La macchina fotografica: le distorsioni come diffrazione, flare, ghosting e tanto altro

Un obiettivo può essere progettato con grande cura e restituire comunque un’immagine meno nitida del previsto, velata, con macchie luminose o con gli angoli più scuri del centro. Le aberrazioni principali, come sferica, coma e astigmatismo, hanno un articolo dedicato. Qui si trattano le altre alterazioni che compaiono nelle fotografie e che dipendono dalla natura ondulatoria della luce, dai riflessi interni, dalla geometria con cui i raggi arrivano al sensore e dai materiali di cui sono fatte le lenti: diffrazione, flare, ghosting, vignettatura, e infine gli indici di rifrazione e il numero di Abbe, che spiegano perché alcuni vetri costano molto più di altri.

Diffrazione: limite fisico della risoluzione ottica

La diffrazione è un fenomeno fisico che fissa il limite massimo di risoluzione di qualsiasi sistema ottico. Nonostante tutte le correzioni progettuali applicate a lenti e sensori, resta un vincolo imposto dalla natura ondulatoria della luce, che gli ottici possono gestire ma non eliminare. Si manifesta quando un’onda luminosa attraversa un’apertura, come il diaframma di un obiettivo: la luce, anziché procedere in linea retta, si allarga oltre i bordi dell’apertura e genera onde secondarie che interferiscono tra loro.

Il risultato è un disegno caratteristico, con un picco centrale circondato da anelli più deboli, il disco di Airy, dal nome di George Airy. Il suo diametro, misurato fino al primo cerchio scuro, vale circa 2,44 volte il prodotto tra la lunghezza d’onda e il numero di diaframma. Con luce verde di 550 nanometri il disco misura circa 7,5 micrometri a f/5,6, 10,7 a f/8, 14,8 a f/11, 21,5 a f/16 e 29,5 a f/22. Sono valori calcolati con la formula, indipendenti dalla marca dell’obiettivo e dal formato del sensore.

Nell’uso pratico la diffrazione si traduce in una perdita di nitidezza quando il diaframma è molto chiuso. Restringendo l’apertura si riduce il diametro del fascio e il disco di Airy proiettato sul sensore cresce: la luce di un punto della scena non si concentra più in un punto nitido, ma si distribuisce su una zona più ampia. Il limite di risoluzione si può quantificare con il criterio di Rayleigh, che fissa l’angolo minimo di separazione tra due punti luminosi perché siano distinguibili:

dove θ è l’angolo minimo di separazione, $\lambda$ la lunghezza d’onda della luce e D il diametro dell’apertura. Una lente con un’apertura più ampia, cioè con un numero f più piccolo, risolve quindi dettagli più fini, entro i limiti delle altre aberrazioni ottiche. Per un 50 mm a f/8 il diametro dell’apertura è 6,25 millimetri, e due punti sul piano del sensore sono distinguibili se distano più di circa 5,4 micrometri.

L’effetto è più evidente nelle fotocamere digitali con sensori ad alta risoluzione, dove i pixel sono molto piccoli. Un sensore full frame da 24 megapixel ha pixel di circa 6 micrometri, uno da 45 megapixel di circa 4,4. A f/8 il disco di Airy copre quindi circa due pixel sul primo e due pixel e mezzo sul secondo; a f/11 si sale a circa due e mezzo e a oltre tre. Secondo le analisi di Cambridge in Colour il limite fisico si raggiunge quando il disco occupa circa due o tre pixel, e il calo di nitidezza è graduale: prima di quel punto la diffrazione riduce il contrasto sui dettagli più piccoli. La sensibilità alla diffrazione dipende dalle dimensioni dei pixel: nei test di quella fonte una Canon EOS 20D mostrava effetti visibili da circa f/11, mentre una compatta PowerShot G6, con sensore più piccolo, li mostrava già da circa f/5,6.

La luce non è uguale per tutti i colori. Le lunghezze d’onda tra 450 e 680 nanometri producono dischi di dimensioni diverse, e il blu, più corto, arriva al limite a diaframmi più chiusi: il disco può essere fino all’80 per cento di quello calcolato per il verde a 550 nanometri.

