Un cordiale saluto a tutti i followers di Nocsensei; questa condivisione ha richiesto mesi di ricerche, raccolta dati e acquisizioni specifiche di pezzi per completare la trattazione; si tratta quindi di un lavoro lungo e impegnativo che verrà articolato in alcune puntate e che ho voluto concretizzare per trattare finalmente in modo univoco e completo un argomento estremamente interessante e che costituisce un autentico turning point nello sviluppo dell’ottica fotografica per lunghe focali, ovvero l’introduzione e lo sviluppo degli obiettivi con lenti realizzate in fluorite cristallina: un topic noto alla maggioranza degli appassionati ma i cui precisi dettagli sono tuttora vaghi e frammentari.
Innanzitutto, vediamo la ragion d’essere di lenti realizzate molando cristalli di un minerale fragile e instabile, con tutte le complicazioni, i tempi e i costi del caso: elementi in fluorite, in realtà, sono stati impiegati fin dall’800 (!) in obiettivi per microscopio di alta gamma al fine di correggere l’aberrazione cromatica grazie alle specifiche uniche di tale materiale, un virtuosismo tecnico possibile già allora perché le lenti di quei minuscoli obiettivi erano di dimensioni ridottissime, pertanto si potevano ottenere lavorando piccoli cristalli di fluorite naturale perfettamente trasparenti ed uniformi, come fecero ad esempio Leitz Wetzlar e Carl Zeiss Jena sfruttando fluoriti provenienti dalle miniere tedesche.
Come esempio, questo interessantissimo brevetto di Leitz Wetzlar venne depositato l’otto Luglio 1949, era firmato da un team composto da Gotfried Ravizza, Karl Keiner e Walter Klein e descrive alcuni obiettivi per microscopio che utilizzavano proprio lenti in fluorite; infatti, osservando i dati grezzi di protetto che ho riportato a fianco delle sezioni, l’indice di rifrazione e il numero di Abbe relativo alla dispersione cromatica associati ad alcune lenti corrispondono a quelli di tali materiali cristallini; specificamente, i progettisti aggiunsero la finezza di utilizzare addirittura 2 tipi di fluorite differenti: infatti i primi 2 “embodiments”; più semplici ed economici, utilizzano il classico fluoruro di calcio, mentre gli altri 2, più complessi, sfruttano invece fluoruro di litio che, rispetto al precedente, prevede un indice di rifrazione inferiore (davvero ridottissimo, al di sotto di 1,4) e una dispersione cromatica ancora più contenuta, col numero di Abbe che sfiora quota 100.
Naturalmente questo exploit era possibile proprio per la minuscola sezione di tali lenti (visualizzate le dimensioni di un normale obiettivo per microscopio) che rendeva utilizzabile cristalli naturali.
Vediamo in che modo la fluorite, che è un fluoruro di calcio (CaF2) ben noto a mineralogisti e collezionisti del settore, risulti determinante nell’ambito della correzione ottica.
In qualsiasi sistema ottico costituito da lenti rifrangenti, cioè caratterizzate da un raggio di curvatura esterno che definisce un valore diottrico positivo o negativo, il vetro impiegato (per sua caratteristica intrinseca) prevede la cosiddetta dispersione: in pratica, attraversando la lente, tutte le lunghezze d’onda della luce bianca incidente (identificabili nel classico spettro dell’arcobaleno) vengono rifratte con un angolo leggermente differente, e per tale ragione ciascuna componente monocromatica va a fuoco sul piano focale a distanze differenti (aberrazione cromatica longitudinale), mentre nelle zone periferiche le componenti dell’immagine costituite dalle singole bande monocromatiche sono proiettate con scala leggermente differente (aberrazione cromatica laterale, o “chromatic aberration of the magnification”), creando frangiature cromatiche nei passaggi ad alto contrasto (i cosiddetti “fringings”) che penalizzano la nitidezza; siccome tali difetti sono proporzionali alla lunghezza focale, con i lunghi teleobiettivi diventano particolarmente evidenti e penalizzanti, richiedendo soluzioni.
