VISIONE I.R. e u.v.

di Jerry Ercolini

Come accennato nella pagina della METODOLOGIA, il 45°GRU incentra il suo operato sulla visione notturna all'infrarosso. Vediamone meglio i contenuti.

Agli estremi dello spettro cromatico ci sono due colori, il violetto e il rosso, oltre i quali la sensibilità dell'occhio umano si annulla. Nel 1800 il fisico William Herschel mise un termometro a mercurio nello spettro prodotto da un prisma di vetro, misurando così il calore delle differenti bande di luce colorate. Notò che la temperatura segnata dal termometro continuava a salire anche dopo essersi mosso oltre il limite rosso dello spettro, dove non c'era più luce visibile. Dimostrò come il calore poteva trasmettersi grazie ad una forma di luce invisibile, che fu denominata infrarossa. 

Lo spettro cromatico

La sensibilità dell'occhio umano

    

In natura la luce rossa, l'infrarossa e il calore sono legati fra loro perchè ogni corpo vivente emette un quantitativo di radiazioni di questo tipo, concentrato soprattutto nel medio infrarosso; in campo scientifico si incominciò già dalla Seconda Guerra Mondiale a lavorare su questa gamma per poter  fotografare con aerei da ricognizione i mezzi militari nemici nascosti o per fronteggiare le infiltrazioni dei giapponesi durante le battaglie nel Pacifico. Oggi si usano pellicole fotografiche per telefotografia e in meteorologia soprattutto perchè offrono particolari nitidi e dettagliati anche in presenza di foschia o fitta nebbia.

SUDDIVISIONE DELL'INFRAROSSO

infrarosso vicino (NIR, 0,7-5 µm)

infrarosso medio (MIR o intermedio-IR, 5-30 µm)

infrarosso lontano (FIR, 30-1000 µm)

 

 

Le pellicole fotografiche che si trovano in commercio devono essere impiegate in particolari condizioni, devono essere caricate/scaricate su fotocamere reflex in oscurità totale e per usarle al meglio occorrono particolari filtri I.R. scuri (rossi o neri) i quali lavorano su una specifica lunghezza d'onda (da 580nm a 1050nm)che eliminano le altre radiazioni visibili e lasciano passare solo quelle infrarosse. 

Filtri I.R.:

HOYA	B & W	SCOTT	WRATTEN	Frequenza di lavoro in nm
25A	90	OG 590	25	580nm-600nm   rosso
	91	RG 630	29	600nm-620nm   rosso
		RG 665	70	640nm-680nm   rosso
R 72	92	RG 695	89B	680nm-720nm   "nero"
		RG 780	87	740nm-795nm   "elimina tutto"
	93	RG 830	87C	790nm-850nm   "nero"
		RG 850	87B	820nm
RM 90	94	RG 1000	87A	880nm-1050nm

I formati di pellicola commercializzati sono in bianco/nero mentre alcuni anni fa si trovavano anche a colori, che però davano una qualità di colori molto insolita con grande efficacia grafica. Si ricorre quindi a pellicole infrared bianco/nero per evidenziare determinati particolari, mentre per ottenere immagini infrared a colori oggi con la tecnologia al computer si creano dei "falsi" colori da assegnare a determinate aree più o meno calde, si parla così di termografia.

 

Resa delle pellicole pancromatiche bianco/nero

 

Resa delle pellicole all'infrarosso bianco/nero

 

Partendo dal presupposto che la maggiore quantità di infrarosso viene emanata durante la notte, per ottenere determinate fotografie la pellicola infrarossa ha bisogno di tempi di esposizione lunghi in quanto deve impressionare al meglio eventuali fonti di luce infrarossa o oggetti che emanano solo questo tipo di  radiazioni ad una certa temperatura, mentre il panorama rimane buio perchè si trova a una temperatura più inferiore (si parla di infrarosso passivo), altrimenti bisognerà illuminarlo con una luce infrarossa addizionale (infrarosso attivo); di giorno invece si può sfruttare la radiazione infrarossa presente nella luce solare usando tempi di esposizione veloci.

