STRUMENTI ottici

STRUMENTI ottici (XXXII, p. 875)

Negli ultimi 25 anni, il progresso conseguito negli s. ottici è stato notevole; esso è essenzialmente consistito nella realizzazione di nuovi s., nella realizzazione di s. già noti con caratteristiche più progredite e nell'uso di tecnologie nuove.

Strumenti nuovi. - Tra gli s. astronomici sono particolarmente da ricordare i telescopî di Schmidt e derivati, nei quali le aberrazioni dello specchio principale, sferico, sono compensate da una lamina di vetro adeguatamente deformata (lastra correttrice di Schmidt) situata nel centro di curvatura dello specchio: si ottengono così telescopî fotografici di grande luminosità e di grande campo (parecchi gradi quadrati).

Di recente introduzione è una nuova classe di s. ottici: quelli destinati ad inseguire aerei, missili, satelliti, ecc. per individuarne la posizione o fotografarne l'assetto. Si tratta di potenti telescopî, spesso catottrici (cioè a specchi), che vengono mantenuti puntati sul bersaglio mediante osservazione visuale oppure mediante asservimento a un radar dotato di inseguimento automatico. Essi sono quasi sempre capaci di registrazione cinematografica e su ciascun fotogramma compare, oltre l'immagine dell'oggetto inseguito, la lettura dei cerchi graduati azimutale e zenitale e talvolta di un cronometro (cineteodoliti).

Per la microscopia, di importanza fondamentale è stata l'invenzione del microscopio a contrasto di fase (F. Zernike), che permette l'osservazione di oggetti assolutamente trasparenti sfruttando le differenze di fase prodotte nell'onda luminosa dalle anche minime differenze di indice di rifrazione e di spessore dell'oggetto. Questo nuovo metodo ha costituito un notevole progresso perché permette di osservare la materia vivente indisturbata, eliminando la necessità della colorazione mediante sostanze generalmente dannose o letali per i processi vitali. Notevole sviluppo ha avuto pure la microscopia in luce infrarossa e ultravioletta. Nel primo caso si fa uso generalmente di sistemi ottici a superfici riflettenti aventi un unico fuoco per radiazioni di qualunque frequenza. Nel secondo caso si usano sistemi ottici costituiti con sostanze particolarmente trasparenti alle radiazioni ultraviolette (quarzo, fluoruro di calcio, fluoruro di litio, ecc.). Le radiazioni ultraviolette assicurano in teoria una risoluzione superiore che non le radiazioni visibili e permettono perciò l'osservazione di dettagli più minuti. La ragione principale dell'uso di queste radiazioni sta peraltro nella possibilità di differenziare sostanze che sono trasparenti o quasi alle radiazioni visibili e sensibilmente opache alle radiazioni ultraviolette.

Negli apparecchi di proiezione è notevole l'introduzione di sistemi ottici anamorfici (cinemascope o simili) i quali permettono di comprimere entro il normale formato della pellicola cinematografica un campo orizzontale assai superiore (in generale 2 volte) di quello normale. Questi sistemi introducono per la prima volta l'uso su larga scala di sistemi ottici in cui non vi è più simmetria di rivoluzione attorno all'asse ottico; ciò si ottiene mediante anamorfizzatori, costituiti da lenti cilindriche oppure da sistemi di prismi. Tali sistemi si usano sia in presa (per comprimere l'immagine) sia in proiezione (per dilatarla nuovamente sullo schermo).

Nel campo dei mezzi ottici una tecnica nuova, detta in America fiber optics, è stata sviluppata per trasportare a distanza un flusso luminoso lungo un percorso anche assai tortuoso; ciò è necessario per illuminare, vedere e fotografare zone difficilmente accessibili come, ad esempio, l'interno dello stomaco o altre cavità del corpo umano. Si sfrutta il fenomeno della riflessione totale per il quale un flusso luminoso, una volta entrato in un sottile cilindro di vetro o di materia plastica dalla parete ben lucida e priva di graffî, rimane entro di essa riflettendosi innumerevoli volte sulle pareti ed arriva all'estremo opposto del cilindro con scarse perdite. Usando delle fibre sottili strettamente accostate si può trasmettere una grossolana immagine "per punti" da un capo all'altro del fascio di fibre il quale, essendo flessibile, può adattarsi a qualunque percorso.

