Aberrazioni ottiche e dintorni

I limiti della progettazione ottica

Gran parte delle aberrazioni ottiche deriva dal fatto che le lenti sono calotte sferiche; i raggi luminosi che le attraversano in punti diversi vengono deviati a un angolo diverso e vanno a fuoco a distanze differenti. Un’altra difficoltà nel campo della progettazione ottica sorge dalla natura stessa della luce, che essendo composta da più lunghezze d’onda si scompone ogni volta che attraversa un vetro; i singoli colori, se deviati ad angoli diversi, vanno a fuoco a distanze diverse. A complicare ulteriormente le cose è il fatto che alcune aberrazioni ottiche sono antagoniste e che quindi per ridurne una è necessario aumentarne un’altra. Da tutto ciò risulta evidente quanto sia complesso realizzare un’ottica in grado di svolgere anche solo la sua funzione più basilare, ossia mettere a fuoco un’immagine su un piano.

Non avendo limiti di budget né preoccupazioni di peso o dimensioni, nel caso di focali e luminosità non estreme è oggi possibile realizzare obiettivi pressoché perfetti. Complessi disegni ottici e lenti speciali sono in grado di ridurre tutte le aberrazioni al di sotto del limite della percepibilità oculare. Tuttavia, prezzo di vendita e ingombro sono fattori determinanti per il successo commerciale di un obiettivo, di conseguenza ogni progetto ottico è frutto di un’intricata serie di compromessi.

I diversi strati che compongono un sensore CMOS, il loro coefficiente di riflettenza e il particolare processo di formazione dell’immagine digitale sono tutti elementi dei quali nessun progettista ottico teneva conto ai tempi della fotografia analogica. Per questo motivo molti obiettivi vintage dotati di un’ottima reputazione rischiano di deludere se utilizzati su camere digitali. Le aberrazioni cromatiche, per fare un esempio, tendono a mostrarsi con maggior frequenza e intensità sul sensore che sulla pellicola. Va poi considerato che anche i migliori antiriflesso del secolo scorso, soprattutto se precedenti agli anni ’70, sono di scarsa efficacia se comparati ai trattamenti odierni. Il sensore digitale, essendo una superficie specchiante, anche in questo campo crea più problemi della pellicola.

Oggi disponiamo di computer e programmi che permettono calcoli ottici un tempo inimmaginabili; possiamo contare su macchinari più avanzati, nuovi materiali e più moderni procedimenti di lavorazione; le lenti asferiche e a bassissima dispersione, un tempo appannaggio esclusivo degli obiettivi più avveniristici e costosi, sono ormai ampiamente utilizzate persino in ottiche entry-level. Alla luce di queste considerazioni credo risulti evidente come gli obiettivi vintage e quelli contemporanei appartengano a due mondi radicalmente diversi, dai quali non sarebbe ragionevole aspettarsi produzioni di pari livello.

Correzione ottica e diaframma

La chiusura del diaframma riduce il diametro della pupilla d’ingresso dell’obiettivo e quindi esclude dalla formazione dell’immagine quei fasci di luce che attraversano la lente frontale nelle zone più periferiche. Di conseguenza, nella maggior parte dei casi e sino al subentrare della diffrazione (aberrazione ottica trattata qui di seguito) chiudendo il diaframma si aumenta la correzione ottica dell’obiettivo in uso. Di solito, dal punto di vista strettamente tecnico, una lente raggiunge il proprio picco qualitativo quando è chiusa 2-3 stop.

La nitidezza

Quando analizziamo un’immagine la nostra percezione della nitidezza dipende sia da fattori oggettivi e misurabili che da fattori soggettivi e non misurabili. I fattori misurabili sono la dimensione dei dettagli più fini, detta risolvenza o risoluzione, la nettezza dei bordi di questi dettagli, detta acutanza, e la variazione di densità nelle zone di acutanza simile, detta contrasto.

