Planeità degli obiettivi e relativa ottimizzazione

Un cordiale saluto a tutti i followers di NOCSENSEI; le esigenze della fotografia a distanza ravvicinata sono differenti da quelle che informano le riprese tradizionali, e questo discrimine impone anche una progettazione ad hoc dei relativi obiettivi per assecondare tali priorità; nelle ottiche per coniugate brevi, denominate genericamente “macro”, i costruttori solitamente dichiarano la specifica attenzione per una resa ottimale in tale campo di messa a fuoco, tuttavia se per soggetti tridimensionali circoscritti e con area a fuoco limitata alla zona centrale una residua curvatura di campo nell’immagine può essere tollerata, ben diverso è il discorso quando dobbiamo riprodurre soggetti assolutamente piani e bidimensionali come documenti, incisioni, quadri, lastre con fossili e simili: in questo caso è vitale che l’obiettivo preveda un’adeguata planeità nella coniugata anteriore, mettendo a fuoco simultaneamente ogni area del soggetto sullo stesso piano.

Vediamo alcuni esempi pratici.

 

 

Questa immagine è stata realizzata ad un rapporto di riproduzione abbastanza elevato con un obiettivo privo di flottaggi di compensazione alle lenti ed ottimizzato ad ingrandimenti meno spinti; è quindi teoricamente presente una certa curvatura del campo ripreso, tuttavia l’insetto si trova nella porzione centrale e le zone marginali sono prive di importanza e sarebbero comunque fuori fuoco anche in assenza di tale curvatura; in queste macrofotografie generiche a soggetti tridimensionali è quindi più importante l’assenza di coma e buoni livelli di risoluzione e contrasto (tenendo comunque conto che sono penalizzati dalla diffrazione con chiusura eccessiva del diaframma) e una certa curvatura di campo dovuta alle variazioni di tiraggio meccanico per conseguire il relativo ingrandimento possono essere tollerate.

 

 

In questo secondo esempio, ripreso all’incirca al rapporto di riproduzione 1:5, il discorso cambia radicalmente perché il soggetto è bidimensionale ed è necessario che l’obiettivo utilizzato preveda un perfetto spianamento di campo per tenerlo a fuoco in ogni area, da centro a bordi; in questo caso è stato impiegata un’ottica ottimizzata in tale range di ingrandimenti e il risultato è perfettamente soddisfacente.

 

 

Simulando la ripresa con un obiettivo che a tale rapporto di riproduzione introduca una evidente curvatura di campo avremmo invece un’immagine molto meno gratificante, con le zone periferiche che progressivamente vanno fuori fuoco producendo un risultato inaccettabile.

Lavorando con soggetti di piccole dimensioni e perfettamente piani è quindi necessario che l’obiettivo sia calcolato e ottimizzato in modo tale da garantire la necessaria planeità all’ingrandimento necessario; i lettori esperti potranno immediatamente obiettare che da tempo esistono obiettivi flottanti, ovvero con alcune lenti o moduli dello schema ottico che si spostano leggermente durante la messa a fuoco per ottimizzare le aberrazioni a tutte le distanze di ripresa, da infinito a quelle più ravvicinate, tuttavia tale miglioria indubbiamente importante non è in grado di garantire un campo di ripresa perfettamente piatto in ogni condizione ma semplicemente limita le fluttuazioni della curvatura di campo ai 2 estremi della distanza alla quale è stata finalizzata la correzione base dello schema; anche in questo caso procediamo con un esempio sfruttando interessanti diagrammi realizzati da Editrice Progresso nel 1981.

