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Percorso della pagina
  1. Science
  2. Bachelor Degree
  3. Ottica e Optometria [E3006Q - E3002Q]
  4. Courses
  5. A.A. 2020-2021
  6. 1st year
  1. Geometric and Ophthalmic Optics and Laboratory
  2. Summary
Insegnamento Course full name
Geometric and Ophthalmic Optics and Laboratory
Course ID number
2021-1-E3002Q033
Course summary SYLLABUS

Course Syllabus

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Obiettivi

Conoscenze di base di ottica geometrica in approssimazione parassiale (riflessione, rifrazione, lenti, specchi, sistemi ottici, ecc.)


Contenuti sintetici

L’insegnamento riguarda i concetti basilari dell’ottica geometrica e oftalmica in approssimazione parassiale con alcuni cenni all’ottica nell’approssimazione del terzo ordine.


Programma esteso

Introduzione

Natura e propagazione della luce: cenni storici dal Seicento fino alla dualità onda-corpuscolo

Fronti d'onda e raggi

Principio di Huygens

Spettro elettromagnetico: cenni

Cenni sulle propietà ottiche dei materiali: indice di rifrazionne  e sua dipendenza dalla frequenza della radiazione elettromagnetica

Rappresentazione matematica delle onde

Rappresentazione matematica di un’onda a partire da un impulso iniziale

Onda armonica: definizioni di ampiezza, numero d’onda, lunghezza d’onda, frequenza angolare, periodo temporale, frequenza, fase, velocità di propagazione, dipendenza della velocità di propagazione, del numero d’onda e della lunghezza d’onda dall’indice di rifrazione del mezzo

Fotometria

Flusso raggiante e flusso luminoso

Intensità luminosa di una sorgente

Illuminamento di una superficie

Luminanza di sorgenti estese e legge di Lambert per le superfici diffondenti

Emettenza di sorgenti estese

Riflessione e rifrazione della luce su una superficie piana

Leggi della riflessione della luce e dimostrazione secondo la costruzione di Huygens

Leggi della rifrazione della luce e dimostrazione secondo la costruzione di Huygens

Principio di Fermat

Dimostrazioni delle leggi di riflessione e rifrazione della luce secondo il prinicpio di Fermat

Riflessione di onde sferiche su superfici piane e immagini formate da specchi piani

Rifrazione di onde sferiche su superfici piane, profondità apparente degli oggetti e astigmatismo apparente

Rifrazione atmosferica, miraggio e fata morgana

Lamina a facce piane e parallele: deviazione e spostamento dei raggi

Riflessione totale interna e angolo limite

Prismi a riflessione totale

Prismi: deviazione prismatica e deviazione prismatica minima, indice di rifrazione e angolo di deviazione minima

Condizione affinché la luce emerga da un prisma al variare dell’angolo di incidenza

Potere prismatico e diottria prismatica

Dispersione cromatica della luce per rifrazione: definizioni di potere dispersivo e numero di Abbe

Riflessione e rifrazione della luce su una superficie sferica in approssimazione di Gauss

Riflessione della luce su una superficie sferica

Specchi sferici concavi e convessi, asse ottico principale, punto focale e distanza focale, centro e raggio di curvatura

Metodo di costruzione grafica delle immagini prodotte da specchi

Formazione delle immagini prodotte da specchi sferici: immagini reali/virtuali, ingrandite/ridotte, diritte/capovolte, posizione dell’immagine rispetto allo specchio e all’oggetto

Legge dei punti coniugati per lo specchio sferico e dimostrazione

Legge dell’ingrandimento lineare trasversale per lo specchio sferico e dimostrazione

Ingrandimento lineare longitudinale

Confronto tra aberrazione sferica e astigmatismo di specchi sferici e specchi parabolici: cenni

Rifrazione della luce su una superficie sferica: diottro sferico

Diottri sferici concavi e convessi, asse ottico principale, punti focali e distanze focali, centro e raggio di curvatura

Metodo di costruzione grafica delle immagini prodotte da diottri

Formazione delle immagini prodotte da diottri sferici: immagini reali/virtuali, ingrandite/ridotte, diritte/capovolte, posizione dell’immagine rispetto al diottro e all’oggetto

