Il sistema ottico di una telecamera viene utilizzato per generare un'immagine la più accurata possibile della realtà che si sta inquadrando; questa immagine viene focalizzata dall'ottica sulla superficie del dispositivo di rilevazione: tubo o CCD. 

Il sistema ottico della telecamera è composto da:

• Un'ottica per inquadrare, ingrandire, regolare la quantità di luce in ingresso, e focalizzare l?immagine.
   

• Una serie di filtri ottici per condizionare l'immagine, ad esempio per limitare l'energia delle alte frequenze spaziali, per normalizzare la polarizzazione della luce, per escludere spettro di lunghezza d'onda indesiderata, attenuare la luce in ingresso, convertire la temperatura colore della luce che illumina la scena, ecc...
   

• Un filtro a prisma dicroico con filtri di trimming per separare la luce in ingresso secondo un sistema in tricromia (RGB).

Risulta evidente che la qualità di questo sistema ottico è determinante per le prestazioni della telecamera e sarà bene conoscerne il funzionamento.

L'ottica

Con l'eccezione delle prime telecamere realizzate che utilizzavano una torretta rotante su cui erano montate ottiche di focale diversa e che venivano presentate davanti al dispositivo di rilevazione secondo esigenza, oggi le telecamere utilizzano principalmente ottiche a zoom.

Le ottiche a zoom per la TV sono estremamente complesse e altrettanto costose; generalizzando possiamo dire che attualmente esistono solo cinque costruttori nel mondo (CANON, FUJI, SHNEIDER, ANGENIEAUX, NIKON) che costruiscono e commercializzano in modo diffuso ottiche di alte prestazioni per la TV.

Le ottiche a zoom sono oggi disponibili secondo una vasta gamma di prezzi e prestazioni, con un'ampia serie di accessori sia ottici che meccanici/elettronici che di controllo manuale o servo-assistito, con possibilità di memorizzazioni di set-up, con stabilizzatori ottici dell'immagine, e altro ancora.

Alcuni concetti per scegliere l'ottica più adatta alla propria telecamera devono essere ben focalizzati:

• È assolutamente inutile disporre di un'ottica che superi le prestazioni di risoluzione spaziale del CCD della camera.
  È invece molto utile disporre di un'ottica che raggiunga la risoluzione del CCD ma che abbia le migliori prestazioni possibili nella gamma di frequenze spaziali media al fine di fornire la migliore "profondità" di modulazione anche a frequenze medio/basse, cioè quelle maggiormente presenti in una scena.
   

• L'ottica deve essere veloce.
  Per "veloce" si intende che deve fornire buone prestazioni anche con grande quantità di luce in ingresso ovvero con diaframma tutto aperto. Più l'ottica avrà la possibilità di introdurre luce (numero F basso, ad esempio F=1.5) senza produrre anomalie all'immagine, migliore saranno le sue prestazioni totali, praticità d'uso e versatilità.
  È tuttavia inutile, anzi dannoso, utilizzare un'ottica molto veloce su una telecamera con prisma dicroico non altrettanto veloce (normalmente la velocità del prisma dicroico di una camera professionale è tarato a F=1.5).
   

• L'ottica a zoom deve poter produrre immagine di qualità simile sia in posizione tutto grandangolo che in posizione tutto tele. Sembrerebbe ovvio ma non è sempre così; le ottiche a zoom per la TV sono molto complesse e questa complessità introduce aberrazioni che non sempre possono essere corrette.
  Le due posizioni di tutto tele e tutto grandangolo sono le due posizioni estreme di lavoro e quindi le due condizioni critiche in particolare in situazione di diaframma tutto aperto o molto chiuso.
  In posizione di zoom prossima a tutto tele interviene necessariamente il fenomeno dello "F-Drop" che chiude il diaframma generalmente di uno stop; questo effetto deve poter essere il più graduale e meno avvertibile possibile. 
  Lo scorrimento meccanico/ottico dell?ottica a zoom deve essere lineare, morbido, senza incertezze e con la minor inerzia possibile.
   