La fluorite, qui illustrata con 2 bei campioni di grandi dimensioni, è un materiale cristallino con caratteristiche ottiche particolarmente favorevoli per risolvere i citati problemi: infatti il fluoruro di calcio prevede una dispersione cromatica eccezionalmente ridotta, permettendo quindi di minimizzare il difetto illustrato nella grafica precedente, e inoltre prevede anche una dispersione parziale anomala in certe bande dello spettro (più dispersione nel blu/violetto e meno dispersione nel verde/giallo/rosso) che, in combinazione con vetri ottici dalle opportune caratteristiche, consente una correzione praticamente perfetta dell’aberrazione cromatica e del cosiddetto “spettro secondario”.
Come si intuisce facilmente osservando i campioni, il vero problema nell’impiego della fluorite in ottica sta nell’impossibilità pratica di reperire in natura cristalli sufficientemente grandi, assolutamente trasparenti e perfettamente privi di impurità, inclusioni, faglie, cromatismi, aloni o aree opache che permettano di realizzare lenti con le specifiche richieste, senza contare che la fluorite è un solido ionico con le molecole disposte in filari con legami non molto forti, pertanto basta un piccolo urto, una violenta sollecitazione termica in fase di molatura o uno stress meccanico per creare fratture e separazioni nel cristallo, rendendolo inutilizzabile.
Per l’impiego negli obiettivi fotografici è stato quindi necessario sviluppare tecnologie per la crescita controllata di cristalli artificiali con dimensioni e purezza desiderate, inizialmente appannaggio di pochissime aziende.
Un’altra caratteristica particolare della fluorite è la sua trasparenza ad una gamma di frequenze della luce estremamente ampia: se consideriamo lo spettro visibile compreso fra i 400nm di lunghezza d’onda del violetto al confine dell’ultravioletto e i 700nm del rosso ai limiti dell’infrarosso, il fluoruro di calcio cristallino consente invece una buona trasmissione praticamente fra 130nm nell’ultravioletto ad onda cortissima e i 10.000nm dell’infrarosso profondo, permettendo quindi di realizzare anche obiettivi speciali per riprese tecniche e scientifiche in luce UV che sarebbero precluse a modelli con vetri tradizionali, incapaci di trasmettere frequenze così corte.
Iniziamo quindi a dipanare con ordine i vari tasselli di questa intrigante storia; dopo l’esperienza pionieristica con i minuscoli obiettivi da microscopio, nel Dopoguerra la fluorite è stata impiegata in obiettivi di maggiori dimensioni solo limitatamente a modelli molto speciali, spesso rimasti allo stadio di prototipo o prodotti in tiratura molto ridotta, come ad esempio l’obiettivo supergrandangolare per aerofotogrammetria su grandi formati GOI Orthogon-1 75mm 1:6,8 da 119°, disegnato dal GOI di Leningrad nel 1957 ispirandosi palesemente ai modelli Wild Aviogon di Ludwig Bertele; quest’obiettivo si caratterizzava proprio per la terza lente realizzata in fluorite, sebbene in Unione Sovietica abbiano preferito utilizzare fluoruro di litio (LiF) in luogo del fluoruro di calcio, ben più noto e successivamente sfruttato in tale settore, probabilmente perché lo ottenevano più facilmente per via chimica facendo reagire idrossido di litio con fluoruro d’idrogeno; si trattò comunque sempre di un utilizzo relegato a modelli altamente specialistici, inaccessibili e inutili per il fotografo convenzionale, e realizzati in quantità irrisorie.
La prima azienda in assoluto ad applicare lenti in fluorite in obiettivi destinati alle convenzionali fotocamere 24x36mm è stata la Asahi Kogaku, e proprio concependo ottiche speciali per ripresa multispettrale specialmente nel campo UV, come già descritto.
Infatti il primo obiettivo messo a listino nel corredo di una normale fotocamera fu questo particolarissimo Quartz-Takumar 85mm 1:3,5, un modello progettato nel 1962 e lanciato nel 1963 che costituisce l’antequem della categoria; quest’ottica, prodotta in tiratura limitatissima probabilmente anche per le difficoltà incontrate a quel tempo nel reperire i materiali necessari, utilizzava lenti costituite esclusivamente in fluorite e quarzo, ed era nato per riprese in banda ultravioletta fino a 250nm di lunghezza d’onda, frequenza molto corta preclusa ai vetri ottici.
