Fotocellula laser per High Speed Photography

Un circuito che permette di scattare foto ad alta velocità al passaggio di un oggetto.

La fotografia ad alta velocità è una tecnica la quale, usando opportuni dispositivi automatici, permette di catturare immagini di eventi estremamente veloci nel momento in cui si verificano. Dopo aver proposto un trigger acustico capace di provocare l’intervento di un flash in seguito al rilevamento di un suono, si illustra ora una fotocellula laser capace di intervenire a seguito del passaggio di un oggetto.

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Fig. 1 – La fotocellula laser

Sullo stesso dispositivo sono montati sia il puntatore laser che il rilevatore a fotodiodo. Attraverso uno specchio (che può essere posizionato in base alle necessità), si fa in modo che il fascio di luce venga riflesso e colpisca il fotodiodo; non appena un oggetto in transito interrompe il cammino ottico, la fotocellula interviene attivando l’uscita.

Il fascio di luce emesso dal puntatore laser è del tutto invisibile se osservato trasversalmente in aria pulita e, pertanto, non compare nelle fotografie. In fig. 2, il cammino ottico del fascio di luce è stato evidenziato diffondendo della polvere di talco nell’aria; la sezione praticamente puntiforme del fascio facilita un posizionamento accurato e riproducibile.

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Fig. 2 – Il cammino ottico del fascio di luce

Il tempo di intervento estremamente breve, all’ordine dei 200 µs, permette di catturare immagini di eventi particolarmente rapidi con un ritardo trascurabile. Ad esempio, un proiettile che viaggiasse alla velocità di 200 m/s, verrebbe immortalato dopo aver percorso soli 4 cm dal punto di rilevazione.

1. Funzionamento

Il funzionamento della fotocellula si basa su un circuito monostabile, al cui ingresso trigger è applicato il segnale prodotto da un fotodiodo impiegato nel modo fotoconduttivo (per assicurare una risposta rapida).

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Fig. 3 – Schema elettrico della fotocellula laser

Fintanto che il fotodiodo è illuminato, l’ingresso trigger del monostabile è a livello logico alto, dunque l’uscita di quest’ultimo è a livello basso e i due transistori sono interdetti.

Quando un oggetto interrompe il fascio di luce, il fotodiodo smette di condurre, portando l’ingresso del trigger a livello basso. L’uscita del monostabile passa quindi a livello alto, portando in conduzione i due transistori Q1 e Q2; il primo, causa lo spegnimento del puntatore laser (evitando così la comparsa del puntino rosso sulla fotografia), mentre il secondo, che costituisce l’uscita vera e propria del circuito, può essere usato per pilotare una macchina fotografica o un flash.

Attenzione: i flash di vecchia generazione possono presentare tensioni pericolose sulle loro connessioni; nel caso si intendesse impiegare questi dispositivi, si provveda a sostituire Q2 con un transistore ad alta tensione (es. 2N5551, MPSA44) e si rispettino le norme e precauzioni relative alla sicurezza.
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Fig. 4 – La scheda del circuito di rilevazione

Il basso valore di R4 (15 kΩ) assicura un’elevata velocità di risposta del fotodiodo, e contemporaneamente riduce la sensibilità del circuito alla luce ambientale (la fotocellula funziona correttamente in ambiente buio o poco illuminato). Se si desidera ridurre la sensibilità nei confronti della luce ambientale, è possibile aggiungere un filtro rosso davanti al fotodiodo.

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Fig. 5 – Connessioni interne e montaggio

Per facilitare l’orientamento dello specchio, è stato previsto un interruttore (S1) che permette di mantenere il monostabile in modalità reset; in questo modo, i transistori sono interdetti e il puntatore laser resta acceso, anche se il fotodiodo non è illuminato.

2. Modi d’impiego

L’uscita a collettore aperto permette una considerevole flessibilità circa i modi d’impiego del circuito. Ad esempio, il circuito può essere collegato direttamente al connettore di scatto remoto presente sulla macchina fotografica. Si consideri però che quest’ultima introdurrà inevitabilmente un certo ritardo (che in molti casi può comunque essere accettato) dovuto al tempo di risposta dell’otturatore.

