Das momentane Sehfeld (englisch instantaneous field of view, kurz IFOV), auch momentanes Gesichtsfeld oder momentanes Sichtfeld genannt, bezeichnet den Öffnungswinkel, unter dem ein einzelnes Detektorelement eines bildgebenden Sensors elektromagnetische Strahlung erfasst. Bei digitalen Kameras entspricht es dem von einem einzelnen Detektorelement beziehungsweise Pixel erfassten Winkelausschnitt. Das IFOV ist eine Kenngröße optischer und infraroter Bildgebungssysteme und wird insbesondere in der Fernerkundung, Thermografie und elektrooptischen Beobachtung verwendet.

Definition Nach DIN 18716 ist das momentane Sehfeld der „Öffnungswinkel, unter dem ein Detektor Strahlung erfasst“. Das gesamte Sichtfeld (englisch field of view, FOV) beschreibt dagegen den Winkelbereich, der vom gesamten Sensorsystem abgebildet wird. Bei einem aus mehreren Detektorelementen bestehenden Bildsensor ist das IFOV daher gewöhnlich wesentlich kleiner als das gesamte Gesichtsfeld.

Bei zweidimensionalen Sensoren werden ein horizontales und ein vertikales IFOV unterschieden. Sind die Detektorelemente quadratisch und ist die Abbildung in beiden Richtungen gleich, stimmen beide Werte überein.

Der Begriff entstand vor allem im Zusammenhang mit abtastenden Sensorsystemen. Bei einem optomechanischen Scanner beschreibt das IFOV denjenigen Winkelausschnitt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt auf einen einzelnen Detektor abgebildet wird. Bei einer als staring sensor bezeichneten Kamera mit einer zweidimensionalen Detektormatrix besitzt jedes Detektorelement ein eigenes momentanes Sehfeld.

Berechnung Für ein rechteckiges Detektorelement mit der Breite bzw. Höhe und eine Optik mit der Brennweite ergeben sich auf der optischen Achse

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Da die Abmessungen eines Detektorelements üblicherweise klein gegenüber der Brennweite sind, kann die Kleinwinkelnäherung verwendet werden:

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Die Quotienten sind dimensionslos und geben den jeweiligen Winkel in Radiant an. Der zugehörige Raumwinkel beträgt bei kleinen horizontalen und vertikalen Winkeln näherungsweise

In Datenblättern digitaler Kameras wird für und häufig der Pixelabstand eingesetzt. Er kann von deren lichtempfindlicher Breite abweichen. In diesem Fall sind das geometrische Sehfeld eines Detektorelements und der Winkelabstand zwischen benachbarten Abtastungen nicht genau identisch.

Zusammenhang mit dem gesamten Sehfeld Besitzt ein Sensor Spalten und Zeilen, kann das mittlere IFOV näherungsweise auch aus dem gesamten Sehfeld werden:

und

Diese Beziehung ist insbesondere für kleine Sehfeldererung. Bei starken optischen Verzeichnungen oder großen Bildwinkeln kann sich der Winkelabstand zwischen benachbarten Pixeln über das Bildfeld verändern.

Bodenbezogenes momentanes Sehfeld In der Fernerkundung wird aus dem Winkel-IFOV die Größe der von einem Detektorelement erfassten Fläche auf der Erdoberfläche bestimmt. Diese Größe wird als bodenbezogenes momentanes Sehfeld oder englisch ground instantaneous field of view (GIFOV) bezeichnet.

Bei senkrechter Blickrichtung, einer ebenen Oberfläche und einer Sensorhöhe beträgt die Ausdehnung des GIFOV in einer Richtung

Bei rechteckigen Detektorelementen beträgt die näherungsweise erfasste Bodenfläche

Diese Beziehungen gelten nur für eine senkrechte Beobachtung einer ebenen Fläche. Bei schräger Blickrichtung wird das GIFOV vergrößert und verzerrt. Auch die Geländehöhe, die Oberflächenneigung, die Erdkrümmung und die Abbildungsgeometrie des Sensors beeinflussen seine tatsächliche Form und Größe.

