La distance focale, souvent raccourcie par le terme focale, est une caractéristique d'un système optique. Elle correspond à la distance entre un des plans principaux et le foyer correspondant :

• la distance focale objet, notée , est la distance séparant le plan principal objet du foyer objet ;
• la distance focale image, notée , est la distance séparant le plan principal image du foyer image.

Il s'agit d'une distance algébrique, dont le signe est déterminé par le fait que toutes les distances sont positives lorsqu'elles sont orientées dans le sens conventionnel du trajet de la lumière. Par convention, les éléments divergents ont une focale négative. Les distances focales font partie des éléments cardinaux d'un système, c'est-à-dire d'un ensemble de grandeurs qui permettent une définition complète du système et une numérisation facile du calcul, notamment en optique matricielle.

Dans le cas particulier d'une lentille mince, les plans principaux peuvent être confondus avec le centre optique de la lentille. Les deux distances focales sont égales, au signe près. On parle alors de « focale de la lentille ».

En photographie la focale désigne la distance focale image de l'objectif photographique utilisé. Elle est, avec l'ouverture, l'une de ses principales caractéristiques.

Théorie

Focale paraxiale

Le terme de foyer principal désigne le point objet ou image, conjugué respectivement d'une image ou d'un objet situé « à l'infini », c'est-à-dire à une distance infinie du système optique. La position sur l'axe optique de ces foyers, notés pour le foyer objet, et pour le foyer image, détermine la distance focale correspondante. Dans un système centré, c'est-à-dire un système dont il existe une symétrie de rotation autour de l'axe optique, les focales image et objet sont déterminées par les distances algébriques où et sont les points principaux objet et image respectivement, et les indices de réfraction des espaces objet et image respectivement et et les focales objet et image respectivement.

Pour un miroir sphérique, les foyers image et objet sont confondus, et ainsi les distances focales objet et image sont identiques.

Dans le cas d'une lentille mince, on considère souvent que les deux plans principaux sont confondus. Comme , on ramène les distances focales à des distances des foyers par rapport au centre optique de la lentille, noté O. La formule permettant de déterminer la focale d'une lentille mince, d'après ses caractéristiques géométriques, est appelée « formule des opticiens ». En notant R₁ et R₂ les rayons de courbure de chacun des dioptres et n l'indice de réfraction du matériau dans lequel la lentille est usinée, on a :

Lorsqu'une face est plane on considère son rayon de courbure comme infini, ramenant l'un des à 0.

Éléments optiques simples avec leur focale signée associée

Le foyer image F' est la distance focale f' (positive) d'une lentille convergente.

Le foyer image F' est la distance focale f' (négative) d'une lentille divergente.

Le foyer image F' est la distance focale f' (négative) d'un miroir concave (convergent).

Le foyer image F' est la distance focale f' (positive) d'un miroir convexe (divergent).

Focale tangentielle et sagittale

Convergence et divergence

La focale d'un système permet de déterminer la convergence ou la divergence de celui-ci. La vergence se mesure en dioptries, notées δ, et équivalentes à l'inverse du mètre (m). La convergence est calculée comme suit :

n' est l'indice de réfraction du milieu de sortie, et f' la focale image du système. m correspond au nombre d'éléments catoptriques, miroirs et surfaces réfléchissantes, du système. C est donc négatif pour un système divergent, positif pour un système convergent, lorsque l'axe optique est orienté dans le sens de la propagation de la lumière.

Défauts propres à la focale

Il existe plusieurs défauts, propres à la distance focale, existant dans les systèmes réels dont les conditions d'utilisation s'éloignent des conditions de Gauss. La dépendance de la focale à la longueur d'onde d'utilisation amène une aberration chromatique spécifique, nommée chromatisme axial ou aberration chromatique longitudinale.

Métrologie

L'ensemble des méthodes de détermination de la focale des systèmes optiques appartient à un domaine de la métrologie optique appelé focométrie.

Autocollimation

L'autocollimation est une méthode expérimentale de détermination des focales des systèmes convergents. Une source est placée devant le système, et un miroir à l'arrière du système. La méthode consiste à ajuster la distance de la source, jusqu'à ce que son image par l'ensemble système-miroir soit superposée à la source.

Focométrie des lentilles minces

Avec la méthode dite de Silbermann : quand la lentille est placée de telle façon que l'image sur un écran (image réelle) a la même taille que l'objet alors la distance entre l'image et l'objet vaut quatre fois la distance focale.

La méthode de Badal permet de mesurer la focale des lentilles divergentes, la méthode de Bessel est, elle, adaptée aux lentilles convergentes

Photographie

En photographie, la focale est l'une des caractéristiques principales des objectifs.

Il existe des objectifs à focale fixe et des objectifs zoom dont la focale est variable selon le réglage de l'objectif.

