Cap. IV Ottica geometrica e sistemi ottici 1. Approssimazioni e postulati 2. Sorgenti e immagini 3. Specchi 4. Il diottro 5. Lenti spesse e sottili 6. Sistemi e strumenti ottici 1. APPROSSIMAZIONI E POSTULATI OTTICA: scienza della luce (visibile) L’intervallo del visibile LUNGHEZZA D’ONDA l (m) 10-5 RADIOFREQUENZE MICROONDE INFRAROSSO RADIO 10-10 VISIBILE 100 10-15 RAGGI X RAGGI GAMMA UV TV 105 1010 1015 1020 1025 FREQUENZA n (Hz) UV IR 0.7 0.6 0.5 0.4 LUNGHEZZA D’ONDA l (mm) 0.3 approssimazioni e postulati lVIS = 400 700 nm a confronto col mondo macroscopico, si può quindi considerare: l0 questa approssimazione giustifica una serie di postulati: • Non si considera l’aspetto ondulatorio: la luce si propaga in linea retta lungo i raggi, diretti come k z k r y x approssimazioni e postulati l0 2) ogni sorgente puntiforme emette infinite onde piane S ovvero infiniti raggi in tutte le direzioni approssimazioni e postulati l0 3) ogni sorgente estesa è fatta di infinite sorgenti puntiformi Sorgente estesa approssimazioni e postulati l0 4) formazione della visione: vediamo perché i raggi formano immagini sulla retina immagine sulla retina: sorgente luminosa S’ S ma anche: S riflessione speculare specchio S’ immagine virtuale 2. SORGENTI E IMMAGINI definizioni fascio omocentrico (coniugato) emergente fascio omocentrico incidente S sistema ottico oggetto S’ immagine punti coniugati definizioni reale virtuale oggetto centro dei raggi incidenti centro del prolungamento dei raggi incidenti immagine centro dei raggi emergenti centro del prolungamento dei raggi emergenti sorgenti e immagini immagine virtuale S oggetto reale S’ S immagine reale S’ oggetto reale immagine specchio virtuale oggetto reale S S’ sorgenti e immagini immagine reale S’ S’ oggetto virtuale immagine virtuale S’ S oggetto virtuale definizioni si noti la differenza: punto oggetto punto immagine sistema ottico S S’ sistema stigmatico sistema ottico S punto oggetto sistema astigmatico immagine aberrazione 3. SPECCHI SFERICI specchi sferici concavi SPECCHI SFERICI specchio sferico concavo C R O h centro raggio vertice apertura lineare P R qq f’ S’ C a asse ottico S superficie sferica f a a’ s tutti i raggi uscenti da S passano per S’ ? s’ h O specchio sferico concavo - dimostrazione P q q R f’ S’ C a f=a-è S f a a’ O Cerchiamo la relazione fra a e a’: dalla legge dei seni a SPC: R sin(α θ) sinα cotθ cosα a sinθ e a CPS’: R sin(α θ) sinα cotθ cosα a' sinθ Ra a' R 2acosα (specchi concavi) specchio sferico concavo - dimostrazione Ra a' R 2acosα dipende da a! P’ P (specchi concavi) R ma: se: α 0 Ra a' 2a R S a ' 0 C a P’’ a’ O f , a << 1 raggi parassiali approssimazione parassiale specchio sferico convesso q q S f P O f’ S’ R’’ a C a’’ s a R' ' a a' ' 2acosα R ' ' (specchi convessi) approssimazione parassiale R' ' a a' ' 2a R ' ' (specchi convessi) specchi sferici convenzioni I I raggi provengono sempre da sinistra II s > 0 se i raggi divergono (S a sinistra dello specchio) s < 0 se i raggi convergono (S a destra dello specchio) III s’ > 0 se i raggi convergono (S’ a sinistra dello specchio) s’ < 0 se i raggi divergono (S’ a destra dello specchio) IV R > 0 se: C a sinistra dello specchio (oggetto reale immagine reale) R < 0 se: C a destra dello specchio (oggetto reale immagine virtuale) S S’ s > 0 e s’ > 0 R>0 S’ S s > 0 e s’ < 0 S’ S S’ s < 0 e s’ < 0 R<0 riassumendo: specchi sferici R’’ R S’ C S a’ a O S s’ asR s’’ s s Ra a' 2a R S’ O C a’’ a con le convenzioni introdotte: a' R s' R' ' a a' ' 2a R ' ' a s R'' 1 1 2 s s' R a'' R'' s'' equazione degli specchi esempio 1 specchio sferico concavo R = 20 cm trovare s’ per: a) s = 30 cm b) s = 15 cm c) s = 5 cm 1 1 2 s s' R 1 s' 2 R 1 s esempio 2 1 1 2 s s' R specchio sferico convesso R = 20 cm trovare s’ per: a) s = 30 cm b) s = 15 cm c) s = 5 cm R O S1 S2 S3 S’3 S2’ S’1 