gruppo per le sperimetazioni in luce polarizzata

Cesare BOSMAN (Iscrizione Albo N.1092/BM)

1

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“GRUPPO PER LE SPERIMENTAZIONI IN LUCE POLARIZZATA”

di AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE,

L'ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE (ENEA)

di nazionalità italiana

con sede: LUNGOTEVERE G.A. THAON DI REVEL 76

ROMA (RM)

Inventori: PARRETTA Antonio, PETRUCCI Ferruccio Carlo,

BELTRAMI Giulia, BERTOLUCCI Cristiano, FOA' Augusto, LANDI

Luca

* * *

La presente invenzione è relativa ad un gruppo per le

sperimentazioni in luce polarizzata.

In particolare, la presente invenzione è relativa alle

sperimentazioni in luce polarizzata in ambito biologico a

cui la descrizione fa esplicito riferimento senza per

questo perdere in generalità.

Diversi lavori di letteratura [ Horváth G. and Varjú

D. (2003). “Polarized Light in Animal Vision: Polarization

Patterns in Nature”. Berlin: Springer-Verlag; Freake, M. J.

(2001). “Homing behaviour in the sleepy lizard (Tiliqua

rugosa): the role of visual cues and the parietal eye”.

Behav. Ecol. Sociobiol. 50, 563-569; Adler, K. and

Phillips, J. B. (1985). “Orientation in a desert lizard


2

(Uma notata): time-compensated compass movement and

polarotaxis”. J. Comp. Physiol. 156, 547-552; Freake, M. J.

(1999). “Evidence for orientation using the e-vector

direction of polarised light in the sleepy lizard Tiliqua

rugosa”. J. Exp. Biol. 22, 1159-1166; Ellis Quinn, B. A.

and Simon, C. A. (1991). “Lizard homing behaviour: the role

of the parietal eye during displacement and radio-tracking,

and time-compensated celestial orientation in the lizard

Sceloporus jarrovi”. Behav. Ecol. Sociobiol. 28, 397-407]

riportano esperimenti di orientamento in luce polarizzata

di varie specie di animali, invertebrati (ragni, formiche,

scarabei, farfalle) o vertebrati (tritoni, salamandre,

lucertole, scincidi, passeriformi).

Le evidenze sperimentali a favore dell’esistenza di

una bussola cronometrica e di una bussola a polarizzazione

nei Sauri sono molteplici. Di seguito sono descritti due

esperimenti il cui scopo è stato quello di dimostrare

l’esistenza di una bussola cronometrica e di una bussola a

polarizzazione nei Sauri. Il primo esperimento dimostra

l’esistenza di una bussola cronometrica in Uma Notata e la

verifica della capacità di percepire l’e-vector di luce

polarizzata. Adler e Phillips fornirono, nel 1985, la prima

dimostrazione dell’esistenza di una sensibilità alla luce

polarizzata in un rettile, in particolare nel lacertide Uma

Notata. Essi partirono dall’osservazione della risposta di


3

fuga di queste lucertole diurne, che vivono nel deserto

dell’Arizona. Quando allarmate da predatori, esse mostrano

un chiaro orientamento direzionale su riferimenti

astronomici. Per testare l’ipotesi dell’esistenza di un

sistema di orientamento della bussola di questo tipo, le

lucertole vennero sottoposte ad uno sfasamento di sei ore

dell’orologio fisiologico endogeno (esperimento di clock-

shift) e addestrate a cercare rifugio esponendole al

pattern di polarizzazione naturale. I risultati ottenuti

confermano l’ipotesi dell’esistenza di un meccanismo di

orientamento che necessita di un meccanismo di

compensazione cronometrica.

Il secondo esperimento preso in considerazione vuole

dimostrare la capacità di Tiliqua rugosa di orientarsi

utilizzando la direzione dell’e-vector di luce polarizzata:

dapprima gli animali sono stati addestrati in corridoi con

pareti rialzate posti all’esterno; gli animali avevano

accesso alla luce diffusa del cielo (quindi alla luce

polarizzata) ma il disco solare non era loro direttamente

visibile. Sono stati in seguito testati in un’arena

circolare, sempre posizionata all’esterno, nelle stesse

condizioni (disco solare non direttamente visibile). Gli

animali mostrano un orientamento con una distribuzione

bimodale lungo un asse molto prossimo all’asse di

addestramento. Nessuna evidenza suggerisce che le lucertole


4

abbiano utilizzato un altro tipo di riferimento, oltre

all’e-vector della luce polarizzata.