Legge dei punti coniugati per il diottro sferico e dimostrazione

Legge dell’ingrandimento lineare trasversale per il diottro sferico e dimostrazione

Lenti ottiche sferiche

Lenti semplici convergenti o divergenti, punti focali e distanze focali, centro ottico, centri di curvatura e raggi di curvatura, piani principali e punti principali e significato dei piani principali

Lenti sottili o spesse: metodo di costruzione grafica delle immagini

Formazione delle immagini prodotte da lenti sottili o spesse: immagini reali/virtuali, ingrandite/ridotte, diritte/capovolte, posizione dell’immagine rispetto alla lente e all’oggetto

Legge dei punti coniugati per le lenti sottili o spesse e dimostrazioni

Forma gaussina e forma newtoniana dell’equazione delle lenti e rappresentazione grafica

Legge dell’ingrandimento lineare trasversale per le lenti sottili o spesse e dimostrazioni

Equazione degli ottici per le lenti sottili o spesse immerse in aria

Generalizzazione dell’equazione degli ottici per lenti non necessariamente immerse in aria

Ingrandimento lineare longitudinale

Potere delle lenti sottili e diottria

Potere delle lenti spesse (nominale, effettivo, frontale)

Vergenza dei raggi e effetto delle lenti: cenni

Lente-occhio: cenni

Modelli di occhio: cenni

Occhio, difetti visivi e loro correzione: cenni

Caratteristiche delle immagini retiniche: loro dimensioni e angolo sotteso degli oggetti con l’occhio

Definizione di acutezza visiva, frazione di Snellen e calcolo della grandezza degli ottotipi

Lente d’ingrandimento e suo ingrandimento angolare

Lenti composte

Distanza focale e potere dei sistemi composti e dimostrazione

Sistema composto da due lenti semplici sottili

Sistema composto da due lenti semplici sottili a contatto tra loro

Microscopio composto: schema ottico e ingrandimento angolare

Telescopio astronomico: schema ottico e ingrandimento angolare

Cannocchiale galileiano: schema ottico e ingrandimento angolare

Diaframma di entrata di sistemi ottici (es. telescopio astronomico)

Pupille di entrata e di uscita di sistemi ottici e condizioni di ingrandimento normale (es. telescopio astronomico)

Diaframma di campo, campo di vista (es. telescopio astronomico)

Profondità di campo

Ingrandimento angolare e dimensione della pupilla di uscita (es. telescopio astronomico)

Rapporto focale, apertura f/, luminosità (es. telescopio astronomico)

Aberrazioni di lenti e specchi

Sviluppo in serie della funzione trigonometrica seno e teoria delle aberrazione monocromatiche al terzo ordine

Introduzione ai coefficienti di Seidel

Aberrazione sferica longitudinale e trasversale, circolo di minima confusione, caustica, diaframmi, fattore di forma, cenno alle lenti asferiche

Coma: fattore di forma, sistemi aplanatici

Astigmatismo dei fasci obliqui

Curvatura di campo

Distorsione

Aberrazione cromatica assiale e laterale

Funzione di aberrazione del fronte d’onda e polinomi di Zernike: cenni


Prerequisiti

Nozioni di matematica di base contenute nel cap. 1 del testo di R.C. Davidson, "Metodi matematici per un corso introduttivo di fisica", ed. EdiSES (edizione italiana a cura di F. Madonia) ovvero:

potenze di dieci, esponenti negativi, prefissi, calcolo con le potenze di dieci, ordini di grandezza, esponenti frazionari, equazioni algebriche, sistemi di equazioni di primo grado, equazioni di secondo grado, sviluppo binomiale.


Il primo giorno di lezione, la docente consiglia agli studenti di svolgere un test scritto (che fornisce loro) con domande sugli argomenti precedenti, sull'interpretazione di grafici di semplici funzioni nel piano cartesiano, sull'uso delle unità di misura in fisica e su argomenti affini. La docente corregge i test svolti dagli studenti per poter dare loro un feedback sulle loro conoscenze preliminari necessarie per il corso.

Modalità didattica

L'insegnamento prevede 6 cfu di lezioni frontali e 2 cfu di laboratorio con frequenza obbligatoria.

Nel periodo di emergenza Covid-19 le lezioni frontali e le attività di laboratorio si svolgeranno in modalità mista: parziale presenza e lezioni videoregistrate.




