L’origine dello schema Double-Gauss risale alla fine del XIX secolo, in un periodo di rapida evoluzione della fotografia. Il nome deriva dal celebre matematico tedesco Carl Friedrich Gauss (1777-1855), che aveva fornito importanti contributi nel campo dell’ottica, benché non fosse stato direttamente coinvolto nella creazione di questo particolare design. Gauss era noto come “princeps mathematicorum” (il principe dei matematici) e le sue teorie hanno influenzato profondamente lo sviluppo dell’ottica geometrica.
La prima versione del Double-Gauss venne brevettata da Alvan Graham Clark nel 1888. Clark ebbe l’intuizione di assemblare in modo speculare una coppia di doppietti Gauss, creando una configurazione simmetrica che permetteva di bilanciare le aberrazioni ottiche attraverso quella che può essere definita una sorta di “controreazione ottica”. Ogni doppietto Gauss originale era un obiettivo acromatico a due elementi composto da una lente menisco positiva sul lato dell’oggetto e una lente menisco negativa sul lato dell’immagine. Nella disposizione di Clark, questo portava a quattro elementi in quattro gruppi: due lenti menisco positive all’esterno con due lenti menisco negative all’interno.
La simmetria del sistema rappresenta un aspetto fondamentale di questo schema ottico, poiché permette di compensare naturalmente molte aberrazioni. Quando i raggi luminosi attraversano elementi simmetrici ma con curvature opposte, molti errori ottici tendono ad annullarsi reciprocamente. Questo principio di base ha conferito al Double-Gauss una straordinaria capacità di correggere le aberrazioni anche con un numero relativamente limitato di elementi.
Nonostante l’eleganza concettuale, lo schema originale di Clark presentava ancora limitazioni significative. Pur correggendo adeguatamente l’aberrazione sferica e l’aberrazione cromatica, non risolveva efficacemente il problema dell’astigmatismo, una aberrazione che compromette la nitidezza dell’immagine specialmente ai bordi del campo inquadrato. Questa limitazione ne ridusse l’applicabilità pratica nei primi anni.
Il perfezionamento decisivo dello schema Double-Gauss avvenne nel 1896, quando Paul Rudolph, un brillante progettista ottico della Carl Zeiss, apportò modifiche sostanziali al design originale. Rudolph comprese che per migliorare le prestazioni ottiche era necessario modificare la geometria del sistema. Ridusse lo spazio tra i menischi esterni (convergenti) e quelli subito successivi (divergenti), e aumentò contemporaneamente lo spessore dei menischi divergenti. Queste modifiche apparentemente semplici portarono a un miglioramento significativo nella correzione dell’astigmatismo e dell’aberrazione sferica.
Rudolph si trovò però a dover affrontare un ulteriore problema: la correzione dell’aberrazione cromatica. Per ottenere risultati ottimali, gli elementi divergenti, costruiti con vetro di tipo “flint”, necessitavano di una dispersione molto elevata, caratteristica non disponibile nei vetri ottici dell’epoca. La soluzione che Rudolph ideò fu ingegnosa: decise di ispessire ulteriormente i menischi negativi e di trasformarli in doppietti cementati composti da due elementi con lo stesso indice di rifrazione ma diverso potere dispersivo. In sostanza, inserì una “superficie sepolta” (buried surface) all’interno degli elementi negativi spessi, creando un’interfaccia cementata che separava due tipi di vetro con lo stesso indice di rifrazione ma diverso potere dispersivo.
Questa innovazione portò alla creazione del famoso Zeiss Planar del 1896, che rappresenta la prima evoluzione commercialmente significativa dello schema Double-Gauss. Il nome “Planar” derivava dalla capacità dell’obiettivo di produrre un campo immagine relativamente piano, caratteristica pregiata in un’epoca in cui molti obiettivi soffrivano di una marcata curvatura di campo.
Nonostante questi progressi tecnici, lo schema Double-Gauss modificato da Rudolph non ottenne immediatamente un successo commerciale. Il principale ostacolo era rappresentato dalla perdita di luce causata dalle numerose superfici vetro-aria, che provocava un contrasto molto basso nelle immagini. In un’epoca in cui le emulsioni fotografiche avevano già una sensibilità limitata, questa perdita di luce e contrasto rappresentava un problema significativo che limitò l’adozione di questi obiettivi per circa quattro decenni.