L’obiettivo era progettato per operare principalmente in 2 bande dell’ultravioletto: a onda corta (253,7nm) e a onda più lunga (365nm) e venivano forniti a corredo 4 filtri corrispondenti, 2 per la messa a fuoco preliminare e 2 per la ripresa a tali frequenze.
L’immagine mostra chiaramente la coppia di filtri per una corretta messa a fuoco sfruttando la luce bianca convenzionale e la corrispondente coppia da applicare in sostituzione dei filtri precedenti per l’esposizione; va anche considerato che sull’ottica è presente un’ulteriore ghiera con complesse scale per effettuare una regolazione supplementare, necessaria per trovare a fuoco il soggetto ripreso in luce UV, tutti dettagli che rendevano molto macchinoso l’utilizzo di questo primissimo modello.
Il gruppo ottico di quest’obiettivo venne disegnato nel 1962 da Yasuo Takahashi, uno dei progettisti Asahi più famosi che ha firmato molti e famosi obiettivi Takumar e Pentax; come si può osservare, l’obiettivo prevede la seconda e quarta lente in fluorite mentre la prima e la terza sono in quarzo, 2 materiali che trasmettono molto bene nella banda ultravioletta ad onda corta, e lo schema di base si rifà ad un classico tripletto di Cooke al quale è stata aggiunta una quarta lente frontale fortemente divergente, una struttura che si ritrova invariabilmente in questa tipologia di obiettivi perché entrambi i materiali prevedono un indice di rifrazione molto ridotto e dispersione comunque contenuta, quindi diviene più difficile soddisfare tutte le condizioni richieste per correggere le aberrazioni; in ogni caso quest’obiettivo è il primo esemplare per impiego fotografico su tradizionali corredi 35mm ad utilizzare lenti in fluorite (ringrazio il caro amico Dr. Klaus Schmitt per le immagini del rarissimo obiettivo).
In questo specifico ambito, è noto che Nippon Kogaku si è sempre appoggiata preferibilmente a vetri ED a bassissima dispersione ma comunque tradizionali, approdando alla fluorite solo in tempi molto recenti, tuttavia il secondo obiettivo in ordine cronologico a fare la sua comparsa e prevedere una lente in fluorite venne creato proprio da tale azienda, che lo progettò nel 1964.
Infatti negli anni ’60 venne sviluppata una speciale gamma di obiettivi Ultra-Micro-Nikkor che servivano per microlitografia, cioè come stadio di riduzione finale ad altissima risolvenza per proiettare sul wafer di silicio le maschere dei microchips durante la loro produzione; in questo ambito la Nippon Kogaku mise a disposizione lo specialissimo Ultra-Micro-Nikkor 30mm 1:1,2 (in realtà noto come 29,5mm 1:1,2 per la sua focale effettiva), un obiettivo che inquadrava un modello 5x5cm con le tracce da riportare sul microchip che già precedevano dettagli da 0,02mm (50 l/mm) e lo proiettava riducendolo 25 volte su un wafer di piccolissime dimensioni (il cerchio di copertura posteriore dell’obiettivo prevedeva un diametro di appena 2mm); un rapido calcolo fa quindi capire che per mantenere la leggibilità delle piste sulla proiezione finale rimpicciolita 25 volte l’obiettivo doveva offrire una risolvenza di circa 50 x 25 = 1.250 l/mm, valore stratosferico ottenuto sia prevedendo un’illuminazione in banda luminosa monocromatica con tolleranza molto ristretta sia operando alla grande apertura 1:1,2 per contrastare la diffrazione.
Quest’obiettivo all’epoca definì nuovi record di risoluzione e divenne famoso come simbolo stesso del know-how Nippon Kogaku nel settore dell’ottica.
Questo speciale obiettivo, che alla coniugata 0,04x prevista copriva appena 6 gradi con 2mm di diagonale immagine, venne calcolato da Akira Yasuda e la richiesta del relativo brevetto prioritario venne depositata in Giappone il 4 Settembre 1964.
