COME NASCE E COME FUNZIONA
ABSTRACT
MULTI-COATING:
COME NASCE E COME FUNZIONA
ABSTRACT
A little discussion about multi-layer
coating: the first effective MC treatment
was applied at optical devices for the military by two consociated brands, the
american Optical Coatings Laboratory Inc. and the german Balzers: the invention
was called High Efficiency Antireflector (HEA) and was effective in the sixties;
the
HEA consisted of six layers: 1st, 3rd and 5th made of Zirconium oxide,
2nd, 4th
and 6th of Magnesium fluoride, both vacuum deposed after high temperature
sublimation;
the three double series of low refractive/low dispersive materials' layers
had a thickness
of 1/4 the wavelenght of the principal colors of spectrum (G-line at 435nm,
E-line at
546nm and C-line at 650nm), creating a reflecting interference over the broad
range of
visible light; Asahi Pentax adopted this patent, changed some details (for
example, adding
a further hardened layer to avoid scratches while cleaning the lens) and called it
photo-HEA;
the photo-HEA multilayer coating appeared for the first time in photographic
lenses on
January, 1971, when a 50mm f/1,4 Takumar for the Spotmatic body was upgraded
with
this invention, then followed by the improved Penntax SMC and by similar
multi-layer coating
concived by the other brands, like Fuji EBC, Canon SSC, Nikon NIC, Zeiss T*,
Rollei HFT,
Minolta Achromatic Coating, Konica Color Dymanic Coating and so on, all based on
low
refractive and dispersive fluorides layered with a thickness of 1/4 the
wavelenght of the various
colors, boosting drammatically the image quality of the lenses in adverse light
conditions.
In truth, the first MC production lenses was the EBC-Fujinon TV zoom lenses used
for
television cameras at 1964 Tokyo Olympics, and other lenses of the sixties had
some or all
the elements multicoated: the Ultra-Micro-Nikkor line, the Leitz Summilux-M 35mm
f/1,4,
the Nikkor S-Auto 55mm f/1,2 and Rollei filters for TLR Rolleiflex, but the mass
diffusion
of multilayers was an HEA heritage.
17/12/2008
Non intendo dilungarmi sulla fascinosa storia dei trattamenti antiriflessi, dai
primi esperimenti
di Taylor alle scoperte di Smakula (peraltro bissate da coevi e meno conosciuti
colleghi americani)
fino ai modernissimi rivestimenti dell'ultima generazione; in questo caso voglio
soffermarmi sulla
nascita dei primi rivestimenti antiriflesso ad ampia diffusione.
In realtà alla Schott furono sperimentati rivestimenti multistrato già al
tempo di guerra, e
si favoleggia di non meglio precisati obiettivi Goerz prebellici già muniti di
un primitivo trattamento
multistrato, ma fu soltanto ad inizio degli anni '70 che la rivoluzionaria
tecnica trovò una diffusione
di massa, migliorando drasticamente la resa degli obiettivi, specialmente in
avverse condizioni di luce.
E' sempre stato riconosciuto alla Asahi Pentax il ruolo di
pioniere in questo campo, grazie al suo
innovativo Super-Multi-Coating (SMC): in realtà questa tecnologia fu acquisita
"chiavi in mano"
da due aziende specializzate nel settore, l'americana Optical Coatings
Laboratory Inc. e la tedesca
Balzers, che operando in società avevano sviluppato un avanzato sistema
antiriflessi multistrato
che veniva applicato a dispositivi ottici nel settore militare; questo
procedimento veniva denominato
"HEA" (High Efficiency Antireflector) ed era basato su sei strati di
spessore differenziato, tre dei
quali costituiti da ossido di Zirconio e tre da fluoruro di Magnesio,
intercalati con regolarità a partire
dall'ossido di Zirconio (a contatto con la lente) fino ad arrivare allo strato
esterno, in fluoruro di Magnesio.
