IFOV vs. MFOV

IFOV vs. MFOV: Was Pixel sehen und was eine Infrarotkamera misst

Infrarotkameras werden häufig anhand von zwei verschiedenen Kennzahlen für das Sichtfeld beschrieben, die jeweils etwas unterschiedliche Aspekte beleuchten. Das momentane Sichtfeld (Instantaneous Field of View, IFOV) gibt an, wie viel von der Szene ein einzelnes Detektorelement durch die Optik erfassen kann.

IFOV hat seinen Ursprung in der Geschichte der thermografischen Abtastsysteme. Bei Kameras mit Matrixdetektor wird es berechnet, indem das horizontale oder vertikale Sichtfeld durch die Anzahl der Bildelemente geteilt wird. Da Bildgebungsobjektive, insbesondere Weitwinkelobjektive, in der Regel nicht den gesamten Sensor abdecken, hängt das IFOV pro Pixel von dessen Position ab. Typischerweise wird für jede Achse ein mittleres IFOV angegeben. Dieses idealisierte Sichtfeld dient als nützliche Größe, um abzuschätzen, wie viel von einer Szene ein Pixel in einer bestimmten Entfernung abdeckt. Es sollte jedoch nicht mit der kleinsten Objektgröße verwechselt werden, bei der noch eine gültige Temperaturmessung möglich ist.

Die Vorstellung, dass kleiner besser ist, trifft nicht zu, da Temperaturmesswerte davon abhängen, wie das System die Strahlungsintensität über eine endliche Blende misst. Auch optische Unschärfe und die Abtastung durch den Detektor beeinflussen die Verteilung dieser Energie.

Bei der Entwicklung von Optiken für Infrarotkameras ist es wichtig, den Detailkontrast in den Fokus zu rücken, der im Bild effektiv dargestellt werden kann. Dieser wird durch die Modulationsübertragungsfunktion definiert. Da es bei Wärmebildkameras mehr um den thermischen Kontrast als um den visuellen geht, wird diese Funktion zusammen mit der Spaltantwortfunktion verwendet. Das Ergebnis zeigt, wie viele Pixel ein Objekt ausfüllen muss, um eine exakte Temperaturmessung zu erhalten. Bei leistungsstarken Infrarot-Optiksystemen sind dies in der Regel 3×3 Pixel. Bei Systemen geringerer Qualität können in manchen Fällen bis zu 10×10 Pixel erforderlich sein, um 90 % der Energie zu erfassen. Ein leistungsstarkes Kameraobjektiv ermöglicht zudem eine größere Messentfernung bei gleicher Pixelanzahl, was exakte Temperaturmessungen kleinerer Strukturen und Objekte erlaubt.

MFOV dient dazu, praktische Messgrenzen zu berücksichtigen. Das Messsichtfeld oder das minimale Sichtfeld für die quantitative Temperaturmessung – allgemein als MFOV bezeichnet – ist ein Maß dafür, wie klein ein Zielobjekt sein darf, bevor die angezeigte Temperatur aufgrund optischer Beugung abweicht. Es besteht ein Unterschied zwischen dem, was eine Wärmebildkamera nominell in einem Bild auflösen kann, und dem, was sie konsistent als Temperatur innerhalb einer bekannten Unsicherheit messen kann.

Das Messsichtfeld ist kein rein geometrisches Maß. Vielmehr bezieht es sich auf das Sichtfeld, das dem Durchmesser eines kreisförmigen Ziels entspricht, bei dem das strahlungsproportionale Signal der Kamera auf einen bestimmten Bruchteil einer Referenz mit großer Blendenöffnung abfällt, wenn die Blende schrittweise geschlossen wird. Übliche Bruchteile hierfür betragen 90 %. Dieser Bruchteil muss zusammen mit der Messentfernung, dem Objektiv und der Temperatur des Referenzstrahlers angegeben werden.

Zwar stellt das MFOV an sich keine Unsicherheit dar, doch führt die Auswahl eines Ziels, das kleiner als das MFOV ist, zu einer systematischen Verzerrung des Messwerts. Diese Verzerrung muss im Unsicherheitsbudget berücksichtigt oder durch die Auslegung vermieden werden. Das ist ein Grund, warum das MFOV in vielen Unsicherheitsangaben als Bedingung auftaucht, zusammen mit Kalibrierungsdokumenten, in denen Annahmen zu Entfernung, Quellgröße, Spektralband und Emissivität dargelegt werden.

Wenn Sie ein System für eine bestimmte Aufgabe entwerfen oder auswählen, denken Sie daran, dass das IFOV beschreibt, wie die Szene abgetastet wird, während das MFOV beschreibt, wie das Gerät die Energie über seine optischen und Detektoröffnungen mittelt. Durch Unschärfe und Übersprechen in der realen Welt kann die effektive Spotgröße größer sein als ein einzelnes geometrisches Pixel.

Die Verwendung des MFOV ist sinnvoll, um sicherzustellen, dass die wichtigen Temperaturmerkmale bei der gegebenen Entfernung und mit dem ausgewählten Objektiv groß genug sind, sodass die angezeigten Werte innerhalb einer akzeptablen Abweichung liegen.

Um die Auswahl der richtigen Wärmebildkamera zu vereinfachen, hat Optris einen Optikrechner entwickelt. Der Optikrechner von Optris unterstützt bei der Auswahl einer Wärmebildkamera oder eines Pyrometers sowie eines Objektivs, indem er das Sichtfeld und die Spotgröße in Abhängigkeit von der Entfernung grafisch darstellt. Er schätzt die minimal messbare Objektgröße (IFOV/MFOV), den Arbeitsabstand und die Abdeckung, um die Optik auf die Zielgröße und -entfernung abzustimmen.