Ottica Classica, Teoria della Visione, Ottica Ondulatoria

Gli autori hanno tratto il testo di questo volume dalle dispense che Laura Ronchi Abbozzo ha utilizzato, per circa venti anni (1960-1980), per un corso di Ottica dedicato agli studenti del terzo e quarto anno del Corso di Laurea in Fisica, presso la Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali dell’Università di Firenze. Nonostante le lezioni fossero dedicate agli studenti del secondo biennio, il tono del testo è volutamente semplice, sia perché non bisogna rendere difficili le cose facili passando attraverso l’inutile, sia perché, proprio per la sua semplicità, può essere comprensibile anche da parte di coloro che affrontano per la prima volta materie scientifiche più complesse di quelle che si studiano abitualmente alle scuole superiori.
Prefazione Il presente testo è tratto dalle dispense che una di noi (LRA) ha utilizzato, per circa venti anni (1960-1980), per un corso di Ottica dedicato agli studenti del terzo e quarto anno del Corso di Laurea in Fisica, presso la Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali dell’Università di Firenze. Nonostante che le lezioni fossero dedicate agli studenti del secondo biennio, il tono del testo è volutamente semplice, sia perché i nostri Maestri, Vasco Ronchi, Nello Carrara e Giuliano Toraldo di Francia, ci hanno insegnato a non rendere difficili le cose facili passando attraverso l’inutile, sia perché, proprio a causa della sua semplicità, può essere leggibile anche da parte di coloro che affrontano per la prima volta materie scientifiche più complesse di quelle che si studiano abitualmente alle scuole superiori. In questo modo il testo può essere utilizzato da tutti gli studenti che iniziano il loro percorso universitario anche al di fuori della facoltà di fisica, da tecnici e cultori della materia che utilizzano strumentazione ottica, e da tutti coloro che, in generale, hanno bisogno di un testo relativamente semplice, ma rigoroso, per chiarire o rinfrescare nozioni di ottica. La pubblicazione di questi appunti è infatti dovuta alle numerose pressioni subite da parte di colleghi, docenti, studenti e tecnici che, nel corso degli anni, hanno apprezzato questo testo il cui scopo principale è quello di fornire gli elementi di base per poter affrontare e risolvere i vari problemi di ottica che più comunemente si incontrano nella pratica, e per poter consultare senza troppa fatica testi più estesi e approfonditi. Il Capitolo I esplora i fondamenti dell’ottica geometrica, introducendo i principi che sono alla base di questa scienza. In questo capitolo si tratta anche di strumentazione ottica dalla più semplice - la lente - fino a quella più complessa. In questo ambito anche l’occhio umano può essere considerato, a tutti gli effetti, "strumentazione ottica": per questo motivo, se ne fornisce una descrizione e si introduce anche la teoria della visione. Il Capitolo II affronta l’ottica ondulatoria nell’approssimazione scalare, approssimazione che può essere utilmente applicata quando nel campo elettrico e/o magnetico è predominante una sola componente cartesiana , cioè secondo una direzione fissa. Una volta trovata l’evoluzione nello spazio e nel tempo di tale componente, utilizzando l’equazione delle onde, le altre componenti possono essere dedotte, se necessario, dalle equazioni di Maxwell.
