Lenti di obiettivo non realizzate in vetro

Un cordiale saluto a tutti i followers di NOCSENSEI; da quando esiste la fotografia un elemento fondamentale ed imprescindibile di questa meravigliosa disciplina è l’obiettivo, magico complemento destinato a focalizzare il soggetto e a proiettarne un’immagine conforme sul materiale sensibile, un rituale che si ripete immutato da oltre 180 anni.

In questo enorme lasso di tempo un’altra costante mai messa in discussione è il materiale con il quale sono state realizzate le relative lenti, ovvero il vetro; naturalmente le varie mescole sono state oggetto di un continuo sviluppo tecnico finalizzato ad ottimizzarne le caratteristiche per progettare ottiche sempre più corrette e performanti, tuttavia nessuno ha mai immaginato lenti di obiettivo realizzate con qualcosa di differente proprio perché gli impasti vetrosi per ottica prevedono le necessarie caratteristiche come assoluta trasparenza, stabilità, omogeneità fisica ed ottica nella mescola, elementi che permettono di dar vita ai gioielli che tanto apprezziamo ed utilizziamo con soddisfazione.

Pur escludendo dall’equazione le lenti in materiale plastico, alle quali peraltro ho già dedicato uno specifico articolo per NOCSENSEI, esistono comunque particolari eccezioni in cui le lenti di certi obiettivi non sono realizzate con vetri ottici ma utilizzando speciali materiali le cui caratteristiche permettevano di creare modelli con prestazioni molto particolari; i prodotti alternativi vengono solitamente utilizzati per 2 ragioni: ridurre la dispersione/dispersione parziale anomala al fine di perfezionare la correzione dell’aberrazione cromatica e garantire la trasparenza a luce con lunghezze d’onda decisamente più brevi o più lunghe rispetto allo spettro visibile, condizione d’uso in cui il vetro ottico comune non garantisce la necessaria trasparenza.

Vediamo quindi una carrellata su questi materiali alternativi adottati in tali circostanze.

 

 

L’alternativa più nota al vetro ottico è sicuramente la fluorite, un fluoruro cristallino fragile, sfaldabile, igroscopico e con elevata dilatazione termica che, nonostante queste limitazioni, può essere anche perfettamente trasparente, omogeneo ed incolore, al punto da consentire la realizzazione di lenti per obiettivi; i principali fabbricanti di ottiche professionali hanno adottato le lenti il fluoruro di calcio cristallizzate artificialmente per i loro teleobiettivi luminosi o per zoom di lunga focale, e come esempio dei vari modelli di ottiche alla fluorite ho scelto questo performante Canon EF 200mm f/2 L IS USM; l’adozione della fluorite di calcio si giustifica con la sua ridottissima dispersione cromatica, con l’aggiunta di dispersione parziale anomala per certe frequenze dello spettro, che consentono di correggere l’aberrazione cromatica in modo ancora più efficace rispetto a vetri a bassissima dispersione (ED, UD) e di produrre obiettivi apocromatici ad alte prestazioni.

 

 

Nel caso del Canon EF 200mm 1:2 L IS USM il fluoruro di calcio è stato utilizzato per l’enorme lente frontale (protetta dalle abrasioni grazie ad un filtro neutro frontale solidale alla montatura) e l’exploit di realizzare cristalli di tali dimensioni con la perfezione necessaria è una delle valide giustificazioni per il suo prezzo di listino.

Normalmente tutte le ottiche di questo tipo utilizzano fluoruro di calcio, tuttavia esistono rare eccezioni al riguardo.

 

 

Ad esempio, nel 1957, l’Istituto Ottico Statale di Leningrad (GOI) mise a punto un supergrandangolare per topografia aerea su grandi formati basato sui recenti progetti simmetrici di Ludwig Bertele e denominato Ortogon-1; quest’ottica da ben 5,3kg di peso prevedeva una focale da 75mm, un’apertura massima pari ad 1:6,8 e garantiva 119° di campo su una diagonale da 255mm che copriva il formato 18x18cm con eccellente correzione di aberrazioni e distorsione, tuttavia la sua caratteristica peculiare è un’altra…

 

 

Infatti, nel suo complesso schema ottico ad 11 elementi (più vetro di spianamento), la terza lente è realizzata in fluoruro di litio.

