L’infrarosso è l’onda elettromagnetica compresa tra i 700 nm e i 1000 µm (fig1) compresa tra il visibile e i Thz. Essa è suddivisa in tre fasce secondo lo standard internazionale:
IR-A 700 nm 1400 nm
IR-B 1,4 µm 3 µm
IR-C 3 µm 1000 µm
Oppure secondo lo standard astronomico/fotografico in Near-IR, MID-IR, Far-IR
(fig.1) Dettaglio dello spettro IR
Cercheremo di analizzare per quelli che sono i nostri scopi, ovvero la ripresa visiva, queste tre fasce, indicando quelle che sono state le scelte fatte.
NEAR INFRARED
Normalmente le riprese IR avvengono tra i 700 nm e i 1000 nm dove il comportamento della luce è molto simile a quanto avviene nel visibile, ossia la ripresa avviene per luce riflessa sui corpi, anche se la penetrazione del IR è maggiore rispetto a quella del visibile (400 nm 700 nm) per cui si notano delle peculiarità in questa fotografia (fig2).
La parte del circuito venoso superficiale sarà visibile, può capitare che gli indumenti, specie quelli leggeri, possano apparire in trasparenza, questi effetti sono dovuti alla maggior capacità di penetrazione dell’IR.
(fig.2) Esempio foto IR
Altro aspetto che emerge palesemente nella visualizzazione di una fotografia IR, è l’alterazione dei colori, rispetto al visibile questo aspetto è legato ai materiali e la loro capacità di assorbimento e riflessione delle diverse lunghezze d’onda. L’acqua ad esempio nel Near-IR e Mid-IR assorbe praticamente tutta la radiazione infrarossa, questa è la ragione per cui nelle foto le superfici d’acqua appaiono nere. Contrariamente la clorofilla ha un basso valore di assorbimento e un alto valore di riflettanza nell’infrarosso(fig3), ragione per cui nelle fotografia il fogliame appare completamente bianco.
(fig3) Spettri di riflettanza di Acqua, Vegetazione e terreno
Sappiamo che la fonte di infrarossi per eccellenza è il sole, infatti in assenza di questo le fotografie risultano difficoltose o del tutto impossibili, ma c’è un aspetto della radiazione infrarossa che di primo impatto può sembrare sbalorditivo, anche in assenza di luce una fonte di calore può essere fotografata (fig.4).
(fig.4) Fornello da cucina spento fotografato al buio
Ciò non significa che stiamo riprendendo in modalità termica, ma semplicemente che l’emissione IR della fonte in uno spettro dai 700 ai 1000 nm è stata catturata dalla ns fotocamera.
Nella porzione delle onde EM chiamata Near IR non ci sono particolari limitazioni per quanto concerne le ottiche da utilizzare, normalmente le comuni ottiche risultano trasparenti a questa radiazione. Un impedimento alla ripresa è sicuramente il filtro Low Pass che si trova sopra al sensore (CCD) questo è un filtro IR CUT (fig.5) che viene applicato per migliorare la qualità finale delle fotografie/riprese escludendo le frequenze IR, questo filtro deve essere rimosso.
(fig.5) Filtro Low Pass su sensore CCD
L’operazione di rimozione del filtro Low Pass non è molto complessa, ma va fatta con una certa accuratezza e precisione visto che operiamo praticamente a sensore scoperto, una banale svista potrebbe danneggiare irreparabilmente il sensore.
Tutta l’operazione di rimozione con i passaggi dettagliati è reperibile su internet (es. http://www.nital.it/experience/digitale-ir7.php).
Successivamente alla rimozione del filtro low pass si può procedere in due direzioni; sostituzione del filtro low pass con un filtro specifico per l’IR o l’utilizzo di un filtro montato sull’ottica a vite o con apposito portafiltri e di conseguenza la sostituzione del filtro low pass con un vetrino neutro per evitare il “fuori fuoco” comunque una volta rimosso il filtro e preparata la fotocamera per la ripresa IR è importante regolare la messa a fuoco sull’IR con le apposite viti di tiraggio. Indipendentemente a quale strada si voglia scegliere per la ripresa IR il filtro va comunque scelto e applicato. I filtri per l’IR sono di due tipologie:
Glass Filter (fig.F a destra) i quali si montano avvitandoli sul fronte
Gelatin filter (fig.F a sinistra) i quali richiedono un appropriato portafiltri (filter holder)
(fig. f) Gelatin filter sx, Glass Filer dx
L’altro parametro importante nella scelta del filtro è la lunghezza d’onda (fig.6-7) sulla quale si vuol fare la ripresa e l’equivalenza tra le diverse marche, ad esempio questi sono i maggiori produttori di filtri:
KODAK
HOYA
SCHOTT
COKIN
LEE
(fig.6) Risposta spettrale Filtri Hoya IR
(fig.7) Risposta spettrale Filtri Kodak Wratten IR gel filter
MIDDLE INFRARED
Cosa completamente diversa è la ripresa dai 900 ai 14000 nm, nella fascia MID-IR, porzione questa dedicata alla ripresa termica; la Termografia.
Quanto proposto sin ora in termini di “Hardware” in questa porzione di spettro non è applicabile. Le ottiche risultano opache e i sensori inefficienti.