La capacità di un obiettivo di riprodurre piccoli dettagli è importante per la nitidezza percepita, ma ancor più importante è il contrasto col quale questi dettagli vengono riprodotti e quanto netti appaiono i loro contorni. Un’immagine dotata di dettagli finissimi ma scarsamente visibili perché poco più scuri o poco più chiari delle aree limitrofe risulterà per l’osservatore meno nitida di un’immagine dotata di dettagli meno piccoli ma più contrastati.

Se si considera che in campo video si lavora con immagini in movimento e con file di risoluzione generalmente contenuta, appare chiaro quanto nel cinema, per la nitidezza percepita, il contrasto – in particolare il microcontrasto, ossia il contrasto al livello dei dettagli minuti – sia più importante della risolvenza.

Aberrazione sferica

I raggi luminosi che attraversano una lente fuori dal suo asse finiscono su un piano di fuoco più vicino alla lente stessa, rispetto ai raggi di luce che attraversano la lente nel suo centro. Quest’aberrazione, in sostanza, fa sì che una parte dei raggi di luce che compongono il soggetto vengano messi a fuoco, mentre altri restano leggermente sfocati. La conseguenza è che per quanto la risoluzione possa rivelarsi buona il contrasto risulta contenuto perché i vari punti che compongono l’immagine, sebbene più piccoli del circolo di confusione e quindi ben definiti, recano una sorta di alone causato dai fasci di luce non focalizzati. Quando un obiettivo soffre in maniera pesante di aberrazione sferica l’intera immagine appare velata. Le lenti asferiche sono le più adatte a correggere questo tipo di aberrazione.

Lo sferocromatismo, molto semplicisticamente, può essere definito un connubio tra l’aberrazione sferica e l’aberrazione cromatica. Non solo un diverso punto della lente stabilisce un diverso piano di fuoco, ma questo cambia tra le varie lunghezze d’onda che compongono lo spettro luminoso. Di conseguenza, in presenza di sferocromatismo, l’alone attorno ai punti immagine risulta colorato. Una delle forme in cui lo sferocromatismo si mostra in maniera più evidente è nel bordo colorato degli highlight disc (v. Bokeh: l’estetica del fuori fuoco).

L’aberrazione sferica residua, detta anche focus shift, causa un progressivo spostamento del punto di fuoco, in avanti o indietro, quando si chiude il diaframma. Si tratta di un difetto ottico raramente rilevante in videografia dal momento che per scongiurarne gli effetti è sufficiente battere il fuoco dopo aver impostato il diaframma di lavoro.

Astigmatismo

Un obiettivo che soffre di astigmatismo non mette a fuoco alla stessa distanza i raggi luminosi che intersecano l’asse ottico ad angoli diversi, ad esempio perpendicolari tra loro. Di conseguenza, se un sistema ottico astigmatico viene utilizzato per formare l’immagine di una croce, le linee orizzontali e verticali non vengono focalizzate alla stessa distanza. Lo stesso può accadere tra linee radiali e perpendicolari all’asse ottico. Per fare un esempio pratico di questo caso, consideriamo di riprendere la ruota di un carro: utilizzando una lente astigmatica risulta impossibile focheggiare allo stesso tempo sia i raggi verticali e orizzontali che quelli obliqui. Nelle immagini qui di seguito possiamo vedere come l’obiettivo testato non riesca a focheggiare contemporaneamente sia l’asse verticale che quello orizzontale:

Un punto ripreso da un sistema astigmatico appare deformato o sdoppiato. Nel primo caso il punto assume una forma ellittica e in parte sfocata, nel secondo caso il punto viene riprodotto come due punti. In questo secondo caso uno dei due punti appare a fuoco mentre l’altro risulta meno definito e traslato rispetto al precedente, come una sorta di sua immagine fantasma che si sposta al modificarsi della distanza di fuoco.

L’astigmatismo si manifesta in misura crescente verso i bordi del campo. In asse, un obiettivo perfettamente centrato non soffre in alcun modo quest’aberrazione. Fanno eccezione i sistemi ottici asimmetrici rispetto all’asse ottico, ma in campo fotografico non se ne trovano.

Gli obiettivi corretti per l’astigmatismo, ossia tutti gli obiettivi fotografici e cinematografici moderni, vengono definiti anastigmatici. Ovviamente un obiettivo non viene definito anastigmatico perché totalmente immune all’astigmatismo ma perché nel corso della sua progettazione l’aberrazione astigmatica è stata considerata e limitata.

