Spot

Ein Spot ist ein realistischeres Konzept, um den geometrischen Begriff des Brennpunkts zu ersetzen. Anstelle einer perfekten punktförmigen Verteilung entstehen größere Spots, die als Airy-Scheiben oder Airy-Muster bezeichnet werden. Dies ist der kleinste Punkt, in den Licht von einem optischen System mit kreisförmiger Blende fokussiert werden kann. Die Erzeugung einer Airy-Scheiben-Verteilung auf dem Sensor stellt den Idealfall eines optischen Systems dar und beschreibt ein System, das ohne Abbildungsfehler arbeitet und nur durch die Beugung des Lichts begrenzt ist.

Wenn Licht durch eine kreisförmige Blende tritt, entsteht eine Airy-Scheibe, die sich durch konzentrische Ringe mit abnehmender Intensität vom Zentrum nach außen auszeichnet. Der Großteil der Energie ist im Zentrum konzentriert und befindet sich innerhalb des ersten Nulldurchgangs, der durch folgende Gleichung gegeben ist:

[r_0 = 1{,}22 ∙ λ ∙ N]

wobei λ die verwendete Wellenlänge und N die Blendenzahl des optischen Systems ist. Die eingeschlossene Energie bis zum ersten Nulldurchgang beträgt 84 %. Daraus ergibt sich der Durchmesser der Spotgröße:

[d = 2{,}44 ∙ λ ∙ N]

Wie die Formel zeigt, hängt der Durchmesser der Airy-Scheibe stark von der verwendeten Messwellenlänge ab. Für Wärmebildanwendungen wird üblicherweise der Wellenlängenbereich von 8–14 µm verwendet. Dies führt in der Thermografie zu größeren Spotgrößen im Vergleich zu visuellen Bildgebungsanwendungen. Wenn der Detektor mit seiner typischen spektralen Empfindlichkeit festgelegt ist, kann nur die Blendenzahl die Größe der Beugungsverteilung beeinflussen.

Die Spotgröße steht in engem Zusammenhang mit der optischen Auflösung. Das Auflösen zweier Punkte durch ein beugungsbegrenztes optisches System hängt von deren Airy-Mustern ab, die mindestens den Abstand von [r_0] zueinander haben müssen.

Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) quantifiziert dies, indem sie den Kontrast bei unterschiedlichen Zielgrößen und Abständen vergleicht. Ein System, das eine MTF von über 9 % zwischen zwei Punkten erreicht, gilt als in der Lage, diese zu trennen. In der Praxis kann man zur Beschreibung das IFOV (Instantaneous Field of View) verwenden, wobei Objekte in einem Abstand von mindestens dem Doppelten des IFOV liegen müssen, um eine geeignete optische Auflösung zu erzielen. Das bedeutet, dass beim Abtasten des Bildes zwischen zwei Objekten immer mindestens ein nicht beleuchtetes Pixel liegen sollte.

Ein optisches System, das eine Airy-Scheibe erzeugt, wird als beugungsbegrenzt bezeichnet. Dies ist die bestmögliche Leistung, die erreicht werden kann, wenn Wellenlänge und Blendenzahl festgelegt sind. In der Praxis müssen jedoch Abbildungsfehler der Optik und opto-mechanische Toleranzen berücksichtigt werden, die die auf dem Sensor entstehende Verteilung stark beeinflussen. Quantitativ wird dies durch das Strehl-Verhältnis (SR) angegeben, benannt nach Karl Strehl. Es vergleicht die Intensität des realen Spots oder des fehlerbehafteten Musters mit der idealen Airy-Scheibe. Ein SR-Wert größer als 0,8 zeigt ein nahezu beugungsbegrenztes System an, während Werte unter 0,8 auf deutliche Abbildungsfehler hinweisen.

In Anwendungen, die eine extrem hohe optische Auflösung erfordern, wie etwa in der Mikroskopie oder Lithografie, werden kürzere Wellenlängen verwendet, um den Durchmesser der Airy-Scheibe zu verkleinern und die Detailerkennbarkeit zu verbessern. Für thermografische Anwendungen mit einer Infrarotkamera wird üblicherweise der Wellenlängenbereich von 8–14 µm verwendet, insbesondere zur Messung von Objekten bei Raumtemperatur (T = 300 K). Dieses Verhalten wird durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben, das das Emissionsspektrum eines Schwarzen Körpers charakterisiert. Die Messung niedriger Temperaturen bei konkurrenzfähigem NETD der Infrarotkamera ist häufig auf den LWIR-Bereich beschränkt. Daher kann der Durchmesser der Airy-Scheibe nur durch fortschrittliche Wärmebildoptiken verbessert werden, um eine hohe optische Auflösung des Messziels zu erreichen.