視場(chǎng)角

視場(chǎng)角在光學(xué)工程中也叫視場(chǎng)角，視場(chǎng)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(lái)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(chǎng)角。

視場(chǎng)角

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

視場(chǎng)角決定了光學(xué)儀器的視場(chǎng)視場(chǎng)角越大，視野越大，光學(xué)放大倍數(shù)越小。一般來(lái)說(shuō)，如果目標(biāo)物體超過(guò)這個(gè)角度，就不會(huì)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(diǎn)（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(chǎng)角測(cè)量

一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)設(shè)備的用戶關(guān)心的是物體的視角。對(duì)于大多數(shù)光學(xué)儀器來(lái)說(shuō)，視場(chǎng)角的測(cè)量是以成像物體的直徑作為視場(chǎng)角來(lái)計(jì)算的。如：望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等。而對(duì)于照相機(jī)、對(duì)于相機(jī)等光學(xué)設(shè)備，由于其感光面是矩形的，所以視場(chǎng)角往往是根據(jù)成像物體與矩形感光面對(duì)角線的直徑來(lái)計(jì)算的，如左圖1所示。也有通過(guò)矩形長(zhǎng)邊的大小來(lái)計(jì)算視角的，如右圖1所示。計(jì)算方法見(jiàn)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(jìn)行測(cè)量，因?yàn)樗雌饋?lái)像一個(gè)漏斗，俗稱：漏斗儀。測(cè)量方法如圖3。在被測(cè)透鏡的一端，看廣角準(zhǔn)直儀底部玻璃平面上的刻度，讀出它的角度值，這個(gè)值最大平行光管即被測(cè)光學(xué)儀器的視場(chǎng)角。

由于焦距不同，被測(cè)鏡頭可能無(wú)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(cè)量結(jié)果。測(cè)量時(shí)，被測(cè)鏡頭要沿光軸來(lái)回移動(dòng)，直到觀察角度最大，這就是被測(cè)鏡頭的視場(chǎng)角。

相機(jī)的測(cè)量方法同上當(dāng)相機(jī)在測(cè)量時(shí)，你可以看取景器因?yàn)閿?shù)碼相機(jī)的LCD分辨率低，可以看看相機(jī)拍出來(lái)的照片。

視場(chǎng)角與焦距的關(guān)系：一般來(lái)說(shuō)，視角越大，焦距越短。這里有幾個(gè)例子：例如，長(zhǎng)焦距鏡頭的視場(chǎng)比40°窄：0x9B9C]2.5mm，視場(chǎng)角45°左右。鏡頭焦距5.0mm，視場(chǎng)角23°左右。鏡頭焦距7.5mm，視場(chǎng)角14°左右。鏡頭焦距10mm，視場(chǎng)角12°左右。鏡頭焦距15mm，視角8°左右。

視角分類

標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(zhǎng)、低能耗的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(biāo)表面與光源之間的距離以及光束的視場(chǎng)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(chǎng)角和能量密度分布，使其照射范圍覆蓋整個(gè)監(jiān)控區(qū)域。若遠(yuǎn)攝鏡頭視角過(guò)大會(huì)浪費(fèi)光能，否則會(huì)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(jì)一種可變視場(chǎng)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(chǎng)照明光學(xué)系統(tǒng)大多采用兩個(gè)或三個(gè)透鏡進(jìn)行配光，存在以下問(wèn)題。大多數(shù)的LED它的半視場(chǎng)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(wú)法收集和利用大角度光束，造成光能的浪費(fèi)。因?yàn)殓R頭的數(shù)量往往不止一個(gè)，所以系統(tǒng)體積大。傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度較低，針對(duì)一兩種模式設(shè)計(jì)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(wèn)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(shí)現(xiàn)可變視場(chǎng)根據(jù)光束準(zhǔn)直模式和最大視場(chǎng)模式下光強(qiáng)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(jì)理論，分別設(shè)計(jì)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(jì)自由度高，可以更好地兼顧所有視場(chǎng)，在整個(gè)視場(chǎng)角變化過(guò)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(jì)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(zhǎng)度標(biāo)注為t。PP表示改變視角過(guò)程中LED的移動(dòng)范圍，長(zhǎng)度記為1。當(dāng)LED位于P時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)處于準(zhǔn)直模式，當(dāng)LED位于P時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)處于最大視場(chǎng)模式。α表示LED紅外攝像機(jī)與光軸的夾角。φ代表PB與光軸的夾角，即準(zhǔn)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(chǎng)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(shí)的準(zhǔn)直出射光束設(shè)計(jì)，全反射面根據(jù)LED在位置P時(shí)的總出射光束設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)面的均勻照明。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，LED被視為理想的點(diǎn)光源。

系統(tǒng)模擬仿真

圖6(a)準(zhǔn)直和(b)最大視角模式下的光線追跡圖

表1光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上述方法，設(shè)計(jì)了一種新型全反射透鏡，其視場(chǎng)范圍為8° ~ 20°主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)完成后，使用UG軟件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模，如圖5所示。在LED移動(dòng)過(guò)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(lái)衡量系統(tǒng)整個(gè)變焦過(guò)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(duì)比，使用了同樣可以實(shí)現(xiàn)8 ~ 20°視場(chǎng)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(gè)透鏡是標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡為了增加設(shè)計(jì)自由度，后一透鏡的后表面被設(shè)計(jì)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(shí)10m處目標(biāo)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(dá)到同樣的8° ~ 20°視場(chǎng)角變化范圍，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總長(zhǎng)度為40mm，孔徑為44mm，使用新型全反射透鏡的系統(tǒng)總長(zhǎng)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(gè)視場(chǎng)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(chǎng)角較小時(shí)具有較高的輻照均勻性，但在視場(chǎng)角較大時(shí)均勻性迅速下降，三個(gè)視場(chǎng)的平均輻照均勻性為66.9%然而，新結(jié)構(gòu)在小視場(chǎng)下的均勻性不如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但在整個(gè)變焦過(guò)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(gè)視場(chǎng)的變化過(guò)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(chǎng)LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。采用全反射透鏡結(jié)構(gòu)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直模式和最大視場(chǎng)角模式對(duì)光強(qiáng)分布的不同要求，分別設(shè)計(jì)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(jìn)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(gè)鏡頭，更加緊湊，便于安裝和調(diào)整。