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視場角
決定光學(xué)儀器視野范圍的角度
視場角在光學(xué)工程中又稱視場，視場角的大小決定了光學(xué)儀器的視野范圍。視場角又可用FOV表示，其與焦距的關(guān)系如下：h = f*tan\[Theta]；像高 = EFL*tan (半FOV)；EFL為焦距；FOV為視場角。
基本信息
| 中文名 | 視場角 |
| 外文名 | Field of view |
| 類別 | 角度 |
| 應(yīng)用 | 天文觀測 |
| 分類 | 物方視場角和像方視場角 |
| 別稱 | 視場 |
| 學(xué)科 | 測繪 |
收起
基本資料
1. 在光學(xué)儀器中，以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點(diǎn)，以被測目標(biāo)的物像可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角，稱為視場角。如圖1。
視場角的大小決定了光學(xué)儀器的視野范圍，視場角越大，視野就越大，光學(xué)倍率就越小。通俗地說，目標(biāo)物體超過這個角就不會被收在鏡頭里。
2. 在顯示系統(tǒng)中，視場角就是顯示器邊緣與觀察點(diǎn)（眼睛）連線的夾角。
視場角
分類
圖3視場角測量
也可以使用度量的方法獲得視場角參數(shù)。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(xué)儀器的視場角。
被測鏡頭可能因焦距不同，導(dǎo)致肉眼不能觀測到刻度?？杉尤胍黄咕噙m當(dāng)?shù)?/span>凸透鏡作為輔助鏡片察看測量結(jié)果。測量時應(yīng)沿光軸方向前后移動被測鏡頭，直至觀測的角度最大，即為該被測鏡頭的視場角。
相機(jī)的測量方法同上，相機(jī)測量時可察看取景窗，因數(shù)碼相機(jī)的液晶屏分辨率較低，可查看相機(jī)所拍之照片。
視場角與焦距的關(guān)系：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于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(biāo)準(zhǔn)鏡頭：視角45度左右，使用范圍較廣。
遠(yuǎn)攝鏡頭：視角40度以內(nèi)，可在遠(yuǎn)距離情況下拍攝。
廣角鏡頭：視角60度以上，觀察范圍較大，近處圖像有變形。
系統(tǒng)設(shè)計
如今，LED由于其壽命長、能耗低等優(yōu)勢在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如道路照明、投影機(jī)以及室內(nèi)照明等。在許多應(yīng)用場合中，被照明的目標(biāo)面與光源的距離以及光束的視場角都不是固定不變的，如應(yīng)用于夜間監(jiān)控系統(tǒng)的紅外照明設(shè)備，要求能夠根據(jù)紅外攝像機(jī)的變焦范圍改變自身的視場角以及能量密度分布，使其照射范圍覆蓋整個監(jiān)控區(qū)域。若紅外燈的視場角過大，會造成光能浪費(fèi)，反之則會產(chǎn)生手電筒效應(yīng)，影響照明效果。針對這種應(yīng)用要求，需要設(shè)計可變視場角的LED照明光學(xué)系統(tǒng)。
圖4 全反射式透鏡2D 結(jié)構(gòu)
設(shè)計方法
圖5 全反射式透鏡3D圖
系統(tǒng)模擬仿真
圖6 (a)準(zhǔn)直和(b)視場角最大模式下的光線追跡圖
表1 光學(xué)設(shè)計參量
依據(jù)上述方法設(shè)計一種視場角變化范圍為8°～20°的新型全反射式 透鏡，主要技術(shù)參量如表1所示。設(shè)計完成后利用UG軟件進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)建模，如圖5所示。在LED移動的過程中，系統(tǒng)的光能利用率介于80%和85.8%之間，輻照度均勻度介于77.3%和89.3%之間。取三種模式下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%，平均輻照度均勻度為84.1%。以一種同樣實現(xiàn)8°～20°的視場角變化范圍的傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)作為對比。傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)采用雙透鏡結(jié)構(gòu)，其中前一片為標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡，為增 加設(shè)計自由度，將后一片透鏡的后表面設(shè)計為偶次非球面。其光線追跡圖如圖6所示。
表2 性能對比結(jié)果
研究結(jié)論
提出一種實現(xiàn)可變視場角的LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法。采用全反射式透鏡結(jié)構(gòu)，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)直模式以及視場角最大模式下光強(qiáng)分布的不同要求，分別設(shè)計其透射面與全反射面，并依據(jù)模擬結(jié)果對全反射面進(jìn)行反饋優(yōu)化。最后與傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)在同樣的條件下進(jìn)行對比分析，模擬結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在光能利用率以及輻照度均勻度上均優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。且光學(xué)系統(tǒng)僅含一片透鏡，體積更加緊湊，且便于裝調(diào)。
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