Era, quindi, sentita l’esigenza di disporre di un

gruppo per le sperimentazioni in luce polarizzata, le cui

caratteristiche tecniche fossero tali da consentire ai

ricercatori di disporre di un ambiente confinato illuminato

al suo interno da luce polarizzata con un piano di

polarizzazione variabile a piacere.

Oggetto della presente invenzione è un gruppo per le

sperimentazioni in luce polarizzata, le cui caratteristiche

essenziali sono riportate nella rivendicazione 1, e le cui

caratteristiche preferite e/o ausiliari sono riportate

nelle rivendicazioni 2-9.

Per una migliore comprensione dell’invenzione sono

riportate di seguito delle forme di realizzazione a puro

titolo illustrativo e non limitativo con l'ausilio delle

figure del disegno annesso, in cui:

la figura 1 è una sezione laterale di una prima forma

di realizzazione del gruppo oggetto della presente

invenzione; e

la figura 2 è una sezione laterale di una seconda

forma di realizzazione del gruppo oggetto della presente

invenzione.

In figura 1 è indicato nel suo complesso con 1 un

gruppo per le sperimentazioni in luce polarizzata della


5

presente invenzione secondo una prima preferita forma di

realizzazione.

Il gruppo 1 comprende una struttura di confinamento

ottico 2 realizzata da un tendone laterale 3 di colore nero

e da una copertura superiore 4. Sia il tendone laterale 3

sia la copertura superiore 4 sono realizzati in maniera

tale da risultare il più possibile opachi, allo scopo di

non permettere che la luce ambiente possa filtrarvi

attraverso ed entrare all’interno della struttura di

confinamento ottico 2. Nella copertura superiore 4 è

ricavata una finestra circolare o quadrata 5 con asse di

simmetria X.

Il gruppo 1 comprende un diaframma 6 disposto

appoggiato sulla copertura superiore 4 in corrispondenza

della finestra 5, in maniera tale da definire una apertura

6a coassiale alla finestra 5 ed atta a definire ingresso

della luce polarizzata all’interno della struttura di

confinamento ottico 2, una corona circolare 7 coassiale al

diaframma 6 sul quale poggia con libertà di rotazione di

una sua porzione superiore ed un elemento polarizzatore 8

fissato sulla porzione superiore della corona circolare 7

in maniera tale da essere ruotato attorno all’asse X per

modificare il piano di polarizzazione della luce

all’interno della struttura di confinamento ottico 2. La

corona circolare 7 comprende una leva di comando 9 per


6

comandarne la rotazione da parte di un operatore.

L’elemento polarizzatore 8 comprende una lamina

polarizzatrice 10 disposta tra una lastra superiore 11 di

vetro smerigliato e una lastra inferiore 12 di vetro

liscio. In particolare, la lamina polarizzatrice 10

utilizzata è del tipo H-sheet (polaroid®)

Il gruppo 1 comprende, inoltre, due lampade 13 del

tipo Energy saving da 32 W e 1920 lm ognuna.

La luce prodotta dalle lampade 13 viene prima diffusa

dalla lastra superiore 11 per una sua distribuzione

omogenea, poi attraversa la lamina polarizzatrice 10 per

essere totalmente polarizzata lungo un piano verticale ed

infine è trasmessa attraverso la lastra inferiore 12

all’interno della struttura di confinamento ottico 2.

Il gruppo 1 comprende una vasca 14 disposta

all’interno della struttura di confinamento ottico 2 ed

utile per studiare il comportamento animale in funzione

della luce polarizzata.

Infine, il gruppo 1 comprende una telecamera 15 il cui

obiettivo si affaccia all’interno della struttura di

confinamento ottico 2 attraverso una apertura 16 ricavata

nel tendone laterale 3, sul quale è ricavata una piccola

finestra 17 per l’osservazione dell’esperimento

dall’esterno.

