焦深

設計出性能高，成本低、體積小、環境適應性強的光學成像系統，是光學設計永恆的目標。光學系統是信息獲取的首要單元，為了正確反映目標的信息，光學系統的信息容量必須大於目標的信息量，而光學系統的拉格朗日不變量不僅表徵了系統所能傳遞的能量的多少，而且決定所能傳遞的信息量的大小，光學工作者一直致力於這個方面的研究：一方面儘可能獲取最清晰的目標成像；另一方面要使能夠清晰成像的目標範圍儘可能廣。從理論而言，第一點可表述為對高分辨力的追求，第二點則體現為獲取儘量大的系統的焦深/景深。

焦深，是焦點深度的簡稱。

光學成像系統的焦深指的是，實際光學系統成像時，都是三維物空間向二維的像平面的映射，這樣就存在一個最佳的物平面和映射的像平面的對應關係。如果將像面沿光軸移動一段距離，在像平面上所成的像為一彌散斑。如果彌散斑足夠小，並在系統可分辨本領範圍內，那麼由這些彌散斑所構成的像仍然可以視為清晰的像，根據瑞利的研究結果，如果系統像面移動造成的系統波像差變化不超過四分之一波長，則認為系統成像仍然是完善的，這個像面可以移動的範圍便是光學系統的焦深。相應的物方空間，在像接受面上仍能成較清晰像的最近和最遠物體之間的距離稱之為景深。二者之間的共軛關係表明其本質是統一的。 ^[1] 

另外在使用顯微鏡時，當焦點對準某一物體時，不僅位於該點平面上的各點都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度內，也能看得清楚，這個清楚部分的厚度就是焦深。焦深大，分辨率降低，但可以看到被檢物體的全層，而焦深小，則只能看到被檢物體的一薄層。

焦深從像平面前開始，到達像平面時匯聚的光錐形成最小程度的彌散圈，然後在像平面背後發散光錐延伸到焦深開始時同樣的直徑上時而消失，它的深度很小隻為一英寸的百分之幾而已。因此焦深所提供的調焦寬容度很小。由於低倍物鏡的景深較大，所以在低倍物鏡照相時造成困難。

（1）物體上的點在鏡頭後的成像軸線上所能夠獲得的較清晰的成像距離。

（2）指在保持影像較為清晰的前提下，焦點（焦平面）沿着鏡頭光軸所允許移動的距離。

（3）與景深相互共軛的眼視網膜像位間的距離（不是很準確）。

（4）鏡頭的像平面兩邊的成像清晰範圍。

1，光圈與焦深成反比。光圈小，焦深大；光圈大，焦深小。

2，攝距與焦深成反比。攝距近，焦深大；攝距遠，焦深小。

原因：攝距（物距）減小，像距增大，遠、近模糊圈之間的距離增大，所以焦深增大。

3，鏡頭焦距與焦深成正比。鏡頭焦距長，焦深大，鏡頭焦距短，焦深小。

原因：攝距一定時，焦距增大，遠、近模糊圈之間的距離增大，所以焦深增大。

4，焦深與模糊圈成正比。允許的模糊圈大，焦深大；允許的模糊圈小，焦深小。

5，焦深與總放大倍數及物鏡的數值孔徑成反比。

大焦深光學系統因其優越的特性，在許多實際應用中具有非常重要的意義，因此長期以來倍受關注。其應用領域已滲入各個學科的各個領域。在民用領域如大孔徑攝像鏡頭和高倍顯微鏡、醫用內窺鏡等，在軍事應用方面包括各種用途的機載、彈載、艦載、星載裝置，如大口徑火炮瞄準裝置、艦船、導彈攝像記錄系統，星載大視場、高分辨光學遙感、偵查相機等光學系統都需要大焦深光學系統，其波段範圍也涵蓋了可見、紅外、紫外各波段。

在空間光學遙感相機設計中，首先考慮的指標是在獲得儘可能寬的地面覆蓋寬度的同時，可以保持儘可能高的空間分辨力。但是，在空間光學偵查、遙感的應用中，外界環境的變化，包括温度、振動和衝擊等，都會引起光學系統的像面離焦，影響了系統的空間分辨力，通常採用圖像處理的方法對遙感圖像進行後期處理，來提高系統的空間分辨力，但是當像面離焦量過大時，光學系統的調製傳遞函數出現零值，降低空間分辨力，並造成與該頻率對應的空間信息無法傳遞，影響遙感圖像的後期處理的質量。此外，圖像的後期處理通常需要己知光學系統的離焦量，但是對於空間光學遙感相機來説，離焦的產生因素很多，很難準確預知確切的離焦量，為了解決因離焦引起的空間分辨力降低，相機通常採用主動調焦補償機構或是加入温度控制系統的方法。這無疑會增加系統的體積、重量、功耗和成本，並使整個系統複雜化，容易出現各種問題，這些應對方案在空間遙感相機普遍追求小型化、輕量化是不可取的。這些問題也迫使科研人員想方設法研究新結構的光學系統，目的是使空間遙感相機同時實現大視場、高分辨和輕質量，擴展系統焦深是解決此問題的一個有效途徑，系統焦深的擴展可以使系統容許的像面離焦量增大，從而增強系統對外界環境變化的抵抗能力。 ^[2] 

對應用比較廣泛的紅外光學系統，在光學系統設計時人們也嘗試通過選取新的光學結構，達到擴大焦深的目的，最典型的光學系統結構是採用了非球面校正單色像差，折衍混合透鏡校正色差和補償高級色差的光學系統結構來增大焦深，但是這種方法有它的侷限性，主要制約因素是衍射光學元件的衍射效率與波長密切相關性，對應單色波長衍射效率較高，對於其它波長有明顯差別，其材料本身熱效應比較顯著，因此受環境温度影響也比可見光光學系統更為強烈；為了提高系統的温度適應能力而加入温控機構和調焦機構，使系統的複雜程度大大增加，同時帶來的是結構的龐大和成本的上升。如果能大範圍地擴大光學系統的焦深，提高系統的環境適應能力，去除不必要的温控和精密調焦機構，便可以減小系統的體積和重量，對紅外成像系統相同而言，系統重量可以降低10%~15%，同時也將大大的改善紅外成像系統的成像質量和性能。 ^[3]