La vera svolta nella storia del Double-Gauss si verificò nel 1935, quando il fisico ucraino Olexander Smakula (o Alexander, nella forma occidentalizzata del nome), mentre lavorava nei laboratori Zeiss a Jena, inventò e brevettò il primo rivestimento antiriflesso basato sul principio dell’interferenza ottica. Questa innovazione fondamentale permetteva di ridurre drasticamente le riflessioni sulle superfici delle lenti, migliorando in modo significativo il contrasto e la trasmissione della luce. Con l’introduzione di questi rivestimenti, lo schema Double-Gauss poteva finalmente esprimere tutto il suo potenziale tecnico.
Evoluzione tecnica e perfezionamento dello schema
Lo schema Double-Gauss ha attraversato un intenso processo di evoluzione e perfezionamento che lo ha trasformato da un design promettente ma problematico in uno degli schemi ottici più influenti e utilizzati nella storia della fotografia. Questo sviluppo è stato guidato sia da avanzamenti tecnologici generali, come l’introduzione di nuovi materiali ottici e tecniche di produzione, sia da innovazioni specifiche nella progettazione ottica.
Il primo obiettivo commerciale di grande successo basato sullo schema Double-Gauss modificato fu lo Zeiss 58mm f/2 Biotar, introdotto nel 1939. Questo obiettivo rappresentò un punto di svolta fondamentale, dimostrando che, con l’aggiunta dei rivestimenti antiriflesso, il design Double-Gauss poteva offrire un’eccellente qualità dell’immagine combinata con un’ampia apertura. La configurazione del Biotar, con sei elementi in quattro gruppi, divenne la base per innumerevoli obiettivi normali ad alta apertura che sarebbero stati prodotti nei decenni successivi da produttori di tutto il mondo.
La flessibilità intrinseca dello schema Double-Gauss rappresenta una delle sue caratteristiche più preziose dal punto di vista progettuale. Lo schema di base può essere modificato in numerosi modi: aggiungendo elementi, variando le caratteristiche dei vetri ottici utilizzati, modificando i raggi di curvatura delle superfici, o alterando le distanze tra i vari elementi. Questa adattabilità ha permesso ai progettisti di sviluppare decine di varianti principali e centinaia di obiettivi commerciali basati sullo stesso concetto fondamentale, ciascuno ottimizzato per specifiche esigenze o compromessi di prestazioni, costo e dimensioni.
Un aspetto particolarmente importante nell’evoluzione del Double-Gauss è stato il progressivo abbandono della stretta simmetria dello schema originale. Sebbene la simmetria offrisse vantaggi significativi per la correzione di alcune aberrazioni, i progettisti hanno scoperto che una leggera asimmetria poteva migliorare le prestazioni complessive del sistema in determinate condizioni. Questa asimmetria è particolarmente evidente negli obiettivi con focali leggermente diverse dal normale (più lunghe o più corte), o in quelli con aperture estremamente ampie. L’introduzione di asimmetrie calcolate ha permesso di ottimizzare la correzione di aberrazioni specifiche, a costo di una maggiore complessità progettuale.
Lo sviluppo di nuovi tipi di vetro ottico ha giocato un ruolo fondamentale nel perfezionamento dello schema Double-Gauss. Nel corso del XX secolo, i produttori di vetro ottico come Schott in Germania e Ohara in Giappone hanno progressivamente introdotto nuove formulazioni con proprietà ottiche sempre più specializzate. La disponibilità di vetri con combinazioni precedentemente irraggiungibili di indice di rifrazione e dispersione ha permesso ai progettisti di raggiungere livelli di correzione delle aberrazioni sempre più elevati. Particolarmente importanti sono stati i vetri ad alto indice di rifrazione e bassa dispersione, che hanno consentito di controllare meglio l’aberrazione cromatica senza compromettere altre caratteristiche ottiche.
La scelta del vetro rappresenta un aspetto critico nella progettazione di un Double-Gauss di alta qualità . La differenza nei valori V (numero di Abbe, che misura la dispersione) tra i diversi elementi è determinante per le prestazioni complessive. Se la differenza è troppo grande, la lente negativa risulterà troppo debole per consentire la corretta compensazione delle altre aberrazioni. Una combinazione tipica potrebbe includere un vetro flint denso con indice di rifrazione nD = 1.6170 e numero V = 36.60 per gli elementi negativi, e una corona di bario densa con nD = 1.6109 e V = 57.20 per gli elementi positivi. Queste specifiche tecniche illustrano la precisione e l’attenzione ai dettagli necessarie nella selezione dei materiali.
Un altro fattore che ha profondamente influenzato l’evoluzione del Double-Gauss è stato lo sviluppo di tecniche di progettazione assistita dal computer. A partire dagli anni ’60, i progettisti ottici hanno iniziato a utilizzare computer sempre più potenti per ottimizzare i loro design, permettendo di esplorare sistematicamente un numero molto maggiore di possibili configurazioni rispetto a quanto fosse possibile con i calcoli manuali. Questi strumenti hanno consentito di raggiungere un livello di perfezionamento che sarebbe stato praticamente impossibile con i metodi tradizionali.