Miglioramenti negli strumenti già noti. - I progressi conseguiti dagli s. ottici già noti consistono in un continuo aumento della luminosità degli obiettivi fotografici (aperture di f/2, f/1,5, f/1,2 sono ormai comuni) come pure dell'angolo di campo (obiettivi grandangolari fino a 120° di campo privi di distorsione), nella progressiva miniaturizzazione delle macchine foto-cinematografiche come pure nella loro automazione (telemetro e fotometri fotoelettrici incorporati o addirittura accoppiati automaticamente all'obiettivo). Notevole il diffondersi dei teleobiettivi e l'introduzione di obiettivi a focale variabile (ZOOM-lens degli Americani), che permettono di ingrandire (cioè di avvicinare) il soggetto automaticamente con continuità durante una ripresa cinematografica.

Ricordiamo ancora l'uso sempre più frequente di sistemi catottrici o catadiottrici (nei quali si fa uso in tutto o in parte di superfici riflettenti) per ottenere aperture maggiori ed ingombri minori, di sistemi che lavorano indífferentemente con raggi luminosi ed invisibili (infrarossi o ultravioletti), di superfici non sferiche (lastre di Schmidt, lenti cilindriche, superfici deformate, ecc.), di filtri interferenziali. I filtri interferenziali sono capaci di far passare una banda spettrale molto stretta (fino ad un ångstrom) e ve ne sono di due tipi. Il primo è basato sull'interferenza multipla della luce incidente fra due o più strati altamente riflettenti: vi è una sola lunghezza d'onda per la quale tutte le onde riflesse si ricompongono in concordanza di fase rinforzandosi vicendevolmente, mentre le radiazioni di altra lunghezza d'onda finiscono per distruggersi. Questi filtri agiscono secondo il principio classico della lamina di Fabry e Pérot. Il secondo tipo di filtro interferenziale (ideato da B. Lyot) è basato sulla polarizzazione della luce e sulle leggi con le quali diverse sostanze anisotrope (quarzo, calcite, ecc.) trasmettono la luce polarizzata in diverse direzioni. Le principali applicazioni di questi filtri si sono avute in astrofisica (v. App. II, 1, p. 699) e nella spettroscopia.

Si è anche diffuso l'uso di reticoli in luogo di lenti. Già dal secolo scorso erano note delle lenti da proiezione per fari, le cosiddette lenti di Fresnel, costituite da zone prismatiche anulari concentriche, in sostituzione di un'unica lente piano convessa; il risparmio di peso e di ingombro e la possibilità di creare lenti di grandissima apertura sono evidenti. Il principio è stato esteso ovunque interessava controllare la distribuzione di forti flussi luminosi senza la necessità di formare immagini dettagliate. Fari per segnalazione ferroviaria, fari da automobili venivano dotati di lenti dove opportune zigrinature della superficie permettono di distribuire a volontà il flusso luminoso. Recentemente la tecnica delle lenti di Fresnel ha subìto un notevole progresso col tentativo di introdurre zigrinature molto fini, di profilo calcolato, su superfici di materia plastica, che si stampa facilmente. Lenti di questo genere sono utilissime per sostituire, per esempio, gli ordinarî vetri smerigliati nelle apparecchiature per osservazione collettiva poiché convoglianti la luce entro un cono di apertura limitata entro il quale uno o più osservatori possono vedere una immagine di brillanza enormemente aumentata; esse possono sostituire i classici condensatori in molti apparecchi da proiezione, permettendo ingombri minori e sfruttamenti migliori del flusso luminoso.