La ripresa termografica si basa sulla legge di emissione di un “corpo nero”, ossia un corpo con temperatura superiore a 0°K (http://it.wikipedia.org/wiki/Corpo_nero) emette radiazione infrarossa e assorbe interamente tutta la radiazione elettromagnetica incidente (non riflette). Un corpo nero ovviamente non esiste in natura ma solo in un sistema ideale.
A differenza di una pellicola IR o un sensore (differenza marginale) che hanno sensibilità termica tra i 200-500° C una termocamera ha una sensibilità termica che varia tra i -50° e i 2000° C
Le termocamere nascono verso gli anni sessanta con un sistema di raffreddamento spesso all’azoto liquido, il quale permetteva di ridurre il disturbo dovuto al surriscaldamento, erano molto ingombranti e rudimentali. Con l’avvento del microbolometro che non necessita di raffreddamento c’è stata una vera rivoluzione nella termografia, e le applicazioni mobili come visori termici (militari). I Sensori più utilizzati sono InSb, InGaAs, CQP ecc.
Normalmente le applicazioni sono militari (oltre a quelle mediche e di ricerca) e la tecnologia Statunitense, quindi per le termocamere, specie quelle di ultima tecnologia, è vietata l’esportazione dagli Stati Uniti. Per quanto riguarda le ottiche, in questa porzione dello spettro le normali ottiche risultano opache, un minerale che risulta completamente trasparente nel Mid-IR è il Germanio [Ge] (fig.8). Le lenti in Germanio sono ben riconoscibili visto il loro aspetto argenteo, nel quale quasi ci si può specchiare.
(fig.8) Germanio allo stato grezzo
Per quanto riguarda la fotografia l’unica lente mai prodotta per il Deep-Ir (8000nm – 12000nm) è IRTAL II (fig.9) prodotta da Rank Taylor Hobson una lente estremamente rara.
(fig.9) IRTAL II 100mm f/1,0 lente al germanio, Rank Taylor Hobson
FAR INFRARED
Questa porzione di spettro (40 µm – 300 µm) è terra di confine, le tecnologie di ripresa sono sempre associabili al mondo delle termocamere ma i sensori sono tecnologicamente diversi e richiedono un raffreddamento (cryogenic detector) (fig.10)
(Fig. 10) Detector al germanio e sistema criogenico di raffreddamento
La maggior parte degli impieghi in questa area sono astronomici, ricerca scientifica, applicazioni mediche.
Questa porzione di spettro delle onde elettromagnetiche è molto interessante, oltre che per il fatto che ancora è poco esplorata, anche per l’attenuarsi del dualismo onda-corpuscolo della luce, infatti l’aspetto corpuscolare tenderà verso i Thz a svanire è la luce si comporterà più come un’onda fino a sparire completamente arrivati alla soglia dei Ghz. Altro aspetto interessante della porzione Far-IR è la sovrapposizione parziale con quella che viene chiamata “Sub-mm” dai 100µm ai 1000µm (300GHz - 3THz) o più semplicemente Terahertz.
(fig.11) Apparato rice-trasmettitore Thz
Gli sviluppi in questa area sono prettamente medici e di sicurezza (antiterrorismo, sicurezza aeroportuale). Gli apparati dedicati alla ripresa (fig.11) in questa porzione di onde elettromagnetiche sono al giorno d’oggi ancora in fase sperimentale, quello che possiamo dire sui detectors dedicati alla ripresa sono molto più simili agli apparati radiografici (x-ray) che ha una ripresa tradizionale, ossia hanno un generatore e un ricettore, le lenti del ricettore non sono per nulla simili a delle lenti convenzionali, ma bensì sono in teflon e il sensore interno è uno iono-silicio su zaffiro.
Ovviamente i costi di questi apparati sono altissimi.
VISORI NOTTURNI E NIGHTSHOT
Altri sistemi di visione/ripresa sono gli intensificatori di luce o Visori Notturni che comunemente vengono confusi con i sistemi “NightShot” che da alcuni anni sono presenti nelle comuni telecamere CCD.
Il visore notturno è un intesificatore di luce (fig.A) il quale permette anche in condizioni di buio completo la visione della scena circostante. La luce che viene amplificata può essere naturale (luna, stelle ecc.) o artificiale (faro IR, luce urbana).
Il processo di intensificazione avviene convertendo i fotoni in elettroni i quali sono successivamente moltiplicati da un tubo fotocatodico è in fine inviati contro uno schermo (fosforo) il quali li riconverte in fotoni e quindi visibili all’occhio umano. I visori notturni vengono classificati con una scala che parte dalla “Generazione 0” fino alle ultime tecnologie prettamente militari che vengono classificate con “Generazione 4”.
(fig.A) Visore Notturno con i classici colori verdi dello schermo al fosforo
Questo processo non ha nulla a che vedere con quello che viene comunemente chiamato “Sistema Nightshot” (fig.B).
(fig.B) Visione notturna con il sistema NightShot
Il sistema Nightshot introdotto nelle telecamere di consumo dalla Sony alcuni anni fa, è a tutti gli effetti una visione IR nella porzione Near IR. Il sistema prevede il sollevamento del filtro low pass e l’accensione di led a seconda delle telecamere e dei modelli il led può essere normale (e si nota dal fatto che la luce si vede anche noi) o infrarosso.
©2009 Massimiliano Gasbarrra
Castello Ruspoli