 

 

In questo schema che ho ridisegnato in bella copia si può apprezzare meglio la posizione dell’elemento il fluorite; ignoro le ragioni per cui i tecnici sovietici abbiano preferito il fluoruro di litio a quello di calcio, visto che le modeste differenze riguardo a rifrazione, dispersione e dispersione parziale anomala riscontrabili fra i 2 materiali non consentono di preferirne uno all’altro senza incertezze; è forse possibile che per loro il fluoruro di litio cristallino fosse più facilmente disponibile rispetto a quello di calcio, giustificando pertanto questa scelta particolare.

In questo caso la lente il fluoruro di litio è stata inserita per correggere l’aberrazione cromatica del sofisticato supergrandangolare, tuttavia in altre circostanze la fluorite, abbinata a lenti in quarzo, è stata invece adottata su specialissime ottiche destinate alla fotografia in luce ultravioletta ad onda corta, in una banda spettrale che il vetro non è in grado di trasmettere, mentre sia il quarzo che la fluorite permettono di progettare obiettivi che possono lavorare nell’UV ad onda corta fino a circa 200nm di lunghezza d’onda (rammento che lo spettro visibile si posiziona all’incirca fra 430nm e 700nm); si tratta ovviamente di obiettivi costosi per le difficoltà connesse alla realizzazione di lenti in materiali così esotici e particolari ed esiste almeno un caso in cui, come si suol dire, il bisogno ha aguzzato l’ingegno.

 

 

Infatti alla VEB Carl Zeiss Jena, nella DDR a gestione Socialista dei primi anni ’60, le risorse e i materiali a disposizione scarseggiavano e non era nemmeno possibile ipotizzare obiettivi, quand’anche speciali, con un prezzo di listino irragionevole rispetto alle possibilità del mercato interno; i suoi progettisti si trovarono quindi a pensare fuori dagli schemi quando venne richiesto di calcolare obiettivi destinati proprio alla ripresa in banda ultravioletta analoghi a quelli appena descritti: se per l’UV-Objektiv 60mm 1:4 destinato ad un approccio soft senza spingersi oltre i 300nm di lunghezza d’onda fu sufficiente utilizzare un semplice tripletto realizzato selezionando vetri comuni particolarmente trasparenti agli UV, per il modello in grado di lavorare anche con ultravioletti ad onda corta fino a quasi 200nm tale procedura conservativa non era più sufficiente e si rendeva necessario chiamare in causa materiali speciali e trasparenti agli UV fino a tali frequenze.

 

 

In questo caso i progettisti meritano un plauso perché, calcolando il 120mm 1:4,5 con tali caratteristiche, considerarono che la fluorite è un aloide e presero in considerazioni vari materiali cristallini di tale classe alla ricerca di un minerale otticamente vicariabile con la fluorite ma più facile da reperire in grossi cristalli ed anche economico, e la soluzione fu di sconcertante semplicità: il salgemma!

Infatti il nuovo obiettivo si chiamava Quartz – Steinsalz Anastigmat 120mm 1:4,5 e la sua stessa denominazione definisce il materiale con il quale sono realizzate le sue lenti, cioè quarzo (biossido di silicio) e cloruro di sodio, banalissimo sale; la scelta di quest’ultimo avvenne quando si resero conto che le sue caratteristiche dispersive avrebbero consentito di abbinarlo al quarzo realizzando un obiettivo UV per onda corta adeguatamente corretto.

Questo trafiletto esplicativo proveniente da una brochure del 1962 specifica proprio che l’obiettivo utilizza una lente il salgemma che consente la correzione cromatica del sistema, dichiarando anche che questo modello è in grado di fotografare fino a 215nm di lunghezza d’onda.

