Sichtfeld (FOV) – Winkelbereich des sichtbaren Bereichs in der Optik

Einführung

Das Sichtfeld (FOV) ist ein grundlegender Parameter bei der Gestaltung, Auswahl und dem Betrieb optischer Systeme. Es beschreibt den gesamten Bereich oder Winkel, der durch ein Gerät wie eine Kamera, ein Mikroskop, ein Teleskop, das menschliche Auge oder moderne Displays wie Head-up-Displays (HUDs) sichtbar ist. Das Konzept des Sichtfelds ist nicht nur entscheidend, um zu verstehen, welcher Teil einer Szene zu einem bestimmten Zeitpunkt sichtbar ist, sondern bestimmt auch die Benutzerfreundlichkeit, Sicherheit und regulatorische Konformität in zahlreichen Branchen wie Fotografie, Sicherheit, Luftfahrt, Biometrie und Virtual Reality.

Diese Glossarseite bietet eine ausführliche Betrachtung des Sichtfelds, behandelt dessen Definition, Messung und Bedeutung in verschiedenen Bereichen. Wir erläutern die zugrundeliegenden optischen Prinzipien, die Rolle von Systemkomponenten wie Brennweite und Sensorgröße sowie anwendungsspezifische Anforderungen gemäß Industriestandards wie ICAO und ISO.

1. Was ist das Sichtfeld (FOV)?

Das Sichtfeld (FOV) bezeichnet den Bereich der beobachtbaren Welt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt durch ein optisches System von einer festgelegten Position aus gesehen werden kann. Das FOV kann wie folgt ausgedrückt werden:

• Winkliges FOV: Der Winkel, in Grad oder Radiant, der von der optischen Mitte aus von der sichtbaren Szene aufgespannt wird.
• Lineares FOV: Die physikalische Breite, Höhe oder der Durchmesser der Szene, die in einer definierten Entfernung sichtbar ist.

Warum das Sichtfeld wichtig ist

• Abdeckung: Bestimmt, wie viel einer Szene beobachtet oder erfasst werden kann.
• Systemauslegung: Beeinflusst die Wahl von Objektiv, Sensorgröße und Positionierung.
• Konformität: Regulatorische Standards (ICAO, ISO) legen das FOV für biometrische und aviatische Systeme fest.
• Benutzererlebnis: Beeinflusst Komfort, Immersion und Bedienbarkeit (besonders in AR/VR und HUDs).

2. Winkliges Sichtfeld (AFOV)

Definition

Das winklige Sichtfeld (AFOV) ist der Winkel, der den sichtbaren Bereich von einem festgelegten Punkt aus umfasst, oft der Eintrittspupille eines Objektivs oder dem Auge des Beobachters. Es ist eine zentrale Spezifikation für:

• Kameras und Objektive
• Ferngläser und Teleskope
• Head-up- und Virtual-Reality-Displays

Berechnung

AFOV = 2 × arctan (Sensorgröße / (2 × Brennweite))

• Sensorgröße: Breite, Höhe oder Diagonale des Bildsensors.
• Brennweite: Der optische Abstand vom Mittelpunkt der Linse zum Brennpunkt.

Das AFOV bietet einen standardisierten, entfernungsunabhängigen Wert zum Vergleich der Beobachtungsfähigkeit optischer Systeme.

3. Lineares Sichtfeld (Objektgröße)

Das lineare Sichtfeld (oder Objektgröße) ist der tatsächlich sichtbare physikalische Bereich durch das optische System in einer bestimmten Entfernung.

Lineares FOV = 2 × (Objektabstand) × tan(AFOV ÷ 2)

Dies ist besonders wichtig in:

• Mikroskopie: Durchmesser des bei gegebener Vergrößerung sichtbaren Präparats.
• Überwachung: Abgedeckter Bereich einer Kamera bei definierter Montagehöhe.
• Biometrie: Stellt sicher, dass das gesamte Gesicht oder Ziel im sichtbaren Bildausschnitt liegt.

