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Titolo : Impariamo a ridurre le plastiche in mare

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Principi di ottica subacquea: Dall’analogico al digitale – parte III di Andrea Mucedola

Reading Time: 6 minutes

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livello medio
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ARGOMENTO: OCEANOGRAFIA
PERIODO: XXI SECOLO

AREA: FOTOGRAFIA
parole chiave: ottica subacquea

 

Dall’analogico al digitale
A causa dei lentissimi progressi nello studi della fotografia chimica con sviluppo di sali d’argento, si rese necessario negli anni ‘50 uno studio alternativo per fotografare oggetti attraverso fluidi altamente diffondenti come le nebbie, le nubi e le acque. Il problema principale era sempre come mitigare gli effetti della diffusione e dell’assorbimento.

Nel 1961, grazie al completamento del progetto di riconoscimento satellitare WS 116 L dell’USAF, si aprì l’era della fotografia elettronica. Si rese possibile, sfruttando le esperienze fatte in astronomia, di avere lunghezze focali di sei metri ed una risoluzione sulla pellicola di 200 linee per mm. Queste tecniche furono utilizzate in campo oceanografico solo negli anni ‘70, e la marina statunitense, dopo aver sviluppato il progetto LIBEC, decise di continuare parallelamente studi di fotografia digitale. Un primo schema di intensificazione delle immagini usato fu la pre-esposizione. Si trattava di pre-esporre debolmente la pellicola, controllando la sorgente luminosa ed illuminare la scena per pochi millesimi di secondo. In fase di sviluppo, veniva quindi esposta la pellicola a radiazioni nucleari. Questa tecnica fu sviluppata inizialmente in campo miltare con l’intento di effettuare riprese fotografiche di nave e sommergibili affondati.

I sistemi di trattamento del segnale elettronici
Un ulteriore sviluppo fu portato a termine da E. Kurtoff del National Geographic Magazine, utilizzando per primo il sistema CCD (Charge Coupled Device), sviluppato dalla RCA Electro Optics.

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è CCD_charge_transfer_animation.gif

In parole semplici, il CCD (Charge Coupled Device) è un circuito integrato formato da una riga, o da una griglia, di elementi semiconduttori in grado di accumulare una carica elettrica (charge), proporzionale all’intensità della radiazione elettromagnetica che li colpisce. Questi elementi sono accoppiati (coupled) in modo che ognuno di essi, sollecitato da un impulso elettrico, possa trasferire la propria carica ad un altro elemento adiacente. Inviando al dispositivo (device) una sequenza temporizzata di impulsi, si ottiene in uscita un segnale elettrico che ricostrusce la matrice dei pixel che compongono l’immagine proiettata sulla superficie del CCD stesso.

Le immagini possono essere convertite in formato digitale per l’immagazzinamento in file su una memoria. L’uso del CCD fu riportato la prima volta da “ Sea technology” (febbraio 1979) a seguito di spedizioni effettuate al largo delle Galapagos, ad oltre 3000 metri di profondità, su fondali melmosi. 

Nello stesso periodo in cui comparvero i CCD furono realizzati i CMOS. Ormai la maggior parte dell’elettronica moderna utilizza tecnologia CMOS o i semiconduttori a ossido di metallo complementari. I dispositivi CMOS utilizzano transistor NMOS e PMOS, il che conferisce loro eccellenti caratteristiche di commutazione. La costruzione di sensori CMOS consente di incorporare i convertitori analogico – digitale. Ogni pixel in un sensore CMOS ha il proprio amplificatore di lettura e spesso i sensori hanno convertitori A / D per ogni colonna: questo rende possibile leggere l’array in modo estremamente rapido. I transistor situati su ciascun pixel occupano un pò di spazio, con conseguente minore sensibilità e profondità. Esistono vantaggi e svantaggi tra le due tecnologie (CCD vs CMOS) che posso sintetizzare con:

il CCD realizza un’immagine ad alta qualità rispetto al CMOS ma consuma parecchia energia rispetto al CMOS (circa 3 volte di più), è più costoso  e meno complesso.

il CMOS è più suscettibile al rumore rispetto al CCD ma si surriscalda meno e introduce meno rumore dovuto alla temperatura rispetto al CCD

I centri di ricerca delle grandi compagnie hanno continuato a migliorare in parallelo le due tecnologie, lavorando per i CMOS sulla qualità dell’immagine e per i CCD sul contenimento dei consumi. Il risultato è che i due sensori sono in genere equiparabili e utilizzabili senza alcuna differenza su tutte le macchine. Ad esempio le Go Pro utilizzano un sensore CMOS.

