Come la diffrazione è diventata uno strumento dell'ottica moderna.

Quando il nemico diventa un alleato

Nel precedente articolo ( QUI )abbiamo imparato a conoscere uno dei limiti più affascinanti dell'ottica fotografica. Abbiamo visto come la diffrazione accompagni inevitabilmente ogni obiettivo, perché non nasce da un errore di progettazione ma dalla natura stessa della luce. Abbiamo imparato ad accettarla come il prezzo da pagare quando scegliamo di aumentare la profondità di campo, consapevoli che nessun progettista, per quanto geniale, potrà mai cancellare le leggi della fisica.

O almeno, è quello che sembrerebbe.

Perché la storia dell'ottica moderna ci racconta qualcosa di apparentemente impossibile.

Da molti anni gli ingegneri non cercano più soltanto di convivere con la diffrazione. In alcuni casi hanno imparato a sfruttarla deliberatamente. Hanno costruito elementi ottici che non tentano di evitarla, ma la provocano, la controllano e la modellano con precisione microscopica, trasformando quello che sembrava un limite invalicabile in uno straordinario strumento di progetto.

Può sembrare un paradosso. Come può lo stesso fenomeno fisico che riduce la nitidezza di un'immagine contribuire a rendere un obiettivo più leggero, più compatto e persino meglio corretto dal punto di vista cromatico?

La risposta è una delle pagine più eleganti dell'ingegneria ottica contemporanea. Una storia che comincia quasi due secoli fa, con i fari che guidavano le navi lungo le coste, attraversa la fisica della luce e arriva fino ai moderni supertele Nikon Phase Fresnel, dimostrando ancora una volta che il progresso non consiste nel violare le leggi della natura, ma nel comprenderle così a fondo da trasformarle in un vantaggio.

E questa volta, il protagonista non sarà un nuovo obiettivo.

Sarà ancora una volta la luce.

I. Monsieur Fresnel

Nel precedente articolo abbiamo visto come la diffrazione rappresenti un limite inevitabile di ogni sistema ottico. Più si riduce il diametro del diaframma, più la luce tende ad allargarsi e maggiore diventa la perdita di risoluzione. È una conseguenza diretta della natura ondulatoria della luce e, proprio perché appartiene alla fisica, non può essere eliminata.

Potrebbe quindi sembrare curioso che proprio la diffrazione sia diventata, nel corso del tempo, uno degli strumenti più raffinati a disposizione dei progettisti ottici. Per comprendere come questo sia stato possibile dobbiamo però allontanarci per un momento dalla fotografia e tornare all'inizio del XIX secolo, quando la fotografia non era ancora stata inventata.

Augustin-Jean Fresnel nacque nel 1788 e fu uno dei più importanti fisici francesi del suo tempo. Oggi il suo nome è ricordato soprattutto per i contributi fondamentali alla teoria ondulatoria della luce, ma durante la sua vita dovette affrontare anche problemi molto concreti. Uno di questi riguardava l'illuminazione dei fari lungo le coste francesi.

La difficoltà era nota da tempo. Per proiettare un fascio luminoso molto intenso e visibile a grande distanza occorrevano lenti di diametro sempre maggiore. L'aumento del diametro comportava però un aumento ancora più rapido dello spessore della lente e quindi del suo peso. Una grande lente tradizionale richiedeva enormi quantità di vetro, era difficile da realizzare, costosa e assorbiva una parte non trascurabile della luce che avrebbe dovuto trasmettere.

Fresnel osservò il problema da un punto di vista diverso. La funzione ottica di una lente dipende essenzialmente dalla forma delle sue superfici e non dalla massa di vetro contenuta al suo interno. Da questa semplice osservazione nacque l'idea di suddividere la superficie della lente in una serie di anelli concentrici, ciascuno dei quali conservava l'inclinazione della lente originale. In questo modo gran parte del materiale poteva essere eliminata senza modificare in maniera sostanziale il comportamento ottico del sistema.

