Aggiornamento in data 05/07/2021
Descrizione del sistema di illuminazione a led cilindrico “D120EB Vertical Illuminator”
Uno dei problemi principali da affrontare, e risolvere, per chi lavora con sistemi di macro-estrema, è quello di poter operare in un ambiente in cui si è in presenza di una diffusione della luce la più omogenea possibile. Il problema non sono solo le ombre che, in alcuni casi, possono essere desiderate, ma in particolare i riflessi che le superfici speculari creano: dal carapace metallico dei coleotteri, alle teche ialine dei radiolari e foraminiferi, alle lucide superfici dei minerali e delle ambre. Il risultato di una insufficiente diffusione della luce lo si osserva con maggior evidenza in fase di compilazione (stacking) delle immagini.
Come visibile dell’immagine seguente, il risultato che si ottiene fotografando il medesimo soggetto senza diffusore (a sinistra) e con un diffusore cilindrico (a destra) è nettamente differente. In questo caso un normale barattolo di yogurt di plastica bianca opaca è stato utilizzato per diffondere in maniera omogenea la luce proveniente dalla sorgente luminosa.
Oltre ad eliminare i riflessi presenti sulla superficie silicea del radiolare, i dettagli sono messi meglio in evidenza, permettendo una corretta analisi della morfologia dello scheletro ialino.
L’utilizzo di diffusori caratterizzati da fogli di carta bianca, barattoli di yogurt, fogli di plastica opaca o semitrasparente, implica talvolta un’importante perdita di luce, con la conseguente necessità di utilizzare tempi di esposizione più lunghi, e di essere maggiormente soggetti a eventuali vibrazioni esterne che potrebbero rendere l’immagine sfuocata ed inutilizzabile.
Grazie alla competenza e disponibilità del laboratorio OGGLAB (https://www.facebook.com/oggl.lab), ho la possibilità di poter testare un nuovo sistema di illuminazione verticale (modello D120EB Vertical Illuminator ) che utilizza una tecnologia a LED.
Le stringhe di LED 2835 (da 4000-4500K) sono organizzate in sei anelli da 84 led ciascuno, pari a 504 led complessivi (e consumo di 25 watt), e 63 led localizzati sotto il coperchio, da 3 watt.
Il grafico mette in evidenza i dati rilevati con un luxmetro a sonda (semi-sfera avente diametro di 60mm) posta alla base del cilindro; la linea blu indica i valori registrati senza l’interposizione del diffusore tra i LED ed il sensore, mentre per la linea rossa il diffusore è inserito.
Per effettuare il test, i differenti livelli di LED ed il coperchio sono stati alimentati con la medesima tensione, con step tra una misura e la successiva di 0.5 Volt. Interessante notare che a partire da 11.5 Volt la curva si appiattisce, indice che si giunge ad un valore massimo di resa, e che a partire da 12V, il 1/2 Volt in più va quasi tutto ad aumentare la temperatura del sistema senza un guadagno netto in luminosità.
Analizzando l’evoluzione della temperatura all’interno e all’esterno della friggitrice, durante un’acquisizione di 30 minuti e con voltaggio a 10 V, si osserva una curva che assume un andamento di tipo logaritmico. La temperatura interna risulta inferiore a quella del sarcofago esterno, grazie alla presenza dei fori basali e superiori che permettono una buona circolazione dell’aria, mantenendo la temperatura interna entro limiti accettabili.
Analizzando l’evoluzione della temperatura in funzione del tempo e del voltaggio (con alimentazione continua di 15 minuti, e raffreddamento di 15 minuti), si ottengono le serie di curve visibili nel secondo grafico a destra. In funzione del numero di LUX desiderati (primo grafico), de del voltaggio utilizzato, sarà possibile conoscere con buona approssimazione il valore della temperatura interna al sistema durante la fase di acquisizione. Una soluzione che è in fase di progettazione consiste nell’alimentare i LED solo il tempo necessario allo scatto (come per un sistema che utilizza il flash), permettendo di mantenere la temperatura interna uguale a quella ambiente.
Per effettuare le misure, la parte superiore è stata coperta con un disco in plastica bianco munito di foro centrale, ed il foro medesimo coperto con carta nera per simulare la presenza di un'ottica.
Il diffusore interno (rimovibile) è composto in PETG, avente spessore di 0.6 mm, per garantire una sufficiente trasmissione della luce, e separa le stringhe di led dal soggetto da fotografare, permettendo una distribuzione ottimale della luce.
Il diametro interno del cilindro è di 81mm, e con il coperchio inserito il foro centrale possiede un diametro utile di 69mm, sufficiente per poter accogliere l’obiettivo del microscopio ed i relativi anelli adattatori collegati al lens-tube, senza il pericolo di toccarne il bordo.
Le dimensioni esterne sono di 170 x 124 mm. Con il coperchio l’altezza è di 100mm, mentre con coperchio rimosso, è di 85mm. Il peso complessivo del cilindro è di 570gr.