Di seguito è descritto a puro titolo informativo ed in


7

maniera sintetica un esperimento realizzato sulla Podarcis

Sicula utilizzando il gruppo oggetto della presente

invenzione.

L’esperimento in luce bianca è consistito

essenzialmente di una fase di training e di una fase di

test. La fase di training ha riguardato l’addestrare un

primo gruppo di animali ad orientarsi lungo una direzione

di training “parallela” all’e-vector, il quale è orientato

lungo la direzione 0°-180°. Un secondo gruppo di animali,

invece, è stato addestrato ad orientarsi lungo una

direzione di training “perpendicolare” all’e-vector, il

quale è orientato lungo la direzione 90°-270°. In entrambi

i casi la direzione di training coincideva sempre con la

direzione di due piattaforme, le quali rappresentavano il

traguardo/salvezza per gli animali. La direzione dell’e-

vector coincideva sempre con l’asse del polarizzatore, che

per il training “parallelo” è orientato nella direzione 0°-

180°, mentre per il training “perpendicolare” è orientato

nella direzione 90°-270°. L’addestramento si è

concretizzato in una lunga serie di esperimenti, o lanci,

nei quali la lucertola è stata liberata al centro della

vasca 14, priva di sostegni, e lasciata nuotare liberamente

al suo interno alla ricerca di una delle due piattaforme

sommerse, e quindi invisibili a causa dell’acqua resa

torbida dalla farina fossile. Le due piattaforme erano


8

orientate, per il primo gruppo, lungo la direzione dell’e-

vector, mentre per il secondo gruppo in direzione

perpendicolare all’e-vector. In entrambi i casi, le

lucertole sono addestrate a raggiungere la meta che è una

delle due piattaforme. Le piattaforme sono immerse ad un

livello tale che la lucertola che vi fosse giunta poteva

mantenersi con il capo fuori dell’acqua. Le piattaforme,

quindi, rappresentavano per la lucertola un

traguardo/salvezza. Va sottolineato, tuttavia, che

l’operatore era sempre pronto ad intervenire con un retino

per soccorrere l’animale nel caso che esso, dopo vari

tentativi, non riuscisse a raggiungere una delle due

piattaforme. Sono stati registrati i punti del bordo vasca

sui quali avveniva il primo contatto, chiamato scelta

direzionale, e nell’assegnare un punteggio che tiene conto

della vicinanza del punto alle piattaforme. Il

raggiungimento della piattaforma è stato accompagnato da un

premio: il livello dell’acqua veniva abbassato in pochi

secondi e la lucertola era lasciata all’asciutto per un po’

di tempo prima di essere recuperata.

Alla fase di training è fatta seguire la fase di

“test”, ma solo per gli animali che avevano superato il

criterio di apprendimento. La fase di test è consistita di

tre tipi diversi di test. Il primo test ha avuto lo scopo

di verificare il ruolo della luce polarizzata e consisteva


9

di un solo lancio senza piattaforme per ciascun animale. In

questo unico lancio la direzione dell’e-vector è ruotata di

90° rispetto alla direzione che aveva durante il training.

Dai risultati ottenuti si evince come la rotazione di 90°

dell’e-vector abbia determinato un orientamento medio per

tutte le lucertole lungo la direzione 90°-270°, ovvero

lungo una direzione ruotata di 90° rispetto alla direzione

di training.

Il secondo test ha avuto lo scopo di verificare il

ruolo dell’occhio parietale, il quale è stato coperto per

l’occasione con una vernice nera. Il test è consistito in

un solo lancio in assenza di piattaforme e in presenza di

luce polarizzata. I risultati hanno mostrato la completa

sparizione di qualsiasi direzione preferenziale di

orientamento. Da qui si deduce il ruolo fondamentale svolto

dall’occhio parietale nel processo di orientamento.

Il terzo ed ultimo test ha avuto lo scopo di

verificare l’assenza di qualsiasi altra bussola per

l’orientamento degli animali, al di fuori dell’e-vector

della luce polarizzata.

