Course Syllabus
Obiettivi
1. Conoscenza e capacità di comprensione.
Lo studente acquisirà conoscenze avanzate in ottica geometrica e fisica, tra cui:
-propagazione dell’energia elettromagnetica,
-riflessione e rifrazione (coeff. di Fresnel),
-ottica delle lenti sottili e spesse,
-principi dell’ottica ondulatoria (Huygens-Fresnel),
-applicazioni dell’integrale di Fresnel,
-ottica di Fourier e tecniche di microscopia avanzata (es. confocale, multifotone, SHG, CARS).
Saranno approfonditi concetti fondamentali e strumenti teorico-sperimentali utili per comprendere e analizzare i sistemi ottici.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:
-applicare modelli ottici per l’analisi e il progetto di sistemi e dispositivi,
-utilizzare il formalismo matriciale per lenti e specchi,
-calcolare la propagazione di fasci laser,
-stimare la risoluzione, l'ingrandimento e le aberrazioni di sistemi ottici,
-comprendere il funzionamento di strumenti ottici complessi,
-interpretare immagini e dati acquisitti tramite tecniche di microscopia ottica.
3. Autonomia di giudizio
Lo studente svilupperà:
-capacità critica nel selezionare modelli adeguati per l’analisi di fenomeni ottici,
-autonomia nel valutare il comportamento di componenti ottici (lenti, specchi, fibre),
-consapevolezza dei limiti degli strumenti e delle tecniche di correzione delle aberrazioni,
-competenze nel giudicare la qualità e l’affidabilità di un sistema ottico in contesti applicativi e sperimentali,
-capacità critica nel selezionare la tecnica di microscopia ottica più adatta a differenti applicazioni.
4. Abilità comunicative.
Lo studente sarà in grado di:
-esporre in modo chiaro e rigoroso i concetti di ottica geometrica e fisica,
-utilizzare correttamente la terminologia tecnica in contesti didattici e professionali,
-interagire in team multidisciplinari nel campo della fotonica e dell’imaging.
5. Capacità di apprendimento.
Lo studente acquisirà:
-strumenti metodologici per approfondire autonomamente tematiche avanzate dell’ottica,
-abilità nella consultazione di testi scientifici e articoli specialistici,
-competenze per affrontare percorsi successivi di specializzazione (corsi avanzati, tesi, attività di laboratorio o ricerca).
Contenuti sintetici
Ottica geometrica: lenti, specchi e composizioni di piu’ lenti e stops.
Ottica Fisica: il teorema di Fresnel e le sue applicazioni.
Aberrazioni degli strumenti ottici.
Microscopie ottiche a scansione.
Patologia Digitale.
Programma esteso
-Energia elettromagnetica, intensità con laser in emissione continua e pulsata.
-Coefficienti di Fresnel per la riflessione e rifrazione: fenomenologia; le lamine di ritardo.
-Accenno a “Coefficienti di Fresnel ed equazioni Maxwell”.
- Legge del prisma per deviazione minima, relazione con la lente sottile.
- La legge delle focali per lenti sottili. Composizione di lenti sottili.
- Il metodo matriciale per lenti e specchi e le sue applicazioni a strumenti ottici.
- Lente spessa. Piani principali e fuochi. Ingrandimento di un sistema ottico.
- Principali aberrazioni delle lenti: fenomenologia e trattazione di Seidel.
- Correzione delle aberrazioni.
- Introduzione all’Ottica Fisica, principio di Huygens-Fresnel e integrale di Fresnel.
- Applicazioni dell’integrale di Fresnel: zone di Fresnel, propagazione del fascio Gaussiano.
- Applicazioni del teorema di Fresnel: Ottica di Fourier e filtro spaziale.
- Fibre ottiche: trattazione geometrica e di ottica fisica.
- Risoluzione di un sistema ottico.
