視場角

視場角在光學(xué)工程中也叫視場角，視場角的大小決定了光學(xué)儀器的視野范圍。視角也可以用FOV來表示，它與焦距的關(guān)系如下：h=f*tan\Theta]像高=EFL*tan(半FOV)EFL為焦距；FOV為視場角。

視場角

1.在光學(xué)儀器中，以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點，與目標像所能通過的最大范圍的兩條邊所形成的角，稱為視場角。如圖1。

視場角決定了光學(xué)儀器的視場視場角越大，視野越大，光學(xué)放大倍數(shù)越小。一般來說，如果目標物體超過這個角度，就不會被帶入鏡頭。

2.在顯示系統(tǒng)中，視角是顯示器的邊緣和觀察點（眼睛）連線的夾角。

例如，在圖2中，AOB角度是水平視角，BOC是垂直視角。

圖3視場角測量

一般來說，光學(xué)設(shè)備的用戶關(guān)心的是物體的視角。對于大多數(shù)光學(xué)儀器來說，視場角的測量是以成像物體的直徑作為視場角來計算的。如：望遠鏡、顯微鏡等。而對于照相機、對于相機等光學(xué)設(shè)備，由于其感光面是矩形的，所以視場角往往是根據(jù)成像物體與矩形感光面對角線的直徑來計算的，如左圖1所示。也有通過矩形長邊的大小來計算視角的，如右圖1所示。計算方法見圖1。

您也可以使用公制方法獲得視角參數(shù)。一般采用廣角進行測量，因為它看起來像一個漏斗，俗稱：漏斗儀。測量方法如圖3。在被測透鏡的一端，看廣角準直儀底部玻璃平面上的刻度，讀出它的角度值，這個值最大平行光管即被測光學(xué)儀器的視場角。

由于焦距不同，被測鏡頭可能無法用肉眼觀察刻度。可以加一塊焦距合適的刻度值作為輔助鏡頭查看測量結(jié)果。測量時，被測鏡頭要沿光軸來回移動，直到觀察角度最大，這就是被測鏡頭的視場角。

相機的測量方法同上當相機在測量時，你可以看取景器因為數(shù)碼相機的LCD分辨率低，可以看看相機拍出來的照片。

視場角與焦距的關(guān)系：一般來說，視角越大，焦距越短。這里有幾個例子：例如，長焦距鏡頭的視場比40°窄：0x9B9C]2.5mm，視場角45°左右。鏡頭焦距5.0mm，視場角23°左右。鏡頭焦距7.5mm，視場角14°左右。鏡頭焦距10mm，視場角12°左右。鏡頭焦距15mm，視角8°左右。

視角分類

標準鏡頭：視角在45度左右，應(yīng)用范圍廣。

0x9B9C]視角小于40度，可以遠距離拍攝。

廣角鏡頭：視角在60度以上，觀察范圍大，近像變形。

如今，凸透鏡由于其壽命長、低能耗的優(yōu)點已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，比如道路照明、投影儀和室內(nèi)照明等。在許多應(yīng)用中，被照亮的目標表面與光源之間的距離以及光束的視場角都是不固定的，例如用于夜間監(jiān)控系統(tǒng)的紅外照明設(shè)備，就要求基于鏡頭焦距變焦范圍改變其自身的視場角和能量密度分布，使其照射范圍覆蓋整個監(jiān)控區(qū)域。若遠攝鏡頭視角過大會浪費光能，否則會產(chǎn)生手電筒效應(yīng)，影響照明效果。鑒于這種應(yīng)用需求，有必要設(shè)計一種可變視場的LED照明光學(xué)系統(tǒng)。

圖4全反射透鏡的2D結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的可變視場照明光學(xué)系統(tǒng)大多采用兩個或三個透鏡進行配光，存在以下問題。大多數(shù)的LED它的半視場角約為60°，類似于朗伯分布。多鏡頭的使用不可避免地導(dǎo)致無法收集和利用大角度光束，造成光能的浪費。因為鏡頭的數(shù)量往往不止一個，所以系統(tǒng)體積大。傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由度較低，針對一兩種模式設(shè)計的結(jié)構(gòu)僅在該模式下工作良好，出現(xiàn)偏差后光束均勻性明顯下降。為了解決這些問題，本文采用了一種新型的全反射方式（TIR）透鏡結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)可變視場根據(jù)光束準直模式和最大視場模式下光強分布的不同要求，基于分離變量非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計理論，分別設(shè)計了透射面和全反射面。由于新型全反射透鏡的透射面和全反射面均為自由曲面形式，因此設(shè)計自由度高，可以更好地兼顧所有視場，在整個視場角變化過程中保持較高的光能利用率和光束均勻性，整體結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)整方便。

