- Physics of Vision
- Summary
Course Syllabus
Obiettivi
Questo corso fornisce uno studio approfondito dei principi fisici alla base della visione. Il corso si concentra sulle proprietà ottiche dei materiali, sull'origine del colore, sulla percezione visiva e sui meccanismi fisici coinvolti nei meccanismi fisiologici dell'occhio.
Contenuti sintetici
- Richiami di elettromagnetismo e fisica delle onde
- Luce e colore
- Origine fisica del colore
- Metodi e approcci per indurre la colorazione nei materiali
- Fisica della visione
Programma esteso
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Richiami di elettromagnetismo e fisica delle onde
Verranno sinteticamente riprese le principali leggi fisiche di interesse per la descrizione della luce e del colore: equazioni di Maxwell, equazione delle onde, legge di riflessione e rifrazione, dispersione -
Luce e colore
Excursus storico della definizione dei colori, lo spettro e il "colore" della luce, origine fisica del colore apparente degli oggetti -
Spettro elettromagenitco e cenni di misura del colore
Lo spettro elettromagnetico: definizioni, intervalli e unità di misura. Descrizione delle principali tecniche spettroscopiche per la determinazione delle grandezze relative alla descrizione del colore e definizione di assorbanza, trasmissione, riflessione, legge di Lambert-Beer, rappresentazione quantitativa del colore (coordinate colore). -
Origine fisica del colore di sorgenti luminose
Incandescenza e corpo nero, il colore di fiamme e fuochi d'artificio, emissione a righe di gas e cenni di meccanica quantistica, il colore di scariche, plasmi e corone, fluoresecenza, fosforescenza e bio-chemiluminescenza. Cenni di funzionamento di LED e laser. -
Origine fisica del colore di metalli, materiali e molecole
La struttura a bande dei metalli, semiconduttori e isolanti: l'origine del colore dei metalli, colore prodotto da transizione elettroniche da impurezze di metalli di transizione, da difetti di punto e da trasferimento di carica negli isolanti, colore di semiconduttori con gap nel visibile, allocromatismo e idiocromatismo. Origine del colore nelle molecole organiche. -
Origine fisica dei colori strutturali
Colori dovuti a interferenza e diffrazione, diffusione Rayleigh e Mie, anisotropia, polarizzazione, colori prodotti da dispersione. Relazione tra aspetto visivo di un materiale e costanti ottiche: opalescenza, iridescenza, aspetto metallico, trasparenza, glaze. Cenni di olografia. Metodi e approcci per indurre la colorazione nei materiali: i colori in natura (colori in biologia, gemme e fenomeni atmosferici), pigmenti, coloranti, colorazioni di vetri e plastiche, filtri di colore e deposizione di film. -
Fisica della visione
Fotofisica del processo di visione, visione scotopica e fotopica, cenni di visione animale comparata, colorimetria.
Prerequisiti
I prerequisiti coincidono con gli argomenti del colloquio di ammissione descritti nella pagina “Orientamento in Ingresso e Modalità di Ammissione al Corso di Studi”, consultabili sulla pagina e-learning del corso di studi.
Modalità didattica
Le lezioni saranno frontali (videoregistrate e rese disponibili sulla piattaforma e-learning del corso). Il corso prevede anche simulazioni al computer dei principali aspetti trattati a lezione ed esperimenti pratici sulle tecniche di misurazione del colore. La partecipazione a queste ultime attività è fortemente consigliata, ma le attività possono essere seguite anche a distanza e in modalità asincrona.
42h Lezione erogativa in presenza
Materiale didattico
- The Physics and Chemistry of Color: The Fifteen Causes of Color by Kurt Nassau. ISBN: 978-0-471-39106-7
- Altre risorse provenienti da libri, slide del docente e articoli scientifici saranno rese disponibili sulla piattaforma di e-learning.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale, che prevede una serie di domande volte a valutare la comprensione e la capacità dello studente di applicare i concetti del corso alla misurazione del colore e ai meccanismi fisici coinvolti nella produzione e visione dei colori.
Orario di ricevimento
Disponibile almeno due giorni a settimana, su appuntamento via mail.
Aims
This course provides an in-depth study of the physical principles underlying vision. The course focuses on the optical properties of materials, the origin of colour, visual perception and the physical mechanisms involved in the physiological mechanisms of the eye.
Contents
- Recall of electromagnetism and wave physics
- Light and color
- Methods and approaches to induce coloration in materials
- Physics of vision
Detailed program
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Recall of electromagnetism and wave physics
The main physical laws of interest for the description of light and color will be summarized: Maxwell's equations, wave equation, law of reflection and refraction, dispersion -
Light and color
Historical excursus of the definition of colors, the spectrum and the "color" of light, physical origin of the apparent color of objects -
Electromagnetic spectrum and notes on color measurement
The electromagnetic spectrum: definitions, intervals and units of measurement. Description of the main spectroscopic techniques for the determination of quantities relating to the description of color and definition of absorbance, transmission, reflection, Lambert-Beer law, quantitative representation of color (color coordinates). -
Physical origin of the color of light sources
Incandescence and black body law, the color of flames and fireworks, gas line emission and hints of quantum mechanics, the color of discharges, plasmas and coronas, fluorescence, phosphorescence and bio-chemiluminescence. Notes on how LEDs and lasers work. -
Physical origin of the color of metals, materials and molecules
The band structure of metals, semiconductors and insulators: the origin of the color of metals, color produced by electronic transitions from transition metal impurities, by point defects and by charge transfer in insulators, color of semiconductors with energy gaps in the visible , allochromatism and idiochromatism. Origin of color in organic molecules. -
Physical origin of structural colors
Colors due to interference and diffraction, Rayleigh and Mie diffusion, anisotropy, polarization, colors produced by dispersion. Relationship between the visual appearance of a material and optical constants: opalescence, iridescence, metallic appearance, transparency, glaze. Hints of holography. Methods and approaches to induce coloration in materials: colors in nature (colors in biology, gems and atmospheric phenomena), pigments, dyes, glass and plastic colorations, color filters and film deposition. -
Physics of vision
Photophysics of the vision process, scotopic and photopic vision, notes on comparative animal vision, colorimetry.
Prerequisites
Student requirements match the topics listed in the “Orienteering for Future Students and Admission Procedures”, available on the e-learning platform.
Teaching form
The lectures will be frontal (videorecorded and made available on the course's e-learning platform). The course also includes simulations of the main aspects covered in lectures and hand-on experiments on color measurement techniques. Participation in the latter activities is strongly recommended, but the activities can also be followed remotely and in asynchronous mode.
42h In-person lesson
Textbook and teaching resource
- The Physics and Chemistry of Color: The Fifteen Causes of Color by Kurt Nassau. ISBN: 978-0-471-39106-7
- Other resources from books, teacher's slides and scintific articles will be made available on the e-learning platform.
Semester
First semester.
Assessment method
Oral examination, which involves a series of questions designed to assess the student's understanding and ability to apply course concepts to color appearence and measurement, physical mechanisms involved in the production and vision of colors.
Office hours
Available at least two days a week, by appointment via email.
Key information
Staff
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Roberto Lorenzi
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Silvia Tavazzi