RETROSCENA DI PROGETTO DI UN OBIETTIVO STRAORDINARIO


In questa pagina condividerò con tutti voi i segreti che si celano dietro il monumentale e modernissimo sistema ottico di quest'obiettivo, con riferimento anche ai prototipi alternativi fra i quali fu scelta la versione destinata alla produzione.

Il Nikon AF-S VR Nikkor 200mm f/2 IF ED G lanciato nel 2004 fu la risposta lungamente attesa ad un analogo superluminoso della concorrenza che - privo di competitori - spopolava nella sua ristretta nicchia d'elezione: gli eventi sportivi indoor in palazzetti di ridotte dimensioni e manifestazioni teatrali o performance artistiche in condizioni di luce critica; in realtà l'obiettivo della concorrenza, lanciato con 15 anni di anticipo sul modello Nikon, era privo di stabilizzatore, mentre il Nikkor dispone di un moderno modulo VR di seconda generazione, i cui giroscopi sono in grado di garantire, in condizioni favorevoli, un recupero nei confronti del mosso involontario stimabile in 3 f/stop; detesto questo tipo di paragoni in quanto impropri, ma sarebbe come disporre di un 200mm f/0,7, e l'avvento quasi contemporaneo dell'altrettanto sospirato sensore FX full-frame, caratterizzato com'è noto da un eccellente rapporto noise-to-gain, aprì le cataratte del buio e ben presto giunsero alla ribalta immagini letteralmente impossibili, realizzate con Nikkor 200mm f/2 a piena apertura e sensibilità di 6400 ISO.

Si tratta naturalmente di uno strumento squisitamente professionale il cui peso e soprattutto il cui prezzo di listino lo mettono al riparo dalle brame dei comuni fotoamatori, ma non si può negare che sia il profilo delle sue prestazioni ottiche che l'ergonomia della concezione che la fattura destinata a resistere ad un utilizzo rude non porgono il fianco a critiche: si tratta di un obiettivo "nato adulto" dai lombi di una tecnologia ormai matura e collaudata, e chi ha la fortuna di utilizzarlo ne è molto soddisfatto.

credits: immagine Nikon Co.
(credits: immagine Nikon Co.)

L'impressionante AF-S VR NIkkor 200mm f/2 IF ED G, teleobiettivo superluminoso, apocromatico, motorizzato ad ultrasuoni e stabilizzato, si rese disponibile nel 2004 e fu il primo obiettivo della Casa realizzato per l'impiego convenzionale ad utilizzare lo speciale vetro Nikon Super-UD, nato per avvicinare le proprietà della Fluorite cristallina (fluoruro di Calcio) senza mutuarne i limiti strutturali; l'obiettivo è dotato di tutte le caratteristiche più utili al professionista che lo utilizza in situazioni concitate, fra le quali: settore gommato anteriore per appoggiare l'ottica al suolo senza danni; attacco girevole per cavalletto in posizione baricentrica con stop percettibili ogni 90°; messa a fuoco con motore ad ultrasuoni e possibilità di correzione manuale in corsa; pulsante per memorizzare e richiamare una distanza prefissata; possibilità di limitare il range di messa a fuoco per rendere più veloce l'autofocus; stabilizzatore d'immagine VR con inedita ghiera coassiale di attivazione, facilmente gestibile anche con l'occhio al mirino; stabilizzatore VR funzionante su due modalità (normale e attiva); filtro posteriore di diametro ridotto (52mm); range operativo esteso fino ad 1,9 metri; robusti occhielli per fissare il barilotto alla cinghia da spalla; ampio ed efficace paraluce HK-31 (ad innesto rapido) in dotazione, anch'esso dotato di settore gommato protettivo; filtro neutro anteriore in posizione fissa per proteggere la lente frontale in vetro ED; finitura martellata, opaca e resistente all'usura.
Si tratta quindi di una realizzazione curata nei minimi dettagli, il cui cospicuo nocciolo ottico (costituito da 13 lenti in 9 gruppi, più i due filtri neutri) ha comportato un peso di circa 2,9kg, mentre il barilotto ha un diametro di 124mm ed una lunghezza complessiva di 203mm; trattandosi di un obiettivo G, privo della ghiera manuale per il diaframma, il suo utilizzo con i corpi di precedente generazione rispecchia i consueti limiti funzionali.