Materiale didattico

 ·  F.W. Sears, “Ottica”, Ed. CEA

·  Appunti forniti attraverso la piattaforma e-learning di Ateneo

- tracce di laboratorio fornite dal docente attraverso la piattaforma e-learning di Ateneo

- lezioni videoregistrate dal docente e disponibili sulla .piattaforma e-learning di Ateneo

 


Periodo di erogazione dell'insegnamento

primo semestre

Modalità di verifica del profitto e valutazione

La verifica consiste in una prova scritta e una prova orale (con valutazione anche di un quaderno personale di laboratorio da presentare all'orale).

Solo gli studenti in regola con i requisiti di frequenza potranno accedere al test scritto. Nel giorno fissato per l’appello d’esame, gli studenti dovranno rispondere a un questionario costituito da 15 domande scritte. Alcune domande sono a scelta multipla, altre domande sono aperte, altre prevedono una costruzione grafica di immagine prodotta da lenti o specchi o domande affini. Sono inclusi nel calendario delle prove orali gli studenti che hanno fornito almeno 10 risposte corrette.

Nel periodo di emergenza Covid-19 gli esami si terranno in via telematica utilizzando la piattaforma WebEx.

Non sono previste prove in itinere.

Lo studente può effettuare una sorta di autovalutazione durante le ore di laboratorio poichè le esperienze da svolgere riguardano argomenti già visti durante le ore di lezione frontale.

L'esame potrà essere svolto in inglese. Per la prova scritta, lo studente dovrà richiederlo espressamente al docente con almeno una settimana di anticipo rispetto alla data dell'esame.


Orario di ricevimento

su appuntamento da concordare via email

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Aims

Knowledge of the main concepts of geometric and ophthalmic optics (refraction, reflection, optical lenses, mirrors, optical systems, etc.)


Contents

The course concerns the basic concepts of geometrical optics in Gauss approximation and third order approximation

Detailed program

Introduction

Nature and light propagation

Waves and rays

Huygens Principle

Electromagnetic spectrum:

Considerations on optical properties of materials: refractive index and its dependence on the frequency of electromagnetic radiation

Mathematical representation of waves

Mathematical representation of a wave from an initial impulse

Harmonic wave: definition of amplitude, wavenumber, wavelength, angular frequency, time period, frequency, phase

Photometry

Radiant and luminous flux
Light intensity of a source
Illumination of a surface
sources of light and Lambert's law for diffuse surfaces
Emission of extended sources

Reflection and refraction of light on a flat surface
Light reflection and demonstration according to Huygens's construction
Light reflection and demonstration according to Huygens construction
Principle of Fermat
Demonstrations of the laws of reflection and refraction of light according to the principle of Fermat
Reflection of spherical waves on flat surfaces and images formed by flat mirrors
Reflection of spherical waves on flat surfaces, apparent depth of objects, and apparent astigmatism
Atmospheric refraction and mirage
lamina with flat and parallel faces: deviation and shift of the rays
Total internal reflection and limit angle
Prisms with total reflection
Prisms: prismatic deviation and minimum prismatic deviation, refractive index and minimum deviation angle
Condition for light to emerge from a prism
Prismatic power and prismatic dioptry
Chromatic dispersion of light for refraction: dispersive power definitions and number of Abbe

Reflection and refraction of light on a spherical surface in approximation of Gauss

Reflection of light on a spherical surface

Convex and convex spherical mirrors, main optical axis, focal point and focal distance, center and radius of curvature

Graphic construction method of images produced by mirrors

Images produced by spherical mirrors

Law of conjugated points for the spherical mirror and demonstration

Transversal Linear Magnification for Spherical Mirror and Demonstration

Longitudinal linear magnification

Comparison between spherical aberration and astigmatism of spherical mirrors and parabolic mirror
Refraction of light on a spherical surface

Concave and convex spherical diopters, main optical axis, focal points and focal lengths, center and radius of curvature

Graphic method to find images produced by diopters

Formation of images produced by spherical diopters

Law of conjugated points for spherical diopter and demonstration

Transverse linear magnification law for spherical diopter and demonstration

Spherical lenses
Converging or divergent lenses, focal points and focal distances, optical center, curvature centers, planes and main points
Graphic method to find images produced by thin or thick lenses

