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         I sistemi di osservazione con telecamera – Realizzazione pratica

Queste pagine illustrano come realizzare un sistema di osservazione, sono un argomento monografico riportato come sunto.

Un sistema di osservazione è realizzato da  alcuni componenti  base.

Questi devono venir scelti e progettati secondo l’oggetto che si deve inquadrare, cosa si vuole vedere e in che modo.

La possibilità di utilizzare dei componenti modulari, è un grande vantaggio, perché una volta scelti in funzione del tipo di
osservazione possono venir assemblati facilmente.

I sistemi  più comuni sono  quelli che servono  per il controllo di oggetti sul piano e vicini.  In questo caso il sistema và
progettato in funzione della dimensione dell’oggetto che deve essere riprodotto.

Indicativamente abbiamo :

oggetti inferiori a 2mm, area ripresa 2 x1,5

oggetti inferiori a 10 mm area ripresa 10 x  7,5

oggetti superiori ai 10 mm

Gli altri sistemi servono per : osservare entro cavità, in zone inaccessibili,

oggetti distanti e in mancanza di luce

Osservazioni di un area  inferiore a 1,5 X 2  mm. Questa è la classica osservazione di campioni microscopici, in relazione
 del soggetto può essere per trasparenza che per  riflessione.

I risultati migliori e meno costosi si ottengono utilizzando la struttura  e gli obiettivi di un microscopio, oppure un microscopio
completo al quale viene applicata una telecamera. I limiti di questa osservazione dipendono solo dagli obiettivi, dal modo di
 illuminare il campione e sono gli stessi del microscopio ottico. Rimandiamo il lettore ai testi di microscopia.

Nei microscopi  la distanza fra l’obiettivo e il campione diminuisce quando aumentano gli ingrandimenti fino ad essere di
 pochi mm per i modelli usati in metallurgia e pochi decimi di mm  per i  biologici.

Ricordiamo che i microscopi per metallurgia lavorano per riflessione e differiscono principalmente da quelli per biologia
dal modo di come illuminare il campione.

Questi dati qualificano  la complessità dell’apparato di illuminazione che caratterizza questi strumenti e fanno capire
 perché e conveniente usarli.

Dobbiamo comunque tener presente  che è possibile fare osservazioni in riflessione con microscopi per biologia e
viceversa fare osservazioni per trasparenza con microscopi per metallurgia, basta  agire sul sistema o sul modo di illuminare.

In altri casi dove non si voglia usare la struttura di un microscopio, come nel caso di esami di particolari posti su grandi
superfici, è sempre conveniente usare obiettivi nati per  microscopia. Una soluzione è  di usare  quelli a bassi ingrandimenti
 da 3 X a 12 X  applicati direttamente alla telecamera o anche con tubi di prolunga.

La tabella sottostante evidenzia alcune possibili combinazioni. 

                lunghezza tubo  area riprodotta mm     distanza di lavoro  mm

 3, 7 X       diretto

 3,7  X       40  mm

  8    X       diretto                    4  x 3                           30

  8    X       40  mm                  2  x 1,5                        10  

12    X       diretto

12    X       40  mm

Con questi ingrandimenti è difficile realizzare degli obiettivi che permettono di lavorare a distanze maggiori.

La struttura meccanica può essere realizzata in diversi modi, bisogna comunque tenere presente che lavorando a
forti ingrandimenti occorre sempre  una regolazione della messa a fuoco fine.

 A tale riguardo si possono usare i carrelli porta condensatori dei microscopi oppure delle basi magnetiche con regolazione
fine usate in meccanica per reggere i comparatori o i supporti per ingranditori. Un ulteriore possibilità è quella di utilizzare
una coppia di prolunghe filettate da 40 mm in modo che la messa a fuoco avvenga avvitando una dentro  l’altra le  prolunghe.

Come applicare la telecamera al microscopio.  Sono possibili diversi modi, prima dobbiamo fare delle considerazioni.
 Nella maggior parte degli  strumenti ottici dotati di oculare il segnale  ottico si propaga lungo un cammino di lunghezza
 ben definita dove alla fine si focalizza sulla lente anteriore dell’oculare stesso.  Teoricamente il sensore della telecamera
 deve essere posizionato in quel punto per lasciare intatta la funzionalità dello strumento.  Non sempre è possibile inserire la telecamera nel tubo portaoculare, in pratica il sensore si posiziona a 3 – 5 cm  da quel punto.  Ne risulta  che la messa a fuoco dell’obbiettivo è diversa e deve essere corretta, non corrisponde poi se gli obiettivi sono intercambiabili e infine l’area riprodotta
 sul monitor appare più ingrandita rispetto a ciò che si vede ad occhio nudo nell’oculare.

