17 febbraio, 2005

Super Multi Coated

L'antefatto

La ricerca di una migliore trasmissione della luce nelle lenti fotografiche è molto antica, già alla fine dell'800 si era notato che a volte obiettivi che denotavano una leggera opacità dovuta a muffe davano in pratica ottimi risultati in termini di trasmissione di luce e, stranamente, perfino superiori ad altri apparentemente perfetti. Nel 1896 Taylor aveva osservato che le lenti esposte ed annerite dagli agenti atmosferici avevano una capacità di trasmissione della luce superiore alle stesse lenti nuove. Dopo averne interpretata la ragione si cercò di riprodurre in maniera controllata il fenomeno, nel 1904 lo stesso Taylor richiese un brevetto per un procedimento che con l’uso di acidi ed altri componenti chimici modificasse la composizione della superficie delle lenti fotografiche, allo scopo appunto di ridurre la riflessione. Tuttavia questo procedimento si rivelò incostante nei risultati, producendo diversi tipi di annerimento delle lenti e per di più con tempi molto diversi in base al tipo di vetro. Nel 1934 il prof. Smakula, dell’ufficio ricerche della Carl Zeiss, richiese il brevetto per un trattamento antiriflesso per obiettivi fotografici. Contrariamente alle ricerche precedenti, che cercavano di modificare la composizione del vetro ottico allo scopo di eliminare i riflessi interni, il procedimento di Smakula prevedeva una vaporizzazione di fluorite di calcio in ambiente sotto vuoto. Quindi una doppia scoperta, sia per l’uso del composto chimico fondamentale (fluorite di calcio) che per l’uso della camera vacua per l’applicazione. Per l’importanza in applicazioni militari la scoperta ed il brevetto furono resi pubblici solo nel 1939.


Ancora nel 1942 molti obiettivi Zeiss di normale produzione non portavano il contrassegno del trattamento multistrato. Questo contrassegno era la famosa ‘T’ rossa, che sta per "Trasparenz", mentre in altri obiettivi, prodotti dalla Zeiss per altre marche, si trova una ‘V’ (Vergütung, rivestimento). Da notare che il trattamento multistrato non veniva applicato su tutti gli obiettivi indiscriminatamente, infatti per le ottiche specializzate in impiego prevalentemente notturno l’assenza di trattamento permetteva di leggere meglio le aree più scure del fotogramma. Parallelamente nel 1936, J. Strong del Cal-Tech (California Institute of Technology), riuscì a riportare artificialmente un sottilissimo strato di fluorite su una lente ottenendo così il primo strato antiriflessi d'oltre oceano. Tale scoperta rimase segreto militare durante il secondo conflitto mondiale, ma dal 1946 cominciarono ad apparire anche in applicazioni civili trattamenti antiriflettenti a strato singolo. Nonostante fosse già noto che i trattamenti multistrato potevano dare risultati notevolmente migliori, essi rimanevano relegati ad applicazioni militari o prettamente scientifiche a causa dei costi ritenuti eccessivi, tra i vari procedimenti ve ne era uno dalla ditta americana OCLI (Optical Coating Laboratories Inc.), sviluppato ad uso militare per gli schermi negli abitacoli dei caccia USAF e per strumenti di osservazione di US Army ed US Navy.
Come spesso accade nessuno aveva ancora pensato seriamente ad un suo sfruttamento su larga scala: Asahi acquistò il brevetto della OCLI sul trattamento antiriflettente denominato HEA (High Efficiency Anti-reflective coating) per 280.000 dollari. L'evoluzione dal trattamento HEA a tre strati a quello SMC a sette strati richiese circa un anno e permise di migliorare sia la capacità antiriflesso fino al 99,7% che l’equilibrio cromatico della luce trasmessa, superando l'unico difetto congenito dell’HEA, ossia la maggiore efficienza alle lunghezze d’onda maggiori (rosso) che alle minori (blu).
La teoria