Aberrazioni cromatiche

Comunemente indicate con l’acronimo italiano AC o quello inglese CA, derivano dall’incapacità di un sistema ottico di mettere a fuoco tutti i colori sullo stesso piano. Le aberrazioni cromatiche si manifestano sotto forma di aloni colorati, visibili ai bordi dei soggetti a fuoco. Questi aloni sono l’impronta delle lunghezze d’onda non focalizzate, che nell’immagine si espandono oltre i confini dei soggetti a fuoco. In sostanza l’aberrazione cromatica è l’aberrazione sferica in relazione ai colori.

Le aberrazioni cromatiche aumentano con la lunghezza focale e la luminosità dei sistemi ottici. I teleobiettivi luminosi sono quindi i più difficili da correggere.

L’utilizzo di vetri a bassa dispersione è cruciale per contenere le aberrazioni cromatiche; quando queste sono contenute al di sotto della soglia di percettibilità oculare si parla di obiettivi apocromatici. Purtroppo il termine “Apo” viene continuamente abusato dalle case produttrici nella nomenclatura delle lenti fotografiche e non garantisce in alcun modo il comportamento apocromatico dell’obiettivo cui viene associato.

Aberrazione cromatica laterale (detta anche “trasversale”)

Aloni colorati, in genere tra il magenta e il blu, nelle zone ad altro contrasto. Spesso questi aloni, detti color fringing o semplicemente fringing, sono molto più marcati ai bordi del frame che in asse.

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L’aberrazione cromatica laterale è chiamata anche Chromatic Aberration of the Magnification perché il fringing è legato alle diverse scale di riproduzione dei vari colori.

Aberrazione cromatica longitudinale (detta anche “assiale”)

Aloni colorati, in genere magenta davanti al piano di fuoco e verde dietro di esso, contornano i soggetti fuori fuoco. Questi aloni vengono chiamati bokeh fringing.

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Coma

L’aberrazione comatica si manifesta quando l’oggetto ripreso è decentrato rispetto all’asse dell’obiettivo ed è causata dal fatto che i raggi di luce che passano per la periferia della lente vengono focalizzati sull’asse in un punto diverso rispetto a quelli che passano per il centro della lente. In generale, un fascio di luce che attraversi una la lente fuori asse è focalizzato sul piano focale in una forma ad anello; la sovrapposizione dei diversi anelli creati dai diversi raggi luminosi origina una forma a “V”, simile alla coda di una cometa, da cui il nome dell’aberrazione. Un tipico effetto dell’aberrazione comatica sono le luci puntiformi riprodotte ad “ala di gabbiano” ai margini del frame, spesso visibili nei panorami notturni e nelle riprese del cielo stellato.

Il flare di coma si presenta come un’aurea, un alone luminoso attorno alle sorgenti di luce e alle zone colpite da luce intensa, specialmente se sovraesposte. Quest’effetto viene anche definito glow, halation o blooming e non di rado si associa al fringing dell’aberrazione cromatica.

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Il flare di coma è cosa ben distinta dal blooming del sensore, benché l’effetto finale sia sovrapponibile. Quando i fotositi del sensore digitale vengono raggiunti da una luce particolarmente intensa è come se tale luce esondasse sui fotositi limitrofi, producendo un alone luminoso attorno alle zone sovraesposte presenti nell’immagine; questo fenomeno è appunto definito sensor blooming. 

Utilizzando obiettivi particolarmente sottocorretti nei confronti dell’aberrazione comatica accade che il flare di coma stenda una sorta di velo nebuloso su tutta l’immagine, a prescindere dalla luminosità della scena. In questi casi è comune che sia sufficiente chiudere il diaframma di uno stop per ridurre radicalmente il problema o persino eliminarlo.