Le lenti di Fresnel rivoluzionarono rapidamente il mondo dei fari. A parità di diametro erano molto più sottili, molto più leggere e più facili da costruire rispetto alle lenti tradizionali. Per oltre un secolo costituirono la soluzione più efficace per concentrare e dirigere la luce delle grandi lanterne costiere e sono ancora oggi considerate uno dei più eleganti esempi di ingegneria ottica dell'Ottocento.

Sarebbe tuttavia riduttivo ricordare Augustin Fresnel soltanto per questa invenzione. Il suo contributo più importante fu quello di aver compreso che la luce non poteva essere descritta esclusivamente attraverso i raggi della geometria classica. I fenomeni di interferenza e di diffrazione dimostravano che la luce possedeva una natura ondulatoria e proprio su questi fenomeni Fresnel costruì una parte fondamentale della sua attività scientifica.

È qui che la sua figura torna a interessare direttamente il fotografo di oggi. Le moderne ottiche Phase Fresnel non derivano infatti dalle lenti dei fari nel senso più immediato del termine. Non si limitano a riprenderne la struttura ad anelli concentrici. Sfruttano soprattutto quella conoscenza della diffrazione che Augustin Fresnel contribuì a sviluppare due secoli fa e la trasformano in uno strumento di progetto capace di risolvere problemi che, con le sole lenti tradizionali, richiederebbero schemi ottici molto più complessi.

Prima di capire come questo sia possibile, è però necessario fare un passo ulteriore e distinguere due fenomeni che condividono lo stesso fondamento fisico, ma vengono utilizzati in modo profondamente diverso: la rifrazione e la diffrazione.

II. Dalla rifrazione alla diffrazione

La lente ideata da Augustin Fresnel per i fari rappresentò una rivoluzione nella progettazione ottica. Eliminando gran parte del vetro superfluo, permetteva di costruire elementi di grande diametro con un peso e un costo fino ad allora impensabili. Il suo funzionamento, tuttavia, rimaneva quello di una lente tradizionale: la luce veniva deviata principalmente attraverso la rifrazione, cioè grazie al diverso indice di rifrazione del vetro rispetto all'aria.

Le moderne ottiche Phase Fresnel impiegate da Nikon partono da un'idea solo apparentemente simile.

Anche in questo caso la superficie dell'elemento ottico è costituita da una successione di anelli concentrici, ma il loro scopo non è quello di alleggerire una lente mantenendone la forma. Quei gradini hanno dimensioni dell'ordine di poche lunghezze d'onda della luce e sono progettati con una precisione straordinaria. La loro funzione non è soltanto rifrangere il fronte d'onda, ma modificarne intenzionalmente la fase attraverso la diffrazione.

È questa la differenza fondamentale.

Una lente di Fresnel classica sfrutta quasi esclusivamente la rifrazione. Un elemento Phase Fresnel utilizza invece una superficie microstrutturata per controllare il comportamento ondulatorio della luce. Il nome scelto da Nikon non richiama soltanto l'inventore francese, ma anche uno dei concetti più importanti della fisica ondulatoria: la fase.

Nel precedente articolo abbiamo incontrato la diffrazione come una conseguenza inevitabile del diaframma. La luce attraversava un'apertura, si allargava e il disco di Airy limitava progressivamente la risoluzione dell'immagine. Qui accade qualcosa di molto diverso. La diffrazione non viene subita, ma progettata. Ogni gradino della superficie ottica introduce un preciso ritardo nel fronte d'onda e la somma di tutti questi contributi fa sì che la luce interferisca nel modo desiderato.

È un concetto che può sembrare controintuitivo. Siamo abituati a considerare la diffrazione come un fenomeno da evitare, perché associato alla perdita di nitidezza provocata da diaframmi molto chiusi. In un elemento Phase Fresnel, invece, gli ingegneri fanno esattamente il contrario: costruiscono una superficie che produce intenzionalmente diffrazione, ma la modellano con tale precisione da trasformarla in uno strumento di correzione ottica.