L’illuminatore è concepito per poter acquisire immagini con sistema fotografico assemblato in verticale. Il diametro interno è sufficiente per poter accogliere la maggior parte di campioni collocati all’interno di un contenitore in vetro da laboratorio trasparente (becher o capsula di Petri), appoggiato al supporto (vedi più sotto), o comunque soggetti aventi dimensioni inferiori ai 70mm.
L’immagine seguente riassume le dimensioni del sistema.
Il cilindro essendo aperto all’estremità inferiore, permette di utilizzare differenti tipi di sfondo colorati, con lo scopo di aumentare la visibilità ed il contrasto del soggetto.
Una funzione interessante implementata nel sistema di illuminazione è la possibilità di poter gestire via un alimentatore a tensione variabile (12 Volt e 3 Ampere) e regolatore step-down, l’intensità di luce, sia la possibilità di accendere/spegnere i diversi livelli dei led.
Questo permette di gestire l’illuminazione sul soggetto in maniera estremamente flessibile.
Il sistema può accogliere internamente una maschera semicilindrica nera opaca che ruota liberamente a 360°, permettendo di illuminare settori desiderati del soggetto, e permettere di ottenere un senso di “tridimensionalità” del rilievo (vedi la parte finale di questo testo). Questa è una funzione particolarmente interessante se si lavora con soggetti in cui si vuole mettere in evidenza la presenza di delicate strutture superficiali.
Nell'immagine seguente è visualizzato il semicilindro opaco nero che, ruotando di 300° utilizzando un’apposita levetta, permette di orientare la sorgente luminosa nella direzione desiderata.
Il coperchio essendo munito di una serie di LED, permette di avere un’illuminazione verticale, sistema molto utile per acquisizioni che richiedono la rimozione del rilievo e/o la tessitura eventualmente presente sulla superficie del soggetto da fotografare. Il coperchio è inoltre facilmente rimuovibile dal corpo dall’illuminatore, così come il diffusore, per poter effettuare acquisizioni particolari o utilizzare differenti tipologie di diffusori composti di altro materiale.
Nella foto è visibile il coperchio parzialmente ruotato sul suo perno, con illuminazione spenta (sinistra) ed accesa (destra).
Nell’immagine successiva sono visibili come alcuni microfossili (elementi di crinoidi del Carbonifero belga) restituiscano un’informazione differente a seconda della direzione di illuminazione. A sinistra è utilizzata solo l’illuminazione verticale, mentre a destra la medesima immagine è acquisita con l’utilizzo della maschera opaca ed illuminazione laterale. È evidente come i soggetti nell’immagine a sinistra, utilizzando una sorgente di luce verticale, risultino più “appiattiti”, mentre con luce laterale siano meglio evidenziate le forme ed i volumi.
[È importante, per avere un senso di tridimensionalità corretto per l’occhio umano, di posizionare sempre la sorgente di luce in alto a sinistra. Altre posizioni possono indurre in errore, sino a dare l’impressione di rilievo invertito, soprattutto se si localizza la sorgente luminosa in basso a destra].
Il soggetto (od i soggetti) che si vuole fotografare trova collocazione su un disco di plexiglas trasparente, solidale con il sistema che permette la rotazione del supporto di 90°. La possibilità di ruotare il supporto che sostiene il soggetto si rivela estremamente utile per poter effettuare allineamenti all’interno del campo visivo del sensore della fotocamera. È inoltre possibile rimuovere il supporto trasparente e sostituirlo con un vetrino portaoggetti per microscopia di dimensioni standard. Questo trova spazio all’interno di adatte scanalature che ne permettono il bloccaggio, evitando che il vetrino si sposti quando si ruota la base per centrare/allineare il soggetto. Ovviamente occorre prestare attenzione a ben collocare il vetrino sull’apposito supporto.
Nell’immagine che segue è visualizzato il supporto che permette la rotazione del porta oggetti; il cilindro in plastica può accogliere il vetrino portaoggetti (a sinistra) o il disco in plexiglas (a destra). Sono previsti una serie di vetri colorati in sostituzione della base trasparente, permettendo di ottenere differenti effetti di luce e contrasto, soprattutto su campioni trasparenti o semi-trasparenti (come le ambre).
La rotazione si effettua agendo sulla levetta presente alla base dell’illuminatore come visibile nell’immagine successiva.
Una pulsantiera a cinque interruttori gestisce l’accensione e lo spegnimento dei differenti livelli di led presenti all’interno del cilindro e del coperchio. Di conseguenza, in associazione con il modulatore, si può gestire la sorgente luminosa secondo differenti livelli, intensità, utilizzando una direzione particolare, e dall’alto verso il basso, permettendo una totale flessibilità dell’illuminazione del soggetto. Il regolatore di intensità, attualmente a due canali, è in corso di revisione e potrebbe (come forma, ma non come funzione) risultare leggermente differente da quello rappresentato nell’immagine a destra.
Un test di laboratorio per valutare la distribuzione e la diffusione della luce all’interno del cilindro, è stato effettuato utilizzando delle sfere installate su colonnine in plastica; le immagini risultanti hanno fornito risultati estremamente incoraggianti.
Una sfera opaca in plastica ed una in metallo riflettente sono state inserite all’interno del cilindro, completamente illuminato, ed una successione di fotogrammi sono stati acquisiti per visualizzare l’eventuale presenza di singoli punti luminosi, o mettere in evidenza la presenza di isolate strisce di led.