Allo sviluppo si avranno i seguenti risultati:

- il cielo e le superfici d'acqua appariranno di colore scuro perchè trattengono ogni radiazione infrarossa

- i prati e le foglie degli alberi saranno bianchi dovuto alla clorofilla delle piante che respinge gli infrarossi

- i paesaggi avranno una nitidezza considerevole

- la foschia atmosferica non viene rilevata

Queste pellicole sono molto sensibili alle variazioni termiche soprattutto dopo l'esposizione, quindi sarebbe opportuno mandarle immediatamente allo sviluppo (che consiste in procedure specifiche e tempi lunghi) posizionandole all'interno del proprio contenitore avvolto in una protezione termica, tipo carta stagnola.

Alcuni esempi di fotografia all'infrarosso(da satellite):

           (clicca sulle foto per ingrandire)

Inoltre bisogna tener conto che non tutto lo spettro infrarosso è utilizzabile, dovuto all'assorbimento di tali radiazioni da parte dei gas atmosferici: l'anidride carbonica assorbe infrarosso attorno ai 4000nm, 10000nm e oltre i 14000nm, mentre il vapore acqueo presente nell'aria attorno ai 1500nm. In questo modo l'infrarosso può propagarsi solo attraverso alcune bande spettrali, chiamate "finestre".

Curve d'emissione dei corpi a temperatura ambiente

 

Un'emissione di luce infrarossa la troviamo nei Led infrarossi dei telecomandi tv : premendo un pulsante qualsiasi, emettono luce non visibile all'occhio umano, ma vengono immortalati dalle pellicole infrarosse. Qui sotto un esempio: 

   clicca sulla foto

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L'evoluzione della tecnologia per visione all'infrarosso ha portato in campo militare e successivamente in campo civile, al concepimento di particolari visori notturni. I primi modelli erano molto complessi, presentavano un certo ingombro e avevano un peso elevato; col passare degli anni la tecnologia si è migliorata al punto di creare visori notturni di dimensioni molto ridotte, capaci di essere usati anche con una sola mano o addirittura indossati come un paio di occhiali per operazioni d'incursione speciali. Vediamo con ordine l'evoluzione di questi speciali visori e il loro funzionamento.

I visori notturni vengono chiamati "tubi intensificatori di luce" perchè richiedono un minimo di luce per il loro funzionamento. Al buio totale, non è possibile vedere utilizzando solo il visore, quindi si possono utilizzare degli illuminatori a raggi infrarossi  che non sono visibili all'occhio umano, ma ideali per i visori perchè fungono da fonti d'illuminazione (infrarosso attivo) con una lente che proietta la luce infrarossa a circa 100 mt di distanza nel buio totale. I tubi intensificatori raccolgono tutta la luce infrarossa disponibile che viene riflessa dall'ambiente circostante e la riconvertono in energia elettrica attraverso un fotocatodo; successivamente l'immagine viene ricreata in un piccolo monitor al fosforo posto all'interno del visore, ma con un'intensità maggiore e tramite l'oculare l'operatore potrà variarne la messa a fuoco. L'immagine che si osserva nell'oculare è di colore verde perchè ha una luminosità più intensa rispetto al rosso e viene percepita in modo migliore dall'occhio umano, mentre le piante e  gli esseri viventi presenteranno delle tonalità più intense, tendenti al bianco. Tutti i tubi ad intensificazione, con il tempo tendono ad esaurire la loro capacità in base all'utilizzo che ne viene fatto (viene calcolato in ore di lavoro dell'apparato). I visori si suddividono in GENERAZIONI, termine usato per distinguere il tipo di tecnologia usata per la loro costruzione.

GENERAZIONE 0: presentano all'interno un fotocatodo con massima risposta nella zona blu/verde ed usano un'inversione elettrostatica con accelerazione ad elettroni per ottenere un certo guadagno visivo. Sono caratterizzati da forti distorsioni dell'immagine e necessitano di un'illuminazione infrared supplementare esterna.

GENERAZIONE 1: sono strutturati su un intensificatore costituito da un tubo suddiviso in più livelli in cui gli elettroni della luce raccolta vengono accelerati, amplificandola migliaia di volte fornendo così un ottimo guadagno sull'immagine. Anche questa generazione presenta alcuni problemi come la distorsione geometrica delle immagini (l'immagine è lievemente indistinta lungo gli orli), l'effetto "strisciata" quando il visore viene mosso e lo schermo visivo rimane acceso per alcuni minuti dopo che il visore è stato spento.