 

 

Per comprendere prendiamo in considerazione un obiettivo normale con schema ottico rigido (privo di flottaggi) ed ottimizzato a infinito come il Nikon Nikkor 50mm 1:1,8, un obiettivo macro ottimizzato al rapporto di riproduzione 1:10 con schema rigido come il Nikon Micro-Nikkor 55mm 1:3,5 e infine un obiettivo macro ottimizzato al rapporto di riproduzione 1:10 e con schema flottante come il successivo Micro-Nikkor 55mm 1:2,8; l’ottimizzazione con planeità ottimale ad 1:10 di questi macro è per un soggetto da 240x360mm e ora andremo ad analizzare il comportamento dei 3 esemplari relativamente alla curvatura di campo in configurazione di infinito, al rapporto di riproduzione 1:6,5 (corrispondente alla distanza di messa a fuoco minima consentita dal Nikkor 50mm 1:1,8, con soggetto da 156x234mm) e al rapporto 1:2 (massimo ingrandimento raggiunto dall’elicoide dei 2 Micro-Nikkor da 55mm e raggiunto dal Nikkor 50mm 1:1,8 con l’aggiunta di prolunghe, con soggetto da 48x72mm).

 

 

Osservando il comportamento di infinito, si osserva come il 50mm 1:1,8 preveda una perfetta planeità di campo, cosa prevedibile in un normale per uso generico, mentre nei 2 Micro-Nikkor da 55mm il fabbricante ha volutamente introdotto una curvatura di campo antagonista di quella riscontrabile a distanze brevi, in modo da limitarne il valore assoluto ai massimi ingrandimenti e definire anche un “passaggio a zero” a coniugate intermedie e ravvicinate; passando alla distanza di 0,45m (rapporto 1:6,5), nonostante i 2 macro esordissero ad infinito con una curvatura di senso contrario e la versione 1:2,8 preveda anche il sistema flottante Nikon CRC, la curvatura di campo e il residuo di astigmatismo periferico (le due curve sagittale e tangenziale che si biforcano su piani diversi) risultano sorprendentemente simili in tutti gli esemplari; passando infine ad 1:2, il normale per uso convenzionale esibisce finalmente una curvatura di campo più accentuata, tuttavia anche i due 55mm macro ne sono ampiamente afflitti e, soprattutto, il 55mm 1:2,8 con flottaggio produce risultati non molto dissimili, al punto che il vantaggio del flottaggio CRC sembra essere stato soprattutto quello di poter limitare la curvatura di campo a infinito, a parità di comportamento a coniugate brevi, per migliorare la resa a tali distanze nell’uso generico.

Pertanto, nel caso di riproduzioni critiche a soggetti piani, anche le ottiche macro flottanti non possono fare miracoli; naturalmente si può obiettare che la chiusura del diaframma a valori minimi potrebbe compensare tale curvatura con la profondità di campo, tuttavia la diffrazione a coniugate brevi ha un effetto più pesante rispetto ad infinito e questa scelta porterebbe ad un drastico ed evidente calo di risoluzione nell’immagine, parimenti inaccettabile; per risultati senza compromessi è quindi necessario cercare ed utilizzare obiettivi il cui sweet spot di massima ottimizzazione e planeità sia stato previsto dal fabbricante proprio nell’intervallo di ingrandimenti necessari per le nostre immagini.

Vediamo ora come in 2 famosi ed eccellenti obiettivi macro tedeschi le scelte a priori sull’ottimizzazione della planeità di campo a differenti distanze porti a risultati radicalmente divergenti quando il soggetto è perfettamente piano come le mire per le misurazioni MTF.

 

 

Il primo esemplare è il famoso Carl Zeiss S-Planar (poi Makro-Planar) 60mm 1:2,8 per Contax-Yashica, calcolato da Erhard Glatzel evolvendolo dall’S-Planar 50mm 1:4 per Contarex del 1963 e prodotto sia in versione con elicoide esteso e fuoco fino ad 1:1 sia in configurazione compatta con fuoco limitato ad 1:2; in questo caso prendiamo in considerazione il primo tipo.