Questo è quanto succede se applichiamo la telecamera al microscopio nel modo  più semplice ed intuitivo, che è quella di
sostituirla all’oculare.

Altre possibilità sono quelle  di togliere il sistema prismatico da dove parte il tubo porta oculare e applicare la telecamera
su di una prolunga, oppure tagliare il tubo porta oculare e tramite un anello applicare o la telecamera o l’oculare.

In biologia per il solo fatto che i campioni sono colorati è consigliabile usare una telecamera a colori mentre per la metallurgia
possono andare bene anche quelle monocromatiche.

Nel caso di microscopi dotati di attacco per telecamera  bisogna trovare il punto esatto dove, una volta cambiato l’obiettivo,
non occorra rimettere nuovamente a fuoco. Inoltre con questi microscopi si deve conoscere la dimensione del sensore utilizzato
dalla telecamera consigliata dalla casa costruttrice così, nel caso si utilizzasse un sensore con dimensione diversa, da sapere
come viene modificato il fattore di ingrandimento.

Ricordiamo che è possibile utilizzare una telecamera dedicata cioè apposita per essere applicata al microscopio.
Queste telecamere sostituiscono l’oculare e sono progettate per essere a fuoco sul piano della prima lente dell’oculare.
Il costo è superiore ma i risultati migliori.

Osservazione di una area  10 x 7,5 mm.  E’ il genere di osservazione più diffusa perché utilizzata in campo industriale.
  Non è un tipo di osservazione critica,  dove i problemi più importanti sono quelli della distanza tra obiettivo ed oggetto
 che deve essere tale da permettere di lavorare  se necessario con un utensile e della dimensione dello sbalzo della
meccanica per operare su ampie superfici.

Nell’industria  attualmente si usa una lente calibrata chiamata retino che riproduce ingrandita una superficie  pari
 a 1 cmq, questo permette nel campo tessile di contare la trama dei filati, o nel settore tipografico di osservare i
punti dei colori sulle stampe

Lo stesso metodo di osservazione con telecamera ( osservazione a retino ) corrisponde alla ripresa  fissa di una  area
 di 10 x 7,5 mm.    Come un normale retino ottico, la telecamera viene appoggiata su di una base trasparente che ha il
compito di far passare la luce e l’oggetto piano è posto sotto la base.  Modelli più sofisticati possono disporre di una messa
a fuoco e di illuminazione.  Con obiettivi comuni la distanza fra lente frontale e  il piano è dell’ordine dei 3 – 5 cm, 
questa distanza   non  è però sufficiente per lavorare con utensili.    Per avere distanze di lavoro maggiori occorrono
obiettivi particolari.

Si possono usare dei semplici supporti  fissi, qualora la messa a fuoco viene fatta agendo sull’obiettivo, oppure
dotati di una regolazione continua nel caso di obiettivi fissi.

Quando si vuole utilizzare un microscopio  si può  applicare una telecamera  con una sua ottica specifica sul tubo porta
oculare in modo da poter avvantaggiarsi della meccanica del microscopio.  Oppure si può fissare la telecamera con
delle staffe sulla parte mobile della meccanica.      Nel caso si decidesse di usare unicamente la struttura meccanica basta
fissare anche con staffe la telecamera con obiettivo sul braccio a sbalzo.

Anche  il  microscopio stereoscopio permette di utilizzare la  stessa meccanica applicando con una staffa e un semplice
 braccetto  la telecamera con ottica in modo di ottenere il medesimo campo o ingrandimento. Con questo sistema l
’operatore potrà prima osservare con la  telecamera e in seguito per una verifica più dettagliata passare al controllo ottico.
Non è consigliabile inserire una telecamera al posto dell’oculare di uno stereoscopio perché l’immagine osservata
sul monitor apparirebbe troppo ingrandita e nella maggior parte dei casi poco utile.