GENERAZIONE 2: sfruttano un fotocatodo piatto a microcanali (PMC) costituito da micro tubi e situato direttamente dietro il tubo fotocatodico per un miglior guadagno; presentano sia l'inversione elettrostatica che quella a fibra ottica. Presentano minime distorsioni. Un tempo utilizzata principalmente dalle Forze dell'Ordine o per applicazioni professionali ora è commercializzata anche nel settore civile. Superiore alla Generazione 1 sia in amplificazione che in definizione d'immagini.

GENERAZIONE 3: presentano un fotocatodo in arsenuro di gallio, con un disco a microcanali per raccogliere più luce ed aumentarne la risoluzione. Offrono pochissima distorsione e una resa eccellente in fatto di definizione che di durata nel tempo.

GENERAZIONE 4: concepiti nell'ultimo decennio, sfruttano una nuova tecnologia basata su tubi a "filmless" controllato. Presentano un miglioramento nella risposta del tubo fotocatodico del 100%, migliore rapporto segnale rumore, incremento di tre volte della luminosità e della risoluzione. Tuttora questi tubi intensificatori sono ancora in fase di studio e miglioramento.

I visori notturni di GENERAZIONE 3 e 4 sono solo ad uso militare o per Forze dell'Ordine.

I visori notturni presentano una certa portata che può essere influenzata da vari fattori:

- il "raggio di riconoscimento" in cui il visore notturno permette di individuare un obiettivo riuscendo a capire di cosa si tratta

- il "raggio di rilevazione" nel quale chi osserva con il visore è in grado di individuare solo qualche cosa che si muove, senza avere una immagine nitida 

- le condizioni di luce presenti: ci si può trovare ad operare in una notte di luna piena, con il cielo stellato o nuvoloso, con foschia o fitta nebbia. La tabella che segue mostra la portata generica dei vari visori notturni in base alla generazione del visore, alle condizioni di luce e all'obiettivo che vogliamo vedere.

TIPO DI VISORE	luna piena	cielo stellato	nuvoloso	foschia/nebbia
GENERAZIONE 0	Fino a 297mt	Fino a 137mt	Fino a 64mt	Fino a 40mt
GENERAZIONE 1	Fino a    685mt	Fino a 275mt	Fino a 140mt	Fino a 75mt
GENERAZIONE 2	Fino a 920mt	Fino a 500mt	Fino a 275mt	Fino a 150mt
GENERAZIONE 3	Fino a 1150mt	Fino a 740mt	Fino a 500mt	Fino a 295mt
GENERAZIONE 4	Fino a 1300mt	Fino a 870mt	Fino a 595mt	Fino a 400mt

I visori notturni possono essere collegati ad una fotocamera reflex tramite un anello T2 con ghiera al corpo macchina, realizzando così fotografie all'infrarosso su pellicola a colori (l'immagine risulterà come la si vede tramite l'oculare); si possono ottenere fotografie particolari se si utilizza il visore con reflex caricata con pellicola infrared: in questo caso i tempi di esposizione si possono gestire a piacere perchè la quantità di luce che fornisce il visore alla pellicola è tale che basta meno di 1sec.per impressionarla, mentre si possono usare tempi più lunghi d'esposizione per esempio in astrofotografia o ricerche particolari.

Esempio di foto scattata con visore notturno su pellicola a colori e alcuni modelli di visori:

 

La stessa tecnologia viene usata per la costruzioni di particolari telecamere all'infrarosso, usate sia in campo militare che in quello civile per ottenere particolari filmati con definizione maggiore. 

 

La tecnologia infrared viene oggi ampiamente usata nella trasmissione dati fra apparati elettronici (computers, televisori, lettori dvd...) e soprattutto nelle fotocamere digitali, costituite da un sensore CCD che è un chip su cui l’immagine è catturata in analogico e convertita in digitale ed è diviso in piccole aree dette pixel, ognuna delle quali registra l’informazione di colore arrivando a grandi risoluzioni come 8Mpixel (il massimo è 14Mpixel). Il numero totale di pixel si ottiene dal prodotto della risoluzione verticale per la risoluzione orizzontale. Caratteristica importante per i CCD è la grandezza dei singoli pixel che influisce sulla capacità di catturare luce: i pixel più grandi hanno una resa maggiore dei sensori piccoli. I pixel sono monocromatici, nel senso che sono costruiti e verniciati singolarmente per catturare la luce solo per il colore interessato. 

