视场角

视场角在光学工程中也叫视场角，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围。视角也可以用FOV来表示，它与焦距的关系如下：h=f*tan\Theta]像高=EFL*tan(半FOV)EFL为焦距；FOV为视场角。

视场角

1.在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，与目标像所能通过的最大范围的两条边所形成的角，称为视场角。如图1。

视场角决定了光学仪器的视场视场角越大，视野越大，光学放大倍数越小。一般来说，如果目标物体超过这个角度，就不会被带入镜头。

2.在显示系统中，视角是显示器的边缘和观察点（眼睛）连线的夹角。

例如，在图2中，AOB角度是水平视角，BOC是垂直视角。

图3视场角测量

一般来说，光学设备的用户关心的是物体的视角。对于大多数光学仪器来说，视场角的测量是以成像物体的直径作为视场角来计算的。如：望远镜、显微镜等。而对于照相机、对于相机等光学设备，由于其感光面是矩形的，所以视场角往往是根据成像物体与矩形感光面对角线的直径来计算的，如左图1所示。也有通过矩形长边的大小来计算视角的，如右图1所示。计算方法见图1。

您也可以使用公制方法获得视角参数。一般采用广角进行测量，因为它看起来像一个漏斗，俗称：漏斗仪。测量方法如图3。在被测透镜的一端，看广角准直仪底部玻璃平面上的刻度，读出它的角度值，这个值最大平行光管即被测光学仪器的视场角。

由于焦距不同，被测镜头可能无法用肉眼观察刻度。可以加一块焦距合适的刻度值作为辅助镜头查看测量结果。测量时，被测镜头要沿光轴来回移动，直到观察角度最大，这就是被测镜头的视场角。

相机的测量方法同上当相机在测量时，你可以看取景器因为数码相机的LCD分辨率低，可以看看相机拍出来的照片。

视场角与焦距的关系：一般来说，视角越大，焦距越短。这里有几个例子：例如，长焦距镜头的视场比40°窄：0x9B9C]2.5mm，视场角45°左右。镜头焦距5.0mm，视场角23°左右。镜头焦距7.5mm，视场角14°左右。镜头焦距10mm，视场角12°左右。镜头焦距15mm，视角8°左右。

视角分类

标准镜头：视角在45度左右，应用范围广。

0x9B9C]视角小于40度，可以远距离拍摄。

广角镜头：视角在60度以上，观察范围大，近像变形。

如今，凸透镜由于其寿命长、低能耗的优点已经广泛应用于各个领域，比如道路照明、投影仪和室内照明等。在许多应用中，被照亮的目标表面与光源之间的距离以及光束的视场角都是不固定的，例如用于夜间监控系统的红外照明设备，就要求基于镜头焦距变焦范围改变其自身的视场角和能量密度分布，使其照射范围覆盖整个监控区域。若远摄镜头视角过大会浪费光能，否则会产生手电筒效应，影响照明效果。鉴于这种应用需求，有必要设计一种可变视场的LED照明光学系统。

图4全反射透镜的2D结构

传统的可变视场照明光学系统大多采用两个或三个透镜进行配光，存在以下问题。大多数的LED它的半视场角约为60°，类似于朗伯分布。多镜头的使用不可避免地导致无法收集和利用大角度光束，造成光能的浪费。因为镜头的数量往往不止一个，所以系统体积大。传统透镜结构的设计自由度较低，针对一两种模式设计的结构仅在该模式下工作良好，出现偏差后光束均匀性明显下降。为了解决这些问题，本文采用了一种新型的全反射方式（TIR）透镜结构取代传统结构，实现可变视场根据光束准直模式和最大视场模式下光强分布的不同要求，基于分离变量非成像光学系统设计理论，分别设计了透射面和全反射面。由于新型全反射透镜的透射面和全反射面均为自由曲面形式，因此设计自由度高，可以更好地兼顾所有视场，在整个视场角变化过程中保持较高的光能利用率和光束均匀性，整体结构紧凑，安装调整方便。

设计方法

图5全反射透镜的三维示意图

图4是新型全反射透镜的2D结构。黑色矩形代表LED。AB、BC、CD和EF是直线，DE和FG是自由曲线。CD为镜头底座，长度标注为t。PP表示改变视角过程中LED的移动范围，长度记为1。当LED位于P时，光学系统处于准直模式，当LED位于P时，光学系统处于最大视场模式。α表示LED红外摄像机与光轴的夹角。φ代表PB与光轴的夹角，即准直模式下透射面和全反射面分布的光束角度的临界值。φ代表PB与光轴的夹角，即最大视场模式下透射面与全反射面之间分布的光束角的临界值。透射面根据LED在位置P时的准直出射光束设计，全反射面根据LED在位置P时的总出射光束设计，以实现远场目标面的均匀照明。在设计过程中，LED被视为理想的点光源。

系统模拟仿真

图6(a)准直和(b)最大视角模式下的光线追迹图

表1光学设计参数

根据上述方法，设计了一种新型全反射透镜，其视场范围为8° ~ 20°主要技术参数见表1。设计完成后，使用UG软件进行三维结构建模，如图5所示。在LED移动过程中，系统的光能利用率在80%和85.8%辐照度的均匀性在77.3%和89.3%之间。取三种模式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%平均辐照度均匀性为84.1%作为对比，使用了同样可以实现8 ~ 20°视场角范围的传统镜头结构。传统的光学系统采用双透镜结构，其中第一个透镜是标准球面透镜为了增加设计自由度，后一透镜的后表面被设计成均匀的非球面。光线跟踪图如图6所示。

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表2性能比较结果

模拟其红外灯分别在20°14°和8°时10m处目标表面的辐照度分布。与本文提出的新型全反射结构相比，结果如表2所示。达到同样的8° ~ 20°视场角变化范围，传统结构系统总长度为40mm，孔径为44mm，使用新型全反射透镜的系统总长度为13.5mm，直径26mm，总体积缩小到传统结构的1左右/5。传统结构在三个视场中的平均光能利用率为70.2%新结构的平均光能利用率为83.7%比传统结构高13倍左右%从表2可以看出，传统结构在视场角较小时具有较高的辐照均匀性，但在视场角较大时均匀性迅速下降，三个视场的平均辐照均匀性为66.9%然而，新结构在小视场下的均匀性不如传统结构，但在整个变焦过程中均匀性保持在75%其平均均匀度比传统结构高17%左右。考虑到整个视场的变化过程，采用新型全反射透镜结构的系统光能利用率和辐照度均匀性始终保持较高，且结构紧凑，易于安装和调整，其整体效果优于传统透镜结构。

提出了一种可变视场LED照明光学系统的设计方法。采用全反射透镜结构根据光学系统准直模式和最大视场角模式对光强分布的不同要求，分别设计透射面和全反射面，并根据仿真结果反馈优化全反射面。最后，与相同条件下的传统透镜结构进行比较，仿真结果表明该结构在光能利用率和辐照度均匀性方面均优于传统结构。并且光学系统只包含一个镜头，更加紧凑，便于安装和调整。