Zorné pole (FOV) – Úhlový rozsah pozorovatelné oblasti v optice

Úvod

Zorné pole (FOV) je základní parametr při návrhu, výběru a provozu optických systémů. Popisuje celkovou oblast nebo úhlový rozsah pozorovatelný skrz zařízení jako je kamera, mikroskop, dalekohled, lidské oko nebo pokročilé displeje typu head-up display (HUD). Pojem FOV je nezbytný nejen pro pochopení, jakou část scény lze v daném okamžiku vidět, ale také určuje použitelnost, bezpečnost a soulad s předpisy v mnoha odvětvích, včetně fotografie, bezpečnosti, letectví, biometrie a virtuální reality.

Tato stránka slovníku nabízí detailní pohled na zorné pole, jeho definici, měření a význam v různých oblastech. Podrobně vysvětlíme základní optické principy, roli systémových komponent jako je ohnisková vzdálenost objektivu a velikost senzoru, a konkrétní aplikační požadavky určené průmyslovými normami, například ICAO a ISO.

1. Co je zorné pole (FOV)?

Zorné pole (FOV) označuje rozsah pozorovatelného světa, který je v daném okamžiku viditelný skrz optický systém z konkrétního místa. FOV lze vyjádřit jako:

• Úhlové FOV: Úhel ve stupních nebo radiánech, který svírá pozorovaná scéna z optického středu.
• Lineární FOV: Fyzikální šířka, výška nebo průměr scény viditelné v určité vzdálenosti.

Proč je FOV důležité

• Pokrytí: Určuje, jak velkou část scény lze pozorovat nebo zachytit.
• Návrh systému: Ovlivňuje výběr objektivu, velikost senzoru a umístění.
• Soulad s předpisy: Regulační normy (ICAO, ISO) určují FOV pro biometrické a letecké systémy.
• Uživatelský zážitek: Ovlivňuje pohodlí, ponoření a použitelnost (zejména v AR/VR a HUD).

2. Úhlové zorné pole (AFOV)

Definice

Úhlové zorné pole (AFOV) je úhel, který zahrnuje pozorovatelnou oblast z definovaného bodu, často z vstupní pupily objektivu nebo oka pozorovatele. Je klíčovou specifikací pro:

• Kamery a objektivy
• Dalekohledy a triedry
• Head-up a virtuální reality displeje

Výpočet

AFOV = 2 × arctan (rozměr senzoru / (2 × ohnisková vzdálenost))

• Rozměr senzoru: Šířka, výška nebo úhlopříčka snímacího senzoru.
• Ohnisková vzdálenost: Optická vzdálenost od středu objektivu k jeho ohnisku.

AFOV poskytuje standardizovanou, na vzdálenosti nezávislou metriku pro porovnání pozorovacích schopností optických systémů.

3. Lineární zorné pole (velikost objektu)

Lineární zorné pole (nebo velikost objektu) je skutečná fyzická oblast viditelná skrz optický systém v určité vzdálenosti.

Lineární FOV = 2 × (vzdálenost objektu) × tan(AFOV ÷ 2)

To je zásadní v:

• Mikroskopii: Průměr preparátu viditelný při daném zvětšení.
• Dohledu: Oblast pokrytá kamerou ve stanovené výšce instalace.
• Biometrii: Zajišťuje, že celý obličej nebo cíl je v pozorovaném snímku.

4. Klíčové optické pojmy ovlivňující FOV

Vstupní pupila

Vstupní pupila je efektivní apertura optického systému, jak je viděna ze strany objektu. Určuje referenci pro měření AFOV a ovlivňuje jas a rovnoměrnost obrazu.

Hlavní paprsek

Hlavní paprsek prochází středem vstupní pupily skrz systém až na okraj obrazového senzoru. Definuje úhlovou hranici pozorované scény a je referencí pro kvalitu a zarovnání obrazu.

Ohnisková vzdálenost

Ohnisková vzdálenost určuje, jak „přiblížený“ nebo „oddálený“ se systém jeví:

• Krátká ohnisková vzdálenost: Široké FOV (zachytí větší část scény)
• Dlouhá ohnisková vzdálenost: Úzké FOV (vyšší přiblížení, menší oblast)

Velikost senzoru nebo detektoru

Fyzická velikost senzoru přímo určuje FOV pro daný objektiv:

• Větší senzor: Širší FOV
• Menší senzor: Užší FOV (efekt crop)

Poměr stran

Poměr šířky a výšky senzoru nebo displeje ovlivňuje pozorovanou oblast a kompozici. Například 16:9 (širokoúhlý) poskytuje široký horizontální pohled vhodný pro panoramatické snímky.

Orientace systému

Způsob, jakým je optický systém zarovnán (na šířku nebo na výšku), určuje, zda je FOV maximalizováno horizontálně nebo vertikálně, což ovlivňuje pokrytí a vhodnost použití.

Vzdálenost objektu

Vzdálenost mezi objektivem a objektem určuje lineární FOV – větší vzdálenost znamená větší pozorovatelnou oblast při stejném úhlovém FOV.

5. Parametry specifické pro aplikace

Různé aplikace kladou na FOV jedinečné požadavky:

• Biometrické snímání (ICAO/ISO): Vyžaduje minimální FOV pro zachycení celého obličeje na průkazových a pasových fotografiích.
• Dohled: FOV určuje pokrytí oblasti a schopnost identifikace.
• Letecké HUD: FOV musí zahrnovat všechna klíčová letová data v přirozeném zorném poli pilota.
• Virtuální realita: Široké FOV zvyšuje ponoření a realističnost.