L’ottimizzazione computerizzata ha permesso di bilanciare con estrema precisione parametri fondamentali come la potenza focale (che determina la lunghezza focale dell’obiettivo), la correzione dell’aberrazione sferica (che influisce sulla nitidezza a piena apertura) e la somma di Petzval (che controlla la curvatura di campo). Questi tre parametri sono strettamente interconnessi, e modificarne uno inevitabilmente influisce sugli altri, creando un complesso problema di ottimizzazione multidimensionale che solo i computer moderni possono risolvere efficacemente.
L’adattamento dello schema Double-Gauss alle esigenze specifiche della fotografia di piccolo formato ha rappresentato una tappa cruciale nella sua evoluzione. Con l’affermarsi delle fotocamere a pellicola 35mm a partire dagli anni ’30, e la loro successiva popolarità nel dopoguerra, c’era una forte domanda di obiettivi normali di alta qualità con lunghezze focali intorno ai 50mm e aperture molto ampie. Lo schema Double-Gauss si è rivelato particolarmente adatto a questa applicazione, offrendo un eccellente equilibrio tra prestazioni ottiche, dimensioni e costi di produzione.
La sfida principale nell’ottimizzazione dello schema per questi utilizzi era la correzione dell’aberrazione sferica obliqua, un difetto ottico che può ridurre significativamente il contrasto nelle aree periferiche dell’immagine. Questo problema è stato progressivamente mitigato attraverso raffinamenti nella geometria del sistema e l’utilizzo di vetri ottici con caratteristiche specifiche, permettendo di ottenere una qualità dell’immagine più uniforme su tutto il campo inquadrato.
Un altro problema che i progettisti hanno dovuto affrontare è stato il controllo del flare (bagliore) e delle immagini fantasma causate da riflessioni interne. Anche con l’introduzione dei rivestimenti antiriflesso, le configurazioni con molti elementi presentavano ancora rischi di riflessioni problematiche in determinate condizioni di illuminazione. Questo ha portato a un’attenta progettazione non solo delle superfici ottiche ma anche degli elementi meccanici interni, come paraluce e diaframmi, per minimizzare questi effetti indesiderati.
Caratteristiche tecniche e prestazioni ottiche
Dal punto di vista costruttivo, il Double-Gauss moderno nella sua forma più comune presenta una configurazione a sei elementi disposti in quattro gruppi. Gli elementi esterni sono menischi positivi (convergenti), mentre quelli interni sono menischi negativi (divergenti) o doppietti cementati. Questa disposizione crea un sistema ottico che, pur non essendo perfettamente simmetrico, mantiene un alto grado di bilanciamento rispetto al diaframma di apertura posto in posizione centrale o quasi centrale. La simmetria strutturale aiuta a correggere naturalmente molte aberrazioni trasversali, in particolare il coma, la distorsione e l’aberrazione cromatica laterale.
Una delle caratteristiche più distintive e apprezzate del Double-Gauss è la sua capacità di funzionare con aperture molto ampie, mantenendo al contempo un buon livello di correzione delle aberrazioni. Gli obiettivi basati su questo schema possono raggiungere aperture di f/1.4 o persino f/1.2 con una qualità dell’immagine accettabile, mentre versioni più specializzate hanno spinto il limite fino a f/1.0 o eccezionalmente anche oltre. Questa luminosità estrema è particolarmente preziosa per la fotografia in condizioni di scarsa illuminazione e per ottenere un controllo creativo della profondità di campo.
Per raggiungere aperture estremamente ampie mantenendo una buona qualità dell’immagine, i progettisti hanno dovuto aumentare progressivamente la complessità dello schema base. Un tipico Double-Gauss f/2.0 può funzionare efficacemente con sei elementi, ma per aperture di f/1.4 o superiori sono spesso necessari sette o più elementi per controllare adeguatamente tutte le aberrazioni. Gli obiettivi ultra-luminosi moderni con aperture di f/1.2 o f/1.0 possono contenere fino a otto o nove elementi, disposti in configurazioni attentamente ottimizzate per minimizzare i compromessi inevitabilmente associati a tali aperture estreme.