Uno degli advertising con cui la Asahi Pentax bombardò il
mercato ad
inizio anni '70, condizionando le aspettative dei potenziali acquirenti e
creando un trend che obbligò la concorrenza ad adeguarsi.
Uno dei primi schemi relativi al Pentax SMC che descrive
la drastica riduzione percentile delle riflessioni su tutto lo spettro.
Il principio su cui si basano gli antiriflessi è questo:
sulla superficie della lente finita
viene fatto evaporare a caldo, in apposite campane sotto vuoto, un sottile ed
uniforme
strato di fluoruri (solitamente fluoruro di Magnesio, ma anche di Calcio), un
materiale
a bassa rifrazione e dispersione; questo rivestimento crea una interferenza che
riduce
drasticamente le riflessioni relative ad una banda dello spettro luminoso con
lunghezza
d'onda pari a circa 4 volte lo spessore del rivestimento stesso; in altre
parole, per minimizzare
i riflessi in una determinata banda dello spetto, è necessario che il
rivestimento abbia uno
spessore pari ad 1/4 della relativa lunghezza d'onda; considerando che il range
dello spettro
visibile ha lunghezze che vanno da 0,00043mm a 0,0007mm è facile immaginare
quanto
debba essere sottile il rivestimento! Gli antiriflessi a strato singolo erano
ottimizzati per
ridurre solamente un settore parziale dello spettro, mentre per gli altri colori
l'efficacia
era drasticamente ridotta; il nuovo multi-coating HEA disponeva di tre serie di
strati
(ciascuna composta da un layer di ossido di Zirconio ed uno di fluoruro di
Magnesio)
il cui spessore corrispondeva ad 1/4 delle lunghezza d'onda relativa ai
principali colori
dello spettro: la G-line (blue-Mercury line, 435nm), la E-line (green-Mercury
line, 546nm)
e la C-line (red-Hydrogen line, 656nm): in questo modo ciascuna coppia di strati
interferiva
otticamente con le frequenze poste al centro e all'estremità dello spettro
visibile, ottenendo
così una drastica riduzione dei riflessi rispetto allo strato singolo; gli
unici limiti dello HEA
consistevano nella relativa difficoltà ad "agrippare" sul vetro e
nella resistenza meccanica
non eccezionale, col conseguente rischio di danneggiare gli strati durante la
pulizia.
La Asahi Kogaku acquisì i diritti per sfruttare questo procedimento in campo
fotografico,
al quale fu specificamente adattato aggiungendo un settimo strato indurente
superficiale;
normalmente non viene conteggiato ma sembra che ci fosse anche un ulteriore
strato di
materiale non meglio precisato per ancorare meglio il primo layer di ossido di
Zirconio
alla superficie della lente.
Questo rivestimento modificato fu denominato photo-HEA e
debuttò in casa Asahi
nel Gennaio 1971, quando fu applicato in via sperimentale al Takumar 50mm f/1,4
della Spotmatic; ulteriori evoluzioni (soprattutto volte a minimizzare il cast
giallastro
prodotto dall'ossido di Zirconio) portarono poi al famoso SMC, subito
strombazzato
ai quattro venti ed applicato in massa nella produzione Pentax, al punto da
indurre tutti
i concorrenti ad adeguarsi in tempi brevi; nacquero così in rapida successione
i vari
trattamenti multistrato dei principali concorrenti, ciascuno dei quali fu
caratterizzato da
sigle che facevano bella mostra di se sulla ghiera frontale dei
"nuovi" obiettivi.