La focale normale permet de reproduire la même impression de perspective et de profondeur que l’œil placé au même endroit que l'appareil photographique. Elle est approximativement égale à la diagonale de la surface sensible. Pour une surface 24 × 36 (43 mm de diagonale) la focale normale la plus courante est le 50 mm.

Une courte focale, ou grand angle, offre un angle de champ important. Ainsi, elle permet un point de vue rapproché ce qui entraîne une perspective exagérée.

Une longue focale, n'autorise qu'un faible angle de champ, l'image du sujet est plus grande. Aussi permet-il un point de vue éloigné (d'où le nom de téléobjectif qu'on lui affecte souvent par abus de langage ce qui entraîne une perspective écrasée.

Diverses focales en format 24 × 36 depuis un même point de vue : influence sur la taille de l'image

28 mm : courte focale, image de petite taille.

50 mm : focale normale.

70 mm

210 mm : longue focale, image de grande taille.

Changement de focale et de point de vue : influence sur la perspective

24 mm : point de vue rapproché, perspective exagérée.

50 mm : perspective « normale ».

100 mm

200 mm : point de vue éloigné, perspective écrasée.

Projection cinématographique

Relation entre la hauteur h du photogramme (film sur la gauche), la distance focale ƒ de l'objectif (au centre), la hauteur H de l'écran (à droite) et la distance pellicule-écran D (distance de projection)

En projection cinématographique, l'écran est situé « à l'infini » et la pellicule est donc dans le plan focal. La distance focale ƒ est adaptée afin que la hauteur de l'image projetée corresponde à la hauteur de l'écran. La focale à utiliser se calcule aisément en fonction de :

la hauteur de l'image sur la pellicule (voir Format de projection), h ;

la hauteur de l'écran, H ;

la distance pellicule-écran, D.

Il s'agit d'une simple loi proportionnelle (théorème de Thalès) :

H/h = (D-ƒ)/ƒ

or ƒ << D, donc :

H/h ~ D/ƒ

finalement :

f ~ D*h/H.

Sur la pellicule, la largeur du photogramme est constante (18 mm), mais à la projection, c'est la hauteur qui est constante (hauteur de l'écran) ; on utilise donc des objectifs avec différentes focales ; pour le format 2,39:1 (CinemaScope), on utilise de plus une anamorphose

On utilise un cache pour tronquer la fenêtre de projection :

en général, une bande noire remplit ce rôle, mais elle n'est pas totalement opaque d'une part (pour la puissance de la lanterne), et d'autre part, comme le reste de la pellicule, elle peut être endommagée et laisser passer de la lumière ;

certains films contiennent une image plus grande que celle projetée (l'image impressionnée lors de la prise de vue est plus haute que le cadre), donc pas de bande noire.

Dans le cas du CinemaScope (rapport largeur sur hauteur de 2,39 ; 2.35 avant 2001), on utilise une anamorphose : un complément optique afocal placé devant l'objectif de prise de vue ou parfois dans le système de tirage des copies comprime l'image dans le sens de la largeur sur la pellicule ; ce même dispositif est utilisé devant l'objectif de projection pour restituer, sur l'écran, une image remise à sa bonne largeur. Le plus connu de ces dispositifs est l'Hypergonar du professeur Chrétien mais il en existe d'autres ; tous comportent des associations de « lentilles » cylindriques.

焦距，也称为焦长，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片光学中心到底片、CCD或CMOS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聚集光的能力。

薄透镜的近似值

在空气中的薄透镜，焦距是由透镜的中心至主焦点的距离。对一个汇聚透镜（例如一个凸透镜），焦距是正值，而一束平行光将会聚集在一个点上。对一个发散透镜（例如一个凹透镜），焦距是负值，而一束平行光在通过透镜之后将会扩散开。

一般的光学系统

前焦距（FFD）或前焦长（FFL）是系统前方的焦点至第一个光学表面 顶点的距离。

后焦距（BFD）或后焦长（BFL）是系统最后一个光学表面顶点至后方焦点的距离。

在摄影上

当将摄影镜头调整到无限远时，其实是一个有名无实的焦距。在设计上，是将透镜的主平面与底片或成像传感器的距离调整为焦距的长度，然后，远距离的物体就能在底片或传感器上形成清晰的影像。当镜头要拍摄比较接近的物体时，是镜头的主平面与成像检测器或胶片的距离发生变化，使得有限距离的物体得以清晰成像。 焦距通常使用毫米（mm）来标示，但仍然可能看见一些使用厘米（cm）或英吋标示的老镜头。视野的大小取决于镜头的焦距和底片大小的比例。由于最大众化的是35mm规格，镜头的视野经常是根据这种规格标示的。对标准镜头（50mm）、广角镜头（24mm）、望远镜头（500mm）视野都是不一样的。对数字相机上也是一样，它们的感光器比一般传统的35mm底片还要更小，所以相对的只要更短的焦距，就可以得到相同的影像。