La diffrazione impone un compromesso nella scelta del diaframma. Chiudere molto per ottenere più profondità di campo può peggiorare la nitidezza complessiva. Secondo Fotografia Blog l’effetto diventa evidente oltre f/16, in particolare in macro e paesaggio, dove si tende a chiudere per mantenere a fuoco primo piano e sfondo. Lo stesso testo indica come «sweet spot» di molti obiettivi un intervallo tra f/5,6 e f/11: è l’apertura che offre il miglior compromesso tra profondità di campo e nitidezza. La comprensione della diffrazione ha guidato a lungo le scelte di progetto, dall’apertura ottimale di un obiettivo alla dimensione dei pixel nei sensori digitali, e molti costruttori indicano per le loro ottiche l’apertura di massima resa. L’alternativa a un diaframma molto chiuso è il focus stacking, cioè più scatti a distanze di fuoco diverse con apertura più ampia, uniti in post-produzione.

Non va sopravvalutato il peso della diffrazione rispetto ad altri fattori. Messa a fuoco, micromosso e qualità dell’obiettivo incidono spesso di più, e il limite conta davvero con treppiede, specchio sollevato e ottiche di alto livello. Nella fotografia scientifica la diffrazione è invece un vincolo centrale: in microscopia fissa il potere risolutivo dello strumento, e per questo si ricorre a obiettivi con grandi aperture numeriche, a sensori con pixel più grandi o a tecniche alternative come l’interferometria.

Effetti di flare e ghosting: riflessi interni e loro gestione

Il flare e il ghosting derivano da riflessi indesiderati all’interno del sistema ottico, causati dall’interazione tra i raggi luminosi e le superfici delle lenti, dei filtri e del sensore. Il lens flare è un artefatto visivo che nasce dalla dispersione della luce in un sistema di lenti, per riflessioni interne o per diffusione dovuta a imperfezioni del materiale. Le lenti con molti elementi, come gli zoom, ne producono di più, e le ottiche grandangolari, con angolo di campo ampio, ne sono più soggette dei teleobiettivi.

Si distinguono tre forme. Il velo, detto anche veiling glare, è una perdita di contrasto e di saturazione che fa apparire l’immagine slavata, spesso più marcata vicino alla sorgente. Il ghosting compare come immagini fantasma, anelli o poligoni luminosi in zone specifiche del fotogramma, e la loro forma ricalca quella del diaframma: con sei lamelle si vedono esagoni. Il lens flare in senso stretto comprende i bagliori e le piccole aberrazioni cromatiche vicino alla sorgente. Le cause sono una sorgente intensa, come il sole, nel campo inquadrato o appena fuori campo in direzione dell’obiettivo; sporco e impronte sulla lente frontale accentuano il fenomeno, e anche i filtri, soprattutto i filtri UV di protezione, ne aumentano la probabilità. Con la sorgente alle spalle del fotografo, il flare in genere non si forma.

Un calcolo semplice spiega perché i riflessi contino così tanto. Ogni superficie aria-vetro non trattata riflette circa il 4 per cento della luce incidente. Un obiettivo con cinque elementi separati ha dieci superfici: la trasmissione, considerando solo le perdite per riflessione, scende a circa il 66 per cento. Con dieci elementi, come in uno zoom, le superfici sono venti e la trasmissione cala a circa il 44 per cento. La luce persa non scompare: una parte rimbalza tra le superfici e arriva al sensore dove non dovrebbe, producendo velo e fantasmi.

Per questo i rivestimenti antiriflesso sono la tecnologia più importante contro il flare. La loro storia comincia nel 1886, quando Lord Rayleigh osservò che vecchi vetri ossidati trasmettevano più luce di quelli nuovi. Nel 1904 Harold Dennis Taylor, della Cooke, brevettò un metodo chimico per ottenere lo stesso effetto. Nel 1935 Olexander Smakula, della Carl Zeiss, brevettò i rivestimenti basati sull’interferenza, e la tecnica rimase un segreto militare tedesco fino alla fine della seconda guerra mondiale; nel 1940, alla Fiera di Lipsia, vennero presentati gli obiettivi Zeiss Biotar e Sonnar trattati. Uno strato singolo di fluoruro di magnesio spesso un quarto di lunghezza d’onda riduce la riflessione di una superficie da circa il 4 a circa l’1 per cento, e i rivestimenti multistrato scendono sotto lo 0,5 per cento nel visibile. Rifacendo il conto con lo 0,5 per cento per superficie, un obiettivo a venti superfici trasmette circa il 90 per cento della luce, contro il 44 senza trattamento.