I sensori CCD delle fotocamere digitali sono anche sensibili all'infrarosso: posizionando davanti all'obiettivo il telecomando di un televisore e premendo un pulsante, si può osservare la luce infrarossa emessa dal led del telecomando stesso che ovviamente non è visibile ad occhio nudo (la resa fra pellicola infrarossa e il digitale è ben diversa).

Clicca sulle seguenti immagini

                              

Sopra al sensore è installato un filtro al niobato di litio (di colore verde/azzurro) il quale, oltre a proteggere il sensore dalla polvere, "taglia" buona parte della lunghezza infrarossa. Per sfruttare al meglio la fotocamera occorre quindi togliere il filtro al niobato di litio ed applicare davanti all'obiettivo un classico filtro I.R. scuro: in questo modo si possono ottenere ottimi risultati spingendo il CCD attorno ai 1050nm. 

                       

Boara Pisani (PD): foto digitale I.R. a colori e in bianco/nero

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Un ulteriore sviluppo nel campo dell'infrarosso è la termografia. Con questo termine si intende l'utilizzo di particolari telecamere in grado di rilevare le variazioni di temperatura dei corpi viventi o di macchine che producono tali radiazioni infrarosse. Utilizzano un sistema di "falsi colori" che vengono attribuiti alle variazioni di temperatura ed operano solo sulla gamma dell'infrarosso medio e lontano. Le più piccole variazioni di temperatura anche di 0,1 °C vengono rilevate e convertite in segnali elettrici, fornendo immagini nitide di obiettivi distanti anche molti chilometri. Le termocamere devono essere continuamente raffreddate per ottenere una visualizzazione ottimale e quindi possono sfruttare tecnologie di raffreddamento tipo Joule Thompson con grandi serbatoi a gas oppure, il sistema a celle Peltier o micro-refrigeratori, limitando così notevolmente le dimensioni e il peso. Diversamente dai visori notturni, le termocamere non sono concepite come tubi ad intensificazione che con il tempo esauriscono le loro caratteristiche, ma sfruttano una tecnologia più complessa e superiore, con costi elevati!

Esempio di fototografia termografica satellitare con "falsi colori":

(clicca sulla foto per ingrandire)

 

Una relazione in formato pdf di alcuni test sull'infrarosso è scaricabile alla sezione FILES.

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Oltre ad usare la tecnologia all'infrarosso, il 45°GRU opera anche sulla gamma dell'ultravioletto. Come accennato nelle prime pagine di questo sito web, nel 1966 l'investigatore di casi ufologici Jhon Keel propose una teoria secondo la quale questi strani oggetti non identificati si sposterebbero ad elevata velocità lungo lo spettro del visibile, passando dall'ultravioletto all'infrarosso. Partendo da questa teoria e non essendoci in commercio (almeno in campo civile) pellicole adatte per l'ultravioletto, il 45°GRU periodicamente sperimenta tecniche fotografiche usando filtri U.V., pellicole a colori molto sensibili e particolari fonti d'illuminazione. E proprio quest'ultimo argomento approfondiremo ora: la luce U.V. o comunemente chiamata "luce nera".

La "luce nera" appartiene alla gamma degli ultravioletti cosiddetti "molli" ed ha la capacità di eccitare le fluorescenze che si trovano sulle materie organiche, ottenendo come risultato un'emissione di luce da parte di questi corpi (viene risaltato soprattutto il colore bianco). La lampada a luce nera fu inventata dal fisico Robert Williams Wood e successivamente migliorata per l'applicazione in altri campi, fra cui l'investigazione scientifica da parte delle Forze dell'Ordine. Le lampade di Wood sono costituite da un vetro oscurato che lascia filtrare solo gli ultravioletti e si suddividono in:

MINITUBO DI WOOD: ha una forma a tubo, viene alimentato a 220volt, presenta una potenza di 6Watt e può essere usato in ambienti chiusi o per analisi microscopiche.

TUBO FLUORESCENTE DI WOOD: presenta il medesimo funzionamento, solo che necessita di uno starter per ottenere una sovratensione idonea all'accensione del tubo data dal riscaldamento degli elettrodi contenuti.

