Insegnamento mutuato da: B013315 - OTTICA Laurea Magistrale in SCIENZE FISICHE E ASTROFISICHE Curriculum ELETTRONICO, TECNOLOGICO E SPAZIALE
Contenuto del corso
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. Richiami di ottica geometrica. Lenti sottili, lenti spesse. Aberrazioni geometriche. Aberrazione cromatica. Applicazioni agli strumenti ottici. Propagazione della luce in mezzi anisotropi, accordo di fase nella generazione di seconda armonica.
Prima parte
- Appunti sono forniti dalla docente.
testi addizionali consigliati:
-M. Born and E. Wolf “Principles of Optics” Pergamon Press, 6a ediz. 1980, o successiva.
-Joseph W. Goodman “Introduction to Fourier Optics” Mc Graw-Hill, II edizione 1996.
-F. Gori “Elementi di Ottica”, Accademica, Roma 1995.
-G. Toraldo di Francia and P. Bruscaglioni “Onde Elettromagnertiche” II edizione, Zanichelli 1988.
- e due testi “storici”:
G. Toraldo di Francia “La diffrazione della luce” Einaudi, 1958
P.M. Duffieux “L’intégrale de Fourier et ses applications à l’optique” Masson, Paris 1970.
Seconda parte
-E.Hecht, "Optics", Addison Wesley
- dispense fornite dal docente.
Obiettivi Formativi
Conoscenze:
Basi di ottica classica e moderna
Competenze acquisite:
Conoscenza dei fenomeni principali e relative leggi dell’ottica, incluso l’ottica di Fourier
Capacità acquisite al termine del corso:
Abilità a comprendere, interpretare ed applicare i principali fenomeni dell’ottica e di “testare” ed usare strumentazione ottica
Metodi Didattici
Numero di ore totali del corso:
150
Numero di ore per studio personale e altre attività formative di tipo individuale: 100
Numero di ore relative alle attività in aula: 50
Numero di ore relative ad attività di laboratorio (lezioni in laboratorio): 3, prima parte
Altre Informazioni
Orario di ricevimento
Nei giorni delle lezioni, o in altri giorni previo accordo con il docente
Modalità di verifica apprendimento
Gli studenti possono scegliere il corso di Ottica completo, oppure solo la parte Ottica(Introduzione) e quindi possono dare l’esame della sola prima parte (3 crediti) oppure di tutto il corso (6 crediti).
L’esame è orale.
Programma del corso
Prima parte (introduzione, 3 crediti):Ottica fisica,Ottica di Fourier, immagini in radiazione coerente ed incoerente ed applicazioni
Programma dettagliato
Richiami su l’uso dell’approssimazione scalare in Ottica e sulle principali forme di onde (piane, sferiche, cilindriche, sferiche dipolari ecc). Onde evanescenti. Fasci Gaussiani con applicazione alle cavita’ 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; 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: Richiamo di alcune relazioni fondamentali e valutazione dell’effetto di convergenza di una lente. 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 proprieta’ 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 proprieta’ 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. Cenno all’effetto dei sistemi e dei mezzi attraversati sulle immagini; qualita’ di un’immagine e Rapporto di Strehl.
Seconda parte (3 crediti): Ottica geometrica, aberrazioni, apparecchi ottici, mezzi anisotropi.
Programma dettagliato
Formule di Fresnel per la riflessione/rifrazione sulla superficie di discontinuità tra due mezzi, legge di Snell, sfasamento dell' onda nella riflessione totale, rombo di Fresnel. Relazione tra intensità luminosa e campo elettrico.
Applicazione del principio di Fermat, proprietà ottiche delle curve coniche. Convenzioni dei segni in ottica geometrica, formula dei punti coniugati per i diottri sferici, lenti sottili. Costruzione grafica delle immagini, potenza della lente, ingrandimento. Combinazione di due lenti sottili.
Ottica delle matrici. Propagazione libera, diottro sferico, lente sottile.
L' occhio, caratteristiche ottiche, i difetti della visione, compensazione di miopia e presbiopia. La lente di ingrandimento, il cannocchiale.
Aperture di ingresso e di uscita, pupille di un sistema ottico, brillanza e luminosità dell' immagine. Apertura relativa, f-number, profondità di campo.
Il microscopio: ingrandimento, apertura numerica, potere risolutivo. Condizione dei seni di Abbe (enunciato). Significato nel caso di oggetto all' infinito.
La lente spessa, piani principali, punti cardinali e nodi. Aberrazioni del III ordine: classificazione. Formazione dell' immagine in un sistema ottico con aberrazioni: esempio del diottro piano. Definizione di immagini parassiali, pupilla del sistema, problema della sorgente fuori asse, astigmatismo.
Aberrazione sferica. Caso dello specchio sferico, telescopi a riflessione. Aberrazione sferica nelle lenti sottili, annullamento della aberrazione sferica nella lente a menisco, applicazione all' obiettivo del microscopio.
Aberrazione comatica. Coma nelle lenti sottili.
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.
Propagazione della luce nei mezzi anisotropi. Tensore della costante dielettrica, assi ottici principali, direzione dell' energia, ellissoide dell' indice di rifrazione, raggio ordinario e straordinario nei cristalli assiali, birefrangenza, polarizzatore di Glan, lamina a mezza onda, accordo di fase nella generazione di seconda armonica.