Per sottolineare la criticità del trattamento sotto vuoto, ribadisco che la
lunghezza d'onda
per gli spettri di riferimento G-line, E-line e C-line è pari rispettivamente
a 0,000435mm,
0,000546mm e 0,000656mm, quindi ciascuno dei tre rivestimenti destinati a
passivare
i riflessi in questo range deve avere uno spessore di 0,00010875mm, 0,001365mm e
0,000164mm... Naturalmente non c'è alcun modo per misurare l'accuratezza di
questi
dati in modo tradizionale, e la conferma del raggiungimento di un adeguato
spessore viene
fornita proprio dal colore assunto dai layers: ciascuno di essi consente la
massima trasmissione
della luce nel suo spettro di riferimento, ma riflette in modo più marcato,
scegliendole selettivamente,
le altre sezioni dell'iride, producendo così un riflesso colorato che varia con
lo spessore (e la
relativa interferenza di riferimento); tecnici esperti sanno riconoscere lo
spessore adeguato
osservando le lenti sotto la campana, durante il trattamento, quando il riflesso
assume un determinato
colore! Tutto questo chiarisce quindi un equivoco diffuso: normalmente i vari
strati antiriflesso non
sono realizzati con materiali diversi, ma la specifica interferenza con i vari
colori dello spettro
dipende principalmente dal loro spessore.
Ecco alcuni dei trattamenti multistrato più famosi
In realtà la Leitz si è sempre distinta dal gruppo, applicando l'MC solamente
a ragion veduta:
la spiegazione sta nel fatto che vetri ad alto indice di rifrazione causano
riflessi di entità molto
inferiore a quelli più convenzionali, e siccome gli obiettivi Leitz facevano
ampio uso di materiali
altamente rifrangenti, non c'era la necessità di un trattamento MC a tappeto;
questo non toglie
che la Leitz sia stata comunque una pioniera del settore: infatti, se è vero
che la diffusione massiccia
del multilayer è propria degli anni '70, già negli anni '60 alcuni obiettivi
adottavano il trattamento
multistrato: i primi a servirsene in modo massiccio furono i sofisticati zoom
Fujinon allestiti dalla
Fuji per le telecamere che coprivano le riprese televisive delle Olimpiadi di
Tokyo 1964: questi
obiettivi erano realmente all'avanguardia ed adottavano un sofisticato
rivestimento ad 11 strati
definito EBC (Electron Beam Coating), nel quale il materiale di rivestimento
veniva fatto evaporare
grazie ad un non meglio precisato "cannone ad elettroni"; anche la
serie Ultra-Micro-Nikkor per
microcircuiti adottava antiriflessi multipli (il primo fu il 29,5mm f/1,2),
mentre i primi obiettivi
fotografici convenzionali ad utilizzare l'MC (solamente su alcune superfici
aria/vetro) furono il
Nikkor S-Auto 55mm f/1,2 ed - appunto - il Summilux-M 35mm f/1,4; curiosamente,
anche
i filtri a baionetta per Rolleiflex biottica TLR erano dotati di antiriflessi a
strati multipli!
Ecco dunque le origini dei moderni trattamenti multistrato, che con l'aggiunta
di rivestimenti
polarizzanti hanno elevato in modo drastico la saturazione ed il contrasto
dell'immagine, creando
un nuovo linguaggio visivo.. Naturalmente tutto ha un prezzo, e la totale
assenza di interriflessioni
porta ad ombre più crude e tappate, al punto che in tempi recenti la
Cosina-Voigtlaender ha
proposto il suo Nokton 40mm f/1,4, basato sullo schema retrò del Summilux-M
35mm f/1,4
primo tipo, in duplice versione: MC a strati multipli ed SC a rivestimento
singolo, per fornire
una resa meno cruda, e più gammata nelle ombre, grazie alla soglia di velo
elevata dalle
interriflessioni meno controllate: un obiettivo per intenditori, certo, ma che
sottolinea come
in certi settori gli obiettivi con trattamento meno sofisticato possano ancora
farsi valere..
La lente frontale di un moderno obiettivo con rivestimento a
strati multipli, evidenziato
dal particolare cromatismo dei riflessi: proprio quest'ultimo si è rivelato nel
tempo un
grande alleato del marketing, dal momento che gli affascinanti colori che
balenano
sulla lente frontale - efficacemente immortalati sulle brochures di propaganda -
hanno
fatto "innamorare" più utenti rispetto ai fantasmagorici valori di
risolvenza o di luminosità
associati alle stesse ottiche...