- Tecniche di microscopia ottica (Microscopia confocale, Microscopia a campo chiaro e scuro, Microscopia multifotone, Generazione di Seconda Armonica, Microscopia Raman Coerente Anti-Stokes, Patologia Digitale).
Prerequisiti
Conoscenza delle onde elettromagnetiche e del trattamento matematico dell'equazione che le descrive.
Conocenza delgli elementi fondamentali dei processi di interazione radiazione luminosa materia.
Abilità: risoluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali; trigonometria
Modalità didattica
Lezione frontale (didattica erogativa) in italiano con l'ausilio di slides in power point:
21 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza.
Problemi svolti in aula.
Assegnazione di problemi ed esercizi a casa.
Richiesta di approfindimento su articoli di ricerca.
Materiale didattico
Slides svolte a lezione rese disponbili dalla piattaforma e-learning di ateneo.
Sitografia su approfodnimenti e simulazioni numeriche.
Libri:
- "Optics". Klein
- "Optics". Hecht
- "Introduction to optical microscopy". Mertz
- "Introduction to Fourier Optics". Goodman
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre della laurea Magistrale.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
ESAME ORALE con COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE e SU ARGOMENTI DI APPROFONDIMENTO NON TRATTATI A LEZIONE.
In particolare, il colloquio verterà:
1. sull'esposizione dei principi base della costruzione di un sistema ottico e la sua discussione tramite metodo matriciale;
2. sull'esposizione dei principi base dell'ottica di Fourier
3. sulla discussione della risoluzione di un sistema ottico a campo largo e a scansione.
4. sulla discussione di un argomento a scelta (con eventuale preparazione di una presentazione), preferibilmente connesso alla lettura di un articolo di ricerca, su argomenti di approfondimento non trattati a lezione
Non sono previste prove parziali. Il voto finale sarà determinato dalla valutazione:
-dell'argomento a scelta relativo a un approfondimento non trattato a lezione
-della conoscenza dei vari argomenti trattati a lezione
Per quanto riguarda la graduazione del voto: Il voto dell'orale e' espresso in 30-esimi. Verranno valutate in particolare la capacità di comprensione ed esposizione dell’argomento richiesto (sia a scelto che trattato a lezione), sia in termini di descrizione di set-up sperimentali, sia nel delineare l’aspetto teorico. Verrà inoltre valutato:
- l'utilizzo di termini tecnici appropriati
- l'esposizione di concetti in modo chiaro, logico e coerente
- la padronanza del linguaggio scientifico
Orario di ricevimento
Normalmente il docente e' sempre disponibile per ricevimento, la presenza e' tuttavia garantita solo se preventivamente concordata per mail o di persona a margine delle lezioni.
Sustainable Development Goals
Aims
1. Knowledge and understanding.
The student will acquire advanced knowledge in geometrical and physical optics, including:
-propagation of electromagnetic energy,
-reflection and refraction (Fresnel coefficients),
-optics of thin and thick lenses,
-principles of wave optics (Huygens-Fresnel),
-applications of the Fresnel integral,
-Fourier optics and advanced microscopy techniques (e.g., confocal, multiphoton, SHG, CARS).
Core concepts and theoretical-experimental tools will be explored in depth to enable understanding and analysis of optical systems.
2. Applying knowledge and understanding.
By the end of the course, the student will be able to:
-apply optical models to analyze and design systems and devices,
-use matrix formalism for lenses and mirrors,
-compute the propagation of laser beams,
-estimate resolution, magnification, and optical aberrations,
-understand the operation of complex optical instruments,
-interpret images and data obtained through optical microscopy techniques.
3. Making judgements.
The student will develop:
-critical skills in selecting appropriate models for the analysis of optical phenomena,
-autonomy in evaluating the behavior of optical components (lenses, mirrors, fibers),
-awareness of the limitations of instruments and aberration correction techniques,
-the ability to assess the quality and reliability of optical systems in experimental and applied contexts,
-critical judgment in selecting the most suitable optical microscopy technique for different applications.