 

 

L’altro esemplare è l’altrettanto celebre Leitz Macro-Elmarit-R 60mm 1:2,8 per Leicaflex e Leica R, calcolato a fine anni ’60 e introdotto a inizio anni ’70; venne prodotto in 2 differenti configurazioni meccaniche e prevedeva un apposito tubo di prolunga per incrementare l’ingrandimento massimo da 1:2 ad 1:1.

Premetto che i progettisti dei 2 obiettivi hanno scelto di ottimizzare la planeità a distanze differenti e osserveremo il loro comportamento grazie a misurazioni eseguite direttamente in seno alla Zeiss di Oberkochen dal fu Dr. Hubert Nasse.

 

 

Osserviamo le misurazioni MTF (trasferimento di modulazione del contrasto) realizzate col classico standard Zeiss a 10, 20 e 40 cicli/mm in lettura sagittale e tangenziale (mire parallele e perpendicolari alla semidiagonale di campo che si origina dal centro, indicate dalle curve continua e tratteggiata) e con aperture 1:2,8 e 1:5,6 in configurazione di infinito: l’obiettivo Zeiss rivela un più consistente degrado verso i bordi, con le 2 curve che si separano maggiormente rispetto al modello Leitz che invece ha un comportamento impeccabile, con curve elevate e maggiore uniformità fino ai bordi; questo comportamento si giustifica con la presenza di curvatura di campo nell’ottica Zeiss, mentre il Marco-Elmarit-R sembra più ottimizzato come un normale convenzionale, concretizzando la planeità su infinito.

Per comprendere in modo più approfondito come si comportano i 2 obiettivi a infinito utilizzeremo altri 2 diagrammi creati dal Dr. Hubert Nasse che vanno a monitorare il degrado dell’MTF ad infinito ed apertura 1:5,6 partendo dal piano di massima messa a fuoco e spostandoci davanti e dietro al medesimo, visualizzandone quindi il trasferimento di contrasto in modo “tridimensionale”, nella profondità.

 

 

La linea gialla definisce il piano di messa a fuoco ottimale, a sinistra abbiamo il relativo spazio oltre tale piano, verso infinito, e a destra quello anteposto, in direzione della fotocamera, mentre la curva nera indica l’MTF con 20 cicli/mm di frequenza spaziale al centro dell’immagine e le curve rossa e blu lo stesso valore verso i bordi, a 15mm sulla diagonale dal centro, con letture in orientamento sagittale e tangenziale.

Questo diagramma mostra come l’S-Planar 60mm 1:2,8 usato ad infinito con apertura 1:5,6 riveli una evidente curvatura di campo, dal momento che il picco della curva nera (il centro dell’immagine) tende a coincidere col piano di fuoco, mentre i valori più elevati raggiunti dalle curve relative ai bordi si trovano su un altro piano, più distante rispetto al centro, mentre sul piano di fuoco effettivo tali curve presentano valori decisamente inferiori perché le zone non sono a fuoco, e questo spiega il flesso ai bordi nelle letture MTF di infinito; la giacitura dei bordi su un piano di fuoco più lontano rispetto al centro produce a infinito una curvatura di campo negativa che poi si andrà progressivamente ad annullare focheggiando a distanze più brevi, raggiungendo ad un certo punto un valore zero di correzione perfetta.

 

 

Se invece analizziamo lo stesso diagramma per il Leitz Macro-Elmarit-R, notiamo subito che a infinito e con apertura 1:5,6 la posizione del massimo trasferimento di contrasto nelle varie zone del campo tende a coincidere sullo stesso piano di fuoco, definendo quindi un’ottima correzione di curvatura di campo e astigmatismo; questo rivela come l’obiettivo sia stato effettivamente ottimizzato su infinito, condizione di utilizzo che garantisce valori di risoluzione e contrasto effettivamente ottimali su tutto il campo e analoghi a quelli di un eccellente 50mm convenzionale, accettando poi un progressivo degrado a distanze brevi contando sul fatto che nella maggioranza dei casi sarebbe stato utilizzato con soggetti tridimensionali e centrali, con i quali un’eventuale insorgenza di curvatura di campo sarebbe meno avvertibile.