 

 

Questo ulteriore documento ribadisce la presenza di una lente in salgemma e aggiunge che l’obiettivo copre 35° ed è ottimizzato ad un rapporto di riproduzione 1:5, approcciando il quale la copertura consente di impressionare un fotogramma 6x6cm; lo schema ottico a 5 lenti è criptato ma solitamente, in questi casi, troviamo un tripletto di Cooke nel quale l’elemento centrale divergente è sdoppiato in 3 lenti accostate assieme, con le 2 esterne in quarzo e quella interna realizzata con un aloide, solitamente fluoruro di calcio e in questo caso cloruro di sodio; l’eccezionale igroscopicità del materiale, per quanto chiuso a sandwich fra le 2 lenti in quarzo, ha suggerito di prevedere un sistema disseccante basato sul cloruro di calcio, un materiale eccezionalmente igroscopio che deumidifica il gruppo ottico impedendo all’elemento in salgemma di idratarsi.

Vista la priorità al budget che informa questo progetto può sembrare curioso che le altre lenti siano realizzate in quarzo, tuttavia a quei tempi in paesi satelliti del blocco Sovietico il quarzo sintetico veniva realizzato in quantità ed era quindi un materiale facilmente reperibile e poco costoso.

Fra le stranezze di questo mondo di confine troviamo addirittura situazioni in cui particolari “lenti” abbandonano lo stato solido…

 

 

Un esempio in tal senso è il prototipo Sferogon-3 100mm 1:3 realizzato dal GOI di Leningrad nel 1961; si tratta di un supergrandangolare da 120° a struttura simmetrica con elementi emisferici e destinato in questo caso a grandi lastre per riprese aeree ad alta velocità (possibili grazie all’eccezionale apertura 1:3) ed impressionate sfruttando la sua copertura da 210mm di diametro, il tutto per un peso di ben 5,8kg.

 

 

Questo particolare obiettivo utilizza uno schema con 2 elementi simmetrici multipli composti da 3 lenti collate ciascuno, con raggi di curvatura congruenti e vetri specularmente identici; questa struttura richiama in qualche modo il Carl Zeiss Hologon 15mm 1:8 che Glatzel e Schultz avrebbero calcolato 5 anni dopo e che si caratterizzava per un elemento centrale che escludeva qualsiasi separazione all’altezza del diaframma, un’esigenza che probabilmente sentirono anche i progettisti del GOI; per garantire la continuità fra i 2 elementi i tecnici inserirono quindi una “lente” centrale di olio di vaselina che chiudeva il gap fra le superfici vetrose adiacenti.

 

 

La lente fluida consentiva quindi di creare un sistema ottico continuo e senza spaziature ad aria.

 

 

Lo Sferogon-3 risale al 1961 tuttavia anche in tempi più recenti l’ottica sovietica è tornata su questo concetto: ad esempio, questo notevole 300mm 1:2,8 calcolato nel 1988 da Agrinskij et Al. prevede a sua volta un modulo centrale con 2 elementi in vetro ravvicinati il cui spazio interposto risulta riempito con un fluido le cui caratteristiche rifrattive/dispersive sono state definite dal progettista all’interno di un intervallo specifico.

Abbiamo visto che per operare in banda ultravioletta ad onda corta si rende necessario realizzare obiettivi con lenti in quarzo e fluoruri/aloidi che garantiscono la necessaria trasparenza a tali frequenze dello spettro, mentre solitamente per le riprese ad infrarosso, tenendo conto dell’eventuale necessità di correggere la messa a fuoco rispetto a quanto osservato in luce visibile, solitamente non servono materiali speciali perché il comune vetro ottico trasmette le frequenze dell’infrarosso; questa regola generale ha valore per frequenze che superano di poco il limite del rosso scuro comunemente usate nella fotografia ad infrarosso, restando nell’ambito di 800 – 1.000nm, tuttavia in applicazioni speciali come termocamere può essere necessario sfruttare l’obiettivo con frequenze nell’ordine di 2.000 – 5.000nm (ribadisco che i limiti del visibile sono circa 430 – 700) e in questo caso il vetro presenta nuovamente problemi di trasparenza, richiedendo l’impiego di materiali alternativi; lo sconcertante della questione è che in modelli molto specialistici destinanti a banda IR molto lunga questi composti non sono nemmeno trasparenti e le lenti possono addirittura assumere un aspetto metallico ed assolutamente opaco alla vista.