Law of conjugated points for thin or thick lenses and demonstrations
Gaussian shape and Newtonian shape of the lens equation and graphic representation
Transverse linear magnification law for thin or thick lenses and demonstrations
Optical equation for thin or thick lenses that are immersed in air
Generalization of optical equation for lenses not necessarily in air
Longitudinal linear magnification
Power of thin lenses and diopter
Thin lens power (nominal, effective, frontal)
Lens-eye

Eye models

Eye, visual defects and correction

Features of retinal images: their size and angle of subject objects with the eye

Definition of visual acuity, fraction of Snellen and calculation of the magnitude of the optotypes
Magnifying glass and angular magnification

Optical systems
Focal distance and power of optical systems and demonstration
System consisting of two thin lenses
System consisting of two thin lenses that are in contact with each other
Microscope: optical scheme and angular magnification
Astronomical telescope: optical scheme and angular magnification
Galilean telescope: optical scheme and angular magnification
Diaphragm and pupils in optical systems (eg astronomical telescope)
Field of view (eg astronomical telescope), depth of field
Focal point, f /, aperture, brightness (eg astronomical telescope)

Aberrations of lenses and mirrors
Series of trigonometric functions and monochromatic aberration theory (third order)
Introduction to Seidel Coefficients
Longitudinal and transverse spherical aberration, minimal confusion, caustic, diaphragm, shape factor
Coma: form factor, aplanatic systems
Astigmatism of oblique beams
Field curvature
Distortion
Axial and lateral chromatic aberration
Zernike wavefront aberration and polynomial function
Laboratory experiments on refraction/reflection, prisms and optical lenses, mirrors, opticalte systems, lens aberrations

 

 

 

 

 

 

 


Prerequisites

Basic mathematical notions contained in chap. 1 of the text of R.C. Davidson, "Mathematical methods for an introductory course in physics", ed. EdiSES (Italian edition edited by F. Madonia), i.e.:

powers of ten, negative exponents, prefixes, calculation with powers of ten, orders of magnitude, fractional exponents, algebraic equations, systems of equations of first degree, equations of second degree, binomial development.


On the first day of class, the teacher advises students to carry out a written test (which provides them) with questions on the previous topics, on the interpretation of graphs of simple functions in the Cartesian plane, on the use of units of measurement in physics and on related topics. The teacher corrects the tests carried out by the students in order to give them feedback on their preliminary knowledge needed for the course.

Teaching form

The course includes 6 credits of lectures and 2 laboratory credits. Attendance at laboratory lessons is required.

During the Covid-19 emergency period, lectures and laboratory activities will take place in a mixed way: partial attendance and recorded lessons.


Textbook and teaching resource

·  F.W. Sears, “Ottica”, Ed. CEA

·  Notes

provided by the teacher through the University e-learning platform

- laboratory traces provided by the teacher through the University e-learning platform

- recorded lessons provided by the teacher through the University e-learning platform



Semester

first semester

Assessment method

The test consists of a written test and an oral test (with evaluation of a personal laboratory notebook to be presented to the oral exam).

Only students who were present during the laboratory activities have access the written test. On the day set for the exam session, students will be asked to answer a questionnaire consisting of 15 written questions. Some questions are multiple-choice, other questions are open, others require a graphic construction of images produced by lenses or mirrors, or similar questions. Students who have provided at least 10 correct answers are included in the oral exam calendar.

In the Covid-19 emergency period, exams will be held electronically using the WebEx platform.

No ongoing tests are planned.

The student can perform a kind of self-assessment during the hours of the labortory activities as the experiences to be carried out cover topics already seen during the hours of lectures.

The exam can be done in English. For the written test, the student must expressly request it to the teacher at least one week in advance of the exam date.

Office hours

appointment to be agreed via email

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Key information

Field of research
FIS/01
ECTS
8
Term
First semester
Activity type
Mandatory
Course Length (Hours)
72
Degree Course Type
Degree Course

Staff

    Teacher

  • RL
    Roberto Lorenzi
  • Silvia Tavazzi
    Silvia Tavazzi

Students' opinion

View previous A.Y. opinion

Bibliography

Find the books for this course in the Library

Enrolment methods

Manual enrolments
Self enrolment (Student)

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