Normalmente il rapporto di apertura (luminosità) dichiarato per un obiettivo è quello ottenuto dal rapporto matematico tra lunghezza focale ed il diametro della lente frontale. In realtà la quantità di luce che giunge sul piano focale è sempre inferiore per fenomeni di riflessione ed assorbimento dovuti alle lenti dell'obiettivo stesso (e quindi proporzionali al loro numero). La riflessione della luce su ogni superficie di ciascuna lente provoca un calo di luminosità rispetto a quanto calcolato col rapporto tra diametro e focale ed un calo di nitidezza dell'immagine dovuto alla diffusione della luce stessa all’interno dell’ottica da un numero pari di riflessioni. Per i vetri comunemente usati la perdita di luce per riflessione si aggira intorno al 7% per ogni superficie aria-vetro. Interponendo tra aria e vetro uno strato con indice di rifrazione intermedio si hanno 2 riflessioni: dato che ogni perdita di luce è proporzionale al quadrato della differenza di indici, con 2 riflessioni parziali si ha una perdita inferiore poiché la somma di due quadrati è sempre inferiore al quadrato della somma. Il caso migliore si verifica quando lo strato interposto ha indice di rifrazione pari alla radice quadrata di quello del vetro. Si hanno così due perdite parziali pari ad 1/4 di quella unica che si avrebbe in assenza di strato, la somma delle quali fornisce una perdita complessiva della metà.
Un altro fenomeno importante è quello dell’interferenza fra i 2 raggi riflessi e si può arrivare al punto che se i raggi hanno uguale ampiezza ma opposizione di fase si annullano reciprocamente: la prima condizione dipende dagli indici di rifrazione, la seconda dallo spessore dello strato antiriflesso, poiché occorre che l’intero percorso del doppio attraversamento dello strato sia pari alla metà della lunghezza d’onda della luce in questione, cioè lo spessore deve essere circa 1/4 della lunghezza d’onda della luce. Visto che la luce normalmente è composta da tutte le lunghezze d’onda non si può sfruttare questo fenomeno fino al punto di annullare completamente i riflessi, ma se ne ottiene comunque una forte riduzione. Con trattamenti convenzionali ad uno o due strati si arrivava all’1,7% di riflessione per ogni superficie aria-vetro; lo strato antiriflesso era però piuttosto delicato e soggetto a graffi. Inoltre esaminando un trattamento a strato singolo si nota chiaramente una dominante cromatica: se ad esempio l’obiettivo riflette prevalentemente il colore ambra ciò significa che tale lunghezza d’onda attraversa in quantità minore la lente rispetto ad altre provocando uno slittamento cromatico dell'immagine verso il colore complementare. Aumentando il numero degli strati, utilizzando materiali più duri, con opportuni indici progressivi e con gli opportuni spessori la riflessione viene ridotta intorno allo 0,1~0,2% per ogni lente. E’ evidente che il vantaggio è tanto più marcato quanto maggiore è il numero di lenti dell’obiettivo in questione; in pratica questo ha permesso la realizzazione di zoom anche molto complessi, con schemi di una quindicina di elementi, con un limitato degrado del contrasto dell’immagine. Con idonee combinazioni di materiali e spessori dei vari strati (7 nel caso del trattamento SMC) si ottiene anche un buon bilanciamento cromatico della curva di trasmissione complessiva, che tenderà comunque ad avere un massimo verso le lunghezze d’onda intermedie (verde). I composti (in genere fluoruri) vengono depositati sulle lenti entro una campana a vuoto contenente un crogiolo che provoca la sublimazione di piccole quantità di materiale che poi risolidifica a contatto con la superficie più fredda delle lenti, poste anch’esse all’interno della campana. L’attrezzatura base necessaria non è particolarmente sofisticata, ma per arrivare a strati multipli di spessore esattamente calibrato (dell’ordine di pochi micron) di composti di varia natura il procedimento è molto più complesso ed ogni Casa ha sviluppato tecniche proprie.

