NIKON  ULTRA-MICRO-NIKKOR  29,5mm f/1,2  E-LINE:

I  SEGRETI  SCONOSCIUTI  CHE  SI  CELANO  DIETRO

AL  PIU'  NITIDO  FRA  GLI  OBIETTIVI  NIKKOR

PRODOTTI  NELL'EPOCA  D'ORO




ABSTRACT

All it was possible to collect about a famous Nikkor industrial lens
from the sixties: the Ultra-Micro-Nikkor 29,5mm f/1,2 projected
in late 1964 by Akira Yashuda to photo-engrave the high-resolution
masks for micro-electronic components; this avesome lens, based on
an higly spaced Petzval front lens and a light-converging Luboshez
back group, closely resembles a reversed microscope lens, and in fact
his 1:25 reprodutio ratio is for reduction; the lens featured a staggering
multi-layer coating, a Fluorite element and was one of the sharpest
micro-engraving lens suitable for the visible e-line green light: infact, at
f/1,2 it almost peaks the theorical diffraction limits and delivers a
stunning 1.260 l/mm: yes, no less! The back glued triplet of the front
Petzval member is interesting: the first lens is a low dispersive fluor-krown
glass, while the remaining two elements match to create a so called
hyperchromatic doublet, with almost the same refractive index (1,6940
ad 1,6945) but different dispersion (Abbe number 31,2 and 54,8); in
mid-60s this lens was the tip of the Nippon Kogaku's proud skyscraper
and only the actual models, projected for much shorter UV-light wavelenghts,
could overlap the incredible resolution of this really advanced lens.

13/08/08

Ho avuto il privilegio di descrivere per la prima volta esaustivamente la storia e le caratteristiche
tecniche dei misteriosi Ultra-Micro-Nikkor già alcuni anni fa, e potete trovare il PDF del relativo
articolo (Pubblicato nel 2005 su "Scatti nel tempo") nella sezione "Articoli pubblicati & pezzi
significativi" alla pagina generale Articoli tecnici fotografici; come già accennato, la corposa
produzione Nippon Kogaku degli anni '60 e '70 si spingeva ben oltre i consueti confini legati
alla fotografia convenzionale il 35mm, e la famiglia dei cosiddetti "Industrial Nikkors" annoverava
decine di corredi diversi, in grado di coprire le più disparate esigenze; in questo contesto, gli
Ultra-Micro-Nikkor rappresentavano una sorta di fiore all'occhiello e vanno considerati una
delle fondamenta su cui poggia l'attuale tecnologia e la moderna way of life: infatti queste ottiche
dotate di un potere risolvente mostruoso furono create per realizzare le "photo-masks" dei primi
micro-circuiti, una rivoluzione tecnologica che diede vita all'elettronica di consumo e a gran parte
della tecnologia e dei gadget che allietano la vita di ciascuno di noi.

In pratica il modello del micro-circuito era prodotto in scala 100-500 volte più grande rispetto
 alle dimensioni finali, in modo da riportare agevolmente tutte le numerosissime piste necessarie;
il modello era ridotto ad un primo stadio con fattore 1:10 utilizzando obiettivi da riproduzione,
e questa maschera intermedia era poi ridotta allo stadio finale (con fattore variabile ma solitamente
compreso fra 1:10 ed 1:40) grazie ad un apposito Ultra-Micro-Nikkor; com'è facilmente intuibile,
la forte riduzione in scala del grande modello iniziale comporta un conseguente avvicinamento delle
relative piste previste per il circuito finale, quindi è necessario che l'ultimo stadio, cioè l'obiettivo
Ultra-Micro, abbia un potere risolutivo tante volte superiore all'ottica repro del primo stadio quante
volte il formato intermedio verrà ridotto per creare il modello finale: in soldoni, se l'Ultra-Micro-Nikkor
riduce con fattore 25x, per mantenere definite tutte le piste la sua risolvenza dovrà superare di 25
volte quella del già eccellente obiettivo repro utilizzato nello stadio precedente!

Questi dati chiariscono subito l'eccezionalità di questa famiglia di obiettivi; come già chiarito nel pezzo
sopra citato, dopo le timide esperienze con i Micro-Nikkor per microfilmare i complessi caratteri
giapponesi, le prime industrie che si stavano specializzando in microcircuiti bussarono alla porta della
Nippon Kogaku chiedendo di rilanciare la sfida ad altezze ben più rarefatte e  chiedendo a gran voce
obiettivi adatti alle specifiche esigenze del settore; il primo Ultra-Micro-Nikkor della serie, proposto
nel 1962, fu il frutto di ricerche, sperimentazioni ed alchimie del vetro realmente pionieristiche, dal
momento che si trattava di creare nuovi protocolli e tecnologie partendo praticamente dal foglio
bianco... Non sono mai state disponibili immagini di questo rarissimo e storico obiettivo, tuttavia
recentemente ne ho recuperata una su una brochure giapponese dell'epoca.