4. Zentrale optische Konzepte, die das FOV beeinflussen

Eintrittspupille

Die Eintrittspupille ist die effektive Blendenöffnung des optischen Systems, wie sie von der Objektseite aus gesehen wird. Sie dient als Referenz für die Messung des AFOV und beeinflusst Bildhelligkeit und Gleichmäßigkeit.

Hauptstrahl

Der Hauptstrahl verläuft vom Mittelpunkt der Eintrittspupille durch das System bis zum Rand des Bildsensors. Er definiert die Winkelgrenze des sichtbaren Bereichs und ist Referenz für Bildqualität und Ausrichtung.

Brennweite

Die Brennweite bestimmt, wie „herangezoomt“ oder „herausgezoomt“ ein System erscheint:

• Kurze Brennweite: Weites Sichtfeld (mehr Szene wird erfasst)
• Lange Brennweite: Enges Sichtfeld (höhere Vergrößerung, weniger Bereich)

Sensor- oder Detektorgröße

Die physikalische Größe des Sensors bestimmt direkt das Sichtfeld bei einem gegebenen Objektiv:

• Größerer Sensor: Breiteres Sichtfeld
• Kleinerer Sensor: Engeres Sichtfeld (Crop-Effekt)

Seitenverhältnis

Das Breite-zu-Höhe-Verhältnis eines Sensors oder Displays beeinflusst den sichtbaren Bereich und die Bildkomposition. Zum Beispiel bietet 16:9 (Breitbild) einen weiten horizontalen Blick, ideal für Panoramaaufnahmen.

Systemausrichtung

Die Ausrichtung des optischen Systems (Quer- oder Hochformat) bestimmt, ob das Sichtfeld entlang der Horizontalen oder Vertikalen maximiert wird und beeinflusst die Abdeckung und Eignung für die Anwendung.

Objektabstand

Der Abstand zwischen Linse und Objekt bestimmt das lineare Sichtfeld – mehr Abstand bedeutet bei gleichem AFOV einen größeren sichtbaren Bereich.

5. Anwendungsspezifische Parameter

Verschiedene Anwendungen stellen individuelle Anforderungen an das Sichtfeld:

• Biometrische Bildgebung (ICAO/ISO): Mindestgrößen des Sichtfelds, um das gesamte Gesicht in Passbildern zu erfassen.
• Überwachung: Das FOV bestimmt Abdeckungsbereich und Identifikationsfähigkeit.
• Aviation HUDs: Das FOV muss alle kritischen Flugdaten im natürlichen Sichtfeld des Piloten abdecken.
• Virtual Reality: Ein weites Sichtfeld steigert Immersion und Realismus.

6. FOV bei Kameras & Fotografie

Rolle in der Bildkomposition

Bei Kameras definiert das Sichtfeld, wie viel einer Szene ins Bild passt. Weitwinkelobjektive (kurze Brennweite) erfassen große Bildbereiche, während Teleobjektive (lange Brennweite) das Sichtfeld für entfernte Motive verengen.

Crop-Faktor: Kleinere Sensoren (APS-C, Micro Four Thirds) verringern das Sichtfeld bei gleichem Objektiv, was beim Vergleich der Bildabdeckung zwischen Kamerasystemen wichtig ist.

Berechnung des Kamera-FOV

• Horizontales FOV: Basierend auf Sensorbreite und Brennweite.
• Vertikales FOV: Basierend auf Sensorhöhe und Brennweite.
• Diagonales FOV: Basierend auf Sensordiagonale und Brennweite.

7. FOV beim menschlichen Sehen

Das binokulare Sichtfeld des Menschen kann bis zu 200° horizontal betragen, mit etwa 120° Überlappung für stereoskopisches Sehen. Das zentrale Sehen liefert hochauflösende Details in einem engen Kegel, während das periphere Sehen für weite Übersicht sorgt.

Anwendungen:

• Cockpit-Design: Stellt sicher, dass Instrumente im natürlichen Blickfeld liegen.
• Sicherheitssysteme: Platzierung von Anzeigen und Warnungen im komfortablen Sichtbereich.