• L'ottica a zoom per definizione deve poter mantenere la messa a fuoco dal fuoco più critico in posizione tele sino a grandangolo.
  Sembrerebbe ovvio ma non sempre questo avviene. È possibile che per problemi meccanici o ottici il fuoco non venga mantenuto e si producano aberrazioni di diverso tipo sia spaziali che per spettro di lunghezza d'onda, sia in senso laterale che in quello longitudinale.
   

• La gestione del diaframma, diversamente che per le ottiche fotografiche, non deve presentare soluzione di continuità del tipo a scatti o step.
  Il diaframma pur essendo indicato per valore deve poter scorrere da tutto aperto a tutto chiuso senza alcuna interruzione di continuità.
   

• L'ottica deve necessariamente essere del tipo previsto per il formato del rilevatore della camera.
  Deve essere un'ottica per la TV; non montate ottiche per la cinematografia, la fotografia o altro anche se in qualche modo potreste risolvere il problema dell'attacco meccanico. Non fatelo mai. Esistono una serie di motivi che ne sconsigliano vivamente l'uso, per altre informazioni leggete "Le ottiche a zoom per la TV".
   

• L'ottica preferibilmente deve essere del tipo "Internal Focusing" ovvero deve poter focalizzare senza che la lente frontale debba ruotare. Sovente sulla lente frontale si montano filtri di diverso tipo: cross screen, degradati, polarizzatori, ecc... se questi filtri ruotano insieme alla lente che sta focalizzando l'immagine verrà influenzata dalla posizione e rotazione dei filtri.
  Si deve poter focalizzare senza che i filtri montati sulla lente frontale ruotino.
   

• È preferibile che l'ottica a zoom monti una lente aggiuntiva inseribile all'interno dell'ottica con comando esterno per l'uso in macro.
   

• È preferibile che l?ottica monti una lente aggiuntiva interna all'ottica stessa e inseribile con comando esterno che consenta di moltiplicare x2 la lunghezza focale totale dell'ottica.
  Questa lente aggiuntiva preferibilmente non deve far scendere di apertura/velocità l'ottica, la quantità di luce che passa anche con duplicatore inserito deve restare se possibile la medesima.
   

• L'ottica deve essere molto "robusta".
  L'ottica è un dispositivo in continuo movimento, viene maneggiata sovente anche in modo convulso e senza molta cura, è in balia degli agenti atmosferici, è sul davanti della camera e quindi molto esposta a urti, non esiste la possibilità di proteggerla in modo anche pratico, deve sopportare anche azioni violente e l'attacco meccanico/elettrico ai servosistemi e alla camera sovente sono soggetti a rotture o malfunzionamenti per azioni meccaniche da uso "pesante".
  Nelle camere ENG/EFP normalmente il controllo e movimento della camera spalleggiata viene fatto con la mano destra che controlla l'ottica per lo zoom e che muove il sistema ottica/camera. Questo sistema pesa mediamente accessoriato sino a 8 Kg.
  Questi 8 Kg vengono gestiti per movimento spalleggiato dall'attacco meccanico ottica/camera.
   

• Affidabilità del costruttore e assistenza.
  L'ottica sovente necessita di manutenzione e questo a maggior ragione se l'impiego è in esterni e in condizioni non agevoli. Il fornitore dell'ottica deve poter garantire una totale assistenza all'ottica, con disponibilità di ricambi, con interventi fatti nel minor tempo possibile, deve poter garantire la perfetta rimessa in efficienza anche dopo anni dalla data d'acquisto.
  Queste ottiche all'acquisto hanno costi dell'ordine di diverse decine di migliaia di dollari USA, è impensabile non averle sempre in perfetta efficienza.  

Esistono molti parametri che influenzano la scelta di un?ottica per la TV ma come avete visto i principali sono: qualità, versatilità, affidabilità, gli stessi concetti che si applicano all'acquisizione di qualsiasi risorsa.

I filtri (ottici)

Deve essere chiaro che stiamo parlando dei filtri interni al sistema ottica/camera e non di filtri che possono essere montati sul fronte dell'ottica a discrezione dell'utilizzatore.