Quest'obiettivo, per ottenere la necessaria risoluzione, venne acromatizzato solamente sulla
cosiddetta e-line, a circa 546nm di lunghezza d'onda, ed ottimizzato su un rapporto di riduzione
fisso, eliminando molte variabili che inficiavano il risultato finale; come specificato nell'immagine,
l'ottica fu progettata da Zenji Wakimoto, il venerabile padre del primo micro-Nikkor f/3,5, ma
la diffusa convinzione che abbia progettato tutta la gamma Ultra-Micro (realizzata in un periodo
compreso fra il 1962 ed il 1970) - alla luce di recenti acquisizioni - è da considerarsi errata.

Lanciato il volano, la Nippon Kogaku cercò subito di differenziare la produzione, prevedendo
sia obiettivi in grado di realizzare una maschera finale più grande e con risolvenza inferiore, sia
ottiche che impressionavano una maschera più piccola con risolvenza molto più alta, anticipando
il forsennato trend alla miniaturizzazione dei circuiti che ha portato agli incredibili gioielli tecnologici
dei nostri giorni; l'obiettivo che più di ogni altro si spinse in questa direzione e che raggiungerà il
limite massimo di risolvenza - avvicinandosi ai limiti teorici di diffrazione - fu proprio il modello
protagonista di questo pezzo, sviluppato rapidamente e con lungimiranza dalla Nikon e reso
disponibile alla fine del 1964: infatti, nel Novembre di quell'anno, il progettista Akira Yashuda-San
completò il calcolo del celebre Ultra-Micro-Nikkor 29,5mm f/1,2 (talvolta arrotondato a 30mm), il
più nitido e luminoso di tutti gli obiettivi della gamma;  l'ampia luminosità f/1,2 - in realtà diaframma
ottimale di lavoro - si rendeva necessaria per ottenere la risoluzione prefissa, proprio in ottemperanza
alla regola generale sulla diffrazione... Basta poco per inquadrare l'eccezionalità del pezzo:
l'Ultra-Micro-Nikkor 29,5mm f/1,2, anch'esso acromatizzato nella e-line a 546nm (luce verde), inquadrava
un modello intermedio da 50x50mm, con piste già riprodotte a 50 l/mm di risoluzione, e lo riduceva
di 25 volte trasformandolo nella maschera per un micro-circuito da appena 2x2mm di lato, per risolvere
il quale occorrevano - appunto - 25 x 50 = 1.250 l/mm di risoluzione, ed infatti l'obiettivo dichiarava
1.260 l/mm @ f/1,2 !

una rara immagine d'epoca che immortala l'Ultra-Micro-Nikkor 29,5mm f/1,2,
un obiettivo dotato di caratteristiche tecniche e di risoluzione mostruose per quel 1964;
la meccanica misura 213mm di lunghezza per 60mm di diametro, con un peso di circa
800g, montatura posteriore da 50x0,75mm ed attacco filtri da 40,5x0,5mm.

Potete immaginare il valore tecnico ed economico dirompente attribuibile nel 1964 ad
uno strumento in grado di riprodurre migliaia di piste su un micro-circuito di appena 2x2mm!
Come fu possibile in quell'epoca tutto sommato adolescenziale arrivare a simili risultati? In
questo caso alla Nippon Kogaku sfruttarono il know-how di famiglia ed in particolare presero
a prestito le esperienze nel settore microscopi: infatti lo schema ottico del 29,5mm f/1,2 appare
molto simile a quello di un obiettivo da microscopio 25X APO invertito (ricordiamo che l'Ultra-
Micro lavora in riduzione, quindi l'equazione regge)... Poi l'ottimizzazione specifica dello schema
e l'aiuto fornito da coniugate fisse e balda monocromatica hanno permesso l'exploit.

lo schema ottico (peraltro poco accurato) riportato sulle rare brochure d'epoca assieme ad
uno schema meccanico fornito direttamente dagli archivi della Nikon Co. ed ottenuto grazie
all'amicizia con il guru del settore, Michio Achiyama-San.