Naturalmente quanto sopra è un semplice dovere di cronaca, trattandosi di informazioni ben note a chi possiede ed utilizza quest'ottica o agli appassionati del Marchio; il vero argomento della trattazione si concentra invece su quanto resta sotto la pelle, ovvero il sofisticato gruppo ottico dell'obiettivo, a riguardo del quale le informazioni sono scarne o nulle, una lacuna alla quale porremo rimedio senza indugio.

Marco Cavina 2009

Il gruppo ottico dell'AF-S VR NIkkor 200mm f/2 IF ED G fu progettato da Mitsuaki Wada-San e brevettato in Giappone nel Giugno del 2004, quando l'ottica definitiva era ormai in produzione; si tratta di un progetto razionale ed interessante soprattutto perchè utilizza una lente in vetro Nikon Super-ED, un materiale proprietario realizzato dalla Casa nelle sue vetrerie e caratterizzato da una dispersione ancora più ridotta di quella del vetro ED (il suo numero di Abbe è addirittura 91,0 contro l'82,6 garantito dal vetro ED); alla luce di questi dati, se ripartissimo idealmente la differenza in valori dispersivi che separa il vetro ED dalla Fluorite in tre settori di uguale ampiezza, il vetro Super-UD si troverebbe due steps al di sopra del vetro ED ed uno step al di sotto della Fluorite.

È interessante notare che la focale effettiva di progetto corrisponde a 195mm mentre la luminosità geometrica teorica sarebbe addirittura f/1,84, poi corretta con grande onestà dalla Nikon su un valore nominale di f/2, corrispondente al "T" effettivo (considerando l'assorbimento e le riflessioni dei 9 gruppi di lenti e dei due filtri); un atteggiamento molto trasparente e corretto che a suo tempo non fu seguito dal principale rivale nipponico, il cui 200mm f/1,8 risulta anch'esso dal progetto teorico come un f/1,84, quindi leggermente meno luminoso nell'uso pratico rispetto al dato di targa.

Il sistema ottico nasce sulla base di uno schema di tipo Ernostar (ideato da Ludwig Bertele durante i suoi trascorsi giovanili alla Ernemann di Dresden, per la quale progettò - appunto - i celebri Ernostar superluminosi che equipaggiavano le fotocamere Ernemann e che arrivarono ad f/1,8 in produzione e ad f/1,4 nei progetti teorici), un tipo di obiettivo in grado di concentrare progressivamente il fascio luminoso su un campo molto più ridotto rispetto al diametro iniziale, e soprattutto su una coniugata posteriore caratterizzata da uno spazio retrofocale molto ridotto, in alcuni casi quasi nullo (inferiore ad 1mm!); esempi famosi del tipo Ernostar superluminoso sono gli obiettivi Rayxar della De Oude Delft e gli XR- e TV-Heligon di Rodenstock.

In questo caso il progettista, oltre all'elevata luminosità, doveva garantire tre ulteriori caratteristiche: lo spazio retrofocale compatibile con le reflex Nikon, un sistema aggiuntivo di messa a fuoco interna che evitasse di movimentare chili di vetro, ed infine la presenza di un modulo di lenti per lo stabilizzatore VR; Wada-San ibridò il concetto Ernostar superluminoso introducendo il classico modulo IF già visto su molti teleobiettivi Nikkor (costituito da due doppietti collati affiancati, indicati nello schema come G2) ed aggiunse un modulo posteriore (G3) che lavorava in sinergia con G2 per aumentare lo spazio retrofocale (che è quasi 60mm, quindi ben più che sufficiente); lo stesso modulo G3 costituisce il nocciolo di lenti dotate di movimento di traslazione sui due assi pilotato dal sistema VR, e la sua struttura ricorda da vicino gli analoghi gruppi di lenti inseriti in alcuni prototipi di obiettivi Nikkor VR concepiti da due specialisti del settore (Sei Matsui e Kenzaburo Suzuki) molti anni prima del primo stabilizzato di produzione (arrivato nel 2000).