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Curvatura di campo

Poiché una lente è una calotta sferica, i raggi luminosi che la attraversano vengono focalizzati su una superficie curva, detta superficie di Petzval, anziché su una superficie piana. Da ciò nasce la curvatura di campo. Quest’aberrazione ottica fa sì che un obiettivo non riesca a mettere a fuoco sullo stesso piano soggetti che si trovano in zone diverse del fotogramma, sebbene posizionati alla stessa distanza dalla camera.

Per fare un esempio pratico, immaginiamo la ripresa di due soggetti, uno a centro inquadratura e l’altro a margine, entrambi a tre metri di distanza dalla camera. In presenza di una forte curvatura di campo solo il soggetto al centro risulterà nitido focheggiando a tre metri, perché l’altro andrà a fuoco a una distanza superiore o inferiore.

La somma di Petzval indica il raggio di curvatura del piano focale, che può essere concavo, convesso o misto, a seconda che la somma di Petzval sia positiva o negativa. Volendo annullare la curvatura di campo, chi progetta un sistema ottico dovrebbe lavorare affinché la somma di Petzval sia zero su tutto il campo. Quando ciò avviene, però, insorgono altre aberrazioni, prima di tutte l’astigmatismo. Compito dei progettisti ottici è quindi individuare il miglior compromesso per ogni obiettivo.

Diffrazione

Quando il diaframma è molto chiuso gran parte delle onde luminose impattano sulle lamelle e variano la propria traiettoria interferendo le une con le altre. Ne consegue una riduzione del potere risolvente dell’obiettivo. Questo effetto si nota prima a centro immagine, dopodiché, chiudendo ulteriormente il diaframma, anche i margini del campo iniziano a degradare.

Anche i fotositi del sensore, in base alle loro dimensioni, partecipano a determinare l’apertura limite dell’obiettivo prima che gli effetti della diffrazione risultino evidenti. Più i fotositi sono piccoli, più facilmente entrano in diffrazione. La chiusura massima del diaframma tollerata da un sensore prima che i fotositi entrino in diffrazione viene definita DLA, acronimo di Diffraction Limited Aperture.

Su sensori S35, in genere, gli effetti della diffrazione si iniziano a notare oltrepassato f/5.6, diventano rilevanti oltre f/8 e si fanno pesanti oltre f/11. Queste sono indicazioni estremamente generiche, sia perché ogni disegno ottico è diverso sia perché Super35 è la definizione più vaga tra quelle di tutti i formati.

I sensori delle macchine fotografiche, dovendo produrre immagini con un elevato numero di pixel, quasi sempre recano fotositi più piccoli di quelli presenti nei sensori delle videocamere di pari formato, che quindi, in genere, hanno un DLA più permissivo.

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Distorsione

Quest’aberrazione ottica provoca la curvatura delle linee presenti nell’immagine. Quando le linee tendono a curvarsi verso il centro del fotogramma la distorsione viene definita a cuscinetto, quando le linee tendono a curvarsi verso l’esterno del fotogramma la distorsione viene definita a barilotto. Quando l’andamento delle linee è misto, per esempio a barilotto nella parte centrale del fotogramma e a cuscinetto nelle zone periferiche, la distorsione viene definita complessa o a baffo.

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La distorsione tende ad aumentare dal centro verso i margini del fotogramma ed è un’altra conseguenza della superficie curva delle lenti. Gli elementi asferici possono aiutare in maniera significativa il contenimento di quest’aberrazione.

La deformazione volumetrica prodotta dai grandangoli è un fenomeno ben distinto dalla distorsione; è legata alla riproduzione bidimensionale di soggetti tridimensionali e non rappresenta un’aberrazione ottica. Semplicemente, privati della profondità, i soggetti tridimensionali vengono per forza di cose riprodotti con proporzioni alterate. Più corta è la lunghezza focale di una lente, più lontano dal centro ottico si estende la sua proiezione e superiore è la deformazione volumetrica introdotta; più lontano dall’asse ottico della lente si trova il soggetto, più subisce gli effetti di questa deformazione. Il tipico esempio di deformazione volumetrica è l’alterazione dei volti in prossimità degli angoli del fotogramma nelle foto di gruppo. Un altro esempio è l’allungamento della fronte del soggetto quando lo si posiziona con la testa in prossimità del bordo del frame in un ritratto verticale realizzato con un grandangolo. Un’elevata distorsione nasconde la deformazione volumetrica, i due fenomeni sono inversamente proporzionali. Gli ultragrandangolari più corretti contro la distorsione sono proprio quelli che evidenziano maggiormente la deformazione volumetrica.

