mm）。分辨率越高的镜头成像越清晰。镜头的分辨率要与相机的分辨率匹配，大于或等于相机的分辨率。
一条直线经过镜头拍摄后，变成弯曲的现象，称为畸变像差。理想成像中，物像应该是完全相似的，也就是成像没有带来局部变形，如图2-14a所示。但是实际成像中，往往有所变形，如图2-14b和图2-14c所示，向内弯的是桶状变形（Barrel），向对角线方向往外弯的是枕状变形（Pincushion）。畸变的产生源于镜头的光学结构、成像特性使然。畸变可以看作是像面上不同局部的放大率不一致引起的，是一种放大率像差。
CCD尺寸即相机CCD靶面的大小。镜头可支持的最大CCD尺寸应大于或等于选配相机CCD芯片尺寸，才能使CCD发挥最大的效用。即相机的CCD靶面大小为1/2英寸时，镜头应选1/2英寸；相机的CCD靶面大小为1/3英寸时，镜头应选1/3英寸；相机的CCD靶面大小为1/4英寸时，镜头应选1/4英寸。如果镜头尺寸与摄像机CCD靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。
图2-13 分辨率示意图
图2-14 图像畸变类型
镜头的种类繁多，已经发展成了一个庞大的体系，以适应各种场合条件下的应用。对镜头的划分也可以从不同的角度来进行，例如可根据相机接口类型划分、根据变焦与否划分、根据镜头光圈划分、根据特殊用途划分等。
镜头和相机之间的接口有许多不同的类型，工业相机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、M42接口、M50接口等。
C接口和CS接口是工业相机最常见的国际标准接口，C接口和CS接口的螺纹连接是一样的，区别在于C接口的后截距为17.5mm，CS接口的后截距为12.5mm。所以CS接口的相机可以和C接口及CS接口的镜头连接使用，只是使用C接口镜头时需要加一个5mm的接圈；C接口的摄像机不能用CS接口的镜头。
F接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业摄像机中常用的类型，一般摄像机靶面大于1英寸时需用F口的镜头。
V接口镜头是著名的专业镜头品牌施奈德镜头所主要使用的标准，一般也用于摄像机靶面较大或特殊用途的镜头。
接口类型和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同。镜头接口需要与相机接口匹配，或可通过外加转换口与相机接口匹配安装。
按照变焦与否可将镜头分为定焦镜头和变焦镜头。
定焦镜头，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。定焦镜头按照等效焦距（实际焦距×43mm/镜头成像圆的直径）又可以划分为：鱼眼镜头（6～16mm）、超广角镜头（17～21mm）、广角镜头（24～35mm）、标准镜头（45～75mm）、长焦镜头（150～300mm）及超长焦镜头（300mm以上）。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。
变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距、从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的影像和不同景物范围的相机镜头。变焦镜头又可分为手动变焦和电动变焦两大类。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。
镜头有手动光圈和自动光圈之分。手动光圈镜头适合亮度不变的应用场合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，故适合亮度变化的场合。
自动光圈镜头又分两类：一类是将一个视频信号及电源从相机输送到透镜来控制镜头上的光圈，称为视频输入型；另一类则利用相机上的直流电压来直接控制光圈，称为DC输入型。自动光圈镜头上的ALC（自动镜头控制）调整用于设定测光系统，可以调整画面的平均亮度，也可以根据画面中最亮部分（峰值）来设定基准信号强度，供给自动光圈调整使用。一般而言，ALC已在出厂时经过设定，可不作调整，但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的目标时，明亮目标物的影像可能会造成“白电平削波”现象，而使得全部屏幕变成白色，此时可以调节ALC来改善画面。
按德国的工业标准，成像比例大于1:1的称为微距摄影范畴。这里所说的比率指成像的大小与实物之间的比例关系，也就是镜头的放大率。事实上放大率在1:1～1:4左右的都属微距镜头。
该镜头一般是为成像比例大于1:10的拍摄系统所用，为了看清目标的细节特征，显微镜头一般使用在高分辨率的场合。它们基本的特点是工作距离短，放大倍率高，视场小。
一般镜头是针对可见光范围内的使用设计的，由于同一光学系统对不同波长的光线折射率的不同，导致同一点发出的不同波长的光成像时不能汇聚成一点，产生色差。常用镜头的消色差设计也是针对可见光范围的，紫外镜头和红外镜头即是专门针对紫外线和红外线进行设计的镜头。
该镜头主要是为纠正传统工业镜头视差而设计，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。远心镜头主要有如下特点：
1）高影像分辨率。图像分辨率一般以量化图像传感器既有空间频率对比度的CTF（对比传递函数）衡量，单位为lp/mm。大部分视觉集成器往往只是集合了大量廉价的低像素、低分辨率镜头，最后只能生成模糊的影像。而采用远心镜头，即使是配合低像素图像传感器（如550万像素，2/3"），也能生成高分辨率图像。
2）近乎零失真度。畸变系数即实物大小与图像传感器成像大小的差异百分比。普通机器镜头通常有高于1%～2%的畸变，可能严重影响测量时的精确水平。相比之下，远心镜头通过严格的加工制造和质量检验，将此误差严格控制在0.1%以下。
3）无透视误差。在计量学应用中进行精密线性测量时，经常需要从物体标准正面（完全不包括侧面）观测。此外，许多机械零件并无法精确放置，测量时间距也在不断地变化。而软件工程师却需要能精确反映实物的图像。远心镜头可以完美解决以上困惑，因为入射光瞳可位于无穷远处，成像时只会接收平行光轴的主射线。
4）远心设计与超宽景深。双远心镜头不仅能利用光圈与放大倍率增强自然景深，更有非远心镜头无可比拟的光学效果。在一定物距范围内移动物体时成像不变，亦即放大倍率不变。
由以上特性可知，远心镜头依据其独特的光学特性一直为对镜头畸变要求很高的视觉应用场合所青睐。
镜头的基本光学性能由焦距、相对孔径（光圈系数）和视场角（视野）这三个参数表征。因此，在选择镜头时，首先需要确定这三个参数，最主要是先确定焦距，然后再考虑分辨率、景深、畸变、接口等其他因素。
选择镜头的基本步骤可以参考以下几条：
1）根据目标尺寸和测量精度，可以确定传感器尺寸和像素尺寸、放大倍率等。
2）根据系统整体尺寸和工作距离，结合放大倍率，可以大概估算出镜头的焦距。焦距、传感器尺寸确定以后，视场角也可以确定下来。
3）根据现场的照明条件确定光圈大小和工作波长。在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高图像亮度。
4）镜头的分辨率要与相机的分辨率匹配，大于或等于相机的分辨率。
5）镜头可支持的最大CCD尺寸应大于或等于选配相机CCD芯片尺寸。
6）最后考虑镜头畸变、景深、接口等其他要求。