Oltre al rivestimento esistono rimedi di progetto e di ripresa. Sul fronte del progetto i costruttori riducono le superfici riflettenti interne dei gruppi ottici, inseriscono diaframmi interni e usano materiali non riflettenti negli spazi tra gli elementi. Il paraluce blocca la luce laterale e dall’alto ed è efficace quando la sorgente è fuori dall’inquadratura. Pulire la lente frontale evita che sporco e impronte accrescano la dispersione. In controluce conviene togliere i filtri, spostare leggermente la fotocamera o l’angolo di ripresa, oppure bloccare la luce con la mano fuori campo. Nelle riprese su treppiede si può fare un secondo scatto con la sorgente coperta e fondere le due immagini in post-produzione. Scegliere focali fisse al posto di zoom, che hanno meno elementi, è un altro modo per ridurre il rischio.

Il flare ha anche una vita estetica. Nel cinema classico di Hollywood veniva evitato; poi molti registi lo hanno adottato come linguaggio. J.J. Abrams lo ha usato in modo deliberato in Star Trek (2009) e Super 8 (2011), e ammise nel 2009 che in alcuni punti era stato eccessivo. In Easy Rider (1969) i bagliori furono in parte incidentali, dovuti alle modifiche a una camera car. Con le lenti anamorfiche il flare assume la forma di linee orizzontali, tipiche dei fari delle auto nelle scene notturne. Nel paesaggio, in architettura o nello still life è quasi sempre un limite da evitare, ma in ritratto e in fotografia di paesaggio può diventare una scelta.

Il flare è anche un fenomeno non lineare, variabile in funzione dell’angolo di incidenza della luce e della forma e del rivestimento delle lenti, il che lo rende difficile da prevedere. Nell’aprile 2021 una fotografia del rover Perseverance su Marte, scambiata per un arcobaleno, fece il giro del mondo: il 7 aprile la NASA chiarì che si trattava di un lens flare. Nella fotografia digitale si aggiunge un effetto proprio del sensore, perché la diffrazione sulla sua struttura può formare piccoli arcobaleni intorno alle sorgenti, e i programmi di sviluppo offrono strumenti per attenuare velo e fantasmi: aumento del contrasto locale con una curva e una maschera di livello per il velo, pennello correttivo o riempimento in base al contenuto per i fantasmi su cielo e superfici uniformi, timbro clone dove ci sono dettagli. Nessuno di questi strumenti sostituisce una buona ripresa.

Effetto di vignettatura: caduta di luminosità ai bordi

La vignettatura è la progressiva diminuzione della luminosità, o della saturazione, verso i bordi dell’immagine rispetto al centro. A volte è voluta, ma dal punto di vista tecnico è un’alterazione che incide sulla resa luminosa e cromatica dell’obiettivo. Per capirla bisogna distinguere quattro cause, che richiedono rimedi diversi.

La vignettatura meccanica deriva da ostacoli fisici sul percorso della luce: paraluce inadeguati o montati storti, filtri spessi o sovrapposti, il bordo del barilotto. Si riconosce perché gli angoli possono diventare completamente neri, e si cura togliendo l’ostacolo. Un caso classico è l’obiettivo per sensore APS-C montato su una full frame, il cui cerchio d’immagine è più piccolo del sensore. La vignettatura ottica nasce dall’ombreggiamento reciproco tra gli elementi dell’obiettivo: per i raggi obliqui gli elementi posteriori sono parzialmente nascosti da quelli anteriori, e la pupilla d’ingresso appare ridotta e deformata. Si attenua chiudendo il diaframma di due o tre stop.

La vignettatura naturale è invece un fenomeno inevitabile, legato alle leggi della fotometria: la caduta di illuminazione segue il coseno alla quarta potenza dell’angolo con cui la luce arriva sul sensore. Dipende dal fatto che i raggi obliqui percorrono una distanza maggiore, vedono la pupilla di profilo e colpiscono il sensore con un’inclinazione. Non si elimina chiudendo il diaframma. Per un obiettivo semplice senza correzioni si possono calcolare i valori agli angoli del formato 24×36 mm: con un 85 mm l’angolo agli angoli è circa 14 gradi e la perdita circa 0,2 stop; con un 50 mm circa 23 gradi e 0,5 stop; con un 35 mm circa 32 gradi e 0,9 stop; con un 24 mm circa 42 gradi e circa 1,7 stop. A 45 gradi dall’asse, il coseno alla quarta vale 0,25, cioè due stop. Sono stime teoriche, trascurano gli effetti di pupilla, ma mostrano perché i grandangolari siano più colpiti, con la lunghezza focale come variabile decisiva.