Vignettatura

Col termine vignettatura si indica una riduzione della luminosità dell’immagine localizzata nelle zone periferiche del fotogramma.

Vignettatura ottica

Qualunque sistema ottico attraversato dalla luce genera un’illuminazione sul piano focale che decresce dal centro verso i bordi. La presenza di quest’aberrazione, in sostanza, fa sì che le zone periferiche dell’immagine risultino più scure dell’area centrale. Utilizzando obiettivi Full Frame su sensori Super35 la vignettatura è quasi sempre trascurabile perché della proiezione ottica delle lenti viene sfruttata solo l’area centrale (v. Il crop factor e il calcolo delle focali equivalenti).

Vignettatura meccanica

È causata da ostacoli fisici che si frappongono tra i fasci luminosi e il sensore. Anche un paraluce leggermente sottodimensionato può esserne la causa. Un effetto secondario di questo genere di vignettatura è la deformazione degli highlight disc, che possono assumere una forma ellittica in prossimità dei margini del frame o persino apparire tagliati (v. Bokeh: l’estetica del fuori fuoco). I più frequenti responsabili di questo tipo di deformazioni, che possono occorrere anche se nel quadro non è visibile alcuna di vignettatura, sono i limiti imposti dalle dimensioni del barilotto o dalle bandiere del matte box.

Riflessi interni

Ogni volta che una luce colpisce una lente, in parte la attraversa e in parte ne viene riflessa generando fasci luminosi vaganti. In un sistema ottico, più sono le lenti (o per essere più precisi, maggiore è il numero delle spaziature aria-vetro) e più è facile che si creino riflessi interni, che nelle immagini acquisite si traducono in flare, riflessi parassiti e fenomeni di ghosting. Anche un’insufficiente opacizzazione delle superfici interne del barilotto dell’obiettivo, lamelle del diaframma incluse, partecipa in maniera significativa alla creazione di riflessi indesiderati. Essendo il sensore digitale una superficie specchiante, in rari casi oggi esiste anche un terzo tipo di effetto generato dalle inter-riflessioni: il red dot flare.

Flare

È una sorta di velatura che si estende su tutta l’immagine o su parte di essa. Provoca una riduzione del contrasto e introduce dominanti cromatiche condizionate dal tipo di vetri e di antiriflessi in uso.

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Riflessi parassiti e ghosting

Quando un oggetto molto luminoso è incluso nell’inquadratura, nell’immagine si creano macchie luminose e semitrasparenti dalle forme più disparate, spesso anche molto complesse e multicolore. Quando queste macchie riproducono le forme del soggetto luminoso in maniera riconoscibile vengono definite immagini fantasma e il fenomeno prende il nome di ghosting. Quando la sorgente luminosa viene correttamente esposta può persino accadere che uno o più riflessi la riproducano in maniera dettagliata. I trattamenti antiriflesso ghostless sono nati per evitare la creazione di immagini fantasma.

Red dot flare

La luce che colpisce il sensore viene in parte riflessa sulla lente posteriore dell’obiettivo, che la rimbalza indietro creando sull’immagine delle macchie rosse semitrasparenti disposte a griglia. Questo tipo di riflesso interno è visibile solo ai diaframmi più chiusi e maggiormente nei sistemi a tiraggio ridotto come le moderne fotocamere mirrorless; questo perché la luce riflessa dalla lente posteriore dell’obiettivo, in questi sistemi, deve percorrere un tragitto più breve per tornare a colpire il sensore. Si tratta comunque di un difetto ormai estremamente raro da incontrare, così raro che per quante camere abbiamo testato non siamo riusciti a riprodurlo.