Indice Prefazione pag. XI Bibliografia essenziale XIII Indice analitico 277 Capitolo I: Ottica geometrica 1 - Introduzione 1 2 - Le leggi fondamentali dell’ottica geometrica 1 3 - Riflessione e rifrazione sulle superfici curve di separazione fra due mezzi omogenei 7 4 - Il principio di Fermat 9 5 - Il principio di Fermat nei mezzi inomogenei 15 6 - La dispersione 18 7 - La potenza ottica 22 8 - Alcuni semplici strumenti ottici 22 8.1 - Lamina a facce piane e parallele 23 8.2 - Prismi a riflessione totale 24 8.3 - Prismi Acromatici e Prismi a Visione Diretta 31 8.4 - Il corner reflector o catarifrangente 32 9- Le immagini 35 9.1 - Riflessione su una superficie piana 36 9.2 - Riflessione su un diottro ellissoidale 38 10- Formazione dell’immagine nella riflessione su diottri piani 40 11 - Formazione dell’immagine per rifrazione su un diottro piano. Immagini perfette e immagini affette da aberrazioni 40 12 - Determinazione dell’immagine di una sorgente puntiforme data da un sistema ottico. Astigmatismo 46 13 - Diottro sferico 48 14 - Specchi sferici (diottri sferici in riflessione) 53 14.1 - Specchio sferico concavo. Sorgenti virtuali 54 14.2 - Specchi sferici convessi 57 14.3 - Specchi sferici. Costruzione dell’immagine di una sorgente extrassiale 58 14.4 - Potenza di uno specchio sferico 62 15 - Diottri sferici in rifrazione. Fuochi e focali di un diottro 63 sferico 16 - Le lenti 66 16.1 - Lenti sottili 70 16.2 - Punti coniugati, formula di Newton 75 16.3 - Lenti sottili. Costruzione dell’immagine di 77 una sorgente extrassiale. Centro Ottico 17 - Cenno sulle lenti spesse 82 18 - Piani principali nei sistemi ottici in generale 88 19 - Altri elementi di ottica gaussiana o parassiale 89 19.1 - Le immagini catadiottriche 89 19.2 - L’ingrandimento 91 19.3 - Profondità di campo 93 20 - Le aberrazioni 94 21 - Aberrazione sferica 96 21.1 - Aberrazione sferica nelle lenti sottili. Tolleranza. 96 Caustica 21.2 - Aberrazione sferica di uno specchio sferico 102 21.3 - Specchi parabolici e iperbolici 105 21.4 - Correzione dell’aberrazione sferica 107 22 - L’aberrazione cromatica, sferocromatica e l’aberrazione 109 cromatica obliqua 23 - Astigmatismo 110 24 - Coma 113 25 - Esempio di calcolo di astigmatismo e coma 115 26 - Figure di coma su un piano di fronte 123 27 - Curvatura di campo e distorsione 124 28 - Cenno sui sistemi ottici cilindrici 126 29 - Diaframma di apertura e diaframma di campo 127 30 - Strumenti ottici 130 31 - L’occhio umano. Cenni sul processo della visione 130 32 - La macchina fotografica 138 32.1 - Cenni sul processo fotografico nelle emulsioni fotosensibili 139 33 - Il proiettore. Importanza del condensatore 145 34 - Il microscopio 150 34.1 - Il microscopio semplice 151 34.2 - Il microscopio composto 155 35 - Il cannocchiale 159 36 - Sul concetto di immagine 166 Capitolo II: Ottica Ondulatoria 37 - Introduzione 168 38 - L’approssimazione scalare. L’equazione di d’Alembert 170 39 - Il metodo degli esponenziali complessi 172 40 - Significato e nomenclatura dei simboli. L’equazione delle onde 173 41 - Soluzione dell’equazione delle onde in coordinate cartesiane. Metodo della separazione delle variabili. Onde piane 174 41.1 - Onde piane reali 176 41.2 - Onde piane evanescenti 179 42 - Onde sferiche e cilindriche 181 42.1 - Onde sferiche 181 42.2 - Onde cilindriche 184 43 - I fasci 185 43.1 - I fasci gaussiani 192 43.2 - Fasci di Bessel 196 44 - Ottica ondulatoria e ottica geometrica: considerazioni generali 196 45 - Interferenza 198 45.1 - Interferenza di due onde piane 198 45.2 - Interferenza di due onde sferiche 201 46 - I fenomeni di diffrazione 202 47 - Principio dell’interferenza inversa 204 48 - La formula di Helmholtz-Kirchoff 205 49 - Riflessione e rifrazione nell’ottica ondulatoria 208 50 - La riflessione totale 211 51 - Le superfici diffrangenti reali 212 52 - Schermi complementari. Principio di Babinet 214 53 - I fenomeni di Fraunhofer 216 54 - Reticoli piani a tratti rettilinei: diffrazione da schermi 216 periodici 55 - Ampiezza degli spettri nei reticoli di ampiezza e nei reticoli di fase 224 56 - Onde piane ad incidenza obliqua su un reticolo piano 226 57 - Diffrazione di un’onda sferica, di apertura limitata, 230 da parte di un reticolo a tratti rettilinei e paralleli 58 - Reticoli generalizzati 233 59 - Applicazioni dei reticoli 234 60 - Lo spettroscopio a reticolo 235 61 - Interferometro a reticolo o interferometro Ronchi 237 62 - Diaframmi non periodici 242 63 - Diffrazione da parte di una fenditura 249 64 - Il principio di Huygens-Fresnel 253 65 - Il principio della fase stazionaria e l’ottica geometrica 255 66 - Zone di Fresnel 257 67 - Introduzione all’olografia 260 68 - Introduzione al filtraggio ottico 265 Appendice A 271 Appendice B 274