Campo de Visión (FOV) – Extensión Angular del Área Observable en Óptica

Introducción

El Campo de Visión (FOV) es un parámetro fundamental en el diseño, selección y operación de sistemas ópticos. Describe el área total o el rango angular observable a través de un dispositivo como una cámara, microscopio, telescopio, el ojo humano o pantallas avanzadas como los head-up displays (HUD). El concepto de FOV no solo es esencial para entender qué parte de una escena es visible en un momento dado, sino que también determina la usabilidad, seguridad y cumplimiento normativo en una multitud de industrias, incluyendo fotografía, seguridad, aviación, biometría y realidad virtual.

Esta página de glosario presenta una exploración profunda del Campo de Visión, cubriendo su definición, medición y relevancia en diversos campos. Detallaremos los principios ópticos subyacentes, el papel de los componentes del sistema como la longitud focal de la lente y el tamaño del sensor, y consideraciones específicas dictadas por estándares industriales como los de la OACI e ISO.

1. ¿Qué es el Campo de Visión (FOV)?

El Campo de Visión (FOV) se refiere a la extensión del mundo observable que se ve en un momento dado a través de un sistema óptico desde una posición específica. El FOV puede expresarse como:

• FOV angular: El ángulo, en grados o radianes, subtendido por la escena observable desde el centro óptico.
• FOV lineal: El ancho, alto o diámetro físico de la escena visible a una distancia determinada.

Por qué importa el FOV

• Cobertura: Determina cuánto de una escena puede observarse o capturarse.
• Diseño del sistema: Influye en la selección de lentes, tamaño y ubicación del sensor.
• Cumplimiento: Los estándares regulatorios (OACI, ISO) especifican el FOV para sistemas biométricos y de aviación.
• Experiencia de usuario: Afecta la comodidad, inmersión y usabilidad (especialmente en AR/VR y HUD).

2. Campo de Visión Angular (AFOV)

Definición

El Campo de Visión Angular (AFOV) es el ángulo que abarca el área observable vista desde un punto definido, a menudo la pupila de entrada de una lente o el ojo del observador. Es una especificación clave para:

• Cámaras y lentes
• Binoculares y telescopios
• Head-up y displays de realidad virtual

Cálculo

AFOV = 2 × arctan (Dimensión del Sensor / (2 × Longitud Focal))

• Dimensión del Sensor: Ancho, alto o diagonal del sensor de imagen.
• Longitud Focal: Distancia óptica desde el centro de la lente hasta su punto focal.

El AFOV proporciona una métrica estandarizada e independiente de la distancia para comparar las capacidades de observación de los sistemas ópticos.

3. Campo de Visión Lineal (Tamaño del Objeto)

El Campo de Visión Lineal (o Tamaño del Objeto) es el área física real visible a través del sistema óptico a una distancia específica.

FOV Lineal = 2 × (distancia al objeto) × tan(AFOV ÷ 2)

Esto es crucial en:

• Microscopía: Diámetro de la muestra visible a un aumento dado.
• Vigilancia: Área cubierta por una cámara a una altura de montaje específica.
• Biometría: Garantiza que el rostro completo o el objetivo estén dentro del marco observable.

4. Conceptos Ópticos Clave que Afectan al FOV

Pupila de Entrada

La pupila de entrada es la apertura efectiva del sistema óptico vista desde el lado del objeto. Establece la referencia para medir el AFOV e influye en el brillo y la uniformidad de la imagen.

Rayo Principal

El rayo principal pasa desde el centro de la pupila de entrada a través del sistema hasta el borde del sensor de imagen. Define el límite angular de la escena observable y es una referencia para la calidad y alineación de la imagen.

Longitud Focal

La longitud focal determina cuán “acercado” o “alejado” aparece un sistema:

• Longitud focal corta: FOV amplio (captura más de la escena)
• Longitud focal larga: FOV estrecho (mayor aumento, menos área)

Tamaño del Sensor o Detector

El tamaño físico del sensor determina directamente el FOV para una lente dada:

• Sensor más grande: FOV más amplio
• Sensor más pequeño: FOV más estrecho (efecto recorte)

Relación de Aspecto

La relación ancho-alto de un sensor o pantalla afecta el área observable y la composición. Por ejemplo, 16:9 (pantalla ancha) proporciona una vista horizontal amplia, ideal para imágenes panorámicas.

Orientación del Sistema

La alineación del sistema óptico (horizontal o vertical) determina si el FOV se maximiza en el eje horizontal o vertical, impactando la cobertura y la idoneidad de la aplicación.

Distancia al Objeto

La distancia entre la lente y el objeto determina el FOV lineal: mayor distancia significa un área observable mayor para el mismo FOV angular.

5. Parámetros Específicos de la Aplicación

Diferentes aplicaciones imponen requisitos únicos al FOV:

• Imagen biométrica (OACI/ISO): Exigen un FOV mínimo para garantizar que el rostro completo sea capturado en fotos de identificación/pasaporte.
• Vigilancia: El FOV determina la cobertura del área y la capacidad de identificación.
• HUD en aviación: El FOV debe abarcar todos los datos críticos de vuelo dentro de la mirada natural del piloto.
• Realidad virtual: Un FOV amplio mejora la inmersión y el realismo.