Focus breathing

Nonostante gli obiettivi fissi vengano identificati da un’unica lunghezza focale (20mm, 40mm etc.) è raro che questa misura rimanga costante a tutte le distanze di fuoco. Per modificare la messa a fuoco, quasi tutti gli schemi ottici devono spostare avanti o indietro uno o più gruppi di lenti, alterando la distanza tra il proprio centro ottico e il piano focale. Quando quest’alterazione è elevata, nel corso delle transfocature si nota un evidente effetto zoom che viene definito focus breathing.

Dal momento che per i fotografi la variazione di focale correlata alle distanze di fuoco non è un problema finché non è estrema, quasi tutti gli obiettivi fotografici soffrono di un visibile focus breathing, in particolare se dotati di schemi ottici flottanti.

Parfocalità

La parfocalità è la capacità degli obiettivi zoom di mantenere il fuoco al variare della focale. Questa caratteristica rende possibile eseguire movimenti zoom-in e zoom-out senza dover correggere la focheggiatura.

Nessun obiettivo è perfettamente parfocale, ma gli zoom cinematografici sono progettati per ridurre al minimo gli slittamenti di fuoco. Di contro, nella progettazione delle ottiche fotografiche la parfocalità viene abitualmente trascurata.

Wiggle

Il termine wiggle indica uno slittamento dell’inquadratura causato da un gioco tra le elicoidi dell’obiettivo. Questo problema, detto anche frame shift, fa sì che il frame si sposti più o meno bruscamente in una qualche direzione ogni volta che s’inverte la rotazione della ghiera di messa a fuoco. Ne soffre la stragrande maggioranza degli obiettivi fotografici, in particolare se accoppiati a un follow focus.

Ci sono due escamotage particolarmente efficaci nel sopprimere il wiggle:

1. Montare gli obiettivi in posizione ruotata

Gli anelli adattatori per Nikon F e alcuni M42 lo permettono, gli altri richiedono di essere modificati. In ogni caso questa soluzione esclude l’utilizzo del sistema di blocco dell’anello adattatore, ma un paio di piccoli pezzi di biadesivo possono farne le veci in maniera egregia. Montando l’ottica in posizione ruotata ci si affida alla forza di gravità per annullare i problemi di frame shift. Nella mia esperienza è il sistema più efficace. Talvolta il wiggle permane a certe distanze di fuoco o a determinate inclinazioni della camera, di conseguenza sono necessari numerosi test per capire se il problema sia stato effettivamente risolto.

2. Utilizzare un paraluce

Il peso frontale può limitare il movimento delle elicoidi e sopprimere completamente il wiggle. Talvolta è necessario provare diversi paraluce prima d’individuare quello adatto allo scopo. Un paraluce molto leggero potrebbe risultare inefficiente mentre uno molto peso potrebbe risultare eccessivo e accentuare il problema. A volte il paraluce riesce ad annullare il frame shift solo a patto che sussistano certe condizioni di ripresa, esattamente come quando si utilizza la tecnica dell’obiettivo ruotato. I paraluce che trovo più comodi sono quelli in gomma a tre stadi, spesso identificati come 3-Stage. Sono economici e offrono diverse soluzioni in termini di rapporto tra lunghezza e peso, specialmente se associati a step-up o step-down rings. L’impiego di un paraluce, tra l’altro, può tornare molto utile sui camera rig in quanto permette di distanziare l’obiettivo dal mattebox e crea spazio sia per la focheggiatura a mano libera che tramite follow focus.

Influenza del diaframma sui difetti ottici

Difetto ottico	Influenza della chiusura del diaframma
Aberrazione sferica	Riduce il problema
Astigmatismo	Riduce il problema
Aberrazioni cromatiche	Riduce il problema nella maggior parte dei casi ma talvolta lo accresce.
Coma	Riduce il problema
Curvatura di campo	Riduce il problema
Distorsione	Nessuna influenza
Vignettatura	Riduce il problema
Riflessi interni	Può risultare irrilevante come può ridurre o amplificare il problema. In questo senso è cruciale il grado di opacizzazione delle lamelle del diaframma e di tutte le superfici interne del barilotto.
Focus breathing	Nessuna influenza
Non parfocalità	Nasconde il problema perché aumenta la profondità di campo.