8. FOV bei Head-up-Displays (HUDs)

In Luftfahrt- und Automobil-HUDs wird das Sichtfeld als Winkelgröße des projizierten virtuellen Bildes angegeben. Ein ausreichendes FOV stellt sicher, dass alle wichtigen Informationen sichtbar sind, ohne Kopf- oder Augenbewegungen, wie von ICAO und Automobilstandards gefordert.

• Eyebox: Der Bereich, in dem das Auge positioniert sein muss, um das gesamte Display zu sehen.
• Virtuelle Bilddistanz: Beeinflusst Komfort, aber nicht das winklige Sichtfeld.

9. Regulatorische und Industriestandards

• ICAO Doc 9303: Legt Anforderungen an das Sichtfeld für biometrische Gesichtsbilder in Pässen und Reisedokumenten fest.
• ISO/IEC 19794-5: Regelt Qualitätsanforderungen und Sichtfeld für Gesichtsbilder in der Biometrie.
• Luftfahrt & HUD-Design: Mindestanforderungen an das FOV für Sicherheit und Nutzbarkeit des Piloten.

10. Praktische Beispiele & Anwendungsfälle

• Überwachungskameras: Auswahl von Objektiv-/Sensorkombinationen zur Abdeckung von Eingängen, Umgebungen oder großen Flächen.
• Dokumenten- & ID-Scan: Sicherstellung der vollständigen Erfassung von Dokumenten oder Gesichtern zur Verifizierung.
• Mikroskopie: Ausbalancieren von Vergrößerung und sichtbarem Präparatbereich.
• AR/VR: Maximierung der Immersion durch Erweiterung des Sichtfelds bei Wearables.

11. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Was ist der Unterschied zwischen winkligem und linearem FOV?

Das winklige FOV ist der beobachtbare Winkel (Grad/Radiant) vom Objektiv oder Auge aus, unabhängig von der Entfernung. Das lineare FOV ist die physikalische Breite oder Höhe der Szene in einer bestimmten Entfernung.

Wie wähle ich das richtige Sichtfeld für meine Anwendung?

Berücksichtigen Sie den zu erfassenden Bereich (lineares FOV), den erforderlichen Detailgrad (Auflösung) und etwaige Vorschriften (z. B. ICAO für Biometrie oder Luftfahrtstandards für HUDs).

Kann das FOV nachträglich angepasst werden?

In einigen Systemen ja – durch Wechsel des Objektivs, der Sensorgröße oder durch Anpassung der Kameraposition. In anderen (wie fest installierten HUDs) ist das FOV konstruktionsbedingt festgelegt.

Bedeutet ein größeres Sichtfeld immer bessere Abdeckung?

Nicht immer. Ein größeres FOV kann Verzerrungen verursachen oder die Bildauflösung verringern. Das optimale FOV balanciert Abdeckung, Detailgenauigkeit und Anwendungsanforderungen.

12. Zusammenfassung

Das Sichtfeld (FOV) ist ein entscheidendes Maß in der optischen Systemgestaltung und legt fest, wie viel einer Szene erfasst, beobachtet oder dargestellt werden kann. Es wird durch Brennweite, Sensorgröße, Seitenverhältnis, Ausrichtung und anwendungsspezifische Anforderungen bestimmt. Die Beherrschung der FOV-Prinzipien ist essenziell für Fotografen, Ingenieure, Systemintegratoren und alle, die mit Bildgebung, Biometrie oder Display-Technologien arbeiten.

13. Weiterführende Literatur & Quellen

• ICAO Doc 9303 – Maschinenlesbare Reisedokumente
• ISO/IEC 19794-5: Biometrische Datenaustauschformate – Gesichtsbilder
• NASA: Sichtfeld und Blickwinkel
• Zeiss: Das Sichtfeld in der Optik verstehen
• Wikipedia: Sichtfeld

14. Visuelles Glossar

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Dieser Glossareintrag wird regelmäßig gemäß den neuesten Standards und Best Practices der Branche für Sichtfeld in optischen und Bildgebungssystemen aktualisiert. Für individuelle Beratung oder Integrationsservices wenden Sie sich an unser Expertenteam.