L'applicazione

Nel marzo del 1971 l'Asahi Opt. Co. annunciò l'introduzione di un trattamento antiriflettente composto da 7 strati denominato Super-Multi-Coating. Tale trattamento permetteva la trasmissione della luce fino al 99,7% per ogni superficie aria-vetro aumentando la luminosità reale degli obiettivi, a seconda del numero delle lenti, da un minimo del 20% ad un massimo del 50%. Oltre ad aumentare la luce disponibile sul piano focale venivano ridotti drasticamente i riflessi, causa di calo generale di contrasto dell’immagine normalmente e di ‘flare’ evidente nei casi estremi di soggetto molto luminoso (sole, lampade, etc.) entro il campo inquadrato o immediatamente all’esterno dello stesso. Tale trattamento avrebbe inoltre trasmesso in ugual misura tutte le lunghezze d’onda tranne l’ultravioletto, agendo quindi in parte anche da filtro UV. Un altro vantaggio rispetto ai trattamenti allora in uso era la notevolmente migliorata resistenza ai graffi, dovuta ad un maggiore durezza dei materiali riportati. L’innovazione, introdotta con gli obiettivi Takumar standard a corredo della Spotmatic II (50/1.4 e 55/1.8), sarebbe stata estesa a tutte le ottiche Asahi entro l’anno. Nella prima metà del 1972 Asahi adottava già il Super-Multi-Coating su 21 obiettivi per le proprie fotocamere 35mm e su 5 per la 6x7 (dal fish-eye 35mm f/4,5 al medio tele 150mm f/2,8). Da notare che nell’estendere il trattamento veniva data la precedenza agli obiettivi più richiesti e non tanto a quelli con un maggior numero di lenti. Ovviamente le dichiarazioni della Asahi generarono anche reazioni di scetticismo (Nikon, Leitz), qualcuno ritenne che si trattasse di fumo gettato negli occhi da una casa che stava "perdendo colpi" sul mercato nel tentativo di recuperare posizioni. Indubbiamente l’introduzione del trattamento SMC poteva avere anche questo scopo, ma c’era comunque un solido fondamento scientifico. Se così non fosse stato il fenomeno si sarebbe ridimensionato da sé, invece ben presto tutte le principali case concorrenti furono costrette a sviluppare trattamenti analoghi.
Il primo fabbricante a seguire la strada aperta da Asahi fu la Fuji, all'epoca già autonomamente in possesso di una tecnologia simile, seppur non altrettanto efficace, la quale annunciò il proprio trattamento EBC (Electron Beam Coating) sulla cinepresa Single-8 Z800 e sull’obiettivo standard del prototipo della Fujica ST-801, entrambi presentati al Japan Camera Show 1972. Successivamente Canon annunciò l’SSC (Super-Spectra Coating), Zeiss il T* (multistrato, in produzione dal 1972), Nippon Kogaku il Black Coating, mentre Minolta dichiarava di utilizzare già il proprio Achromatic Coating a due strati sull’elemento frontale dei propri obiettivi per le reflex (lontano comunque dal trattamento Asahi a 7 strati su tutte le superfici aria-vetro). Leitz, coerentemente al dichiarato scetticismo circa la necessità stessa del trattamento multistrato, intraprese la strada di nuovi schemi ottici con il minor numero possibile di lenti, salvo, a brevetti scaduti, affrettarsi a recuperare il tempo perduto. Fra i costruttori indipendenti i primi a seguire la tendenza furono Tamron con il BBAR (Broad-Band Anti-Reflection) anch'esso di derivazione USA, Komura e Tokina, che adottarono rapidamente un proprio trattamento multicoated. In ogni caso pare che, con esclusione delle sole Fuji e Leitz, tutti gli altri produttori furono costretti ad utilizzare, anche solo in parte, i brevetti di Asahi. Nel 1975, con il passaggio all'innesto a baionetta Pentax K, il trattamento SMC venne esteso a tutte le superfici delle lenti, anche quelle a contatto vetro-vetro e soltanto alcuni obiettivi di tipo economico (Takumar-bayonet), in tempi più recenti, sono stati esclusi dall'applicazione di tale trattamento.

Febbraio 2002 Franco Zampetti (Elaborato su testi di D. Bonazza e P. Ghisetti tratti da SPOTMATIC n.4, n.5 e n.31.)