Ad infinito abbiamo quindi curvatura di campo negativa con l’S-Planar e ottimo spianamento con il Macro-Elmarit-R; dal momento che entrambi non prevedono flottaggi al sistema ottico, vediamo come cambia il comportamento passando da infinito al rapporto di riproduzione 1:10 (soggetto di 240x360mm), al quale l’ottica Zeiss è dichiaratamente ottimizzato.

 

 

In questo caso, nonostante una variazione di tiraggio rispetto ad infinito decisamente modesta, la situazione si capovolge è l’S-Planar 60mm 1:2,8 mostra valori molto elevati, uniformi e con assenza di astigmatismo (coppie di curve coincidenti) sia ad 1:2,8 che ad 1:5,6, con un trasferimento di contrasto eccellente che permetterebbe risultati professionali già a tutta apertura ed impeccabili ad 1:5,6 anche con soggetti assolutamente piani come la mira MTF utilizzata per questi diagrammi; l’S-Planar è quindi un obiettivo molto adatto per riproduzioni critiche di originali piani in formato A3 ed A4, dal momento che il rapporto 1:10 al quale garantisce una planeità praticamente perfetta si trova all’interno di questo intervallo.

Viceversa, il Macro-Elmarit-R ad 1:10 presenta valori ancora abbastanza omogenei ma decisamente inferiori rispetto ad infinito, e l’asse del fotogramma che non migliora minimamente chiudendo da 1:2,8 ad 1:5,6 tradisce anche l’insorgenza di un certo focus-shift che sposta il piano di fuoco alla chiusura del diaframma (effetto che normalmente tende ad aumentare in tutti gli obiettivi a distanze più ravvicinate e in questo caso abbastanza evidente); siamo ancora in presenza di un ottimo obiettivo ma a 1:10 l’S-Planar fa pagare la sua specifica ottimizzazione a tale coniugata e risulta decisamente preferibile per soggetti bidimensionali.

Per comprendere quanto sia critica la perfetta ottimizzazione di planeità di campo e aberrazioni a distanze brevi possiamo analizzare i diagrammi MTF dell’S-Planar 60mm 1:2,8 misurati non solo ad infinito e rapporto 1:10 ma anche a distanze decisamente più brevi come 1:2 e 1:1, valori permessi dal lungo elicoide dell’obiettivo.

 

 

Se osserviamo le 4 letture in sequenza possiamo facilmente notare uno schema, con i bordi più scarsi a infinito che diventano perfetti a 1:10 e poi riprendono nuovamente a peggiorare e a differenziarsi dal centro quando il tiraggio aumenta ulteriormente passando ad 1:2 ed 1:1, condizione in cui, nuovamente, non è più possibile riprodurre un originale piano di piccole dimensioni come un francobollo mantenendo a fuoco tutto il campo; l’ottimizzazione assoluta ad una coniugata ben precisa circoscrive quindi ad essa la massima planeità disponibile.

Alcuni famosi obiettivi macro Zeiss sono un esempio paradigmatico di questa ottimizzazione molto specifica ad una determinata coniugata in schemi ottici rigidi e senza flottaggio; vediamo 2 ulteriori esempi.

 

 

Nel corredo Contax-Yashica venne introdotto anche un S-Planar 100mm1:4 in montatura corta senza elicoide e di fuoco e previsto per l’utilizzo col relativo soffietto di prolunga Contax, sfruttando le sue variazioni di tiraggio per passare da infinito ad 1:1; in questo caso la copertura dell’obiettivo eccede il 24x36mm (notate la semidiagonale da 30mm quando 21,6mm sarebbero sufficienti) e questa esuberanza è stata concepita per utilizzare l’obiettivo sfruttando i basculaggi del soffietto Contax per incrementare la profondità di campo, secondo la regola di Scheimpflug ben nota a chi utilizza fotocamere di grande formato a corpi mobili.

