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, fasci parassiali, 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 dai docenti.
- M. Born and E. Wolf “Principles of Optics” Pergamon Press, 7a ed. 1999.
-Joseph W. Goodman “Introduction to Fourier Optics” Mc Graw-Hill, 2a ed. 1996.
-E.Hecht, "Optics", Addison Wesley, 4a ed. 2002.
- G.Giusfredi, "Manuale di Ottica", Springer-Verlag 2015
Obiettivi Formativi
Conoscenza dei fenomeni principali e relative leggi dell’ottica, inclusa l’ottica di Fourier. Capacità di comprendere, interpretare ed applicare i principali fenomeni dell’ottica e di “testare” ed usare strumentazione ottica avanzata
Prerequisiti
conoscenze di base dal corso di Elettromagnetismo
Metodi Didattici
48 ore di lezioni frontali (6 CFU)
Altre Informazioni
Ricevimento su appuntamento
Sito web: http://e-l.unifi.it
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale
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 Gaussiani con applicazione alle cavità’ laser.
Approssimazione dell’ Ottica Geometrica ed equazioni dei raggi e dell’ eiconale ed esempi.
Interferenza di radiazione della stessa frequenza e di frequenza differente e relazione con le caratteristiche del sensore. 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 e diffrazione da un’apertura in uno schermo. Apertura circolare: a)zone di Fresnel e fuochi multipli, b) valutazione del campo nella zona di Fraunhofer e figura di Airy, c) potere risolutivo di un sistema ottico. Cenno al microscopio elettronico, alla superrisoluzione ed ai microscopi a campo vicino.
Ottica di Fourier: Sviluppo del campo diffratto da un oggetto per mezzo di un sistema di onde. Principio di Toraldo dell’ interferenza inversa e basi dell’olografia. Caso piano: calcolo del campo diffratto da un reticolo periodico. Campo diffratto da un’apertura in uno schermo. Campo di Fraunhofer come trasformata di Fourier del campo sullo schermo.
Immagini: Lente come trasformatore di Fourier. Ruolo delle onde evanescenti nella perdita di potere risolutivo dei sistemi ottici.
Teoria delle immagini: sistemi ottici come sistemi lineari. Caso coerente: descrizione della formazione di immagini in termini di scomposizione del campo, applicando le proprietà di trasformazione delle lenti. Spread Function e Funzione di Trasferimento Ottico. Immagine come convoluzione. Spettro della convoluzione.
Basi della elaborazione ottica delle immagini agendo sugli spettri ed uso delle proprietà di trasformata delle lenti.
Immagini con radiazione incoerente, Modulation transfer function (MTF). Relazioni fra le grandezze del caso coerente e quelle del caso incoerente. Esempi di elaborazione e correzione di difetti di immagini: filtraggio; correzione dello sfocamento, esperimento di Marechal. Esperimento di Abbe-Porter e microscopio a contrasto di fase di Zernike. Qualità di un’immagine e Rapporto di Strehl.