視場(chǎng)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如今，LED由于其壽命長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)勢(shì)在各個(gè)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(chǎng)合中，被照明的目標(biāo)面與光源的距離以及光束的視場(chǎng)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(chǎng)角以及能量密度分布，使其照射范圍覆蓋整個(gè)監(jiān)控區(qū)域。若紅外燈的視場(chǎng)角過(guò)大，會(huì)造成光能浪費(fèi)，反之則會(huì)產(chǎn)生手電筒效應(yīng)，影響照明效果。針對(duì)這種應(yīng)用要求，需要設(shè)計(jì)可變視場(chǎng)角的LED照明光學(xué)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的可變視場(chǎng)角的照明光學(xué)系統(tǒng)多采用兩片或三片透鏡的形式進(jìn)行配光，這種形式存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題。大多數(shù)的紅外線(xiàn)發(fā)射二極管其半視場(chǎng)角都在±60°左右，類(lèi)似朗伯分布。采用多透鏡形式不可避免地使大角度光束無(wú)法收集利用，造成了光能的浪費(fèi)。由于透鏡個(gè)數(shù)往往多于1個(gè)，導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大。傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度較低，針對(duì)某一種或者兩種模式設(shè)計(jì)得到的結(jié)構(gòu)僅在該模式下效果較好，偏離后其光束均勻性則明顯下降。針對(duì)這些問(wèn)題，本文采用一種新型的全反射式（TIR）透鏡結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)角可變，依據(jù)光束準(zhǔn)直模式與視場(chǎng)角最大模式對(duì)光強(qiáng)分布的不同要求，基于分離變量的非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論分別設(shè)計(jì)其透射面與全反射面。由于新型全反射式透鏡的透射面與全反射面都采用自由曲面的形式，具有很高的設(shè)計(jì)自由度，因此能夠更好地兼顧各個(gè)視場(chǎng)，使整個(gè)視場(chǎng)角變化過(guò)程都保持較高的光能利用率和光束均勻性，且整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于裝調(diào)。

視場(chǎng)角設(shè)計(jì)方法

圖4為新型全反射式透鏡的2D結(jié)構(gòu)。黑色矩形表示LED。AB、BC、CD以及EF為直線(xiàn)，DE和FG為自由曲線(xiàn)。CD為透鏡底座，長(zhǎng)度記為t。P₁P₂表示視場(chǎng)角變化過(guò)程中LED的移動(dòng)范圍，長(zhǎng)度記為1。當(dāng)LED位于P₁時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)處于準(zhǔn)直模式，當(dāng)LED位于P₂時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)處于視場(chǎng)角最大模式。α表示LED出射光線(xiàn)與光軸的夾角。φ₁表示P₁B與光軸的夾角，即準(zhǔn)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(chǎng)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(jù)LED位于位置P₁時(shí)光束準(zhǔn)直出射設(shè)計(jì)透射面，依據(jù)LED位于位置P₂時(shí)總出射光束實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)面照度均勻設(shè)計(jì)全反射面。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將LED視為理想點(diǎn)光源。

視場(chǎng)角系統(tǒng)模擬仿真

依據(jù)上述方法設(shè)計(jì)一種視場(chǎng)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(jì)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(dòng)的過(guò)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(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%，平均輻照度均勻度為84.1%。以一種同樣實(shí)現(xiàn)8°～20°的視場(chǎng)角變化范圍的傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)作為對(duì)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(jì)自由度，將后一片透鏡的后表面設(shè)計(jì)為偶次非球面。其光線(xiàn)追跡圖如圖6所示。

模擬其光束角分別為20°，14°和8°時(shí)10 m處目標(biāo)面上的輻照度分布情況。與本文提出的新型全反射式結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。實(shí)現(xiàn)同樣的8°～20°的視場(chǎng)角變化范圍，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總長(zhǎng)40 mm，口徑44 mm，采用新型全反射式透鏡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)13.5 mm，口徑26 mm，總體積約減小為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/5。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在三個(gè)視場(chǎng)的平均光能利用率為70.2%，而新型結(jié)構(gòu)的平均光能利用率為83.7%，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高約13%。從表2中可以看出，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在視場(chǎng)角較小時(shí)輻照度均勻度很高，但視場(chǎng)角變大后均勻度迅速下降，三個(gè)視場(chǎng)的平均輻照度均勻度為66.9%。而新型結(jié)構(gòu)在小視場(chǎng)角時(shí)雖然均勻度不及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但在整個(gè)變焦過(guò)程中均勻度都保持在75%以上，其平均均勻度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了17%左右。綜合考慮整個(gè)視場(chǎng)角變化過(guò)程，采用新型全反射式透鏡結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)其光能利用率與輻照度均勻度始終保持較高值，且結(jié)構(gòu)緊湊，便于裝調(diào)，因此其總體效果優(yōu)于傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)。