Range Gating
Un altro metodo conosciuto per ridurre il backscatter è il Range gating che consente di eliminare il 95% dei disturbi dovuti alla diffusione. Si tratta di un’apparecchiatura impulsiva (ad esempio un laser) che emette un impulso ad alta intensità, che viene riflesso dal bersaglio. Data la grande energia emessa, al fine di non saturare le ottiche (a causa dell’energia riflessa dal backscattering) il ricevitore sincronizzato con la sorgente si spegne per un tempo pari alla durata della larghezza dell’impulso originato dalla sorgente stessa. Considerando che la luce viaggia a circa 0,224 metri al nanosecondo e che la distanza ottica richiesta varia tra i 15 ed i 60 metri, gli impulsi generati sono compresi tra i 65 ed i 265 nanosecondi.

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è ottica-sub-Fig.-2.6.jpg

Assorbimento
L’assorbimento dipende fondamentalmente dalla qualità e dalla concentrazione del particolato. Per contrastare i problemi di assorbimento, si devono utilizzare sorgenti luminose con una penetrazione particolarmente (lunghezze d’onda dai 480 ai 560 nanometri).

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è assorbimento-luce-acqua.png

In passato venivano utilizzate lampade ai vapori di mercurio, che, pur avendo una discreta luminosità, lavorano su lunghezze d’onda tendenti al rosso; per cui, come abbiamo già visto, la loro diffusione era fortemente limitata. Negli anni ‘70, l’Astronautical Research Inc., in seno a delle ricerche per sviluppare lampade con massima propagazione in ambienti “diffondenti” quali acque, nubi e zone nebbiose, realizzò tre nuove sorgenti luminose. Esse possiedono un’efficienza luminosa (Lumen/Watt) due volte maggiore di quella delle lampade ai vapori di mercurio, e ben cinque volte maggiore di quella delle lampade al quarzo. Inoltre, consentono un sostanziale risparmio di energia. Sono provviste di un riflettore e di un equilibratore di tensione, e costituiscono un vero e proprio sistema che permette al subacqueo un’ampia scelta d’illuminazione a seconda delle condizioni ambientali in cui deve operare.

Queste lampade sono:
– Le lampade ai vapori ad alta pressione di sodio (HPSA) che forniscono un’efficienza luminosa di più di 105 Lumen su Watt, con una vista media stimata a diecimila ore. Il suo spettro è caratterizzato da due massimi di diffusione nelle lunghezze d’onda di 570 e 600 nanometri, nella zona verde- giallo. Sono adatte per tutte le applicazioni industriali dove la resa dei colori non è di grande importanza. Hanno un colore che i costruttori definiscono “bianco dorato” ma che tende un pò al giallo arancione con temperatura di colore 2100 K

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– la Lampada al tallio iodide (TI) è una lampada ad arco con vapori di metallo, consistente in un contenitore di quarzo con degli elettrodi posti alle estremità, e dei cristalli di tallio iodide con vapori di mercurio. La luce del TI è nella regione del blu – verde e si avvicina al picco di sensibilità dei tubi televisivi Vidicon. E’ consigliata per applicazioni televisive ed ha una efficienza luminosa minima di 80 Lumen su Watt. La temperatura colore è  tra 4500°K e 6000°K, con un’emissione luminosa di circa 100 lumen/watt, il che le rende anche adatti per l’illuminazione di edifici, parcheggi o campi sportivi.

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– La Lampada al dysplosio iodide (DI). Essa si distingue dalle altre lampade per la ricchezza dei suoi colori; è costituita da un miscuglio di dysprosio iodide, con vapori di mercurio,. Questa lampada, per le sue caratteristiche, si offre per usi fotografici o di osservazione visuale.
Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è ottica-sub-lampada-DI.jpg

Tutte e tre le lampade precedentemente descritte, necessitano, a causa della loro curva caratteristica non lineare (Volt/Ampere) di un dispositivo equilibratore. Nonostante queste sorgenti non abbiano un grande potere riflettente, per le loro caratteristiche, si possono prestare per alcune applicazioni subacquee.

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In particolare, la HSPA per un uso in acque torbide e la TI venivano impiegate con telecamere tipo Vidicon (ormai soppiantate dalle camere CCD e CMOS). Il dysprosio si presta particolarmente per fotografie a colori (con filtri correttivi colorati), ma può essere utilizzato per riprese televisive, essendo un ottimo compromesso tra la HSPA e la TI.

 

foto di copertina Francesco Pacienza
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PAGINA PRINCIPALE
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PARTE I
PARTE II
PARTE III
PARTE IV
PARTE V
PARTE VI

 

Fonti
Tesi specialistica Ottica subacquea e sue applicazioni nella guerra mine, 1985
Underwater Optical Imaging: Status and Prospects di Jules S. Jaffe, Kad D. Moore, John McLean e Michael R Strand
In Water Photography”, Mertens, 1970 
wikipedia

 

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Andrea Mucedola
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