焦深

景深

焦深，是焦点深度的简称。光学成像系统的焦深指的是当系统像面移动造成的系统波像差变化不超过四分之一波长时，则认为这个像面可以移动的范围便是光学系统的焦深。在使用显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。

背景

设计出性能高，成本低、体积小、环境适应性强的光学成像系统，是光学设计永恒的目标。光学系统是信息获取的首要单元，为了正确反映目标的信息，光学系统的信息容量必须大于目标的信息量，而光学系统的拉格朗日不变量不仅表征了系统所能传递的能量的多少，而且决定所能传递的信息量的大小，光学工作者一直致力于这个方面的研究：一方面尽可能获取最清晰的目标成像；另一方面要使能够清晰成像的目标范围尽可能广。从理论而言，第一点可表述为对高分辨力的追求，第二点则体现为获取尽量大的系统的焦深/景深。

基本信息

焦深，是焦点深度的简称。

光学成像系统的焦深指的是，实际光学系统成像时，都是三维物空间向二维的像平面的映射，这样就存在一个最佳的物平面和映射的像平面的对应关系。如果将像面沿光轴移动一段距离，在像平面上所成的像为一弥散斑。如果弥散斑足够小，并在系统可分辨本领范围内，那么由这些弥散斑所构成的像仍然可以视为清晰的像，根据瑞利的研究结果，如果系统像面移动造成的系统波像差变化不超过四分之一波长，则认为系统成像仍然是完善的，这个像面可以移动的范围便是光学系统的焦深。相应的物方空间，在像接受面上仍能成较清晰像的最近和最远物体之间的距离称之为景深。二者之间的共轭关系表明其本质是统一的。

另外在使用显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大，分辨率降低，但可以看到被检物体的全层，而焦深小，则只能看到被检物体的一薄层。

焦深从像平面前开始，到达像平面时汇聚的光锥形成最小程度的弥散圈，然后在像平面背后发散光锥延伸到焦深开始时同样的直径上时而消失，它的深度很小只为一英寸的百分之几而已。因此焦深所提供的调焦宽容度很小。由于低倍物镜的景深较大，所以在低倍物镜照相时造成困难。

确定焦深方法

（1）物体上的点在镜头后的成像轴线上所能够获得的较清晰的成像距离。

（2）指在保持影像较为清晰的前提下，焦点（焦平面）沿着镜头光轴所允许移动的距离。

（3）与景深相互共轭的眼视网膜像位间的距离（不是很准确）。

（4）镜头的像平面两边的成像清晰范围。

影响因素

1，光圈与焦深成反比。光圈小，焦深大；光圈大，焦深小。

2，摄距与焦深成反比。摄距近，焦深大；摄距远，焦深小。

原因：摄距（物距）减小，像距增大，远、近模糊圈之间的距离增大，所以焦深增大。

3，镜头焦距与焦深成正比。镜头焦距长，焦深大，镜头焦距短，焦深小。

原因：摄距一定时，焦距增大，远、近模糊圈之间的距离增大，所以焦深增大。

4，焦深与模糊圈成正比。允许的模糊圈大，焦深大；允许的模糊圈小，焦深小。

5，焦深与总放大倍数及物镜的数值孔径成反比。

大焦深的应用

大焦深光学系统因其优越的特性，在许多实际应用中具有非常重要的意义，因此长期以来倍受关注。其应用领域已渗入各个学科的各个领域。在民用领域如大孔径摄像镜头和高倍显微镜、医用内窥镜等，在军事应用方面包括各种用途的机载、弹载、舰载、星载装置，如大口径火炮瞄准装置、舰船、导弹摄像记录系统，星载大视场、高分辨光学遥感、侦查相机等光学系统都需要大焦深光学系统，其波段范围也涵盖了可见、红外、紫外各波段。

在空间光学遥感相机设计中，首先考虑的指标是在获得尽可能宽的地面覆盖宽度的同时，可以保持尽可能高的空间分辨力。但是，在空间光学侦查、遥感的应用中，外界环境的变化，包括温度、振动和冲击等，都会引起光学系统的像面离焦，影响了系统的空间分辨力，通常采用图像处理的方法对遥感图像进行后期处理，来提高系统的空间分辨力，但是当像面离焦量过大时，光学系统的调制传递函数出现零值，降低空间分辨力，并造成与该频率对应的空间信息无法传递，影响遥感图像的后期处理的质量。此外，图像的后期处理通常需要己知光学系统的离焦量，但是对于空间光学遥感相机来说，离焦的产生因素很多，很难准确预知确切的离焦量，为了解决因离焦引起的空间分辨力降低，相机通常采用主动调焦补偿机构或是加入温度控制系统的方法。这无疑会增加系统的体积、重量、功耗和成本，并使整个系统复杂化，容易出现各种问题，这些应对方案在空间遥感相机普遍追求小型化、轻量化是不可取的。这些问题也迫使科研人员想方设法研究新结构的光学系统，目的是使空间遥感相机同时实现大视场、高分辨和轻质量，扩展系统焦深是解决此问题的一个有效途径，系统焦深的扩展可以使系统容许的像面离焦量增大，从而增强系统对外界环境变化的抵抗能力。

对应用比较广泛的红外光学系统，在光学系统设计时人们也尝试通过选取新的光学结构，达到扩大焦深的目的，最典型的光学系统结构是采用了非球面校正单色像差，折衍混合透镜校正色差和补偿高级色差的光学系统结构来增大焦深，但是这种方法有它的局限性，主要制约因素是衍射光学元件的衍射效率与波长密切相关性，对应单色波长衍射效率较高，对于其它波长有明显差别，其材料本身热效应比较显著，因此受环境温度影响也比可见光光学系统更为强烈；为了提高系统的温度适应能力而加入温控机构和调焦机构，使系统的复杂程度大大增加，同时带来的是结构的庞大和成本的上升。如果能大范围地扩大光学系统的焦深，提高系统的环境适应能力，去除不必要的温控和精密调焦机构，便可以减小系统的体积和重量，对红外成像系统相同而言，系统重量可以降低10%~15%，同时也将大大的改善红外成像系统的成像质量和性能。

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