specchi sferici 3.1 Fuoco e distanza focale se, nella: 1 1 2 s s' R 1 1 2 s' R prendiamo s si ha: R s' 2 f distanza focale dello specchio 1 1 1 s s' f R R C O F C O F fuoco e distanza focale 1 1 1 s s' f si noti che, per la reversibilità: R R C O F esempio: concentratori solari C F esempio: riflettori per fari O fuoco e distanza focale 1 1 1 s s' f in realtà, per la aberrazione sferica, fuori dalla approssimazione parassiale: C il fuoco è su un segmento O fuoco e distanza focale 1 1 1 s s' f L’aberrazione sferica è assente in specchi a profilo parabolico: C il fuoco è punto O 3.2 Oggetti estesi e costruzioni delle immagini si fa il tracciamento dei raggi (ray tracing) di due dei quattro raggi principali: immagine reale y F C y’ O ad esempio, avendo solo il fuoco: y' m y ingrandimento laterale y F C y’ O costruzioni delle immagini analogamente per gli specchi convessi: P immagine virtuale y y’ O y' m y F C ingrandimento laterale costruzioni delle immagini comunque, in entrambi i casi: P y y F y’ C y’ O O s’ F C s s s’ dalle relazioni sui triangoli simili: y' s' m y s y’ >0 concavo/convesso y’ <0 costruzioni delle immagini esempi: lo specchio concavo s>R C F f<s<R C F s<f C F l’immagine è: applicazioni reale rimpicciolita, rovesciata obiettivo telescopio reale ingrandita, rovesciata obiettivo proiettore virtuale ingrandita specchio per radersi, truccarsi costruzioni delle immagini esempi: lo specchio concavo F oggetto reale specchio concavo costruzioni delle immagini Si noti: le immagini reali possono essere viste direttamente dall’occhio C F F C oppure visualizzate (“proiettate”) su uno schermo costruzioni delle immagini le immagini virtuali possono essere viste solo dall’occhio C F o da uno strumento ottico (macchina fotografica, cannocchiale, ecc.) costruzioni delle immagini esempi: lo specchio convesso l’immagine è: applicazioni virtuale rimpicciolita specchietti retrovisori virtuale rimpicciolita specchietti retrovisori reale ingrandita oculare cannocchiale s>0 F C s>0 F C s<0 F C Riepilogo: le espressioni da ricordare leggi della riflessione, convenzioni sui segni, approssimazione parassiale equazione degli specchi equazione degli specchi 1 1 1 s s' f 1 1 2 s s' R ingrandimento y' s' m y s tracciamento delle immagini aberrazione sferica, astigmatismo Esercizio numerico 4.1 Uno specchio sferico concavo R = 80 cm, un volto umano a 20 cm dal vertice. Calcolare: a) il rapporto di ingrandimento m; b) la posizione apparente dell’immagine. Esercizio numerico 4.2 Uno specchio retrovisore sferico convesso R = 40 cm, un’auto a 10 m. Calcolare: a) il rapporto di ingrandimento m; b) la posizione apparente dell’immagine. Esercizio numerico 4.3 Uno specchio in un parco dei divertimenti mostra l’immagine dritta di una persona che gli sta di fronte a distanza di 1.3 m. Se l’immagine è alta tre volte la statura della persona, qual è il raggio di curvatura dello specchio? Esercizio numerico 4.4 Volendo fotografarsi mentre ci si guarda in uno specchio piano a 1.5 m di distanza, per quale distanza occorre mettere a fuoco? Esercizio numerico 4.5) Ipotizzando gli specchi ustori di Archimede con un raggio R = 200 m e un’apertura lineare di 2h = 10 m, si calcoli l’intensità della radiazione solare riflessa nell’immagine del sole prodotta dallo specchio stesso. Si assuma che l’intensità della radiazione solare al suolo sia circa pari a Is 1000 W/m2 (costante solare), per il raggio solare Rs 0.696 106 km, e per la distanza Terra-Sole d = 149.6 106 km 4. RIFRAZIONE DA SUPERFICIE SFERICA: IL DIOTTRO n1 P asse ottico S n2 R S’ O C superficie sferica convenzioni che vanno modificate rispetto agli specchi (in colore) I I raggi provengono sempre da sinistra II s > 0 se i raggi divergono (S a sinistra del diottro) s < 0 se i raggi convergono (S a destra del diottro) III s’ > 0 se S’ a destra del vertice