È infine da ricordare che l'introduzione di rivelatori elettronici (celle fotoelettriche, iconoscopî, trasduttori e amplificatori elettronici di immagini, ecc.) in luogo dell'occhio o della lastra fotografica ha allargato il campo di applicazioni degli s. ottici ed in particolare ha permesso di creare s. visuali operanti con radiazioni non visibili, specie infrarosse (cannocchiali "snipescope" e simili, per uso bellico).

Tecnologie nuove. - Fra le tecnologie nuove più importanti è il trattamento antiriflettente delle superfici che elimina quasi totalmente, per un processo interferenziale, la luce riflessa dalle singole superfici del sistema ottico, causa di perdite fotometriche, di immagini false e di mancanza di contrasto. Il trattamento consiste nel depositare sulle superfici ottiche, mediante evaporazione sotto vuoto, uno strato sottilissimo (circa 1/4 della lunghezza d'onda media delle radiazioni utilizzate) di una sostanza avente potere rifrangente intermedio fra quello dell'aria e quello del vetro; le radiazioni riflesse dalle due facce del sottilissimo strato sono in opposizione di fase e si annullano vicendevolmente.

Una notevole applicazione dei depositi a strati sottili è quella degli specchi freddi nei quali, sempre per via interferenziale, si riesce a rendere una superficie al tempo stesso altamente riflettente alle radiazioni visibili ed altamente trasparente a quelle infrarosse (cioè calorifiche). Uno specchio concavo del genere permette l'uso in un proiettore cinematografico di sorgenti di luce di intensità altissima senza pregiudicare l'integrità della pellicola proiettata: infatti quest'ultima è investita solo dalle radiazioni visibili che trasportano una porzione modesta dell'energia, mentre le radiazioni calorifiche nocive attraversano lo specchio e si disperdono nell'ambiente.

Interessante è anche l'uso di nuove sostanze come mezzi ottici. In passato l'uso di sostanze diverse dal vetro (quarzo, fluorite, salgemma) era limitato dal fatto che queste sostanze erano difficilmente reperibili in natura in quel grado di purezza e di omogeneità necessarie all'applicazione ottica. La tecnica moderna ha sviluppato metodi per l'accrescimento artificiale su scala industriale di cristalli purissimi e regolarissimi di molte sostanze, fra cui appunto il quarzo, il fluoruro di calcio e di litio ed altre. Inoltre la ditta Kodak è riuscita a creare vetri, ossia solidi amorfi ed omogenei, in cui mancano totalmente i classici silicati che costituiscono il vetro ordinario; tali vetri a base di terre rare hanno proprietà assai utili al progetto di sistemi ottici nuovi di caratteristiche molto spinte.

Fra i nuovi materiali ottici in uso occorre ricordare il polaroid, preparato polarizzante artificiale prodotto in fogli di materiale plastico di qualunque dimensione: costituisce un ottimo polarizzatore o analizzatore in sostituzione dei classici e delicati prismi di Nicol, i quali, oltre alle modeste dimensioni, imponevano agli s. forti limitazioni. Le applicazioni del polaroid sono innumerevoli: dagli occhiali e vetri antiabbaglianti alla semplificazione estrema di molti strumenti scientifici, in particolare di quelli per l'osservazione stereoscopica e per l'analisi fotoelastica delle strutture.

Le lavorazioni ottiche infine hanno progredito con l'introduzione di macchine generatrici di superfici sferiche o asferiche a mola di diamante, di nuovi abrasivi per pulimentazione a base di ossidi di terre rare, ecc.

Bibl.: A. Bouwers, Achievement in optics, Londra 1950; A. Konig e H. Kohler, Die Fernröhe und Entfernungsmesser, Berlino 1959; B. Lyot, in Ann. d'astrophysique, VII, (1944), n. 1-2; H. Mayer, Physik dünner Schichten, Stoccarda 1950; F. Scandone, in Nuovo Cimento, iii, n. 2 (1947); F. Zernike, in Physica, XI, p. 686 e 974 (1942).