L'obiettivo incorpora naturalmente numerosi vetri speciali dalle caratteristiche moderne: trattandosi di un teleobiettivo da circa 13°, la massima attenzione è stata rivolta al controllo di aberrazione cromatica e sferocromatismo, adottando tre lenti in vetro ED (la prima, la seconda e la sesta) e - come detto - una in vetro Super-ED (la quarta); visto il diametro di questi elementi possiamo già trovare una parziale giustificazione al vistoso prezzo di listino; l'ottica incorpora anche sei lenti ad alta rifrazione, delle quali una di "vecchia scuola" (lo Short-Flint ad alta rifrazione ed alta dispersione in posizione L12) e cinque realizzate con moderni vetri
ad alta rifrazione e bassa dispersione (L3, L5, L7, L9 ed L11); nell'inedita tabella sono riportati anche i raggi di curvatura, gli spessori degli elementi e le spaziature sull'asse.

Durante la messa a fuoco il pesante modulo G1 resta statico, mentre i due doppietti G2, passando da infinito ad 1,9m, arretrano verso il corpo macchina di circa 9,5mm, per cui lo spazio d1 passa da 5,5000mm a 15,0995mm e lo spazio d2 si riduce da 15,5529mm a 5,9244mm; noterete che la variazione dei due spazi, teoricamente identica, presenta una lieve discrasia: infatti l'obiettivo dispone di un ulteriore flottaggio micrometrico asolidale del modulo G3, messo probabilmente in atto per correggere di fino le aberrazioni alle distanze più ridotte, per cui lo spazio retrofocale su infinito è di 59,4575mm e sulla posizione di messa a fuoco minima aumenta a 59,4386mm, con un arretramento misurato sull'ultima lente pari a 0,0189mm; dal momento che le "anomalie" dello spazio d2 indicano un avvicinamento del gruppo G3 pari a 0,029mm, è probabile che durante il flottaggio lo spazio fra le ultime tre lenti aumenti, il che richiede un sistema complessivo realmente critico da mettere a punto e certamente molto costoso, a meno che le quote riportate sul progetto non siano un refuso del compilatore...

L'obiettivo presenta su infinito una correzione eccellente, ma alla Nikon erano coscienti che i professionisti interessati a questa tipologia di obiettivi operano prevalentemente al chiuso e a distanze sostanzialmente ravvicinate, per cui è stata posta attenzione in sede di progetto per contenere il degrado di queste ottime prestazioni operando a coniugate ridotte; ecco i diagrammi corrispondenti alle principali aberrazioni, sia in posizione di infinito che a distanza di messa a fuoco minima, riferiti all'obiettivo in questione.

Marco Cavina 2009Marco Cavina 2009

Come potete notare, su infinito la correzione delle aberrazioni, in particolare di quelle a componente cromatica, è sull'asintoto della perfezione e testimonia in modo lampante l'attuale stato dell'arte in questo settore; a distanze ravvicinate, nonostante il sofisticato sistema di messa a fuoco interna (IF), la correzione è inferiore ma sempre su livelli molto soddisfacenti e con una buona corrispondenza reciproca delle curve riferite alle due frequenze di riferimento dello spettro (d-line e g-line, corrispondenti agli standard di Fraunhofer pari a 587,5618nm e 435,8343nm); focalizzo la vostra attenzione sui diagrammi del coma, in quanto sono riferiti all'ottica con stabilizzatore spento oppure attivo al massimo del flottaggio ammesso per il gruppo mobile: è soprattutto questa l'aberrazione chiamata in causa dai "decentramenti" di lenti causati dallo stabilizzatore in funzione, e curiosamente pare che il degrado sia inferiore a coniugate brevi.