I filtri di cui stiamo parlando sono interni al sistema, alcuni con inserimento tramite comando esterno, altri sempre presenti sul percorso ottico.

Questi filtri pur essendo filtri ottici sono costruiti all'interno della telecamera e non dell'ottica e quindi saranno sempre presenti anche quando l'ottica verrà cambiata.

Fanno parte della telecamera e vengono progettati, costruiti e montati in funzione delle prestazioni della telecamera e non dell'ottica che sarà possibile montare.

Filtro di correzione della temperatura colore

Questi filtri sono montati su una torretta rotante con comando esterno alla camera, sono posizionati prima del prisma dicroico e consentono di variare la temperatura colore della luce che illumina la scena. Quando si esegue il bilanciamento del bianco di una scena in modo automatico o manuale sovente in condizioni vicine al limite di spettro della temperatura colore della luce che illumina la scena il bilanciamento del bianco diventa critico. Meglio introdurre il filtro di correzione colore e far lavorare la funzione di bilanciamento del bianco della camera nella sua gamma mediana ove è più accurato e comodo per escursione dei guadagni RGB.

Filtri neutri

Normalmente questi filtri di colorazione neutra sono posizionati sulla stessa torretta che porta i filtri di correzione colore e inseriti sul percorso ottico con un comando esterno.

Essi servono ad attenuare la quantità di luce in ingresso al prisma dicroico-CCD. Ci si potrebbe chiedere a cosa servono visto che esiste il diaframma dell'ottica e la risposta è che tramite questi filtri è possibile svincolare in parte il diaframma dalla quantità di luce in ingresso verso i CCD il che consente di lavorare non a diaframmi estremamente chiusi e anche di lavorare sulla profondità di campo desiderata. Sono molto utili anche se a volte poco utilizzati per imperizia.

Filtro a infrarossi

Questo filtro è sempre presente sul percorso ottico ed è posizionato prima del filtro dicroico. È un filtro passa-banda che elimina lo spettro dell'infrarosso che il CCD rileverebbe ma che noi non vedremmo e quindi risulta perfettamente inutile venga introdotto nel sistema. 

Detto per inciso le "mitiche e misteriose camere a infrarossi" utilizzate da esercito e polizia per usi particolari in condizione di assenza di luce sono solo camere CCD ad alto guadagno senza questo filtro.

La banda dell'infrarosso così rilevata viene poi resa visibile down-convertendola in uno spettro visibile per lunghezza d'onda.

Filtro antialiasing

È sempre presente sul percorso ottico e posizionato prima del prisma dicroico, ha la funzione di limitare l'energia delle frequenze spaziali più alte. L'ingresso nel sistema prisma-CCD di frequenze spaziali più alte di quelle che possono essere rilevate produce alias (difetti) visibili.

Quindi la luce in ingresso al sistema di rilevazione viene limitata con questo filtro ottico affinché essa non produca  un dettaglio maggiore di quello che può essere rilevato. È un filtro passa-basso e viene costruito in funzione delle prestazioni del rilevatore CCD che è un sistema di campionatura dell'immagine e che quindi è sottoposto alla legge di Nyquist, la quale definisce il limite inferiore di campioni possibili per informazione sottoposta al campionamento.

Filtro ¼ della lunghezza d'onda

È sempre presente sul percorso ottico e posizionato prima del prisma dicroico. Serve a polarizzare in modo circolare la luce in ingresso.

La luce normalmente viaggia polarizzata rispetto a due assi ortogonali e quando viene riflessa uno dei due assi trasporta un'informazione diversa dall'altro asse in quanto le lunghezze d'onda vengono modificate e quindi il colore sui due assi risulta diverso.

Questo filtro ottico a ¼ della lunghezza d'onda serve a normalizzare la polarizzazione. È un filtro estremamente costoso e dalla sua accuratezza deriverà in buona parte la risposta colorimetrica del sistema di rilevazione dell'immagine alle diverse condizioni/situazioni d'impiego.