Questo S-Planar 100mm 1:4 prevede a sua volta uno schema rigido ed è stato ottimizzato al rapporto di riproduzione 1:4 (soggetto da 96x144mm), presentando un comportamento sovrapponibile a quello del fratellino da 60mm: infatti ad infinito a valori molto elevati al centro fa da contraltare un vistoso flesso ai bordi dovuti ad una marcata curvatura di campo negativa, poi l’aumento del tiraggio introduce una curvatura di senso opposto che la compensa progressivamente portando ad una perfetta planeità ad 1:4 con valori assolutamente omogenei (ricordo che le zone da 21,6mm a 30mm di semidiagonale in condizioni normali non sono inquadrate nel 24x36mm) e, infine, arrivando ad 1:1 l’ulteriore incremento di tiraggio porta ancora ad una vistosa curvatura, questa volta di segno positivo, che genera nuovamente un consistente divario centro-bordi con soggetti piani.

 

 

Un discorso analogo vale anche per il Carl Zeiss S-Planar 120mm 1:5,6 per formato 6x6cm, prodotto con barilotto per Hasseblad e Rolleiflex e anche, più raramente, in montatura semplice per retrocamera come nel caso di questi esemplari.

 

 

Nell’S-Planar 120mm 1:5,6 il progettista ha ottimizzato la sua struttura tipo Doppio Gauss simmetrico al rapporto di riproduzione 1:5 (ovviamente riferito al formato 6x6cm), e in presenza di uno schema rigido il comportamento replica nuovamente quanto visto in precedenza: ad infinito la resa è buona al centro (i valori MTF per un obiettivo che copre il medio formato sono logicamente inferiori) ma i bordi degradano bruscamente per curvatura di campo negativa, al punto che la riproduzione delle mire con orientamento tangenziale (perpendicolare alla semidiagonale) con 40 cicli/mm già a metà campo prevede un MTF pari a zero perché la frequenza spaziale risulta troppo selettiva, e anche chiudendo di 2 stop ad 1:11 la profondità di campo può fare poco.

Aumentando invece il tiraggio fino al rapporto 1:5 (inquadrando quindi sul fotogramma effettivo un soggetto di circa 280x280mm) i risultati su mire piane migliorano drasticamente e all’apertura 1:8 i valori sono eccellenti ed uniformi, con totale assenza di astigmatismo e curvatura di campo, e anche la distorsione si ottimizza, risultando praticamente pari a zero; a volte molti anni fa, stampando negativi 6x6cm Hasselblad sul formato 30x30cm, ho preferito utilizzare come ottica da ingrandimento proprio un Carl Zeiss S-Planar 120mm 1:5,6 da retrocamera in luogo dei soliti Rodagon, Componon-S o Neonon, con risultati effettivamente impeccabili.

L’S-Planar 120mm 1:5,6 è quindi uno strumento perfetto per riprodurre sul 6x6cm soggetti perfettamente piani da circa 30x30cm e vista la sua anzianità di progetto è probabilmente l’unico a condividere la concezione senza compromessi dell’S-Planar Contarex 50mm 1:4, talmente ottimizzato al formato A4 che addirittura l’elicoide non prevedeva nemmeno la posizione di infinito per non consentire fisicamente l’accesso a distanze con correzione non ottimale, mentre in successivi modelli come il Makro-Planar 120mm 1:4 per 6x6cm e l’S-Planar 60mm 1:2,8 per 24x36mm Glatzel spostò lo sweet spot di massima planeità su distanze superiori per garantire un infinito più sfruttabile.

Queste considerazioni ci fanno comprendere come per riprodurre un originale bidimensionale con la massima qualità possibile, ivi compresa una perfetta messa a fuoco in ogni zona del campo, sia necessario conoscere bene le caratteristiche delle ottiche macro che si usano e scegliere un determinato modello quando il rapporto di riproduzione al quale è stato ottimizzato coincide con le dimensioni del soggetto; vediamo nuovamente alcuni esempi.