La quarta causa è specifica del digitale e si chiama vignettatura di pixel. I raggi molto obliqui producono sul sensore un segnale più debole di quelli perpendicolari, per la profondità dei pozzetti e per le microlenti; ecco perché alcuni obiettivi progettati per la pellicola danno risultati peggiori sulle fotocamere digitali, mentre le ottiche moderne sono spesso disegnate in modo che la luce colpisca il sensore quasi in perpendicolare. Per i grandangolari a telemetro e per le compatte la vignettatura naturale è più marcata, mentre è meno evidente nei teleobiettivi e nei grandangolari retrofocus per reflex. Tra gli obiettivi grandangolari la scelta del progetto ottico influisce molto sulla luce ai bordi.

I rimedi sono diversi per ogni causa. I profili di correzione di fotocamera e software applicano un guadagno variabile ai bordi, e funzionano bene ma aumentano il rumore nelle zone che vengono schiarite. Alcune fotocamere correggono in tempo reale, intervenendo sul segnale digitale prima che il file venga memorizzato. La vignettatura dipende inoltre dalla forma e dalla dimensione del diaframma e dal tipo di proiezione ottica. Un filtro grigio graduato centrale compensa la caduta di luce già in ripresa, soluzione tradizionale nei banchi ottici. Per la vignettatura meccanica bastano un paraluce corretto e filtri sottili. La vignettatura è stata spesso più accentuata nelle ottiche antiche e nelle fotocamere a medio formato, dove i progetti più semplici e i grandi cerchi d’immagine non permettevano correzioni efficaci; con i progetti moderni il fenomeno si controlla meglio, a patto di accettare maggiore complessità e costo.

Dal punto di vista creativo la vignettatura serve a concentrare lo sguardo al centro dell’immagine, ed è uno degli effetti più usati in post-produzione. Per le fotografie in cui conta l’uniformità, come architettura, riproduzione di opere o paesaggi con cieli uniformi, è invece un difetto da correggere con attenzione, perché agisce sulla percezione di uniformità dell’esposizione.

Materiali ottici e indici di rifrazione

La qualità ottica di una fotocamera dipende dai materiali con cui sono costruite le lenti. Trasparenza e resistenza alle deformazioni contano, ma soprattutto contano le proprietà di rifrazione e dispersione. L’indice di rifrazione n è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella nel materiale: determina di quanto un raggio si piega passando da un mezzo a un altro. Un vetro con indice alto piega di più la luce e consente lenti più sottili e compatte, in genere a un costo più elevato e con una lavorazione più complessa.

Il secondo parametro è la dispersione, cioè la differenza con cui il materiale piega i diversi colori. La misura il numero di Abbe, calcolato con gli indici di rifrazione alle righe spettrali d (587,56 nanometri), F (486,1) e C (656,3) secondo la formula V = (nd − 1)/(nF − nC). Valori alti indicano bassa dispersione. I vetri flint, ad alta dispersione, hanno numeri di Abbe inferiori a 55, e quelli più densi scendono sotto 25; i vetri crown comuni arrivano a circa 65, e alcuni crown al fluoro e al fosfato toccano 75-85. Per confronto, il policarbonato ha un numero di Abbe di circa 34, quindi una dispersione elevata: le plastiche ottiche non sono sinonimo di bassa dispersione, come talvolta si legge.

Il numero di Abbe, insieme all’indice medio, permette di calcolare i poteri dei singoli elementi di un doppietto in modo da annullare l’aberrazione cromatica al primo ordine: si accoppia una lente positiva in crown con una negativa in flint, in modo che la dispersione dell’una compensi quella dell’altra. Per gli apocromatici, che correggono tre lunghezze d’onda, serve la relazione di dispersione completa. I vetri sono classificati nel diagramma di Abbe, che riporta l’indice in funzione del numero di Abbe, e identificati nei cataloghi dei produttori, come Schott, da sigle alfanumeriche o da un codice a sei cifre: le prime tre derivano dall’indice, le ultime tre dal numero di Abbe. Un vetro crown comune con n pari a 1,517 e V pari a 64,2 si indica come 517642.