Il campo visivo del Double-Gauss è generalmente ben adattato alle esigenze di un obiettivo normale, coprendo tipicamente un angolo di circa 45-50 gradi. Questa caratteristica lo rende ideale per obiettivi con lunghezze focali “normali” (approssimativamente uguali alla diagonale del formato di registrazione), come i classici 50mm per il formato 35mm. Con appropriate modifiche al design di base, lo schema può essere adattato anche per focali leggermente più lunghe (fino a circa 85mm nel formato 35mm) o più corte (fino a circa 35mm), sebbene oltre questi limiti diventino generalmente più efficienti altri schemi ottici.
Dal punto di vista della correzione delle aberrazioni, il Double-Gauss offre prestazioni eccellenti per la maggior parte dei difetti ottici principali. In particolare:
-
L’aberrazione sferica può essere ben controllata grazie alla distribuzione della potenza ottica su più elementi, anche se tende ad aumentare alle aperture più ampie.
-
Il coma viene efficacemente corretto grazie alla quasi-simmetria del sistema rispetto al diaframma.
-
L’astigmatismo è generalmente ben controllato nella zona centrale del campo, ma può diventare più evidente verso i bordi.
-
La curvatura di campo (legata alla somma di Petzval) è moderata e può essere ben bilanciata con l’astigmatismo per ottenere una nitidezza uniforme su tutto il piano focale.
-
La distorsione è tipicamente molto bassa, rendendo questi obiettivi adatti anche per applicazioni tecniche che richiedono una riproduzione geometricamente accurata.
-
L’aberrazione cromatica longitudinale (variazione del punto di messa a fuoco con la lunghezza d’onda) è ben corretta ma non eliminata completamente, e può manifestarsi come frange colorate fuori fuoco alle aperture più ampie.
Nonostante le sue eccellenti prestazioni generali, il Double-Gauss presenta alcuni limiti intrinseci. Il più significativo è una certa quantità di aberrazione sferica obliqua, che può ridurre il contrasto nelle aree periferiche dell’immagine, specialmente a piena apertura. Questo difetto è stato progressivamente mitigato nelle versioni più avanzate dello schema, ma rimane uno dei compromessi caratteristici di questo design.
Un altro aspetto importante riguarda il contrasto e la trasmissione della luce. Con l’introduzione dei moderni rivestimenti multistrato, gli obiettivi Double-Gauss contemporanei offrono generalmente un eccellente contrasto e una trasmissione luminosa molto efficiente. Tuttavia, la presenza di numerose superfici vetro-aria (fino a 10-12 in alcuni design avanzati) implica comunque un rischio potenziale di riflessioni interne in condizioni di illuminazione critica, come quando si fotografa contro luce.
Dal punto di vista della costruzione fisica, gli obiettivi Double-Gauss tendono ad avere una struttura relativamente compatta rispetto ad altri schemi con prestazioni simili. Questa compattezza, combinata con la buona correzione delle aberrazioni e l’ampia apertura, ha contribuito significativamente alla loro popolarità , specialmente per le fotocamere a telemetro e le reflex di piccolo formato. La relativa semplicità costruttiva ha anche permesso di produrre questi obiettivi a costi ragionevoli, rendendoli accessibili a un’ampia gamma di fotografi.
Varianti commerciali e diffusione nel mercato fotografico
La straordinaria versatilità dello schema Double-Gauss ha portato alla creazione di centinaia di varianti commerciali che hanno dominato il mercato degli obiettivi fotografici per oltre mezzo secolo. Il periodo dal dopoguerra fino agli anni ’80 può essere considerato l’era d’oro di questo schema ottico, durante la quale praticamente ogni produttore di fotocamere e obiettivi ha sviluppato le proprie versioni del Double-Gauss, ciascuna con caratteristiche distintive.
Durante la Seconda Guerra Mondiale e nel periodo immediatamente successivo, si verificò una significativa divergenza nello sviluppo dello schema Double-Gauss. La Carl Zeiss, l’azienda che aveva dato origine al moderno Double-Gauss attraverso il lavoro di Paul Rudolph, fu divisa in due entità separate: la Carl Zeiss Jena nella Germania Est e la Carl Zeiss nella Germania Ovest. Entrambe le aziende continuarono a sviluppare obiettivi basati sullo schema Double-Gauss, ma con denominazioni diverse. La Carl Zeiss Jena utilizzava i nomi Biotar e Biometar per i suoi obiettivi, mentre la Carl Zeiss occidentale adottò e registrò il marchio Planar per tutti i suoi design Double-Gauss del dopoguerra, sebbene tecnicamente si trattasse di evoluzioni dello stesso schema di base.