4. Communication skills.
The student will be able to:
-clearly and rigorously present concepts in geometrical and physical optics,
-correctly use technical terminology in educational and professional contexts,
-collaborate effectively within multidisciplinary teams in the fields of photonics and imaging.
5. Learning skills.
The student will acquire:
-methodological tools to independently deepen advanced topics in optics,
-skills in consulting scientific texts and specialized articles,
-competencies to undertake further specialization (advanced courses, thesis work, laboratory or research activities).
Contents
Geometrical Optics: lenses, mirrors and compositions of lenses and stops.
Physical Optics: Fresnel Theorem and its applications.
Aberrations of optical devices
Scanning Optical Microscopies.
Digital Pathology.
Detailed program
- Electromagnetic energy, intensity with lasers in continuous and pulsed emission mode.
- Fresnel coefficients for reflection and refraction: phenomenology; the retarder plates.
- Introduction to "Fresnel Coefficients and Maxwell equations".
- Law of the prism in minimal deviation (geometical and physical optics treatment), relation with the thin lens.
- The law of focal lengths for thin lenses. Composition of thin lenses.
- The matrix method for lenses and mirrors and its applications to optical instruments.
- Thick lens. Principal planes and the focal length. Magnification of an optical system.
- Principal aberrations of lens systems: phenomenology and Seidel treatment.
- Aberration correction.
- Introduction to Physical Optics, Huygens-Fresnel principle and Fresnel Integral.
- Applications of the Fresnel integral: Fresnel zones, Gaussian beam propagation.
- Applications of the Fresnel theorem: Fourier optics and spatial filtering.
- Optical fibers: geometric and physical optics treatment.
- Optical resolution
- Optical Microscopy techniques (Confocal Microscopy, Multi-photon Microscopy, Second Harmonic Generation Microscopy, Brighfield and darkfield, Coherent Anti-Stokes Raman Microscopy, Digital Pathology).
Prerequisites
Knowledge of electromagnetic waves and of the mathematical treatment of the wave equation.
Knowledge of the fundamentals of the light-matter interactions modes.
Skills: solution of partial derivatives equations; trigonometry.
Teaching form
Frontal Lectures in Italian with slides in power point (Instructional teaching):
21 two-hour lessons delivered in frontal teaching mode.
Discussion of problems.
Assignment of home excercises
Reading and discussion of research papers.
Textbook and teaching resource
Copy of the slides discussed during the lectures loaded on the e-learning platform.
Indication of the web sites with information on specific applications and Java simulations.
Books:
- "Optics". Klein
- "Optics". Hecht
- "Introduction to optical microscopy". Mertz
- "Introduction to Fourier Optics". Goodman
Semester
Second semester of the Master Degree
Assessment method
ORAL EXAM RELATED TO TOPICS ILLUSTRATED DURING THE LESSONS AND TO SUPPLEMENTARY TOPICS NOT DISCUSSED DURING LESSONS.
In particular, the exam will be related to the following topics:
1. basic principles of the construction of an optical device and its discussion based on the matrix method;
2. basic princpiles of Fourier Optics;
3. resolution of an optical device in wide field and in scanning modes;
4. discussion of a research paper (with an optional slide presentation), related to topics not covered during frontal lessons.
There are no partial tests. The final grade will be determined by:
-the evaluation of the discussion of the paper related to topics not covered during the lessons
-the evaluation of the knowledge of the different topics covered during the frontal lessons
Regarding the grading scale: the oral exam is graded on a 30-point scale. Particular emphasis will be placed on the student’s ability to understand and explain the requested topic (whether chosen by the student or covered during the lectures), both in terms of describing experimental setups and outlining the theoretical framework. Additionally, the following will be assessed:
-the use of appropriate technical terminology
-the ability to present concepts in a clear, logical, and coherent manner
-the command of scientific language
Office hours
Usually the teacher is always available for reception, however the presence is guaranteed only if previously arranged, either in classroom or by e-mail.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Laura Sironi