Abgrenzung zur räumlichen Auflösung Das IFOV beschreibt zunächst nur die geometrische Winkelgröße eines Detektorelements. Es ist daher nicht mit der tatsächlich erreichbaren räumlichen Auflösung des Sensorsystems gleichzusetzen. Ein kleineres IFOV ermöglicht zwar grundsätzlich eine feinere räumliche Abtastung, die effektive Auflösung wird jedoch zusätzlich beeinflusst durch:

die Beugungsgrenze der Optik, Abbildungsfehler und Defokussierung, die Modulationsübertragungsfunktion von Optik und Detektor, den Füllfaktor der Detektorelemente, Bewegungsunschärfe, atmosphärische Einflüsse, das Signal-Rausch-Verhältnis und die digitale Bildverarbeitung.

Ein Objekt, dessen Winkelgröße genau einem IFOV entspricht, wird somit nicht zwangsläufig als eigenständiges Detail aufgelöst. Abhängig vom verwendeten Auflösungskriterium muss ein Objekt mehrere Detektorelemente überdecken.

Vom IFOV zu unterscheiden ist außerdem die Ground Sample Distance (GSD). Sie beschreibt den Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Bildabtastungen auf der beobachteten Oberfläche. Bei einem idealen, nicht nachträglich umgerechneten Bild können die GSD und die projizierte Pixelgröße annähernd übereinstimmen. Durch geometrische Entzerrung, Interpolation, Überabtastung oder Unterabtastung kann sich diese Beziehung jedoch ändern.

Bedeutung in der Thermografie Bei einer Wärmebildkamera bestimmt das IFOV die Größe des Ausschnitts, dessen Wärmestrahlung auf ein einzelnes Detektorelement fällt. Für eine zuverlässige berührungslose Temperaturmessung muss das Messobjekt gewöhnlich größer als das theoretische IFOV sein. Andernfalls trägt auch Strahlung aus der Umgebung zum Messwert bei.

Hersteller unterscheiden deshalb teilweise zwischen dem geometrischen IFOV und einem größeren Messsehfeld, das als measurement field of view oder measurement IFOV bezeichnet wird. Als praktische Näherung wird teilweise gefordert, dass das Messobjekt eine Fläche von mindestens 3 × 3 Pixeln abdeckt. Der erforderliche Wert hängt jedoch von der Optik, der Punktspreizfunktion, der Kalibrierung und der geforderten Messgenauigkeit ab.

Anwendungen Das IFOV wird zur Auslegung und Bewertung unterschiedlicher bildgebender Sensorsysteme verwendet:

Anwendungsgebiet Bedeutung des IFOV Satellitenfernerkundung Bestimmt zusammen mit der Flughöhe und der Beobachtungsgeometrie die von einem Detektorelement erfasste Bodenfläche. Luftbildfotografie Dient zur Abschätzung der geometrischen Abtastung und der Größe eines Bodenpixels. Thermografie Bestimmt die Fläche, deren Wärmestrahlung zu einem einzelnen Detektormesswert beiträgt. Elektrooptische Beobachtung Dient zur Abschätzung, mit wie vielen Detektorelementen ein Ziel gegebener Größe und Entfernung abgebildet wird. Abbildendes Spektrometer Bestimmt die räumliche Ausdehnung, über die ein einzelnes Spektrum aufgenommen wird. Optische Navigation Stellt den Zusammenhang zwischen einer Verschiebung im Bild und einer Änderung der Blickrichtung her.

Ein Beispiel für die Angabe des IFOV ist die Panoramakamera der Marsrover Spirit und Opportunity. Jede Kamera besaß eine Detektormatrix mit 1024 × 1024 Elementen und eine effektive Brennweite von 43 Millimetern. Das IFOV betrug 0,27 Milliradiant pro Pixel, während das gesamte Gesichtsfeld etwa 16° × 16° umfasste.

Einzelnachweise

Kategorie:Bildsensor Kategorie:Fernerkundung