In Giappone, i produttori emergenti di fotocamere e obiettivi riconobbero rapidamente il potenziale dello schema Double-Gauss e svilupparono le proprie interpretazioni. Canon introdusse la serie di obiettivi normali basati su questo schema, culminata nel celebre 50mm f/1.4 che divenne un riferimento per qualità e prestazioni. Nikon sviluppò il suo 50mm f/1.4 Nikkor, che si distinse per un eccellente bilanciamento tra nitidezza e resa dei toni morbidi. Minolta produsse il 50mm f/1.4 Rokkor, apprezzato per il suo particolare carattere nella resa dei colori. Pentax creò il 50mm f/1.4 Super-Takumar e successivamente il SMC Pentax, introducendo rivestimenti multistrato avanzati che miglioravano significativamente contrasto e trasmissione della luce.
Anche i produttori europei non legati alla tradizione Zeiss svilupparono le proprie versioni del Double-Gauss. Leitz (Leica) creò il Summilux 50mm f/1.4, che divenne uno degli obiettivi più apprezzati per le fotocamere a telemetro, con una resa particolarmente elegante. In Francia, Angenieux produsse alcune interessanti varianti del Double-Gauss, spesso caratterizzate da soluzioni tecniche originali.
Un capitolo particolarmente interessante nella storia delle varianti commerciali del Double-Gauss è rappresentato dagli obiettivi prodotti nell’Europa dell’Est, in particolare nell’Unione Sovietica. L’Helios-44, un obiettivo 58mm f/2 prodotto in quantità enormi (si stima oltre 8 milioni di esemplari), era essenzialmente derivato dal Biotar tedesco. Nonostante la qualità costruttiva spesso inferiore rispetto agli equivalenti occidentali, questi obiettivi offrivano prestazioni ottiche sorprendentemente buone a prezzi accessibili, e hanno contribuito significativamente alla diffusione dello schema Double-Gauss in tutto il mondo. La particolare formula ottica dell’Helios-44, che non correggeva completamente alcune aberrazioni, gli conferiva un carattere distintivo nella resa delle aree fuori fuoco (bokeh), che ancora oggi rende questi obiettivi ricercati dai fotografi creativi.
Con l’evoluzione della tecnologia ottica e produttiva, il Double-Gauss è stato progressivamente spinto verso aperture sempre più ampie. Negli anni ’60 e ’70, divennero comuni obiettivi con aperture di f/1.4, mentre negli anni ’80 e ’90 alcuni produttori riuscirono a sviluppare versioni con aperture estreme di f/1.2 o persino f/1.0. Questi obiettivi ultra-luminosi richiedevano design più complessi, con sette o otto elementi, per mantenere una qualità dell’immagine accettabile alle aperture massime.
Tra gli esempi più notevoli di questa tendenza si può citare il Canon 50mm f/1.0L USM, introdotto nel 1989 e prodotto fino al 2000. Questo obiettivo rappresentava il culmine dello sviluppo dello schema Double-Gauss, con un design a 11 elementi che permetteva di raggiungere l’apertura massima di f/1.0 mantenendo una qualità dell’immagine sorprendentemente buona. Anche Nikon produsse un 50mm f/1.2 basato sullo schema Double-Gauss, mentre Leica creò il Noctilux 50mm f/1.0, un obiettivo leggendario per le sue prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. La complessità e il costo di produzione di tali obiettivi estremi, tuttavia, hanno limitato la loro diffusione al mercato professionale di fascia alta.
Un’altra direzione significativa nello sviluppo degli obiettivi Double-Gauss è stata l’introduzione di elementi asferici. Le superfici asferiche, non perfettamente sferiche come quelle tradizionali, permettono di controllare meglio l’aberrazione sferica e altre aberrazioni senza aumentare il numero di elementi, consentendo di creare obiettivi più compatti e leggeri con prestazioni ottiche superiori. A partire dagli anni ’80, molti obiettivi moderni basati sullo schema Double-Gauss hanno iniziato a incorporare uno o più elementi asferici, spesso realizzati con tecniche di molatura di precisione o mediante la deposizione di uno strato di resina asferica su un substrato sferico.
Negli anni recenti, nonostante l’avvento di schemi ottici più moderni e l’uso diffuso della progettazione assistita dal computer, lo schema Double-Gauss continua a essere rilevante. Molti obiettivi “standard” di alta qualità per fotocamere digitali ancora utilizzano varianti evolute di questo schema, testimonianza della sua fondamentale efficacia e adattabilità . Contemporaneamente, si è assistito a un rinnovato interesse per gli obiettivi vintage basati sullo schema Double-Gauss. Obiettivi come il Carl Zeiss Planar, il Biotar, e l’Helios-44 sono diventati molto ricercati dai fotografi digitali che apprezzano il loro carattere distintivo e il loro particolare “look”, diverso dalla perfezione clinica degli obiettivi moderni.