6. FOV en Cámaras y Fotografía

Rol en la Composición de la Imagen

En cámaras, el FOV define cuánto de una escena entra en el encuadre. Las lentes gran angular (longitudes focales cortas) capturan vistas expansivas, mientras que las teleobjetivo (longitudes focales largas) estrechan el FOV para sujetos lejanos.

Factor de recorte: Los sensores más pequeños (APS-C, Micro Cuatro Tercios) reducen el FOV para la misma lente, una consideración clave al comparar la cobertura entre sistemas de cámaras.

Cálculo del FOV en Cámaras

• FOV horizontal: Basado en el ancho del sensor y la longitud focal.
• FOV vertical: Basado en la altura del sensor y la longitud focal.
• FOV diagonal: Basado en la diagonal del sensor y la longitud focal.

7. FOV en la Visión Humana

El FOV binocular humano puede alcanzar hasta 200° horizontalmente, con unos 120° de superposición para la percepción de profundidad estereoscópica. La visión central proporciona detalle de alta resolución en un cono estrecho, mientras que la visión periférica ofrece amplia conciencia situacional.

Aplicaciones:

• Diseño de cabinas: Asegura que los instrumentos estén dentro de los límites naturales de la mirada.
• Sistemas de seguridad: Ubicación de pantallas y alertas dentro del rango cómodo de visión.

8. FOV en Head-Up Displays (HUD)

En los HUD de aviación y automotrices, el FOV se especifica como el tamaño angular de la imagen virtual proyectada. Un FOV suficiente garantiza que toda la información crítica sea visible sin requerir movimientos de cabeza o de ojos, como lo exigen la OACI y los estándares automotrices.

• Eyebox: La región donde el ojo del usuario debe estar posicionado para ver toda la pantalla.
• Distancia de imagen virtual: Impacta la comodidad pero no el FOV angular.

9. Normativas y Estándares Industriales

• OACI Doc 9303: Especifica requisitos de FOV para imágenes faciales biométricas en pasaportes y documentos de viaje.
• ISO/IEC 19794-5: Establece estándares para la calidad de la imagen facial y el FOV en aplicaciones biométricas.
• Diseño de aviación y HUD: Requisitos mínimos de FOV para la seguridad y usabilidad del piloto.

10. Ejemplos Prácticos y Casos de Uso

• Cámaras de seguridad: Selección de combinaciones lente/sensor para cubrir entradas, perímetros o áreas amplias.
• Escaneo de documentos e identificaciones: Asegurando la captura completa del documento o rostro para verificación.
• Microscopía: Equilibrio entre aumento y área observable de la muestra.
• AR/VR: Maximizar la inmersión del usuario expandiendo el FOV en pantallas portátiles.

11. Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Cuál es la diferencia entre FOV angular y lineal?

El FOV angular es el ángulo observable (grados/radianes) desde la lente o el ojo, independiente de la distancia. El FOV lineal es el ancho o alto físico de la escena a una distancia específica.

¿Cómo elijo el FOV adecuado para mi aplicación?

Considere el área que necesita cubrir (FOV lineal), el detalle requerido (resolución) y los requisitos regulatorios (por ejemplo, OACI para biometría o estándares de aviación para HUD).

¿Se puede ajustar el FOV después de la instalación?

En algunos sistemas, sí: cambiando lentes, tamaño del sensor o ajustando la posición de la cámara. En otros (como HUD fijos), el FOV está determinado por el diseño.

¿Un FOV más amplio siempre significa mejor cobertura?

No siempre. Un FOV más amplio puede introducir distorsión o reducir el detalle/resolución de la imagen. El FOV óptimo equilibra cobertura, detalle y necesidades de la aplicación.

12. Resumen

El Campo de Visión (FOV) es una métrica crítica en el diseño de sistemas ópticos, ya que define cuánto de una escena puede capturarse, observarse o mostrarse. Está determinado por la longitud focal de la lente, el tamaño del sensor, la relación de aspecto, la orientación y los requisitos específicos de la aplicación. Dominar los principios del FOV es esencial para fotógrafos, ingenieros, integradores de sistemas y cualquier persona que trabaje con tecnologías de imagen, biometría o visualización.

13. Lecturas y Referencias Adicionales

• OACI Doc 9303 – Documentos de viaje legibles por máquina
• ISO/IEC 19794-5: Formatos de Intercambio de Datos Biométricos – Imagen Facial
• NASA: Campo de Visión y Ángulo de Visión
• Zeiss: Comprendiendo el Campo de Visión en Óptica
• Wikipedia: Campo de Visión

14. Glosario Visual

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Esta entrada de glosario se mantiene actualizada con los últimos estándares y mejores prácticas de la industria para el FOV en sistemas ópticos y de imagen. Para asesoría personalizada o servicios de integración, comuníquese con nuestro equipo de expertos.