Questo test è chiamato “control test” ed è stato

condotto in assenza di lamina polarizzatrice 10, la quale è

stata semplicemente rimossa e l’intensità della luce è

stata abbassata per riportarla al livello della luce

polarizzata. I risultati dimostrano che in assenza di e-


10

vector la distribuzione dei vari percorsi è uniforme

rispetto alle varie direzioni.

Il gruppo 1 ha una elevata efficacia quando utilizzato

in luce bianca, la cui intensità può essere innalzata

ulteriormente impiegando una seconda coppia di lampade 13,

e permette di ottenere un buon profilo d’illuminamento

sulla vasca 14 senza che vi sia un sensibile calo di esso

alla sua periferia. Uno dei limiti di questo gruppo è

quello di non essere particolarmente adeguato ad

esperimenti in luce monocromatica, o in generale in luce di

diversi colori. Infatti, l’impiego di luce colorata deve

comportare necessariamente l’uso di filtri da porre tra

lampade e l’elemento polarizzatore 8.

Come può risultare immediato ad un tecnico del ramo,

l’utilizzo di filtri comporta svantaggi in termini di costo

dei filtri; mancanza di un filtro dalle specifiche

particolari; riduzione dell’intensità trasmessa dai filtri;

necessità di innalzare la potenza o il numero delle lampade

per avere più alti livelli d’intensità; possibili

surriscaldamenti dei filtri e loro danneggiamento;

possibili surriscaldamenti dell’ambiente di lavoro;

difficoltà nella regolazione combinata di spettro ed

intensità della luce incidente. Questi svantaggi, pur non

presentandosi necessariamente tutti insieme all’atto

pratico, possono però rappresentare una concreta


11

limitazione per l’esecuzione di esperimenti in luce

colorata. D’altronde gli esperimenti in luce spettralmente

selezionata sono la naturale continuazione di quelli

illustrati in luce bianca, e sono importanti per conoscere

la sensibilità spettrale delle lucertole ai fini del loro

orientamento nell’ambiente esterno.

In figura 2 è illustrato con 21 una seconda preferita

forma di realizzazione del gruppo per le sperimentazioni in

luce polarizzata oggetto della presente invenzione.

Le parti del gruppo 21 uguali al gruppo 1 di figura 1

saranno indicate con la medesima numerazione e non saranno

nuovamente descritte.

Come risulta da un confronto delle figure 1 e 2, nel

gruppo 21 il complesso costituito dalle lampade 13 e

dall’elemento di polarizzazione 10 del gruppo 1 è stato

sostituito da uno schermo a cristalli liquidi 22. Il gruppo

21 comprende, inoltre, una centralina di comando 23, nella

fattispecie un computer, collegata allo schermo a cristalli

liquidi 22.

Le limitazioni sopra elencate, vengono superate

dall’utilizzo come sorgente di luce estesa e polarizzata di

uno schermo a cristalli liquidi 22 per mezzo del quale, e

attraverso l’intermediazione della centralina di comando

23, è possibile effettuare tutte le possibili regolazioni

sulla luce emessa in termini di intensità di emissione in


12

W/m2, di profilo lungo una determinata direzione in W/m3 o

su una determinata area in W/m4, di colore ovvero di

spettro di emissione su una determinata banda spettrale in

W/m2µm, e di direzione azimutale del piano d’incidenza

corrispondente al piano di vibrazione del campo elettrico

(e-vector). Tutte le grandezze citate possono essere

controllate in maniera semplice e diretta attraverso la

gestione di un software standard per computer, nonché in

tempi brevissimi in considerazione del fatto che l’apparato

di illuminazione è costituito da un solo componente e che

quindi è richiesto soltanto il tempo necessario

all’introduzione dei comandi nel computer. Un ulteriore

vantaggio di questa soluzione sperimentale sta nel fatto

che la centralina di comando 23 può essere usata per

programmare una determinata sequenza di operazioni, cui

corrisponderà una determinata sequenza di stati di

emissione della luce, con l’ulteriore vantaggio di poter

effettuare in tempi brevi sequenze di esperimenti

programmati senza la necessità di interporre intervalli per

la impostazione di volta in volta delle nuove condizioni

d’illuminazione.