Come sovente avviene, nel progetto di Mitsuaki Wada sono presenti sei prototipi diversi, tutti strettamente imparentati fra loro, dei quali il terzo fu scelto per la produzione definitiva; analizzeremo gli schemi ed i diagrammi aberrazionali dei sei esemplari, valutando come le differenze siano principalmente riferibili alla distribuzione delle lenti a bassa dispersione, in un'escalation progressiva cui corrisponde un incremento proporzionale nei costi di produzione.

Marco Cavina 2009Marco Cavina 2009
Marco Cavina 2009Marco Cavina 2009
Marco Cavina 2009Marco Cavina 2009

I sei obiettivi presentano differenze marginali e non di concetto, mentre è interessante osservare la disposizione dei vetri a bassa dispersione che ho debitamente evidenziato: i prototipi 1 e 2 si "accontentano" di quattro lenti ED ma non sfruttano il tipo Super-ED; il prototipo n° 3 (quello poi avviato alla serie) è il primo ad usufruirne, e dispone di tre lenti ED ed una lente Super ED; i modelli successivi fanno un uso più massiccio di questo prestigioso materiale: due lenti Super-ED e due lenti ED nel prototipo n° 5 e addirittura tre lenti Super-ED di grande diametro ed una lente ED nei prototipi 4 e 6.

Questo tipo di materiale, realizzato direttamente da Nikon, ha caratteristiche ottiche molto simili a quelle della Fluorite (fluoruro di Calcio, CaF2), con una dispersione solo marginalmente superiore a quella di questo materiale cristallino (in realtà la Fluorite ha una particolarissima dispersione anomala dello spettro secondario, ma non complichiamo inutilmente i concetti!); questo tipo di vetri, in effetti, è realizzato anch'esso impiegando una elevatissima percentuale di fluoruri aloidi, e le procedure di fusione sono estremamente complesse e costose, quindi - probabilmente - nella scelta del modello di produzione si è trovata una mediazione fra le prestazioni garantite dal vetro Super-ED ed i costi finali di realizzazione, limitandone l'uso ad una lente soltanto...

A titolo di curiosità presento i diagrammi aberrazionali di tutti i prototipi appena descritti, sempre riferiti ai due estremi della scala di messa a fuoco prevista.

Marco Cavina 2009
Marco Cavina 2009
Marco Cavina 2009
Marco Cavina 2009
Marco Cavina 2009
Marco Cavina 2009

Osservando i dati nel loro complesso, l'esemplare giunto alla serie costituisce forse il miglior compromesso fra correzione e costi di produzione dovuti all'impiego di lenti speciali di ampio diametro.

Senza mezzi termini, l'obiettivo andò a contrapporsi al rivale Canon EF 200mm f/1,8 L (poi anch'esso "normalizzato" come 200mm f/2 stabilizzato), un'ottica progettata nell'ormai lontano 1987 e presente sul mercato dal 1989; analizzando i due schemi ottici si può notare come esistano filosofie di fondo congruenti, a riprova che in obiettivi estremi la scelta della configurazione è spesso unica ed obbligata.

Marco Cavina 2009

Entrambi i "rivali" hanno un modulo anteriore riferito al tipo Ernostar superluminoso, ed entrambi presentano un gruppo di messa a fuoco interna di concezione analoga (basato su due doppietti nel Nikon e su un doppietto singolo nel Canon); le differenze maggiori sono ravvisabili nel gruppo posteriore: il Canon presenta un emi-Gauss davvero da manuale, al punto che ho sempre considerato quest'obiettivo come un'estrema ibridazione del Gauss stesso (se escludiamo le tre grandi lenti anteriori lo schema residuo è analogo a quello dello Zeiss Planar Hasselblad 80mm f/2,8 o del Voigtlaender Septon 50mm f/2!), mentre il Nikkor esibisce il modulo già descritto e simile a quello ideato per i primi prototipi VR di inizio anni '90.

