視場角

視場角在光學工程中又稱視場，視場角的大小決定了光學儀器的視野範圍。視場角又可用FOV表示，其與焦距的關係如下：h = f*tan\[Theta]；像高 = EFL*tan (半FOV)；EFL為焦距；FOV為視場角。

基本介紹

• 中文名：視場角
• 外文名：Field of view
• 學科：測繪
• 別稱：視場
• 性質：角度

基本資料

1. 在光學儀器中，以光學儀器的鏡頭為頂點，以被測目標的物像可通過鏡頭的最大範圍的兩條邊緣構成的夾角，稱為視場角。如圖1。

圖1 視場角

視場角的大小決定了光學儀器的視野範圍，視場角越大，視野就越大，光學倍率就越小。通俗地說，目標物體超過這個角就不會被收在鏡頭裡。

2. 在顯示系統中，視場角就是顯示器邊緣與觀察點（眼睛）連線的夾角。

例如在圖2中，AOB角就是水平視場角，BOC就是垂直視場角。

分類

視場角分物方視場角和像方視場角。一般光學設備的使用者關心的是物方視場角。對於大多數光學儀器,視場角的度量都是以成像物的直徑作為視場角計算的。如：望遠鏡、顯微鏡等。而對於照相機、攝像機類的光學設備，由於其感光面是矩形的，因此常以矩形感光面對角線的成像物直徑計算視場角，如圖1左。也有以矩形的長邊尺寸計算視場角的，如圖1右。計算方法可參看圖1。

圖3視場角測量

也可以使用度量的方法獲得視場角參數。度量一般使用廣角平行光管，因其形似漏斗，俗稱：漏斗儀。測量方法如圖3。在被測鏡頭的一端，查看廣角平行光管底部玻璃平面上的刻度，讀取其角度值，其最大刻度值即為該被測光學儀器的視場角。

被測鏡頭可能因焦距不同，導致肉眼不能觀測到刻度。可加入一片焦距適當的凸透鏡作為輔助鏡片察看測量結果。測量時應沿光軸方向前後移動被測鏡頭，直至觀測的角度最大，即為該被測鏡頭的視場角。

相機的測量方法同上，相機測量時可察看取景窗，因數位相機的液晶屏解析度較低，可查看相機所拍之照片。

視場角與焦距的關係：一般情況下，視場角越大，焦距就越短。以下列舉幾個實例：長焦距鏡頭視場角窄於40°，例如：鏡頭焦距2.5 mm，視場角為 45°左右。鏡頭焦距5.0 mm，視場角為 23°左右。鏡頭焦距7.5 mm，視場角為 14°左右。鏡頭焦距10 mm，視場角為 12°左右。鏡頭焦距15 mm，視場角為 8°左右。

按視場角分類

標準鏡頭：視角45度左右，使用範圍較廣。

遠攝鏡頭：視角40度以內，可在遠距離情況下拍攝。

廣角鏡頭：視角60度以上，觀察範圍較大，近處圖像有變形。

系統設計

如今，LED由於其壽命長、能耗低等優勢在各個領域得到了廣泛的套用，如道路照明、投影機以及室內照明等。在許多套用場合中，被照明的目標面與光源的距離以及光束的視場角都不是固定不變的，如套用於夜間監控系統的紅外照明設備，要求能夠根據紅外攝像機的變焦範圍改變自身的視場角以及能量密度分布，使其照射範圍覆蓋整個監控區域。若紅外燈的視場角過大，會造成光能浪費，反之則會產生手電筒效應，影響照明效果。針對這種套用要求，需要設計可變視場角的LED照明光學系統。