Osservazione di oggetti  superiori a 10 mm.   Normalmente si tratta di oggetti posizionati a distanze maggiori di 20 cm.
 Un applicazione classica è costituita dagli apparecchi per ipovedenti oppure sistemi di ispezione e controllo. Parte delle
 considerazioni fatte nei precedenti paragrafi sono valide in questa situazione. Gli obiettivi con zoom  a passo C con opzione
 macro sono quelli che si prestano meglio, anche se più costosi.  La meccanica può essere fissa  dove per una perfetta
osservazione si deve agire sulla messa a fuoco dell’obbiettivo, è anche consigliabile usare dei supporti simili a quelli nati per ingranditori

Osservazione di oggetti distanti.   I limiti sono quelli imposti dal fattore illuminazione e dal tipo di obiettivo usato  che può
 essere un teleobiettivo, o anche  un cannocchiale o un telescopio.  In questi due casi è consigliabile eliminare l’oculare e
adattare la telecamera. Non ci dovrebbero essere problemi di messa a fuoco, vale sempre la regola che se si allontana la
telecamera si avvicina il punto di lavoro. Un ottimo risultato si ottiene usando obiettivi tipo MTO 1000 o 500, con adattatore
per passo C.

E’ possibile vedere una moneta posta a 100  oppure a 1.000 metri, una mosca a 10 metri o il campanile di una chiesa
 distante 10 km. 

La meccanica deve essere particolarmente robusta e stabile in quanto un lieve spostamento determina l’uscita
di campo di quanto osservato.

In astronomia possono essere utilizzate delle buone telecamere  monocromatiche a condizione che siano molto sensibili,
bisogna però dotarsi di un buon diaframma perché le  osservazioni di corpi celesti molto luminosi come la luna  tendono
 a saturare la telecamera, mentre i pianeti di Giove e gli anelli di Saturno vengono osservati senza problemi

Osservazioni dentro cavità.    In questi casi si tratta di vedere se è possibile entrare direttamente con una telecamera dove
 fare la ripresa oppure estrarre l’immagine e trasferirla alla telecamera. Con i moduli per telecamera reperibili in commercio è possibile entrare in tubi con diametro interno  di 30 mm, poi alcuni moduli ancora più piccoli possono  entrare anche in tubi di
 16 mm anche se con delle limitazioni.  Bisogna tenere presente che la telecamera ha una osservazione frontale e se si deve
 osservare sui lati occorre farla basculare.  Il fattore illuminazione è importante, si può utilizzare alcuni led a luce blu o bianca
  ad alta luminosità o delle fibre ottiche. I led blu offrono un miglior rendimento dei bianchi. Qualora si trattasse di osservazioni
 in pozzi o camini la fonte di illuminazione può essere anche una lampada fatta scendere con la telecamera.

L’obiettivo da utilizzare deve permettere una messa a fuoco da pochi centimetri a qualche metro per poter valutare bene
 quanto inquadrato. Un obiettivo a fuoco fisso è troppo limitativo. Per migliorare la profondità di campo si può agire sul
diaframma aumentando l’illuminazione.

L’avanzamento della telecamera nel tubo o condotto può avvenire per spinta meccanica, conviene assicurare la telecamera
a una molla di acciaio dove nell’interno corrono i fili della alimentazione e i comandi per il basculamento della telecamera.
 Con un sistema ben congegnato è possibile ispezionare condotti con diametro minimo di 3 – 4 cm  lunghi fino a 100 metri

Per osservare in cavità o tubi con diametri piccoli tipo la canna di un fucile o l’interno di un cilindro di un motore  occorre
per forza di cose estrarre l’immagine, cosa possibile utilizzando delle fibre ottiche coerenti flessibili o dei sistemi di lenti o
 specchi dove l’immagine rimbalza da un punto all’altro fino ad arrivare alla telecamera. La scelta dei due sistemi dipende
 dal costo e dalla specifica applicazione.

Il sistema migliore anche se più costoso è l’utilizzo delle fibre ottiche o delle guide di immagine che possono essere viste
come dei cilindri con le due facce lavorate otticamente e dove l’immagine captata dalla prima faccia viene trasferita sulla
 faccia vicina al sensore della telecamera

Osservazioni in mancanza di luce. Occorre dotarsi di telecamere sensibili all’infrarosso con obiettivi molto luminosi
 e di relativi illuminatori.  Il problema è della distanza che si vuole riprendere l’oggetto che per forza di cose deve poter
 emettere una radiazione infrarossa.

Osservazioni in ambienti ostili. Per evitare che vengano fatti passare fili che trasportano l’energia elettrica, valgono le
 medesime considerazioni valide per estrarre l’immagine o con fibre ottiche o sistemi di specchi o lenti.

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