È doveroso annotare che il 200mm Nikkor AF-S VR ED ebbe un illustre progenitore nel Nikkor Ai ed AiS 200mm f/2 IF-ED, prodotto dal 1977 al 2005 e progettato nel 1976 dal "duo delle meraviglie" Soichi Nakamura e Kiyoshi Ayashi; effettivamente l'obiettivo non poteva contare su natali migliori: Nakamura fu il progettista che inventò il concetto di moderno teleobiettivo Nikkor IF a messa a fuoco interna mentre Ayashi ha concepito il Nikkor 300mm f/2 IF-ED, e scusate se è poco...

Marco Cavina 2009
(credits: scheda Nikon Co.)

La scheda (ricavata da un catalogo Nikon) del Nikkor 200mm f/2 IF-ED, un obiettivo introdotto per affiancare il 300mm f/2,8 nelle riprese indoor in palazzetti di piccole dimensioni e poco illuminati.

Sono in grado di produrre uno schema con le principali referenze ricavate dal progetto originale (schema, quote geometriche, caratteristiche dei vetri ed aberrazioni), e ritengo interessante osservare le caratteristiche ottiche del vetro ED utilizzato nelle prime due lenti.

 

Marco Cavina 2009 I parametri originali di progetto del Nikkor Ai 200mm f/2 IF ED rivelano l'efficacia del sistema IF ideato a suo tempo da Nakamura nel contenimento delle aberrazioni a distanza ravvicinata; come potete osservare le caratteristiche ottiche del vetro ED impiegato (indice di rifrazione nD= 1,50032 numero di Abbe vD= 81,9) differiscono da quelle del vetro ED impiegato nel successivo 200mm f/2 AF-S VR ED (indice di rifrazione nD= 1,49782 numero di Abbe vD= 82,6): si tratta infatti di due generazioni diverse di vetro Nikon ED proprietario, realizzato all'interno dell'Azienda, la prima delle quali esordì negli anni '70 con ottiche come il 300mm f/2,8 ED, il 200mm f/2 ED del quale stiamo discutendo ed il Nikkor 180mm f/2,8 ED; questi dati forniscono lo spunto per una considerazione ad ampio spettro sui vetri a bassa dispersione utilizzati da Nikon in generale e specificamente nel 200mm f/2 AF-S VR ED.

 
VETRI ED (Extra-low Dispersion) utilizzati da Nippon Kogaku - Nikon Co.
 
indice di rifrazione
dispersione
(numero di Abbe)
Vetro ED proprietario di prima generazione
1,50032
81,9
Vetro ED commerciale
1,49700
81,6
Vetro ED proprietario di seconda generazione
1,49782
82,6
Vetro super-ED proprietario
1,44679
91,0
(caratterisctiche del vetro ED propriamente detto: numero di Abbe superiore ad 80)

VETRI E MATERIALI CRISTALLINI A BASSA DISPERSIONE
 
indice di rifrazione
dispersione
(numero di Abbe)
Fluorite (CaF2)
1,43388
95,57
Fluorite (LiF)
1,45600
90,31
Vetro Ohara S-FPL53
1,43733
95,0
Vetro Schott N-FK51A
1,43425
94,95
Vetro Hoya FCD1
1,45650
90,27
Vetro Schott N-FK51A
1,48656
84,47
Vetro Canon Super-UD
1,48656
84,47
Vetro Schott N-FK52A
1,49700
81,61
Vetro Ohara S-FPL51
1,49700
81,61
Vetro Hoya FCD10
1,49700
81,61
Vetro Pentax - Olympus - Fuji ED - Canon UD
1,49700
81,61
Vetro Minolta APO
1,49520
79,74