Osservando i dati grezzi di progetto, e in particolare i valori rifrattivi e dispersivi dei materiali utilizzati per le lenti, si nota subito come il penultimo elemento preveda un indice di rifrazione 1,43 e un numero di Abbe relativo alla dispersione cromatica prossimo a 95, valori caratteristici della fluorite; pertanto questo speciale Ultra-Micro-Nikkor rientra nel novero degli obiettivi pionieristici che adottarono elementi il fluorite cristallina nel loro sistema ottico.
Prendendo in esame la rara sezione quotata si osserva quanto tale modello fosse specialistico: infatti lo spazio retrofocale utile fra il vertice dell’ultima lente e il piano focale è appena 3,79mm, e come detto il cerchio immagine coperto misura appena 2mm; nella parte anteriore troviamo invece conferma del ridotto angolo di campo, appena 6°, e infatti la matrice originale da 5x5cm veniva inquadrata ad una distanza di 59,22mm dall’asse della lente anteriore.
Nel frattempo alla Asahi Kogaku di Tokyo stavano evolvendo il concetto del Quartz-Takumar 85mm 1:3,5; infatti questo modello era ancora primordiale e da un lato era stato sviluppato per operare principalmente nella banda UV dello spettro, mentre dall’altro richiedeva comunque una prassi e una correzione sulla specifica ghiera piuttosto complesse; pertanto lo stesso progettista di tale obiettivo, Yasuo Takahashi, mise a punto uno schema evoluto che rendesse il modello più versatile e fruibile, completando il proprio lavoro all’inizio del 1965.
Quest’obiettivo venne commercializzato come Ultra-Achromatic-Takumar 85mm 1:4,5 e fu disponibile soltanto nel 1968, uno iato temporale rispetto al brevetto che sottolinea le difficoltà incontrate nell’industrializzazione del progetto con lenti realizzate solamente in fluorite e quarzo; questo modello, tuttavia, pur rinunciando all’apertura massima più favorevole del predecessore consentiva una copertura spettrale molto più ampia e non richiedeva più l’applicazione di speciali filtri per la messa a fuoco in luce visibile.
Infatti il nuovo obiettivo, che evolveva lo schema precedente aggiungendo un quinto elemento convergente in fluorite dietro la lente frontale negativa in quarzo, garantiva una copertura spettrale completa e senza spostamenti di fuoco dall’ultravioletto ad onda corta a 220nm fino all’infrarosso a 1000nm, coprendo quindi questi 2 estremi e anche tutta la banda della luce visibile da 400nm a 700nm; l’Ultra-Achromatic-Takumar 85mm 1:4,5 era quindi uno strumento eccezionalmente versatile per gli specialisti in settori come l’indagine criminale, l’autenticazione e restauro di opere d’arte o l’identificazione di falsi e artefatti, e la favorevole messa a fuoco minima fino a 0,6m agevolava operando con soggetti di piccole dimensioni.
Il nuovo obiettivo, che offriva anche il diaframma a chiusura e riapertura automatiche, consentiva di focheggiare in luce visibile anche operando poi nella banda UV o IR, ed era necessario solamente applicare il filtro selettivo dedicato al campo spettrale utilizzato subito prima di scattare; a tale scopo, considerando l’ampia copertura di banda ammessa dall’obiettivo, a corredo erano forniti 5 filtri: per UV ad onda corta a 253,7nm e ad onda lunga a 365nm (filtri interferenziali a passaggio di banda ristretto, selettivo), R62B per IR, R68B per IR e 862nm per IR (quest’ultimo nuovamente interferenziale a passaggio di banda ristretto).
Come nota, i filtri per l’UV ad onda corta erano realizzati con uno speciale materiale che nel corso dei decenni si è deteriorato, rendendo nel tempo la maggioranza degli esemplari inutilizzabile.
Analizzando il brevetto di Yasuo Takahashi possiamo osservare lo schema a 5 lenti, derivato da quello a 4 lenti del Quartz-Takumar 85mm f/4,5 che utilizzava un tripletto posteriore con quarta lente frontale fortemente divergente: in questo caso a tale schema risulta aggiunta una lente positiva in seconda posizione, e scorrendo la tabella con i dati grezzi del nuovo modello notiamo come tutte le lenti convergenti (L2, L3 ed L5) prevedano i caratteristici valori rifrattivi e dispersivi della fluorite, pertanto quest’obiettivo impiegava 3 lenti realizzate in tale materiale, mentre quelle divergenti sono in quarzo.