Vediamo alcuni esempi di questi speciali obiettivi per IR su frequenze molto lunghe.

 

 

Quest’obiettivo a 3 lenti spaziate fu presentato nella Primavera 1962 da Allen Murray e Maximilian Herzberger su sollecitazione della Marina Statunitense e si tratta di un teleobiettivo destinato al monitoraggio a infrarossi con frequenze molto lunghe; per soddisfare queste specifiche l’obiettivo rinuncia alle comuni lenti in vetro ottico, pertanto i primi 2 elementi sono in quarzo, materiale già visto, mentre la lente posteriore è realizzata in zaffiro, un ossido di alluminio di elevata durezza e con indice di rifrazione compatibile con quello dei vetri altamente rifrattivi (1,76) che si caratterizza per la trasparenza agli IR ad onda lunga; l’abbinamento dello zaffiro altamente rifrattivo con il quarzo, che prevede invece una rifrazione molto ridotta e anche dispersione contenuta, consente di finalizzare la correzione cromatica.

In questo caso gli elementi sono normalmente trasparenti, pertanto in teoria è possibile utilizzare l’obiettivo anche per riprese in luce ambiente, correzione cromatica del visibile permettendo, tuttavia certi obiettivi IR per frequenze estremamente lunghe arrivavano ad impiegare elementi completamente estranei al mondo dell’ottica e privi di trasparenza.

 

 

Ad esempio, questo teleobiettivo IR di grande apertura (1:1,5) è stato calcolato nel 1965 da Franz Schlegel per la famosa maison bavarese Rodenstock e si compone di 4 lenti, 2 delle quali realizzate in quarzo e le altre 2 in germanio, un elemento completamente opaco alla luce visibile che trasmette invece perfettamente gli infrarossi fino a frequenze molto lunghe; il germanio è stato diffusamente sfruttato anche perché prevede un indice di rifrazione eccezionalmente elevato (4,26, quando i vetri più estremi superano a stento 2,0) e consente quindi di correggere più facilmente le aberrazioni perché per le relative lenti richiedono raggi di curvatura più modesti proprio grazie al loro eccezionale valore rifrattivo che “piega” la luce senza ricorrere a superfici eccessivamente incurvate.

 

 

Un altro esempio di obiettivo IR per frequenze lunghe che utilizza materiali assolutamente non convenzionali è questo semplice modello a 2 lenti disegnato nel 1956 dallo statunitense Emil Thielens; in questo caso l’elemento divergente anteriore è realizzato in fluoruro di litio e quello convergente posteriore addirittura in trisolfuro d’arsenico, il famoso “orpimento” collezionato dagli appassionati di mineralogia!

La fluorite si conferma quindi un materiale di eccezionali caratteristiche, non soltanto per la ridottissima dispersione cromatica ma anche per la trasparenza su un intervallo di frequenze estremamente ampio; in questo caso probabilmente è stata adottata perché i suoi valori rifrattivi/dispersivi si accordavano con quelli del trisolfuro d’arsenico per ottenere la correzione cromatica del sistema.

In questo settore esistono obiettivi specialistici che prevedono lenti realizzate con materiali ancora più astrusi, tuttavia dedicherò ad essi e alle relative termocamere un pezzo specifico.

L’articolato mondo degli obiettivi e le particolari esigenze di settore hanno quindi imposto ai progettisti di pensare in modo non convenzionale e sbrigliare la loro fantasia realizzando modelli realmente curiosi e confezionati utilizzando materiali davvero inaspettati!

Un abbraccio a tutti; Marco chiude.

 

 

 

 

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