6. FOV v kamerách a fotografii

Role v kompozici snímku

U kamer FOV určuje, jak velká část scény se vejde do snímku. Širokoúhlé objektivy (krátká ohnisková vzdálenost) zachycují rozsáhlé záběry, zatímco teleobjektivy (dlouhá ohnisková vzdálenost) zužují FOV pro vzdálené objekty.

Crop faktor: Menší senzory (APS-C, Micro Four Thirds) snižují FOV u stejného objektivu, což je důležité při srovnávání pokrytí mezi kamerovými systémy.

Výpočet FOV kamery

• Horizontální FOV: Založen na šířce senzoru a ohniskové vzdálenosti.
• Vertikální FOV: Založen na výšce senzoru a ohniskové vzdálenosti.
• Úhlopříčný FOV: Založen na úhlopříčce senzoru a ohniskové vzdálenosti.

7. FOV u lidského vidění

Lidské binokulární FOV může dosahovat až 200° horizontálně, přičemž asi 120° je překryto pro stereoskopické vnímání hloubky. Centrální vidění poskytuje detailní rozlišení v úzkém kuželu, zatímco periferní vidění nabízí široké povědomí o okolí.

Aplikace:

• Návrh kokpitu: Zajišťuje, že přístroje jsou v přirozeném zorném poli.
• Bezpečnostní systémy: Umístění displejů a výstrah v komfortní zóně pozorování.

8. FOV v head-up displejích (HUD)

U leteckých a automobilových HUD je FOV určeno jako úhlová velikost promítaného virtuálního obrazu. Dostatečné FOV zajišťuje, že všechna klíčová data jsou viditelná bez nutnosti pohybu hlavy či očí, jak vyžadují normy ICAO a automobilového průmyslu.

• Eyebox: Oblast, kde musí být oko uživatele, aby vidělo celý displej.
• Vzdálenost virtuálního obrazu: Ovlivňuje pohodlí, ale ne úhlové FOV.

9. Regulační a průmyslové normy

• ICAO Doc 9303: Určuje požadavky na FOV pro biometrické snímky obličeje v pasech a cestovních dokladech.
• ISO/IEC 19794-5: Stanovuje normy pro kvalitu snímků obličeje a FOV v biometrických aplikacích.
• Letecký a HUD design: Minimální požadavky na FOV pro bezpečnost a použitelnost pilota.

10. Praktické příklady a použití

• Bezpečnostní kamery: Výběr kombinací objektivů a senzorů pro pokrytí vstupů, perimetru nebo rozsáhlých oblastí.
• Skenování dokumentů a dokladů: Zajištění úplného zachycení dokumentu nebo obličeje pro ověření.
• Mikroskopie: Vyvažování zvětšení s oblastí pozorovaného preparátu.
• AR/VR: Maximalizace ponoření rozšiřováním FOV v nositelných displejích.

11. Často kladené otázky (FAQ)

Jaký je rozdíl mezi úhlovým a lineárním FOV?

Úhlové FOV je pozorovatelný úhel (stupně/radiány) od objektivu či oka, nezávislý na vzdálenosti. Lineární FOV je fyzická šířka nebo výška scény v určité vzdálenosti.

Jak zvolit správné FOV pro svou aplikaci?

Zvažte oblast, kterou potřebujete pokrýt (lineární FOV), požadovaný detail (rozlišení) a požadavky na soulad s normami (např. ICAO pro biometriku nebo letecké standardy pro HUD).

Lze FOV upravit i po instalaci?

V některých systémech ano – změnou objektivu, velikosti senzoru nebo nastavením polohy kamery. U jiných (například pevné HUD) je FOV dáno konstrukcí.

Znamená širší FOV vždy lepší pokrytí?

Ne vždy. Širší FOV může způsobit zkreslení nebo snížit detaily/rozlišení obrazu. Optimální FOV je vyvážením mezi pokrytím, detaily a požadavky aplikace.

12. Shrnutí

Zorné pole (FOV) je klíčová veličina při návrhu optických systémů, která určuje, jak velkou část scény lze zachytit, pozorovat nebo zobrazit. Je ovlivněno ohniskovou vzdáleností objektivu, velikostí senzoru, poměrem stran, orientací a specifickými požadavky aplikace. Zvládnutí principů FOV je zásadní pro fotografy, inženýry, systémové integrátory i každého, kdo pracuje s obrazovými, biometrickými nebo zobrazovacími technologiemi.

13. Další zdroje a odkazy

• ICAO Doc 9303 – Machine Readable Travel Documents
• ISO/IEC 19794-5: Biometric Data Interchange Formats – Face Image Data
• NASA: Field of View and Angle of View
• Zeiss: Understanding Field of View in Optics
• Wikipedia: Field of View

14. Vizuální slovník

Chcete optimalizovat své vizuální systémy?
Kontaktujte nás a proberte, jak optimalizace FOV může zlepšit ostrost, pokrytí a soulad ve vašich obrazových, biometrických nebo dohledových aplikacích.

Tento slovníkový heslo je průběžně aktualizováno podle nejnovějších norem a osvědčených postupů v oblasti FOV v optických a zobrazovacích systémech. Pro individuální poradenství nebo integrační služby kontaktujte náš tým odborníků.