視場(chǎng)角研究結(jié)論

提出一種實(shí)現(xiàn)可變視場(chǎng)角的LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。采用全反射式透鏡結(jié)構(gòu)，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)直模式以及視場(chǎng)角最大模式下光強(qiáng)分布的不同要求，分別設(shè)計(jì)其透射面與全反射面，并依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)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(duì)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)。 2100433B

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?xún)?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。

視場(chǎng)角分物方視場(chǎng)角和像方視場(chǎng)角。一般光學(xué)設(shè)備的使用者關(guān)心的是物方視場(chǎng)角。對(duì)于大多數(shù)光學(xué)儀器,視場(chǎng)角的度量都是以成像物的直徑作為視場(chǎng)角計(jì)算的。如：望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等。而對(duì)于照相機(jī)、攝像機(jī)類(lèi)的光學(xué)設(shè)備，由于其感光面是矩形的，因此常以矩形感光面對(duì)角線(xiàn)的成像物直徑計(jì)算視場(chǎng)角，如圖1左。也有以矩形的長(zhǎng)邊尺寸計(jì)算視場(chǎng)角的，如圖1右。計(jì)算方法可參看圖1。

也可以使用度量的方法獲得視場(chǎng)角參數(shù)。度量一般使用廣角平行光管，因其形似漏斗，俗稱(chēng)：漏斗儀。測(cè)量方法如圖3。在被測(cè)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(cè)光學(xué)儀器的視場(chǎng)角。

被測(cè)鏡頭可能因焦距不同，導(dǎo)致肉眼不能觀測(cè)到刻度?？杉尤胍黄咕噙m當(dāng)?shù)耐雇哥R作為輔助鏡片察看測(cè)量結(jié)果。測(cè)量時(shí)應(yīng)沿光軸方向前后移動(dòng)被測(cè)鏡頭，直至觀測(cè)的角度最大，即為該被測(cè)鏡頭的視場(chǎng)角。

相機(jī)的測(cè)量方法同上，相機(jī)測(cè)量時(shí)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(chǎng)角與焦距的關(guān)系：一般情況下，視場(chǎng)角越大，焦距就越短。以下列舉幾個(gè)實(shí)例：長(zhǎng)焦距鏡頭視場(chǎng)角窄于40°，例如：鏡頭焦距2.5 mm，視場(chǎng)角為 45°左右。鏡頭焦距5.0 mm，視場(chǎng)角為 23°左右。鏡頭焦距7.5 mm，視場(chǎng)角為 14°左右。鏡頭焦距10 mm，視場(chǎng)角為 12°左右。鏡頭焦距15 mm，視場(chǎng)角為 8°左右。

1. 在光學(xué)儀器中，以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點(diǎn)，以被測(cè)目標(biāo)的物像可通過(guò)鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角，稱(chēng)為視場(chǎng)角。如圖1。

視場(chǎng)角的大小決定了光學(xué)儀器的視野范圍，視場(chǎng)角越大，視野就越大，光學(xué)倍率就越小。通俗地說(shuō)，目標(biāo)物體超過(guò)這個(gè)角就不會(huì)被收在鏡頭里。

2. 在顯示系統(tǒng)中，視場(chǎng)角就是顯示器邊緣與觀察點(diǎn)（眼睛）連線(xiàn)的夾角。

例如在圖2中，AOB角就是水平視場(chǎng)角，BOC就是垂直視場(chǎng)角。

1.大(寬)視場(chǎng)角導(dǎo)引頭可直接固定在彈體上，使現(xiàn)場(chǎng)中心線(xiàn)相對(duì)于彈體中心線(xiàn)的角度不變。這種情況下,有用跟蹤信息可用目標(biāo)視線(xiàn)與彈體中心線(xiàn)之間的夾角處的值表示；

2.小(窄)視場(chǎng)角導(dǎo)引頭常裝在框架式平臺(tái)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使目標(biāo)保持在導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)。

中文名稱(chēng)

探測(cè)視場(chǎng)角

英文名稱(chēng)

detective field of view angle

定　　義

由引信從周?chē)邮盏降墓饩€(xiàn)所通過(guò)的空間形成的立體角。

應(yīng)用學(xué)科

航空科技（一級(jí)學(xué)科），航空武器系統(tǒng)（二級(jí)學(xué)科）

導(dǎo)引頭視場(chǎng)角是指導(dǎo)引頭沿中心線(xiàn)方向能夠接收到有用能量的錐形角度。