Nel caso fossero visibili i led sulla superficie speculare della sfera metallica o una disomogenea illuminazione sulla sfera in plastica, significherebbe che la diffusione non è ottimale, e che potrebbe dare origine ad ombre e riflessi indesiderati.
Il risultato è visibile nelle due immagini sottostanti. La sfera di plastica (a sinistra) risulta illuminata in maniera omogenea su tutta la superficie, ed il test utilizzando la sfera metallica (test che è tra i più’ “cattivi”, a destra) è estremamente positivo. Non si distinguono le strisce dei led, od i singoli elementi, mentre il cerchio nero corrisponde semplicemente alla lente dell’obiettivo riflessa sulla superficie della sfera. Le immagini sono state acquisite utilizzando un obiettivo Schneider-Componon 2.8/50mm, montato invertito su un tubo di prolunga.
Per poter ottimizzare la diffusione dell’illuminazione verticale (nel caso ce ne fosse bisogno), in associazione con il coperchio munito di led, è possibile utilizzare un disco in plastica bianco, riflettente e forato al centro, che permette il solo passaggio dell’obiettivo.
L’utilizzo di questo sistema di illuminazione riduce i tempi di acquisizione approssimativamente di un ordine di grandezza di 10 (e più); se in condizioni normali con un’illuminazione laterale e due pannelli a LED di 20W ciascuno, acquisisco immagini con tempi di esposizione compresi tra 1/20” ed 1” (a seconda dell’obiettivo utilizzato), questo sistema permette di lavorare con tempi di 1/125” – 1/250”, riducendo inoltre ulteriormente la presenza eventuale di micro-vibrazioni. Questi tempi ovviamente sono variabili, in funzione anche dei valori degli ISO utilizzati, e possono essere ancora ulteriormente ridotti aumentando la potenza di luce, ma a scapito di un riscaldamento eccessivo all’interno della fornace nucleare, con conseguente rischio di fusione del nocciolo (leggasi l’ambra) e devastanti conseguenze ambientali ed economiche. Come visto in precedenza, utilizzare voltaggi superiori a 10-11 Volt non permette di aumentare la luminosità del sistema, ma piuttosto di scaldare inutilmente l’interno del cilindro.
La maggior parte dei componenti del sistema è stampato con tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling), in materiale plastico ASA 275 (Acrylonitrile Styrene Acrylate) resistente a temperature sino a 85°C ed agli UV, e alimentato con alimentatore a 12V e 4°. Non risulta particolarmente ingombrante e si adatta perfettamente alle necessità di acquisizione di minuti soggetti, spaziando da fossili aventi dimensioni inferiori ai 2cm, sino a foraminiferi, ostracodi, radiolari e diatomee del diametro di poche decine di micron.
Primi risultati
Acquisizione su ambre:
i primi risultati sono incoraggianti per la possibilità di poter gestire in maniera più libera la direzione della luce sul soggetto. Essendo lo scopo di poter ottenere una luce diffusa, certe acquisizioni risultano più complesse nel caso si volesse mettere in evidenza superfici che possiedono colori iridescenti e che richiedono la presenza di una luce più direzionale e/o orientata.
Acquisizione di microfossili :
I test compiuti su minuti soggetti come foraminiferi ed ostracodi hanno fornito risultati più che positivi, sia per la qualità dell’illuminazione, che per l’efficacità nella gestione della posizione della sorgente luminosa. Nelle immagini seguenti sono visualizzati due ostracodi acquisiti con l’ausilio della maschera semicircolare opaca per ottenere un’illuminazione orientata. Il primo esemplare a sinistra è opaco (scuro), mentre quello a destra possiede la teca ialina; in entrambi gli esemplari non si osservano riflessi indesiderati, e la luce risulta essere ben distribuita.
I foraminiferi presentano talvolta strutture superficiali assai complesse, e l’importanza di orientare la sorgente luminosa è importante per mettere in evidenza peculiarità diagnostiche (o semplicemente per metterne in evidenza la loro bellezza). In queste due immagini, a sinistra è visibile un foraminifero acquisito con il diffusore senza maschera nera, mentre a destra il set di 4 individui è stato acquisito mascherando la luce proveniente da destra, mettendo in evidenza le forme sferiche e la tridimensionalità dell’insieme.
Microfossili che appaiono ialini e semi-trasparenti possono spesso dare origine a riflessi e giochi di luce non desiderati, da cui l’importanza di poter regolare l’intensità della luce e la direzione della medesima. Nel caso delle spicole di spugna in particolare, è importante mantenere l’intensità luminosa non particolarmente elevata, così come la possibilità di poter posizionare la sorgente luminosa su differenti livelli rispetto al piano su cui appoggia il vetrino portaoggetti con i soggetti.
Altri risultati saranno man-mano pubblicati su questo sito (www.enrico-bonino.eu ), sulla mia pagina Facebook (https://www.facebook.com/enrico.bonino/) ed Instagram (https://www.instagram.com/ebonino/ ).
Happy stacking!