 

In questa tabella potete notare che il primo vetro ED prodotto da Nikon differisce leggermente dai successivi; faccio presente che in alcuni obiettivi (come ad esempio l'AiS 180mm f/2,8 ED) tale vetro viene utilizzato per la lente frontale senza l'ausilio di un filtro neutro di protezione (come avviene ora), quindi è lecito supporre che:
A) questo vetro possedeva superiori caratteristiche di resistenza meccanica e minore igroscopicità rispetto alla versione successiva, ovvero B ) i progettisti avevano inizialmente sottovalutato il problema, correndo poi ai ripari con l'adozione dei filtri anteriori in montatura fissa (come in effetti avvenne in qualche caso); il taluni progetti la Nikon ritenne invece più vantaggioso acquisire ed utilizzare un vetro ED commerciale di caratteristiche quasi analoghe, presente nei cataloghi Schott, Ohara ed Hoya con la rispettiva denominazione N-FK52A, S-FPL51 ed FCD10, mentre di recente è tornata al vetro ED proprietario di seconda generazione. Dalla tabella si può notare che, in pratica, nei progetti recenti solamente Nikon e Minolta hanno messo in campo un vetro ED di formulazione e produzione esclusiva, mentre altri costruttori (come i citati Canon, Fuji, Olympus e Pentax, ma anche Leica e Zeiss) si sono serviti della versione commerciale disponibile a catalogo; nel caso di Canon sia il vetro UD che quello Super-UD corrispondono alle caratteristiche di due omologhe famiglie di vetri commerciali, utilizzate estensivamente dal costruttore nipponico senza darsi la pena di produrlo in proprio e concentrandosi piuttosto sulla Fluorite, autentica bandiera della casa.

Per quanto concerne il vetro Super-ED, alcuni avevano supposto che Nikon avesse seguito l'esempio di Canon e del suo Super-UD e che avesse sfruttato lo Schott N-FK51A, viceversa le caratteristiche del materiale Super-ED di Nikon sono esclusive (nD= 1,44679 vD= 91,0) e tradiscono una produzione autarchica; la bassissima rifrazione, inferiore addirittura a quella dei vetri ED, evidenza il massiccio impiego di fluoruri che richiedono sofisticatissime procedure di fusione, espulsione dei gas, agitazione e raffreddamento, causando costi produttivi altissimi.

Infine, anche Nikon ha utilizzato la Fluorite cristallina, sia in alcuni obiettivi industriali degli anni '60 (Ultra-Micro-Nikkor 29,5mm f/1,2), sia nelle ottiche da microscopio, sia nello specialissimo UV-micro-Nikkor 105mm f/4,5 per riprese a spettro allargato; la ridottissima dispersione della Fluorite (nel caso del materiale Nikon vD= 95,57) è praticamente garantita anche da due vetri Schott ed Ohara (N-FK56 ed S-FPL53), che altro non sono che Fluorite ricristallizzata artificialmente con grande difficoltà e poi rivenduta a prezzi altissimi, mentre il vetro di punta della Hoya, il tipo FCD1 ha caratteristiche quasi analoghe al tipo Super-ED realizzato da Nikon.

Alla luce di questo chiarimento, la realizzazione Nikkor AF-S VR 200mm f/2 IF-ED G è ancora più meritevole, dal momento che gli specialissimi vetri a bassa dispersione adottati sono frutto di tecnologia interna alla Casa.

Spero che questo viaggio all'interno di questo gioiello sia stato in qualche modo interessante; le caratteristiche tangibili del Nikkor 200mm f/2 sono ottimali e l'analisi del "dietro le quinte" conferma il giudizio di chi considera questo pezzo uno strumento di lavoro pressochè perfetto, sia pure venduto ad un prezzo consono al suo lignaggio.