 

 

L’Olympus OM Zuiko Macro 135mm 1:4,5 bellows è un obiettivo in montatura corta nato per l’utilizzo sul tubo di prolunga OM ad allungamento variabile 65-116mm o il soffietto OM; sebbene possa focheggiare anche ad infinito il suo campo di utilizzo preferenziale è fra 1:10 ed 1:2, con ottimizzazione ad 1:5; dovendo riprodurre una lastra con alcuni fossili le cui dimensioni richiedevano tale ingrandimento ho provveduto a fotografarla con quest’obiettivo, limitando la chiusura ad 1:5,6-8 per non incorrere nella diffrazione e contando sulla planeità di campo a tale coniugata per tenere tutto a fuoco.

 

 

Questa è l’immagine ottenuta, e a prima vista ogni zona della lastra sembra correttamente a fuoco, dettaglio che possiamo verificare osservando 2 crops ingranditi dei soggetti.

 

 

Come si può notare la messa a fuoco è perfetta in entrambe le zone prese in considerazione, sebbene distanti fra loro, a conferma che la planeità dell’obiettivo al rapporto 1:5 è adeguata.

 

 

Per rapporti nell’intorno di 1:1 utilizzo invece spesso l’Olympus OM Zuiko 1:1 Macro 80mm 1:4, obiettivo specificamente calcolato per riproduzione ad ingrandimento unitario di soggetti bidimensionali (duplicazione di negativi e diapositive 24x36mm) e suggerito come scelta preferenziale nell’intervallo compreso fra 1:2 e 2:1 proprio in virtù della sua planeità.

 

 

Questo piccolo pesce fossile del Cretaceo inferiore brasiliano è stato riprodotto con l’80mm 1:4 Macro Zuiko ad un rapporto di riproduzione di circa 1:1,5 e con apertura di appena 1:5,6 + 1/3, sfruttando la sua ottima planeità a queste coniugate per lavorare al diaframma ottimale senza incorrere nella diffrazione, e il soggetto risulta perfettamente nitido e tutto a fuoco nonostante l’apertura di diaframma modesta che chiama in causa una profondità di campo molto limitata; con un obiettivo meno specializzato la curvatura di campo avrebbe imposto una maggiore chiusura, con netto detrimento risolutivo per diffrazione.

 

 

In questo esempio un soggetto analogo al precedente (e guarnito con dendriti di ossido di manganese prodotti durante lunga diagenesi) è stato fotografato con l’OM Zuiko 1:1 Macro 80mm 1:4 allo stesso rapporto di riproduzione, circa 1:1,5 e sempre con apertura 1:5,6 + 1/3; il soggetto presenta una nitidezza ottimale e quasi innaturale fino ai bordi, a riprova della planeità di campo garantita dall’obiettivo a queste distanze; in questo caso ho selezionato 2 zone dell’immagine, una centrale e l’altra ai bordi, per osservare al 100% la resa disponibile.

 

 

Il crop al 100% centrale è correttamente nitido, nonostante il rapporto di riproduzione già abbastanza importante, e si può considerare soddisfacente.

 

 

Anche il ritaglio ai bordi presenta un dettaglio adeguato, confermando la logica di scegliere ottiche ottimizzate ai rapporti necessari quando si riproducono originali piani.

Se è quindi vero che, in senso generale, tutte le ottiche macro sono buone, quando la macrofotografia generica e ludica lascia il campo alla riproduzione di originali piani le esigenze di ripresa diventano decisamente più severe e per risultati impeccabili, sia per planeità che per risolvenza grazie alla minore necessità di diaframmare, è bene considerare attentamente l’obiettivo che si utilizza e sceglierlo in base alle specifiche caratteristiche di progetto.

Un abbraccio a tutti; Marco chiude.

 

 

 

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