Il vetro non rifrange tutti i colori allo stesso modo
L’indice di rifrazione di un vetro non è un numero unico: cambia con la lunghezza d’onda, ed è più alto verso il blu che verso il rosso. Questa dipendenza si chiama dispersione, ed è la stessa proprietà che scompone la luce bianca in un prisma. In una lente produce un difetto: il blu viene deviato di più e va a fuoco più vicino, il rosso meno e va a fuoco più lontano, così un punto luminoso bianco non ha un fuoco solo ma una successione di fuochi lungo l’asse.
Il difetto ha due forme. Quella longitudinale sposta il fuoco dei diversi colori lungo l’asse ottico e si vede come alone colorato attorno ai dettagli, di tinta diversa a seconda di dove si mette a fuoco. Quella trasversale cambia l’ingrandimento con il colore e si manifesta ai bordi del campo, dove i contorni si sdoppiano in frange.
Il doppietto acromatico: due vetri, due dispersioni
Un’ottica acromatica è un sistema corretto contro questo difetto mettendo insieme vetri con dispersioni diverse. La forma classica è il doppietto: una lente positiva di vetro crown, a bassa dispersione, incollata a una lente negativa di vetro flint, ad alta dispersione. La seconda ha potere ottico minore della prima, quindi il gruppo resta convergente, ma la sua dispersione è di segno opposto e cancella buona parte di quella del crown.
La combinazione porta un secondo vantaggio che spesso si dimentica: unendo due elementi con quattro superfici, il progettista ha abbastanza libertà per correggere anche l’aberrazione sferica su una lunghezza d’onda. Un doppietto è più nitido di una lente singola di pari potere anche osservando in luce di un solo colore, e non solo in luce bianca.
Due lunghezze d’onda a fuoco, le altre quasi
Acromatico non vuol dire senza colore: vuol dire corretto su una coppia di lunghezze d’onda. La coppia convenzionale è quella delle righe di Fraunhofer F e C, cioè 486,1 nanometri nel blu e 656,3 nanometri nel rosso, che il sistema porta sullo stesso piano focale.
Tutte le altre lunghezze d’onda cadono un poco altrove. Quel residuo si chiama spettro secondario e si misura come distanza fra il fuoco comune di F e C e il fuoco di un’altra lunghezza d’onda, tipicamente nel verde-giallo. Con due vetri l’errore non si annulla, si riduce di molto: è la ragione per cui esistono correzioni superiori.
- Apocromatico: tre lunghezze d’onda allo stesso fuoco, di solito la F nel blu, la d nel giallo intorno a 589 nanometri e la C nel rosso, con lo spettro secondario in gran parte eliminato.
- Superacromatico: quattro lunghezze d’onda, ottenuto con vetri speciali o cristalli di fluoruro.
- Semiapocromatico, spesso indicato come fluorite: una correzione intermedia, migliore dell’acromatico e più economica dell’apocromatico.
Acromatico e planare correggono difetti diversi
Accanto alla sigla acromatica se ne trova quasi sempre un’altra, plan o planare, e non è un sinonimo né un grado superiore: dice un’altra cosa. La superficie su cui un obiettivo forma un’immagine nitida non è un piano ma una calotta curva, difetto che si chiama curvatura di campo. Un obiettivo non corretto per questo mette a fuoco il centro o il bordo, non i due insieme, e ci si accorge subito perché mettendo a fuoco la periferia si sfoca il mezzo.
La correzione planare aggiunge elementi per appiattire quella calotta e si può applicare a qualunque livello di correzione cromatica: esistono obiettivi planacromatici e planapocromatici. Colore e planarità sono due assi indipendenti, e le sigle vanno lette come due informazioni separate.
Che cosa cambia in un obiettivo da microscopio acromatico
Nella scala degli obiettivi da microscopio l’acromatico è il gradino di base, e la sua correzione è definita in modo preciso: aberrazione cromatica corretta su due colori, blu e rosso intorno a 486 e 656 nanometri, e aberrazione sferica corretta su un colore solo, il verde a 546 nanometri.
Questo dice esattamente quando l’obiettivo dà il suo meglio e quando no. In luce verde, o in bianco e nero con un filtro verde davanti alla lampada, lavora nelle condizioni per cui è stato calcolato, e al centro del campo la differenza rispetto a una correzione più alta è modesta. In luce bianca e a pieno campo, invece, si vedono due cose: un residuo di alone colorato sui contrasti forti, perché solo due colori sono a fuoco, e la necessità di ritoccare la messa a fuoco passando dal centro ai bordi, perché il campo non è piano. Nell’osservazione diretta al centro del campo il difetto disturba poco; nella fotografia attraverso il microscopio, dove tutto il fotogramma viene giudicato insieme, pesa parecchio.
Le ottiche acromatiche negli strumenti da visita
Fuori dal microscopio, la stessa correzione compare in tutti gli strumenti che ingrandiscono con lenti anziché con specchi, perché è lì che la dispersione del vetro si fa sentire. Le schede tecniche dei dermatoscopi dichiarano un sistema ottico acromatico per l’ingrandimento a dieci volte, e la ragione è pratica: l’osservazione della cute si gioca su differenze di tinta, e un alone colorato aggiunto dall’ottica si somma a quelle differenze e le altera.
La stessa dicitura si trova sugli occhiali binoculari ingrandenti con ingrandimenti da due volte e mezzo a quattro, dove la correzione riguarda un campo osservato a poche decine di centimetri di distanza. I sistemi fatti solo di specchi, invece, di questo problema non ne hanno: uno specchio riflette tutte le lunghezze d’onda allo stesso modo, e l’aberrazione cromatica nasce soltanto quando la luce attraversa un mezzo rifrangente.