Un metodo considerevolmente più rapido consiste nell’impiegare il circuito per pilotare un flash (anziché la macchina fotografica). Infatti, se si mantiene la scena completamente al buio, è possibile aprire manualmente l’otturatore della macchina fotografica (impostata in modalità “posa B”) qualche istante prima che si verifichi l’evento, senza che venga catturata alcuna immagine. Solo quando la fotocellula sarà intervenuta, provocando l’intervento del flash, verrà immortalata l’immagine illuminata in quell’istante. Si potrà quindi chiudere l’otturatore, anche qualche istante dopo che l’evento si sia concluso.

In questo modo, si eliminano i ritardi dovuti all’otturatore, dal momento che quest’ultimo viene aperto manualmente diversi istanti prima che si verifichi l’evento. Inoltre, essendo la durata del lampo prodotto dal flash estremamente breve (p. es. circa 1/40000 s a basse potenze), è possibile catturare immagini nitide anche per eventi molto rapidi.


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Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

17 pensieri riguardo “Fotocellula laser per High Speed Photography”

  1. Qui non si trova il fotodiodo pd204 (purtroppo abbiamo solo il mare). Mi e stato fornito il tfkbpw41n: credi sia fattibile?

    1. Il BPW41 integra un filtro per il blocco della radiazione visibile (come tutti i fotodiodi con contenitore scuro), per cui la sua sensibilità alla luce rossa emessa dal laser sarà verosimilmente insufficiente. Per questo motivo, suggerirei di acquistare un fotodiodo trasparente, sensibile anche alla luce visibile.
      Per quanto riguarda il laser del commento precedente, è necessario preservare la relativa lente di messa a fuoco (che, tra l’altro, deve essere regolata precisamente).
      Per entrambi i dispositivi, suggerirei una ricerca presso i venditori online.

    2. o il nucleo intero lo ho recuperato e funziona con .3/4,5 volts ho visto che dallo schema esce positivo e negativo quindi basta che lo collego , credo che ci tento se non funziona pazienza anche perche io non smonto il nucleo ma come posso postarti una foto ?

    3. ciao e scusa poi non ti disturbo piu ti chiedo e possibile ridurre la resistenza da R1 220 perche ho poca luce sul laser , mentre se lo alimento esternamente con 3/4 volts funziona benissimo , ho misurato l’uscita del circuito e trovo
      2.max 2.5v

    4. A seconda del modulo laser impiegato, potrebbe essere necessario ridurre la resistenza di R1 e/o rimuovere il diodo D2. Se il modulo usato funziona a 4 V, inizierei col rimuovere quest’ultimo.

  2. Grazie della cortese risposta ma la lunghezza d’onda di un modulo laser (tipicamente 650nm) non è incompatibile con il fotodiodo che lavora sull’infrarosso(superiore a 700nm)???

    1. Il fotodiodo usato, come tutti fotodiodi PIN, ha un intervallo spettrale di sensibilità piuttosto esteso. Il datasheet riporta il picco di sensibilità a 980 nm, ma a 650 nm la sensibilità si riduce solo del 20% (vedi fig. 2):

      http://www.colorado.edu/physics/phys3330/phys3330_fa11/pdfdocs/PD204-6C.pdf

      Inoltre, considerando che i 5 mW di luce emessi dal laser sono focalizzati su un’area molto piccola (quasi puntiforme), la giunzione del fotodiodo viene praticamente eccitata fino alla saturazione.

  3. Ciao,
    Veramente bel progetto…solo una domanda….di che tipo è il puntatore laser che hai scelto??? si trova facilmente in commercio????…grazie mille per la condivisione!!!
    Daniele.

    1. Salve Daniele, grazie per l’apprezzamento sul progetto. Il puntatore è un semplice ed economico modulo LASER rosso da 5 mW, alimentabile a circa 3 – 3,5 V. Sono facilmente reperibili su internet a poco prezzo. La scelta non è critica per il funzionamento del circuito.

    1. ao ok ora mi accingo alla costruzione ti chiedo se puoi darmi perche non si vede il valore di r 5 riesco a leggere un 6 e un 8 ma non la cifra in mezzo ho provato il trigger audio e funziona , anche se qualche volta da i numeri diciamo su 10 tentativi 3 vanno a vuoto posso migliorare qualcosa o renderlo piu sensibile , ? ciao

    2. R5 e R6 sono da 6,8k. Per quanto riguarda il trigger audio dell’altro articolo, è importante che microfono e potenziometro siano di qualità, mentre il contenitore dovrebbe essere schermato. Prima di ogni scatto, è necessario regolare accuratamente il potenziometro.

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