Da questo punto di vista, le ottiche PF rappresentano uno dei migliori esempi di come l'ingegneria moderna non cerchi tanto di aggirare le leggi della fisica, quanto di sfruttarle a proprio vantaggio. La diffrazione non è cambiata. Sono cambiate la conoscenza e la capacità di controllarla.

rappresentazione pittorica che mette a confronto un elemento ottico tradizionale con uno Phase Fresnel

III. Il miracolo della dispersione inversa

Una lente fotografica non deve limitarsi a mettere a fuoco la luce. Deve mettere a fuoco tutti i colori nello stesso punto.

È un problema antico quanto l'ottica stessa.

La luce bianca che attraversa una lente viene infatti scomposta nelle sue diverse componenti cromatiche. Poiché ciascuna lunghezza d'onda viene rifratta con un angolo leggermente diverso, il blu tende a convergere prima del rosso e i vari colori non raggiungono esattamente lo stesso piano focale. È il fenomeno che conosciamo come aberrazione cromatica, una delle sfide più impegnative che i progettisti ottici abbiano mai dovuto affrontare.

Per oltre due secoli la soluzione è consistita nell'accostare lenti costruite con vetri differenti. Variando opportunamente gli indici di rifrazione e la dispersione dei materiali, gli ottici sono riusciti a compensare buona parte di questo difetto. Prima con i doppietti acromatici, poi con vetri speciali sempre più sofisticati, fino ad arrivare ai moderni elementi ED e Super ED impiegati nei teleobiettivi Nikon.

Le ottiche Phase Fresnel seguono invece una strada completamente diversa.

Una superficie diffrattiva non disperde la luce come una lente tradizionale. Fa esattamente il contrario.

Mentre un elemento rifrattivo devia maggiormente le lunghezze d'onda più corte, una superficie diffrattiva presenta una dispersione di segno opposto. In altre parole, proprio quelle componenti cromatiche che una lente tradizionale fatica maggiormente a ricondurre nello stesso punto vengono corrette naturalmente dall'elemento PF.

È questo il vero motivo per cui i progettisti hanno iniziato a interessarsi alle ottiche diffrattive.

Non tanto perché consentono di alleggerire uno schema ottico, quanto perché permettono di ottenere una correzione cromatica che sarebbe molto più difficile raggiungere utilizzando soltanto elementi rifrattivi.

Il vantaggio diventa particolarmente evidente nei teleobiettivi di lunga focale. Per controllare l'aberrazione cromatica di un 600 o di un 800 millimetri occorrono normalmente numerosi elementi in vetro speciale, spesso di grande diametro e quindi inevitabilmente pesanti. Inserendo un elemento Phase Fresnel all'interno dello schema ottico, parte di quel lavoro viene svolta dalla superficie diffrattiva stessa. Il risultato è un progetto più semplice, più leggero e, a parità di prestazioni, anche più compatto.

Naturalmente non si tratta di una soluzione miracolosa. Un elemento PF non sostituisce tutti gli altri componenti ottici e non elimina la necessità di utilizzare vetri speciali. Rappresenta piuttosto uno strumento in più, che il progettista può combinare con elementi ED, Super ED o SR per raggiungere l'equilibrio desiderato tra qualità ottica, peso e dimensioni.

È forse questa la lezione più interessante che possiamo ricavare dall'evoluzione dell'ottica moderna. Non esiste una tecnologia capace di risolvere ogni problema. Esistono invece strumenti diversi, ciascuno con i propri punti di forza, che diventano realmente efficaci soltanto quando vengono utilizzati insieme.

La diffrazione, che nel precedente articolo appariva come un limite inevitabile, è diventata così uno degli alleati più preziosi del progettista ottico. Non perché le sue leggi siano cambiate, ma perché abbiamo imparato a sfruttarle con una precisione che Augustin Fresnel avrebbe probabilmente guardato con meraviglia.

IV. Dal laboratorio allo zaino del fotografo

Per molti anni le ottiche diffrattive sono rimaste quasi esclusivamente un argomento da laboratorio. La loro realizzazione richiedeva una precisione di lavorazione incompatibile con la produzione in serie e il controllo della superficie diffrattiva era talmente complesso da limitarne l'impiego a pochi settori specialistici.