ecco lo schema ortodosso che ho personalmente ricavato dal progetto originale, e per la prima volta
è possibile valutare anche la scelta di vetri adottati; come si deduce dalla tabella, l'ottica inquadrava
con una coniugata anteriore di 810mm una maschera da 50x50mm, riducendola con fattore 25x fino
al modello finale di appena 2mm; il piano focale posteriore si trovava ad appena 3,79mm dall'ultima
lente e l'obiettivo è praticamente esente da aberrazione sferica, astigmatismo, curvatura di campo e aberrazione
cromatica (ovviamente, lavorando in banda singola 546nm), mentre è stata accettata una certa distorsione,
completamente assente in altri UMN destinati a maschere di dimensioni maggiori: i dati ufficiali parlano
di 1,3% ma sugli schemi del progetto originale le curve superano anche il 2%.

L'obiettivo è effettivamente molto simile ad un'ottica da microscopio invertita, e deriva molto probabilmente
da un modello Nikon APO da 25 ingrandimenti (nel nostro caso, col nocciolo invertito abbiamo lo stesso
fattore in riduzione); sono riconoscibili due membri principali: un membro anteriore tipo Petzval con ampia
distanza fra i due moduli che lo costituiscono, ed un gruppo posteriore simile al celebre sistema di Luboshez,
una sorta di moltiplicatore di focale al contrario che concentra il fascio luminoso in uscita dal membro anteriore
(come avviene con una lente di ingrandimento esposta al Sole), riducendo la sua focale iniziale ed anche il formato
coperto, ottenendo in cambio un incremento della luminosità; questo espediente, ideato da Luboshez a fine anni '20,
è stato ampiamente sfruttato in moltissimi obiettivi super-luminosi.

Quest'obiettivo fu uno dei primi al mondo, alla pari dei coevi Fujinon utilizzati sulle telecamere alle olimpiadi di Tokyo,
ad adottare un sofisticato trattamento antiriflessi multiplo, specificamente ottimizzato per la banda monocromatica di
luce verde in cui l'obiettivo lavorava; come ulteriore conferma della derivazione diretta da ottiche per microscopio, la
penultima lente è realizzata in Fluoruro di Calcio (Fluorite, con numero di Abbe nella e-line vE= 94,9), mentre è molto
interessante il complesso tripletto collato che costituisce il secondo membro del Petzval anteriore, subito dietro al diaframma:
la prima lente è realizzata con un vetro Fluor-Krown a bassa rifrazione (nE= 1,448) e bassa dispersione (vE= 67,0),
mentre i restanti due elementi combinati creano un cosiddetto "doppietto ipercromatico", nel quale l'indice di rifrazione
dei due elementi è pressochè identico ma la dispersione (numero di Abbe) sostanzialmente differente, e di solito viene
utilizzato quando si vuole correggere di fino l'aberrazione cromatica senza intervenire sui valori di Seidel relativi alla
correzione ottica delle altre aberrazioni; in questo caso sono stati impiegati due materiali (SF8 ed LAK9) dotati di
rifrazione praticamente identica (nE = 1,6940 - 1,6945) e dispersione sostanzialmente differenziata (vE = 31,2 - 54,8).

Il diaframma spazia su valori compresi fra f/1,2 ed f/8, ma l'ottica è ottimizzata a piena apertura (diffraction-limited)
e chiusure maggiori vanno sfruttate solo in caso di reale necessità; infine, per ottenere una simile risoluzione ed una
elevata correzione di molte aberrazioni, l'angolo di campo effettivo è stato drasticamente tagliato: appena 6°.

Akira Yashuda aveva previsto i parametri per due diversi modelli, il primo dei quali è poi entrato
in produzione; il caro amico Vicent Cabo ha disegnato per noi i due schemi (grazie Vicent!) che
appaiono estremamente simili fra loro; dal punto di vista ottico sono caratterizzati da un rapporto
in riduzione leggermente diverso: 25x esatti il modello di produzione (0,04x) e 26,55x il secondo
prototipo (0,03766x); l'unico elemento a rifrazione sufficientemente elevata è lo Short Flint di vecchia
generazione in posizione anteriore, un omaggio alla tipica filosofia di progettazione degli obiettivi repro
ad alta risoluzione che vuole una correzione progressiva, armoniosa e gentile delle aberrazioni,
distribuendole progressivamente di lente in lente, senza "salti" bruschi.

un nuovo schema disegnato da Vicent Cabo con dettaglio ingrandito evidenzia come
l'unica variante introdotta nel secondo prototipo - oltre ad una maggiore spaziatura
nei membri del Petzval anteriore - sia un differente profilo dell'ultima lente convergente
posteriore.