I vetri a bassa dispersione, spesso indicati con la sigla ED, servono a ridurre le frange colorate. Esistono vetri ad alto indice, vetri fluorurati e cristalli speciali, tra cui il fluoruro di calcio, usati negli obiettivi più costosi per la bassa dispersione e l’ottima trasmissione, con il limite di una minore resistenza meccanica. Densità, durezza e resistenza termica determinano la stabilità dell’ottica nel tempo, e la finitura delle superfici incide sul flare e sulla diffusione. La trasmittanza misura la quota di luce che attraversa il materiale senza essere assorbita, e conta soprattutto negli obiettivi con molte lenti e negli spettri vicini all’ultravioletto o all’infrarosso.

La scelta dei materiali è sempre un compromesso tra prestazioni, peso, costo e facilità di lavorazione. Un obiettivo a basso costo usa pochi elementi in vetro comune e accetta residui di aberrazione cromatica; uno professionale impiega vetri speciali e superfici asferiche per correggere di più con meno elementi, e rivestimenti di qualità per ridurre i riflessi. Per chi legge le specifiche, termini come ED, fluorite o asferico indicano soluzioni per correggere difetti specifici e non vanno letti come garanzia di qualità complessiva.

Le distorsioni geometriche: barilotto, cuscinetto e baffo

Accanto alle alterazioni di luce e di colore esistono le distorsioni della forma, cioè le alterazioni della forma di un’immagine rispetto alla realtà. La distorsione a barilotto fa curvare verso l’esterno le linee rette ed è tipica dei grandangolari, in particolare tra 16 e 35 mm, con effetto evidente su paesaggio e architettura. La distorsione a cuscinetto curva le linee verso l’interno e compare nei teleobiettivi oltre gli 85 mm, con effetti su ritratti e fauna. Il baffo combina le due forme, con linee che si piegano prima verso l’esterno e poi verso l’interno, ed è attribuito ad alcuni zoom.

I rimedi sono la correzione con profili di lente in programmi come Lightroom o Photoshop, la correzione automatica in fotocamera quando disponibile, l’uso di obiettivi con elementi asferici o a bassa dispersione, e lenti o adattatori correttivi in casi particolari. La correzione software ricalcola l’immagine e comporta un leggero ritaglio ai bordi, quindi conviene lasciare un margine extra nell’inquadratura quando si prevede di correggere. Una sfumatura storica: il problema è noto fin dai primi tempi delle lenti, con immagini non fedeli alla realtà, e molte ricerche ottiche, dai menischi ai progetti simmetrici, nascono per ridurlo.

Errori comuni e rimedi pratici

Il primo errore è chiudere sempre il diaframma pensando che tutto diventi più nitido. Oltre una certa soglia la diffrazione peggiora l’immagine, e la soglia dipende dal sensore. La regola pratica è usare le aperture intermedie per la nitidezza massima, e ricorrere al focus stacking quando serve profondità di campo estesa. Il secondo errore è lasciare montato un filtro di protezione in controluce: aggiunge due superfici riflettenti e può moltiplicare i fantasmi. Meglio toglierlo quando si inquadra una sorgente luminosa.

Il terzo errore è confondere le cause della vignettatura e applicare il rimedio sbagliato. Se gli angoli sono neri, la causa è quasi sempre meccanica: paraluce, filtri o un obiettivo non adatto al formato. Se la caduta è dolce e simmetrica, entrano in gioco l’effetto ottico e il coseno alla quarta, e il profilo di correzione è il rimedio normale. Il quarto errore è fidarsi ciecamente delle sigle commerciali dei rivestimenti: i valori di riflessione dipendono dal progetto e dal tipo di vetro, e il comportamento reale in controluce va verificato con prove di ripresa.

Un ultimo consiglio riguarda il metodo. Per valutare un obiettivo conviene fotografare una griglia o una pagina di testo a diaframmi diversi, da tutta apertura a f/16, con treppiede e scatto remoto, e osservare dove la nitidezza raggiunge il massimo e quando comincia a calare. Poi si fa una prova in controluce, con e senza paraluce, e infine una ripresa di una parete uniforme per vedere la vignettatura. Bastano venti minuti e permettono di conoscere i limiti reali dell’attrezzatura.

Aggiornato Ottobre 2026