In commercio questi si trovano questi tubi contenenti vapori di mercurio che necessitano di particolare attenzione sia all'accensione che allo spegnimento (la riaccensione avviene solo se la lampada è totalmente fredda). In elettronica vengono usati nei bromografi per attivare la reazione chimica del photoresist per realizzare circuiti stampati; nel campo dell'investigazione scientifica vengono usati per evidenziare particolari tracce o impronte digitali. Alcuni fotografi professionisti li usano per particolari fotografie, soprattutto nello sviluppo a mano per imprimere la carta fotografica (usano tubi U.V. che emettono 350nm) ottenendo particolari effetti. La seguente tabella riporta la suddivisione degli U.V. e i relativi effetti.

SPECIFICHE DEI RAGGI ULTRAVIOLETTI E LORO EFFETTI

U.V.- A= 320/400nm vengono usati per l'abbronzatura;  usati nei bromografi per attivare la reazione chimica del photoresist per realizzare circuiti stampati; possono ustionare ma hanno bassi effetti carcinogenetici.

U.V.- B= 290/320nm si trovano nella luce del sole, hanno effetti carcinogenetici; attivano la vitamina D.

U.V.- C= 200/290nm  usati per la cancellazione delle EPROM e dei microchip finestrati; danneggiano il DNA dell'epidermide. Rari nella radiazione solare che ci arriva.

Schema del tubo a fluorescenza di Wood:

(clicca sulla foto per ingrandire)

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Galleria foto all'infrarosso:

Foto a colori con visore infrarosso applicato alla fotocamera reflex NIKON F65, pellicola AGFA 100ISO. Le foto sono state realizzate in un campo di grano a Ramodipalo di Lendinara (RO) alle ore 02.15, durante alcune prove di trasmissione segnali radio VLF via LASER. Crisna e Rodolfo illuminano parte del campo con una comune torcia elettrica, mentre sostengono il ricevitore LASER posizionato in direzione dell'obiettivo fotografico. Nello sfondo si può notare attentamente la presenza delle chiome delle piante e alcuni tralicci elettrici. La foto 1 presenta due anelli concentrici, dovuti al riflesso delle fonti di luce sulle lenti del visore ed a un tempo di scatto pari a 1/2se.; la foto 2 presenta i riflessi di luce più attenuati, dovuto a un tempo di scatto di 1/8sec. ottenendo così più definizione nella parte fortemente illuminata ma una riduzione dell'immagine di fondo campo.

clicca sulle foto

                         

      Foto 1                                            Foto 2

Disattivando l'illuminatore infrarosso, il visore si comporta come un fotomoltiplicatore di luce, mettendo in evidenza solo la forte luce del LASER.

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Foto bianco/nero infrarosso dei Colli Euganei (PD) eseguita dall'argine del fiume Adige in zona Campomarzo di Lendinara (RO): lo scatto è stato eseguito con fotocamera NIKON F4, zoom 28/80, pellicola Kodak Hig Speed Infrared, filtro nero R72 HOYA, tempo di scatto 1/500sec. f 5,6. La mattinata si presentava fortemente illuminata e a tratti nuvolosa in direzione nord...si può notare anche un piccolo volatile di passaggio davanti all'obiettivo.

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Foto bianco/nero infrarosso ottenuta con fotocamera OLYMPUS SP-500UZ, filtro rosso 25A HOYA, tempo di scatto 6sec. f 3.6, con illuminazione flash: notare l'insetto!

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Per immortalare un insetto o un oggetto che si muove ad una certa velocità, di solito si usano tempi di scatto veloci (1/250sec.-1/500sec.-1/1000sec....), ma in questo caso l'insetto è comparso in una posa di ben 6sec.: il tempo d'illuminazione del flash è circa 1/125sec., abbastanza da illuminare l'insetto apparso in quel preciso istante, immortalandolo sulla posa che è proseguita successivamente fino allo scadere dei 6sec. 

Trasmissioni video all'infrarosso via onde radio a 1.2Ghz:

clicca video infrarosso 1.2Ghz

Il video è stato ottenuto applicando una minitelecamera i.r. al visore notturno e il segnale viene trasmesso via onde radio a 1.2Ghz ad un ricevitore posto ad una certa distanza; il ricevitore presenta una sintonia continua per la ricerca di più canali di trasmissione: operando su questa funzione, siamo riusciti ad ottenere un effetto più marcato delle fonti di calore emesse da corpi più incandescenti (tipo le lampade a fluorescenza) rispetto al calore emesso dal corpo umano. L'effetto è dovuto alla piccola variazione di frequenza sul segnale di trasmissione.

 

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