Si potrebbe obiettare che gli obiettivi citati finora prevedono lenti in fluorite ma sono abbastanza lontani, nell’impiego pratico, dalla fotografia convenzionale e dai classici teleobiettivi che storicamente hanno impiegato elementi in tale materiale; tuttavia proprio nel contesto storico dell’obiettivo appena descritto i tempi erano finalmente maturi per il grande salto.
Infatti proprio nel 1968 la Asahi Kogaku non commercializzò solamente l’Ultra-Achromatic Takumar 85mm 1:4,5 ma, simultaneamente, mise anche a disposizione della clientela l’Ultra-Achromatic-Takumar 300mm 1:5,6, un teleobiettivo in attacco M42x1mm destinato al proprio sistema Pentax Spotmatic e a sua volta caratterizzato da 2 grandi lenti anteriori in fluorite che garantivano una correzione spettrale senza spostamenti di fuoco per tutto lo spettro visibile e anche nell’infrarosso fino a 850nm, un modello quindi concepito per ottenere immagini di eccellente nitidezza sia in luce visibile che scattando in IR.
Pertanto, grazie ad Asahi, in quello scorcio del 1968 la fluorite si affacciava finalmente in teleobiettivi di pretto impiego fotografico e non soltanto in strumenti altamente specialistici; come nota, occorre aggiungere che di entrambi questi modelli venne prodotto un numero di esemplari molto limitato, e la ragione principale era il prezzo, realmente astronomico e probabilmente legato all’acquisizione di quegli esoterici materiali: infatti l’Ultra-Achromatic Takumar 85mm 1:4,5 con la sua dotazione di filtri nel 1968 costava negli U.S.A. 1.250 Dollari, e il fratellone da 300mm 1:5,6 addirittura 1.450 Dollari; come riferimento, in quello stesso anno negli States si poteva acquistare una prestigiosa autovettura sportiva Chevrolet Corvette convertibile con motore V8 da 327ci (5.400cm3) per 4.320 Dollari, e al cambio attuale il listino dei 2 obiettivi corrisponderebbe rispettivamente a 10.998 Dollari e 12.677 Dollari…
Nonostante la penetrazione commerciale irrisoria, l’UA-Takumar 300mm 1:5,6 fu comunque un modello molto significativo dal punto di vista tecnico perché sdoganava il concetto di modello al top di gamma dalle prestazioni superiori e destinato al perfezionista incontentabile e disposto a pagare a caro prezzo il plus prestazionale offerto, anche se nelle intenzioni Asahi questo 300mm rimaneva più un’ottica per impieghi speciali e tecnici nella banda IR che un tele per foto supernitide convenzionali.
Come si può osservare, l’UA-Takumar 300mm 1:5,6 (UA è l’abbreviazione universalmente utilizzata) utilizzava uno schema ottico da teleobiettivo abbastanza convenzionale, e nonostante i proclami Asahi sulla sua compattezza resa possibile dalle lenti in fluorite si nota subito lo spazio retrofocale da ben 108mm imposto da tale configurazione, una quota fissa che ha imposto di allungare il barilotto fino a quasi 23cm dalla battuta della flangia.
E’ interessante osservare in questo documento d’epoca come la copertura spettrale, inizialmente dichiarata da 400nm a 850nm, sia stata ampliata verso l’ultravioletto fino a 320nm; in realtà non credo che per tale frequenza estrema l’obiettivo mantenga la correzione di fuoco delle altre bande, forse l’indicazione risulta equivoca e voleva solo definire il limite della “trasparenza” del sistema verso le frequenze più corte… In ogni caso questo non era un obiettivo pensato per riprese tecniche in UV ma per foto di paesaggio a grande distanza con materiali e filtri IR per compensare la foschia, e infatti la stessa Asahi conferma la disponibilità di filtri rosso scuro R62, R66 e R68 destinati a tale impiego e compatibili con l’attacco del 300mm.
Continua lunedì prossimo con la seconda parte.
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