傳統的可變視場角的照明光學系統多採用兩片或三片透鏡的形式進行配光，這種形式存在以下幾點問題。大多數的紅外線發射二極體其半視場角都在±60°左右，類似朗伯分布。採用多透鏡形式不可避免地使大角度光束無法收集利用，造成了光能的浪費。由於透鏡個數往往多於1個，導致系統體積較大。傳統透鏡結構的設計自由度較低，針對某一種或者兩種模式設計得到的結構僅在該模式下效果較好，偏離後其光束均勻性則明顯下降。針對這些問題，本文採用一種新型的全反射式（TIR）透鏡結構取代傳統結構實現視場角可變，依據光束準直模式與視場角最大模式對光強分布的不同要求，基於分離變數的非成像光學系統設計理論分別設計其透射面與全反射面。由於新型全反射式透鏡的透射面與全反射面都採用自由曲面的形式，具有很高的設計自由度，因此能夠更好地兼顧各個視場，使整個視場角變化過程都保持較高的光能利用率和光束均勻性，且整體結構緊湊，便於裝調。

圖4 全反射式透鏡2D 結構

設計方法

圖4為新型全反射式透鏡的2D結構。黑色矩形表示LED。AB、BC、CD以及EF為直線，DE和FG為自由曲線。CD為透鏡底座，長度記為t。P₁P₂表示視場角變化過程中LED的移動範圍，長度記為1。當LED位於P₁時，光學系統處於準直模式，當LED位於P₂時，光學系統處於視場角最大模式。α表示LED出射光線與光軸的夾角。φ₁表示P₁B與光軸的夾角，即準直模式下透射面與全反射面所分配光束角度的臨界值。φ₂表示P₂B與光軸的夾角，即視場角最大模式下透射面與全反射面所分配光束角度的臨界值。依據LED位於位置P₁時光束準直出射設計透射面，依據LED位於位置P₂時總出射光束實現遠場目標面照度均勻設計全反射面。在設計過程中，將LED視為理想點光源。

圖5 全反射式透鏡3D圖

系統模擬仿真

依據上述方法設計一種視場角變化範圍為8°～20°的新型全反射式透鏡，主要技術參量如表1所示。設計完成後利用UG軟體進行3D結構建模，如圖5所示。在LED移動的過程中，系統的光能利用率介於80%和85.8%之間，輻照度均勻度介於77.3%和89.3%之間。取三種模式下的平均值來衡量系統整個變焦過程的光學性能，平均光能利用率為83.7%，平均輻照度均勻度為84.1%。以一種同樣實現8°～20°的視場角變化範圍的傳統透鏡結構作為對比。傳統光學系統採用雙透鏡結構，其中前一片為標準球面透鏡，為增加設計自由度，將後一片透鏡的後表面設計為偶次非球面。其光線追跡圖如圖6所示。

圖6 (a)準直和(b)視場角最大模式下的光線追跡圖

表1 光學設計參量

模擬其光束角分別為20°，14°和8°時10 m處目標面上的輻照度分布情況。與本文提出的新型全反射式結構進行對比，結果如表2所示。實現同樣的8°～20°的視場角變化範圍，傳統結構系統總長40 mm，口徑44 mm，採用新型全反射式透鏡的系統結構總長13.5 mm，口徑26 mm，總體積約減小為傳統結構的1/5。傳統結構在三個視場的平均光能利用率為70.2%，而新型結構的平均光能利用率為83.7%，比傳統結構高約13%。從表2中可以看出，傳統結構在視場角較小時輻照度均勻度很高，但視場角變大後均勻度迅速下降，三個視場的平均輻照度均勻度為66.9%。而新型結構在小視場角時雖然均勻度不及傳統結構，但在整個變焦過程中均勻度都保持在75%以上，其平均均勻度比傳統結構提高了17%左右。綜合考慮整個視場角變化過程，採用新型全反射式透鏡結構的系統其光能利用率與輻照度均勻度始終保持較高值，且結構緊湊，便於裝調，因此其總體效果優於傳統透鏡結構。

表2 性能對比結果

研究結論

提出一種實現可變視場角的LED照明光學系統的設計方法。採用全反射式透鏡結構，根據光學系統對準直模式以及視場角最大模式下光強分布的不同要求，分別設計其透射面與全反射面，並依據模擬結果對全反射面進行反饋最佳化。最後與傳統透鏡結構在同樣的條件下進行對比分析，模擬結果表明，該結構在光能利用率以及輻照度均勻度上均優於傳統結構。且光學系統僅含一片透鏡，體積更加緊湊，且便於裝調。