离焦量是描述光学系统实际成像位置偏离理想聚焦位置的程度与方向的物理量，与聚焦(focus)相对，离焦(defocus)分为焦前和焦后两种状态[1]。在成像、光刻与激光光束评价中，它常以像面或波前沿光轴相对理想焦面的距离表示，用微米、纳米等长度单位度量，并与焦深比较以判断成像是否可接受[2]；在眼视光学中则以屈光度为单位，按焦点落在视网膜前、后分为近视性离焦量与远视性离焦量[3]。它既是评价成像质量的指标，也是光刻聚焦控制和近视防控镜片设计的关键参量。
定义
离焦是聚焦的相对概念，指像面没有落在焦点上，按像面偏前或偏后可分成焦前与焦后两种情况[1]。离焦量就是给这种偏离定量的参量，反映实际成像面相对理想焦面偏移的大小与方向[3]。准焦时物点成理想点像，一旦偏离共轭关系，该点像就在像面上被展宽为模糊圆斑，偏离越远图像越模糊[4]。
离焦量的计量口径随场合而异。在成像、光刻与激光光束评价中，它一般用微米、纳米等长度单位表示像面或波前的轴向偏差[2][5]；在屈光度体系中，它用屈光度表示焦点与视网膜之间的屈光偏差，焦点位于视网膜之前记作近视性离焦量，位于视网膜之后记作远视性离焦量[3]。在波前像差的表述中，离焦对应泽尼克多项式的离焦项，该项系数可直接表征离焦的大小[5]。
原理
按几何光学，光学系统只有在满足高斯成像关系时物点才成理想像点；当物面、像面或镜头沿光轴偏离这一共轭关系时，点像在像面上扩展成圆形的弥散圆，其形状与孔径形状相似[6]。离焦量较小时，弥散斑半径近似与离焦量成正比，同时与系统出瞳直径成正比，因此孔径、F数与离焦量共同决定像面的模糊程度[6]。在聚焦面上、下所能容许的最大偏离距离称为焦深，超过该范围像质便不能保持[7]。
按波动光学，离焦相当于在波前像差中叠加了一个随孔径变化的相位误差项[5]。依据瑞利准则，当离焦引入的光程差不超过四分之一波长时，成像质量仍被视为合格，这一判据同时给出了焦深的衍射极限[7]。工程上焦深可近似写作 $DOF = k_2 λ / NA^2$，即与波长成正比、与数值孔径的平方成反比[2][8]。
离焦对成像的影响可通过光学传递函数刻画。用光学设计软件模拟离焦对光程差和调制传递函数的作用，可以据此给出系统允许的最大离焦量[9]。由于焦深随数值孔径增大而减小，相同的离焦量在高分辨率系统中造成的像质恶化会更为明显[8]。
发展历程
离焦量与焦深容限的区分在光刻领域得到系统研究。2004年，林本坚把焦深划分为衍射焦深、需要焦深与可用焦深，用以说明不同层次上可容许的聚焦范围[7]。此后随着曝光波长缩短、数值孔径增大，投影光刻的焦深持续减小：氟化氪深紫外光刻机约为0.7微米，氟化氩干式光刻机约为0.4微米，极紫外光刻机约为120纳米；数值孔径由0.33提高到0.55的高数值孔径极紫外光刻机，焦深进一步缩小到40纳米附近[2]。
在视光学方面，周边离焦的概念来自临床观察。医生发现部分角膜塑形镜佩戴者的眼轴长度与近视增长速度被延缓，进而认识到周边离焦在其中的作用，逐步形成以周边离焦控制近视的理论[1]。多光谱屈光地形图等测量技术的研发与推广，则为临床快速检测视网膜周边离焦量、并为难焦定制镜片提供测量数据创造了条件[10]。
应用
在投影光刻中，曝光期间曝光区域必须保持在焦深范围内，否则关键尺寸会超出控制；工艺窗口通常以离焦量与曝光剂量为变量，对含多种图形的版图取各图形工艺窗口的交集，其对应的焦深即有效焦深[2]。为使硅片始终落在焦深内，需要高精度检焦；利用两条光路信号之比求解硅片离焦量的方法，消除了光强波动导致的误差，可实现纳米量级的测量精度[8]。
在眼视光学中，离焦量用于描述镜片与眼球组合后焦点相对视网膜的偏差，是离焦设计镜片的核心指标。这类镜片借助周边区域或瞳孔区内的微结构，让一部分物像成像于视网膜前方形成近视性离焦，以减少周边远视性离焦、抑制眼轴增长[11]。相关设计还强调离焦量应与不同近视程度的视网膜形态相匹配，而非一味取大[12]。
在成像设备与光束控制中，离焦量与弥散斑半径的关系也被直接利用。自动调焦系统的评价函数设计即以离焦量与弥散半径的近似正比关系为基础[6]。在高能激光器中，X、Y方向离焦作为低阶像差，可通过哈特曼波前传感器与二维整形光路闭环校正，其离焦量峰谷值由5.2微米和1.1微米降至0.5微米以下，光束质量因子由3.1降到1.8[5]。
局限
离焦量的容许范围受衍射与分辨率制约。焦深与波长成正比、与数值孔径的平方成反比，提高分辨力往往以牺牲焦深为代价，先进光刻设备的焦深因此缩小到百纳米乃至几十纳米量级，聚焦控制成为保证曝光质量的关键环节[8][2]。
离焦量并不能随意加大。过大的离焦量会引起眩光、视物模糊和视物扭曲等不良光学现象，低度近视人群对这些现象通常更为敏感[12]。同时，调焦所能做到的只是获得尽可能小的弥散斑，其结果无法超越衍射、像差以及镜头加工装配等因素所带来的限制[6]。
离焦量的口径区分也容易出错。既有研究常把人眼前端光学系统的离焦与视网膜周边离焦混为一谈，光学系统的离焦量能否真正形成近视化周边离焦，还取决于视网膜弯曲特性与前端光学系统的匹配——在采用Navarro人眼模型的计算中，正常眼轴人眼视网膜的曲率半径约为12.3毫米，光学离焦量需大于视网膜弯度所形成的离焦量才成立[13]。在干涉测量等场合，像面光栅离焦距离增大会显著加大波像差重建误差，离焦项需在数据处理中予以扣除或修正[14]。
参见
参考资料
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- 激光与光电子学进展 . researching.cn [引用日期2026-09-29]
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- CN112526768A(PDF) . wmu.edu.cn [引用日期2026-09-29]
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- 光学系统离焦对自动调焦评价函数的影响 . hqew.com [引用日期2026-09-29]
- 圖4.29 32奈米線幅、Dipole、間距180奈米下(a)空間影像圖； . nycu.edu.tw [引用日期2026-09-29]
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- 调节对近视患者视网膜周边离焦量的影响 . ijo.cn [引用日期2026-09-29]
- 离焦设计框架眼镜配镜规范 . researching.cn [引用日期2026-09-29]
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- CN114911074A(PDF) . googleapis.com [引用日期2026-09-29]
- researching.cn 上的 PDF 文件 . researching.cn [引用日期2026-09-29]
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最近更新：2026-09-29T07:29:33Z
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