Insegnamento mutuato da: B013315 - OTTICA Laurea Magistrale in SCIENZE FISICHE E ASTROFISICHE Curriculum ASTROFISICA
Lingua Insegnamento
italiano
Contenuto del corso
Lenti sottili e lenti spesse in ottica parassiale. Pupille di ingresso e di uscita, F-number e apertura numerica. Aberrazioni geometriche. Aberrazione cromatica. Applicazioni agli strumenti ottici. Uso di software per il calcolo ottico.
Ottica fisica, onde evanescenti, interferenza e diffrazione. Immagini nei casi coerente ed incoerente. Ottica di Fourier, introduzione all’ elaborazione ottica e filtraggio di immagini. Applicazioni a sistemi classici e moderni.
- Appunti forniti dal docente
- G.Giusfredi, "Manuale di Ottica", Springer-Verlag 2015
-Joseph W. Goodman "Introduction to Fourier Optics" Mc Graw-Hill, 2a ed. 1996.
-E.Hecht, "Optics", Addison Wesley, 4a ed. 2002.
- M. Born and E. Wolf "Principles of Optics" Pergamon Press, 7a ed. 1999.
Obiettivi Formativi
Conoscenza e comprensione delle leggi dell’ottica geometrica parassiale e delle aberrazioni geometriche e cromatica. Conoscenza e comprensione dei fenomeni e delle leggi dell'ottica ondulatoria.
Capacità di analizzare la formazione dell'immagine in un sistema ottico complesso, anche con l'uso di software di calcolo ottico, di individuare i limiti alla risoluzione indotti da aberrazioni e diffrazione. Capacità di comprendere le caratteristiche e il funzionamento di strumentazione ottica avanzata
Esame orale. Durante l'esame, della durata di 30-40 minuti, lo studente dovrà rispondere a due domande sull'ottica geometrica e due sull'ottica ondulatoria. Un elenco non esaustivo di possibili domande viene fornito agli studenti tramite moodle. Per la parte di ottica geometrica, lo studente dovrà dimostrare padronanza nella costruzione dell'immagine in varie situazioni, essere in grado di descrivere gli effetti delle aberrazioni del terzo ordine ed i metodi per la loro riduzione. Per la valutazione sarà data importanza alla proprietà del linguaggio e alla chiarezza della presentazione. Per la parte di ottica ondulatoria verrà valutata la capacità di inquadrare i vari fenomeni in un riferimento teorico più generale. A scelta dello studente e in accordo con il docente, una o due domande di ottica ondulatoria possono essere sostituite da un approfondimento di un aspetto dell'ottica moderna o da una semplice applicazione del software di calcolo ottico sviluppata autonomamente dallo studente.
Programma del corso
Ottica geometrica:
Richiami sulle formule di Fresnel per la riflessione/rifrazione alla superficie di discontinuità tra due mezzi, legge di Snell, sfasamento dell' onda nella riflessione totale, rombo di Fresnel.
Principio di Fermat, applicazione alle proprietà ottiche delle curve coniche. Convenzioni dei segni in ottica geometrica, formula dei punti coniugati per i diottri sferici e le lenti sottili. Costruzione grafica delle immagini, potere della lente, ingrandimento. Combinazione di due lenti sottili.
Ottica delle matrici. Propagazione libera, diottro sferico, lente sottile. La lente spessa, piani principali, punti cardinali e nodi.
L' occhio, caratteristiche ottiche, i difetti della visione, compensazione di miopia e presbiopia. La lente di ingrandimento, il cannocchiale, i telescopi a riflessione.
Aperture di ingresso e di uscita, pupille di un sistema ottico, brillanza e luminosità dell' immagine. Apertura numerica, f-number, profondità di campo. Cenni di radiometria.
Il microscopio: ingrandimento, potere risolutivo.
Aberrazioni: classificazione di Seidel delle aberrazioni del III ordine. Formazione dell' immagine in un sistema ottico con aberrazioni: esempio del diottro piano. Definizione di immagine in ottica parassiale, pupilla del sistema, problema della sorgente fuori asse, astigmatismo.
Aberrazione sferica. Caso dello specchio sferico. Aberrazione sferica nelle lenti sottili, annullamento della aberrazione sferica nella lente a menisco, applicazione all' obiettivo del microscopio.
Aberrazione comatica. Coma nelle lenti sottili. Condizione dei seni di Abbe. Significato nel caso di oggetto all' infinito.
Astigmatismo. Punto immagine nel piano sagittale e nel piano meridiano. Conseguenze dell' astigmatismo sulla formazione dell' immagine.
Cenni su curvatura di campo e distorsione.
Aberrazione cromatica, doppietto acromatico, numero di Abbe.
Uso di software per il calcolo ottico.
Ottica ondulatoria:
L’ approssimazione scalare in Ottica e le principali forme di onde (piane, sferiche, cilindriche, sferiche dipolari ecc). Onde evanescenti. Fasci di Bessel, fasci Gaussiani con applicazione alle cavità’ laser.
Approssimazione dell’Ottica Geometrica ed equazioni dei raggi e dell’ eiconale.
Interferenza di radiazione della stessa frequenza e di frequenza differente. Interferenza nello spazio di onde coerenti di differente forma: due onde piane, una piana ed una sferica e due onde sferiche. Esempi di alcuni noti interferometri (Michelson, Young, Ronchi test) come casi particolari.
Diffrazione: Principio di Huygens-Fresnel; diffrazione da una fenditura; regioni di Fresnel e di Fraunhofer. Teoria di Helmholtz-Kirchhoff. Apertura circolare: zone di Fresnel, valutazione del campo nella zona di Fraunhofer e figura di Airy, potere risolutivo di un sistema ottico.
Ottica di Fourier: Sviluppo del campo diffratto e derivazione della formula di Huygens.Fresnel. Principio dell’interferenza inversa di Toraldo di Francia.
Effetto della lente sul fronte d'onda incidente, formazione della trasformata di Fourier del campo sul piano focale della lente.
Teoria delle immagini: sistemi ottici come sistemi lineari. Caso coerente: Amplitude Point Spread Function, Amplitude Transfer Function.
Immagini con radiazione incoerente: Optical Transfer Function e Modulation Transfer Function. Relazioni fra le grandezze del caso coerente e quelle del caso incoerente. Esempi di elaborazione di immagini: filtraggio. Esperimento di Abbe-Porter. Il microscopio a contrasto di fase, la superrisoluzione, principi di olografia.