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视场角

视场角在光学工程中又称视场,视场角的大小决定了光学仪器视野范围。视场角又可用FOV表示,其与焦距的关系如下:h = f*tan\[Theta];像高 = EFL*tan (半FOV);EFL为焦距;FOV为视场角。

1. 在光学仪器中,以光学仪器的镜头为顶点,以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角,称为视场角。如图1。 [1]

视场角的大小决定了光学仪器的视野范围,视场角越大,视野就越大,光学倍率就越小。通俗地说,目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。

2. 在显示系统中,视场角就是显示器边缘与观察点(眼睛)连线的夹角。

例如在图2中,AOB角就是水平视场角,BOC就是垂直视场角。

视场角分物方视场角和像方视场角。一般光学设备的使用者关心的是物方视场角。对于大多数光学仪器,视场角的度量都是以成像物的直径作为视场角计算的。如:望远镜、显微镜等。而对于照相机、摄像机类的光学设备,由于其感光面是矩形的,因此常以矩形感光面对角线的成像物直径计算视场角,如图1左。也有以矩形的长边尺寸计算视场角的,如图1右。计算方法可参看图1。

也可以使用度量的方法获得视场角参数。度量一般使用广角平行光管,因其形似漏斗,俗称:漏斗仪。测量方法如图3。在被测镜头的一端,查看广角平行光管底部玻璃平面上的刻度,读取其角度值,其最大刻度值即为该被测光学仪器的视场角。

被测镜头可能因焦距不同,导致肉眼不能观测到刻度。可加入一片焦距适当的凸透镜作为辅助镜片察看测量结果。测量时应沿光轴方向前后移动被测镜头,直至观测的角度最大,即为该被测镜头的视场角。

相机的测量方法同上,相机测量时可察看取景窗,因数码相机的液晶屏分辨率较低,可查看相机所拍之照片。

视场角与焦距的关系:一般情况下,视场角越大,焦距就越短。以下列举几个实例:长焦距镜头视场角窄于40°,例如:镜头焦距2.5 mm,视场角为 45°左右。镜头焦距5.0 mm,视场角为 23°左右。镜头焦距7.5 mm,视场角为 14°左右。镜头焦距10 mm,视场角为 12°左右。镜头焦距15 mm,视场角为 8°左右。 [2]

标准镜头:视角45度左右,使用范围较广。

远摄镜头:视角40度以内,可在远距离情况下拍摄。

广角镜头:视角60度以上,观察范围较大,近处图像有变形。

如今,LED由于其寿命长、能耗低等优势在各个领域得到了广泛的应用,如道路照明投影机以及室内照明等。在许多应用场合中,被照明的目标面与光源的距离以及光束的视场角都不是固定不变的,如应用于夜间监控系统的红外照明设备,要求能够根据红外摄像机的变焦范围改变自身的视场角以及能量密度分布,使其照射范围覆盖整个监控区域。若红外灯的视场角过大,会造成光能浪费,反之则会产生手电筒效应,影响照明效果。针对这种应用要求,需要设计可变视场角的LED照明光学系统。 [3]

传统的可变视场角的照明光学系统多采用两片或三片透镜的形式进行配光,这种形式存在以下几点问题。大多数的红外线发射二极管其半视场角都在±60°左右,类似朗伯分布。采用多透镜形式不可避免地使大角度光束无法收集利用,造成了光能的浪费。由于透镜个数往往多于1个,导致系统体积较大。传统透镜结构的设计自由度较低,针对某一种或者两种模式设计得到的结构仅在该模式下效果较好,偏离后其光束均匀性则明显下降。针对这些问题,本文采用一种新型的全反射式(TIR)透镜结构取代传统结构实现视场角可变,依据光束准直模式与视场角最大模式对光强分布的不同要求,基于分离变量的非成像光学系统设计理论分别设计其透射面与全反射面。由于新型全反射式透镜的透射面与全反射面都采用自由曲面的形式,具有很高的设计自由度,因此能够更好地兼顾各个视场,使整个视场角变化过程都保持较高的光能利用率和光束均匀性,且整体结构紧凑,便于装调。

图4为新型全反射式透镜的2D结构。黑色矩形表示LED。AB、BC、CD以及EF为直线,DE和FG为自由曲线。CD为透镜底座,长度记为t。P1P2表示视场角变化过程中LED的移动范围,长度记为1。当LED位于P1时,光学系统处于准直模式,当LED位于P2时,光学系统处于视场角最大模式。α表示LED出射光线与光轴的夹角。φ1表示P1B与光轴的夹角,即准直模式下透射面与全反射面所分配光束角度的临界值。φ2表示P2B与光轴的夹角,即视场角最大模式下透射面与全反射面所分配光束角度的临界值。依据LED位于位置P1时光束准直出射设计透射面,依据LED位于位置P2时总出射光束实现远场目标面照度均匀设计全反射面。在设计过程中,将LED视为理想点光源。

依据上述方法设计一种视场角变化范围为8°~20°的新型全反射式透镜,主要技术参量如表1所示。设计完成后利用UG软件进行3D结构建模,如图5所示。在LED移动的过程中,系统的光能利用率介于80-和85.8-之间,辐照度均匀度介于77.3-和89.3-之间。取三种模式下的平均值来衡量系统整个变焦过程的光学性能,平均光能利用率为83.7-,平均辐照度均匀度为84.1-。以一种同样实现8°~20°的视场角变化范围的传统透镜结构作为对比。传统光学系统采用双透镜结构,其中前一片为标准球面透镜,为增加设计自由度,将后一片透镜的后表面设计为偶次非球面。其光线追迹图如图6所示。

模拟其光束角分别为20°,14°和8°时10 m处目标面上的辐照度分布情况。与本文提出的新型全反射式结构进行对比,结果如表2所示。实现同样的8°~20°的视场角变化范围,传统结构系统总长40 mm,口径44 mm,采用新型全反射式透镜的系统结构总长13.5 mm,口径26 mm,总体积约减小为传统结构的1/5。传统结构在三个视场的平均光能利用率为70.2-,而新型结构的平均光能利用率为83.7-,比传统结构高约13-。从表2中可以看出,传统结构在视场角较小时辐照度均匀度很高,但视场角变大后均匀度迅速下降,三个视场的平均辐照度均匀度为66.9-。而新型结构在小视场角时虽然均匀度不及传统结构,但在整个变焦过程中均匀度都保持在75-以上,其平均均匀度比传统结构提高了17-左右。综合考虑整个视场角变化过程,采用新型全反射式透镜结构的系统其光能利用率与辐照度均匀度始终保持较高值,且结构紧凑,便于装调,因此其总体效果优于传统透镜结构。

提出一种实现可变视场角的LED照明光学系统的设计方法。采用全反射式透镜结构,根据光学系统对准直模式以及视场角最大模式下光强分布的不同要求,分别设计其透射面与全反射面,并依据模拟结果对全反射面进行反馈优化。最后与传统透镜结构在同样的条件下进行对比分析,模拟结果表明,该结构在光能利用率以及辐照度均匀度上均优于传统结构。且光学系统仅含一片透镜,体积更加紧凑,且便于装调。 [4]

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