Gli schemi originali del gruppo ottico di Luboshez, presentati nel 1928; l'effetto convergente
riduce la focale ed il diametro della coniugata posteriore del sistema, aumentando la luminosità
relativa; come si può notare, l'ultimo modulo posteriore dell'UMN 29,5mm f/1,2 si ispira a
questo modello: probabilmente focale e luminosità effettiva del singolo membro anteriore
sarebbero di circa 75mm f/2,0, ridotti a 30mm f/1,2 dal modulo di Luboshez adottato.

le aberrazioni tipiche descritte nel progetto originale: astigmatismo ed aberrazione
sferica sono negligibili (come richiesto dalla specifica destinazione d'uso), mentre
la distorsione è stranamente elevata (nel mio UMN 55mm f/2 è ancora 0 dopo
quattro decimali...)

Questo schema riassume e chiarisce il ruolo dell'Ultra-Micro-Nikkor 29,5mm f/1,2: il modello originale di circa 50cm
(con piste disposte a 5 l/mm) viene ridotto ad un primo stadio con fattore 1:10 da un obiettivo repro ottimizzato a questo
rapporto (dotato di almeno 50 l/mm); il modello così ottenuto, da 5x5cm e 50 l/mm, viene ulteriormente ridotto dall'UMN
con attore 1:25, generando la maschera finale nelle dimensioni richieste, appena 2mm, e mantenendo il dettaglio di tutte le
piste grazie alla risoluzione superiore a 1.250 l/mm; contrariamente a quanto sempre supposto - ed asserito anche da me -
nel primo stadio non erano utilizzati obiettivi come gli Apo-Nikkor o i Process-Nikkor per photo-engraving: questi obiettivi
sono infatti tutti ottimizzati al rapporto di riproduzione 1:1; probabilmente in questo caso entrano in campo gli schemi
Micro-Nikkor 75mm f/5 e Micro-Nikkor 105mm f/5,6, ottimizzati per una riduzione di 1:10 - 1:12 (quindi perfetti per la
bisogna) e dotati di un potere risolutivo ampiamente superiore a quelle 50 l/mm necessarie nel primo stadio; naturalmente
la riproduzione della maschera intermedia dev'essere assolutamente priva di fringings (cosa che sarebbe stata garantita dai
già citati Apo-Nikkor e Preocess-Nikkor, apocromatici per arti grafiche), e questo forse spiega l'eccezionale correzione
dell'aberrazione cromatica presente nel classico schema Micro-Nikkor della prima ora (lo Xenotar illustrato sopra), nel quale
i tre colori primari sono a fuoco sul piano a poche decine di micron di distanza... E' possibile che in fase di calcolo questa
particolarissima opzione d'uso fosse stata considerata.

una snapshot che evidenzia il certosino lavoro svolto da Vicent Cabo
per disegnare accuratamente i prototipi partendo dai parametri numerici
originali...

Dopo questo necessario briefing si può capire che quest'obiettivo, per quanto lontano
dalla prassi fotografica di tutti i giorni e praticamente sconosciuto anche agli amatori,
rivestì in realtà un ruolo chiave nella definizione di nuove tecnologie, come appunto la
microelettronica, che sono alla base di ogni gesto quotidiano per ciascuno di noi; si
può dire che sia stato un po' il padre dell'attuale way of life e non c'è implicazione della
nostra vita che non dipenda dal suo umile e sconosciuto contributo materiale....

(ringrazio calorosamente Vicent Cabo per la consueta, gentilissima e disinteressata
collaborazione nella realizzazione degli schemi ottici dei prototipi)

MARCOMETER



CARATTERISTICHE  OTTICHE  INARRIVABILI, PARAMETRI
DA  BRIVIDO  (1.260 l/mm -  SPAZIO  RETROFOCALE  3,79mm...)
AUTENTICHE  PRIMIZIE (MULTICOATING,  LENTE  IN  FLUORITE)
ED  UN  RUOLO  CHIAVE  NELLO  SVILUPPO  DELLA  MICRO-
ELETTRONICA: COSA  SI  PUO'  DIRE  O  VOLERE  DI  PIU'
DA  QUESTO  PEZZO  DI  STORIA  CHE  HA  UN  RUOLO
PARIMENTI  CRUCIALE  SIA  NELL'OTTICA  CHE  NELLO
STESSO  INDIRIZZO  PRESO  DALLA  SOCIETA'  MODERNA?

LINK  AL  PDF  CON  L'ARTICOLO  GENERALE  SUGLI  ULTRA-MICRO-NIKKOR





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