Con il progressivo sviluppo delle tecnologie di fabbricazione, questo scenario è lentamente cambiato. Le moderne lavorazioni hanno reso possibile realizzare superfici diffrattive sempre più precise e ripetibili, aprendo ai progettisti una possibilità che fino a pochi decenni prima sarebbe sembrata irrealistica: utilizzare la diffrazione all'interno di un obiettivo fotografico destinato all'uso quotidiano.

Nikon è stata una delle prime aziende a credere concretamente in questa strada. Dopo anni di ricerca presentò nel 2015 l'AF-S NIKKOR 300mm f/4E PF ED VR, un teleobiettivo che destò immediatamente curiosità non tanto per le sue prestazioni ottiche, quanto per il suo peso. Per molti fotografi era difficile credere che un 300 mm di quella qualità potesse essere così compatto.

Tre anni più tardi arrivò il 500mm f/5.6E PF ED VR, forse l'obiettivo che dimostrò in maniera definitiva il valore della tecnologia Phase Fresnel. Un teleobiettivo da cinquecento millimetri che poteva essere trasportato nello zaino per un'intera giornata senza trasformare ogni uscita fotografica in un esercizio di resistenza fisica.

Con il sistema Z, Nikon ha ulteriormente sviluppato questa filosofia. I NIKKOR Z 600mm f/6.3 VR S PF e 800mm f/6.3 VR S PF rappresentano oggi l'espressione più matura di questa tecnologia. Osservandoli per la prima volta si rimane quasi disorientati. Siamo abituati ad associare focali di questo tipo a obiettivi enormi, treppiedi massicci e teste gimbal. Invece ci si trova davanti a strumenti che possono essere utilizzati a mano libera con una naturalezza impensabile fino a pochi anni fa.

Naturalmente la riduzione di peso non dipende esclusivamente dall'elemento Phase Fresnel. Dietro questi obiettivi c'è l'intera evoluzione dell'ingegneria ottica e meccanica: nuovi materiali, schemi ottici sempre più sofisticati, simulazioni numeriche avanzate e sistemi di stabilizzazione di livello straordinario. Il contributo dell'elemento PF, tuttavia, è determinante perché permette di ridurre il numero e le dimensioni di alcuni elementi ottici necessari per correggere l'aberrazione cromatica, contribuendo in modo significativo alla compattezza dell'insieme.

È forse questo il risultato più interessante dell'intera vicenda. Il fotografo che acquista uno di questi teleobiettivi non vede la diffrazione. Non osserva i microscopici gradini dell'elemento PF e probabilmente non pensa neppure ad Augustin Fresnel. Si limita a prendere lo zaino, uscire di casa e fotografare per ore con un'attrezzatura che, solo pochi anni prima, avrebbe richiesto un'organizzazione completamente diversa.

Le grandi innovazioni tecnologiche hanno spesso questa caratteristica. Quando funzionano davvero, diventano invisibili. Non chiedono al fotografo di modificare il proprio modo di lavorare; sono loro ad adattarsi alle sue esigenze. L'elemento Phase Fresnel appartiene a questa categoria. È una soluzione che non cerca di attirare l'attenzione su di sé, ma rende possibile qualcosa che prima era semplicemente più difficile.

E forse è proprio questo il modo migliore per giudicare una tecnologia. Non domandarsi quanto sia sofisticata, ma chiedersi se permetta al fotografo di concentrarsi un po' meno sull'attrezzatura e un po' di più sulla fotografia.

Una curiosità

Colpisce un dato: in oltre dieci anni Nikon ha realizzato soltanto quattro obiettivi PF. Non si tratta quindi di una tecnologia destinata a sostituire le lenti tradizionali, ma di uno strumento progettuale da utilizzare quando offre un vantaggio reale. Tutti e quattro sono infatti superteleobiettivi, cioè la categoria in cui la riduzione di peso e l'eccellente correzione dell'aberrazione cromatica consentita dall'elemento Phase Fresnel producono il beneficio più evidente per il fotografo.

L'ingegneria ottica non serve solo a costruire obiettivi più interessanti. Serve anche a rendere più semplice il lavoro del fotografo.