La fisica delle lenti vista dalla luce ad infrarossi

Una lente non vede i colori come noi

Dal punto di vista della fisica, una lente non distingue un colore perché è bello, caldo o freddo. Risponde semplicemente alla lunghezza d’onda della radiazione che la attraversa. La luce rossa ha una lunghezza d’onda maggiore della luce blu e l’infrarosso va ancora oltre. Questo significa che lo stesso materiale può comportarsi in modo leggermente diverso a seconda della radiazione ricevuta.

Quando un raggio luminoso passa dall’aria al vetro cambia velocità e quindi cambia direzione. È il fenomeno della rifrazione. La forma curva della lente sfrutta proprio questo principio per far convergere oppure divergere i raggi luminosi.

Con l’infrarosso cambia anche il punto di fuoco

Una delle cose più interessanti è che una lente progettata per la luce visibile non mette necessariamente a fuoco l’infrarosso nello stesso punto. L'indice di rifrazione del materiale varia infatti con la lunghezza d'onda. Questo fenomeno viene chiamato dispersione.

In parole semplici, il blu, il rosso e l'infrarosso possono essere deviati dalla lente in maniera leggermente diversa. Per questo una fotografia perfettamente a fuoco nella luce visibile potrebbe risultare un poco sfocata se osservata soltanto nell'infrarosso.

Nei vecchi obiettivi fotografici era possibile trovare persino un piccolo riferimento rosso sulla scala di messa a fuoco: serviva proprio a compensare lo spostamento del fuoco durante la fotografia infrarossa.

Non tutto il vetro è trasparente all’infrarosso

Qui arriva una sorpresa: dire semplicemente “vetro” non basta. Esistono moltissimi tipi di vetro e materiali ottici, ciascuno con caratteristiche differenti. Un materiale perfettamente trasparente alla luce che vediamo può assorbire una parte importante dell'infrarosso.

Per alcune applicazioni infrarosse vengono quindi utilizzati materiali particolari, come germanio, silicio, fluoruri e altri cristalli speciali. Alcuni di essi possono apparire addirittura scuri o opachi ai nostri occhi mentre, per determinate lunghezze d'onda infrarosse, funzionano come eccellenti elementi ottici.

Una lente che per noi sembra nera può essere trasparente

Questo è forse l'aspetto più curioso. Noi giudichiamo un oggetto attraverso la luce visibile. Ma una telecamera infrarossa potrebbe giudicarlo in maniera completamente diversa. Un materiale nero davanti ai nostri occhi può lasciar passare determinate radiazioni infrarosse, mentre un materiale trasparente può bloccarne altre.

È un piccolo promemoria della fisica: la realtà non coincide necessariamente con ciò che vediamo. I nostri occhi sono semplicemente strumenti biologici sensibili a una fascia molto limitata dello spettro elettromagnetico.

Le termocamere non fotografano semplicemente il calore

Quando utilizziamo una termocamera stiamo osservando radiazione infrarossa emessa dagli oggetti in relazione alla loro temperatura. Anche in questo caso davanti al sensore serve un sistema ottico capace di raccogliere e mettere a fuoco quella radiazione.

Le lenti di una termocamera devono quindi essere progettate specificamente per le frequenze utilizzate dal sensore. Una normale lente fotografica in vetro potrebbe non essere adatta, soprattutto nell'infrarosso termico a lunghezza d'onda maggiore.

Il calore può cambiare anche la lente

C'è poi un secondo problema. L'infrarosso è spesso associato a oggetti caldi e lo stesso sistema ottico può essere sottoposto a variazioni di temperatura. Se una lente si riscalda, cambiano leggermente le sue dimensioni e può cambiare anche il suo indice di rifrazione.

Di conseguenza il punto di fuoco può spostarsi. Negli strumenti di precisione questo effetto non può essere ignorato: telescopi, sistemi militari, strumenti scientifici, telecamere industriali e apparecchiature spaziali devono tenere conto anche delle variazioni termiche delle lenti.

Il nostro occhio e l’infrarosso

Anche l'occhio possiede una lente naturale: il cristallino. Tuttavia la retina umana non è progettata per vedere normalmente l'infrarosso. Questo non significa che le radiazioni infrarosse non possano raggiungere o interagire con le strutture oculari; significa semplicemente che il nostro sistema visivo non le trasforma normalmente in una percezione luminosa.

Ed è proprio questo limite biologico ad averci spinto a costruire sensori capaci di mostrarci ciò che l'occhio non vede.

Dalla fotografia all’astronomia

L'infrarosso è fondamentale anche nell'astronomia. Osservare l'Universo soltanto nella luce visibile sarebbe come guardare un paesaggio attraverso una finestra molto stretta. Alcune nubi di polvere che nascondono stelle e regioni lontane diventano più penetrabili osservando determinate bande dell'infrarosso.

Per questo telescopi e strumenti astronomici utilizzano sistemi ottici progettati appositamente per queste radiazioni. Anche qui entrano in gioco rifrazione, riflessione, materiali speciali, raffreddamento dei sensori e correzioni estremamente precise.

Una semplice lente racconta una fisica enorme

Una lente sembra un oggetto semplice: due superfici curve e un pezzo di materiale trasparente. In realtà dietro di essa troviamo rifrazione, dispersione, lunghezza d'onda, temperatura, proprietà dei materiali e perfino i limiti della nostra percezione.

Guardandola attraverso l'infrarosso scopriamo inoltre qualcosa di ancora più interessante: trasparente e opaco, chiaro e scuro, visibile e invisibile dipendono dallo strumento con cui osserviamo il mondo.

Forse è proprio questa una delle lezioni più belle della fisica. La natura non cambia quando cambiamo strumento: siamo noi che, utilizzando strumenti diversi, riusciamo finalmente a vederne una parte in più.