La programmazione delle sequenze d’illuminazione

predispone lo strumento a svolgere sequenze di

sperimentazione molto più complesse, in quanto, qualora

necessario, la sequenza delle illuminazioni potrà essere


13

associata ad altri tipi di operazioni a scelta

dell’operatore e che coinvolgano altri dispositivi, tutti

mantenuti sotto il controllo dello stesso programma

generale.


14

RIVENDICAZIONI

1. Gruppo (1; 21) per le sperimentazioni in luce

polarizzata, caratterizzato dal fatto di comprendere una

struttura di confinamento ottico (2) comprendente almeno

una parete laterale (3) e una parete di chiusura superiore

(4) opache, una sorgente di luce polarizzata (8; 22)

disposta in corrispondenza di una finestra (5) ricavata in

detta parete di chiusura superiore (4) e mezzi di

movimentazione (7) atti a variare il piano di

polarizzazione della luce proveniente da detta sorgente di

luce polarizzata (8; 22).


polarizzata secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal

fatto che detta finestra (5) è ricavata al centro di detta

parete di chiusura superiore (4).


polarizzata secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato

dal fatto di comprendere una telecamera (15) il cui

obiettivo è disposto ad affacciarsi all’interno della detta

struttura di confinamento (2).

4. Gruppo per le sperimentazioni in luce polarizzata

secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato

dal fatto che detti mezzi di movimentazione comprendono una

corona circolare (7) atta a ruotare a basso attrito e sulla

quale poggia detta sorgente di luce polarizzata (8; 22).


15

5. Gruppo (1) per le sperimentazioni in luce

polarizzata secondo una delle rivendicazioni precedenti,

caratterizzato dal fatto che detta sorgente di luce

polarizzata comprende una ottica di polarizzazione (8)

disposta in corrispondenza della detta finestra (5) ed atta

ad essere attraversata da una luce prodotta da almeno una

lampada (13).

6. Gruppo (1) per le sperimentazioni in luce

polarizzata secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal

fatto che detta ottica di polarizzazione (8) comprende una

lamina polarizzatrice (10) disposta tra una lastra di

ingresso (11) della luce realizzata in vetro smerigliato e

una lastra di uscita (12) della luce realizzata in vetro

liscio.

7. Gruppo (21) per la sperimentazione in luce

polarizzata secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4,

caratterizzato dal fatto che detta sorgente di luce

polarizzata comprende uno schermo a cristalli liquidi (22)

disposto in corrispondenza della detta finestra (5).

8. Gruppo (21) per la realizzazione in luce

polarizzata secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal

fatto di comprendere una centralina di comando (23)

connessa a detto schermo a cristalli liquidi per

impostargli le intensità rispettive dei tre livelli di

colore (rosso, giallo, blu).


16

9. Gruppo (1; 21) per la sperimentazione in luce

polarizzata secondo una delle rivendicazioni precedenti,

caratterizzato dal fatto di comprendere una vasca (14)

alloggiata all’interno della detta struttura di

confinamento ottico (2) e progettata per lo studio del

comportamento animale in funzione della luce polarizzata.

p.i.: AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE,

L'ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE (ENEA)

Cesare BOSMAN


17

TITOLO: “GRUPPO PER LE SPERIMENTAZIONI IN LUCE POLARIZZATA”

RIASSUNTO

Un Gruppo (1; 21) per le sperimentazioni in luce

polarizzata, composto da una struttura di confinamento

ottico (2) comprendente almeno una parete laterale (3) e

una parete di chiusura superiore (4) opache, da una

sorgente di luce polarizzata (8; 22) disposta in

corrispondenza di una finestra (5) ricavata nella parete di

chiusura superiore (4) e da mezzi di movimentazione (7)

atti a variare il piano di polarizzazione della luce

proveniente dalla sorgente di luce polarizzata (8; 22).

Figura principale: 1

gruppo per le sperimetazioni in luce polarizzata

Documents