Vedere l'invisibile

È possibile vedere oltre una cortina di fumo e fiamme? O ispezionare il contenuto di pacchi in maniera non invasiva? Esploriamo le regioni dello spettro elettromagnetico che permettono, attraverso tecniche di olografia digitale (Od), di oltrepassare il “visibile”.

“Le radiazioni sono onde elettromagnetiche caratterizzate da una lunghezza d'onda e da una frequenza. Il loro insieme costituisce lo spettro elettromagnetico (em) che è suddiviso in regioni. La regione che sfruttiamo per osservare con i nostri occhi il mondo intorno a noi occupa uno spazio molto ristretto dell'intero spettro em”, spiega Massimiliano Locatelli dell'Istituto nazionale di ottica (Ino) del Cnr. “Muovendosi verso lunghezze d'onda più basse si incontra l'ultravioletto, che permette di visualizzare specifici materiali tramite il fenomeno della fluorescenza indotta, i raggi X, le cui capacità di penetrazione alla base della tecnica radiografica sono note a tutti. E, infine, i raggi gamma, utilizzati in medicina nucleare per la visualizzazione di alcuni processi funzionali all'interno del corpo umano. Andando oltre il rosso e spostandoci verso il limite superiore della regione visibile, ci addentriamo nella regione dell'infrarosso (IR), divisa in ordine crescente di lunghezza d'onda tra Near (NIR), Short Wave (SWIR), Mid Wave (MWIR), Long Wave (LWIR) e Far (FIR)”.

La radiazione a queste lunghezze d'onda ha il pregio di essere non ionizzante, dunque meno pericolosa per la salute, e al tempo stesso ricca di applicazioni nel campo della visione. “Le termocamere, sensibili a queste lunghezze d'onda, permettono di rivelare la radiazione emessa dai vari corpi in ragione della loro temperatura e della loro emissività rendendo così possibile la visione anche nella più completa oscurità”, prosegue il ricercatore. “La possibilità di rivelare la temperatura di un corpo a distanza è di estrema utilità in una situazione di pandemia quale quella attuale e rappresenta una forte spinta alla diffusione di queste tecnologie. Operare in questa regione dello spettro em significa anche avere a che fare con radiazioni in grado garantire la visione in condizioni di visibilità degradata. È il caso, ad esempio, di fumi, polveri e nebbia che risultano quindi trasparenti in diverse regioni dello spettro IR. Per questa e altre ragioni, presso i laboratori del Cnr-Ino di Firenze, già da molti anni si è deciso di utilizzare la radiazione IR nel campo dell'olografia digitale (Od), una tecnica di imaging interferometrico solitamente realizzata utilizzando luce visibile. Questo connubio ha permesso alla tecnica di beneficiare di un maggiore campo di vista e di una minore sensibilità alle vibrazioni ambientali e ha portato, negli anni, allo sviluppo di due applicazioni, coperte da brevetto, che sfruttano la radiazione nel LWIR (10.6 micron) prodotta da laser a CO₂”, prosegue Locatelli.

La prima applicazione sviluppata si basa sulla capacità di vedere al di là di una cortina di fumo e fiamme, con importanti potenzialità nel campo del soccorso antincendio. “L'utilizzo di radiazione IR offre la possibilità di penetrare il fumo e anche di effettuare imaging olografico di scene dinamiche a dimensione umana”, prosegue Locatelli. “La capacità di vedere oltre le fiamme, invece, è legata ai principi di funzionamento dell'Od stessa, che non prevede l'utilizzo di lenti e quindi, rispetto ad altre tecniche, evita la saturazione del sensore. Inoltre, la scena è ricostruita inviando la radiazione sovrapposta a un opportuno fascio di riferimento, perciò ogni altra radiazione, compresa quella della fiamma, non essendo coerente con la radiazione laser, non contribuisce alla formazione dell'immagine”.

Una seconda applicazione, in cui l'utilizzo della radiazione IR gioca ancora un ruolo fondamentale, permette di “visualizzare una mappa bidimensionale delle oscillazioni sub-micrometriche di grandi superfici di strutture edili, come edifici e ponti. Un risultato di grande importanza nel campo della valutazione dello stato di conservazione e di vulnerabilità sismica di questa tipologia di strutture”, continua il ricercatore. Spingendosi oltre, nel FIR, le opportunità sono altrettanto interessanti. “Considerato che molti materiali opachi (plastiche, tessuti, ceramiche…) risultano trasparenti a queste lunghezze d'onda, diviene possibile, ad esempio, ispezionare in maniera sostanzialmente non invasiva il contenuto di pacchi, rilevare la presenza di armi ed esplosivi sotto gli indumenti, ma anche contare le nocciole dentro una stecca di cioccolata e controllare la presenza di difetti dentro pastiglie per uso medico. L'utilizzando la radiazione FIR in olografia digitale, moltiplica quindi le potenzialità della tecnica, permettendo di ottenere immagini di fase e ampiezza di oggetti nascosti dietro piastrine plastiche nere assolutamente impenetrabili all'occhio umano”, conclude Locatelli.

Fonte: Massimiliano Locatelli, Istituto nazionale di ottica del Cnr, Firenze , email massimiliano.locatelli@ino.cnr.it -

Per saperne di più: Imaging live humans through smoke and flames using far-infrared digital holography - https://doi.org/10.1364/OE.21.005379