設(shè)計方法

圖5全反射透鏡的三維示意圖

圖4是新型全反射透鏡的2D結(jié)構(gòu)。黑色矩形代表LED。AB、BC、CD和EF是直線，DE和FG是自由曲線。CD為鏡頭底座，長度標注為t。PP表示改變視角過程中LED的移動范圍，長度記為1。當LED位于P時，光學(xué)系統(tǒng)處于準直模式，當LED位于P時，光學(xué)系統(tǒng)處于最大視場模式。α表示LED紅外攝像機與光軸的夾角。φ代表PB與光軸的夾角，即準直模式下透射面和全反射面分布的光束角度的臨界值。φ代表PB與光軸的夾角，即最大視場模式下透射面與全反射面之間分布的光束角的臨界值。透射面根據(jù)LED在位置P時的準直出射光束設(shè)計，全反射面根據(jù)LED在位置P時的總出射光束設(shè)計，以實現(xiàn)遠場目標面的均勻照明。在設(shè)計過程中，LED被視為理想的點光源。

系統(tǒng)模擬仿真

圖6(a)準直和(b)最大視角模式下的光線追跡圖

表1光學(xué)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)上述方法，設(shè)計了一種新型全反射透鏡，其視場范圍為8° ~ 20°主要技術(shù)參數(shù)見表1。設(shè)計完成后，使用UG軟件進行三維結(jié)構(gòu)建模，如圖5所示。在LED移動過程中，系統(tǒng)的光能利用率在80%和85.8%輻照度的均勻性在77.3%和89.3%之間。取三種模式的平均值來衡量系統(tǒng)整個變焦過程的光學(xué)性能，平均光能利用率為83.7%平均輻照度均勻性為84.1%作為對比，使用了同樣可以實現(xiàn)8 ~ 20°視場角范圍的傳統(tǒng)鏡頭結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)采用雙透鏡結(jié)構(gòu)，其中第一個透鏡是標準球面透鏡為了增加設(shè)計自由度，后一透鏡的后表面被設(shè)計成均勻的非球面。光線跟蹤圖如圖6所示。

0x9B9C]

表2性能比較結(jié)果

模擬其紅外燈分別在20°14°和8°時10m處目標表面的輻照度分布。與本文提出的新型全反射結(jié)構(gòu)相比，結(jié)果如表2所示。達到同樣的8° ~ 20°視場角變化范圍，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總長度為40mm，孔徑為44mm，使用新型全反射透鏡的系統(tǒng)總長度為13.5mm，直徑26mm，總體積縮小到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1左右/5。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在三個視場中的平均光能利用率為70.2%新結(jié)構(gòu)的平均光能利用率為83.7%比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高13倍左右%從表2可以看出，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在視場角較小時具有較高的輻照均勻性，但在視場角較大時均勻性迅速下降，三個視場的平均輻照均勻性為66.9%然而，新結(jié)構(gòu)在小視場下的均勻性不如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但在整個變焦過程中均勻性保持在75%其平均均勻度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高17%左右。考慮到整個視場的變化過程，采用新型全反射透鏡結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)光能利用率和輻照度均勻性始終保持較高，且結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝和調(diào)整，其整體效果優(yōu)于傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)。

提出了一種可變視場LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法。采用全反射透鏡結(jié)構(gòu)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)準直模式和最大視場角模式對光強分布的不同要求，分別設(shè)計透射面和全反射面，并根據(jù)仿真結(jié)果反饋優(yōu)化全反射面。最后，與相同條件下的傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)進行比較，仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在光能利用率和輻照度均勻性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并且光學(xué)系統(tǒng)只包含一個鏡頭，更加緊湊，便于安裝和調(diào)整。