O s’ < 0 se S’ a sinistra del vertice O IV R > 0 se la superficie è convessa rispetto ai raggi incidenti R < 0 se la superficie è concava rispetto ai raggi incidenti il diottro - dimostrazione Cerchiamo la relazione fra a e a’: n1 qi l S R f n2 P O s’ s a dalla legge dei seni a SPC e S’PC : l' sinα l sinα e a' sinθ r a sinθi utilizzando la legge di Snell: n1a n2 a' l l' qr a l’ S’ C a’ il diottro - dimostrazione n1 qi l R f S n2 P O D s qr a s’ l’ S’ C a’ a se a << 1 : OD R R cos α R(1 1 12 α 2 ) 1 2 Rα 2 e PD Rsinα Rα da Pitagora: l l' s OD PD 2 2 s'OD PD 2 2 2 s 2 Rα 2 Rs 1 s s' s' Rα 1 R 2 2 2 s' il diottro n1 qi l R f S n2 P O D s qr a s’ l’ C a’ a l s l ' s' che, inserite nella: n1a n2 a' l l' S’ punto tenendo conto che: a s R ; a ' s ' R danno: n1 n2 n2 n1 s s' R equazione (R > 0) del diottro il diottro anche nel diottro concavo: n1 P a S S’ a’ n2 R O C a s s’ ancora: n1 n2 n2 n1 s s' R equazione (R < 0) del diottro il diottro si consideri il caso: n1 n2 s s' s' F n1 n2 n 2 n1 f R n2 n1 in conclusione: n1 n2 n 2 n1 n1 s s' R f s n1 n 2 n1 R n1 R n2 n 2 n1 f ' fuoco primario con s f n1 n2 n2 n1 f' R n2 F’ n2 R con s ' f ' n 2 n1 fuoco secondario 4.1 Oggetti estesi e costruzioni delle immagini Tracciamento dei raggi con due dei tre raggi principali: superficie convessa n1 n2 P F’ O F s C s’ da cui si ricava: y' n1s ' m y n2 s immagine reale il diottro superficie concava Tracciamento dei raggi con due raggi principali: n1 P n2 O F’ C s’ s immagine virtuale da cui si ricava: y' n1s ' m y n2 s F 4.2 Un diottro particolarmente semplice: il piano si consideri il caso: n1 n2 s s' R n1 S P S’ 0 n2 n1 n2 S’ n 2 n1 R P f S s s s’ n1 > n2 s > s’ s’ n1 < n2 s < s’ Riepilogo: le espressioni del diottro leggi della rifrazione, convenzioni sui segni, approssimazione parassiale equazione del diottro n1 n2 n 2 n1 n1 n2 s s' R f f' ingrandimento m y' n s' 1 y n2 s esempio 1 Il diottro piano acqua n = 1.33 acqua n = 1.33 Dh la moneta “avvicinata” la matita “spezzata” esempio 1 Il diottro piano Esercizio numerico 4.6 Una moneta giace sul fondo di una vasca piena di acqua profonda h = 1 m. A che profondità sembra essere se guardata dall’alto. Esercizio numerico 4.7 Un diottro è costituito da una superficie sferica convessa con R = 12 cm, fatta con vetro flint con indice di rifrazione n = 1.58, in aria. Un oggetto è posto sull’asse ottico a distanza s dal vertice. Calcolare s’ , m e il carattere dell’immagine per s uguale a : a) 90 cm; b) 32 cm; c) 20.7 cm; d) 15 cm. Esempio numerico 4.8 Uno piccolo pesce rosso si trova in una boccia sferica piena di acqua di raggio R = 12 cm. Trascurando le dimensioni del pesce e l’effetto della sottile parete di vetro della boccia, calcolare di quanto ingrandita ci apparirà la sua immagine: a) quando si trova a 7 cm dal vetro anteriore; b) al centro della boccia; c) a 7 cm dal vetro posteriore dal vertice. 5. LE LENTI rifrazione e formazione dell’immagine da diottri successivi n2 n1 n3 S2’= S3 S1 S3’ D1 D2 D3 n1 S1’= S2 le lenti combinazioni di più diottri: le lenti semplici composte (esempio) le lenti tipi di lenti pianoconvesse pianoconcave biconvesse biconcave menisco menisco (concavaconvessa) (convessaconcava) le lenti t spessore della lente la teoria n1 S’1 = S2 n2 S1 V1 -s’1 S’2 V2 n1 -s’1 s1 definiamo: n n 21 s’2 s2 2 n1 t per il primo diottro (aria/materiale): 1 n 21 n 21 1 s1 s '1 R1 1 f1 le lenti - dimostrazione n1 n2 S’1 = S2 S1 V1 V2 n1 -s’1 s1 -s’1 s’2 s2 t per il secondo diottro n 21 1 1 n 21 s2 s '2 R2 con: s 2 t s '1 S’2 1 f2 ' le lenti S se la lente è sottile: F’ O t 0 F quindi: s 2 t s '1 s '1 S’ possiamo sommare le due equazioni: 1 n 21 n 21 1 s1 s '1 R1 n 21 1 1 n 21 s2 s '2 R2 1 f1 s s’ 1 f2 ' ottenendo: 1 1 1 1 ( n 21 1 ) s s' R2 R1 equazione del costruttore di lenti lenti sottili 1 1 1 1 equazione del costruttore di lenti ( n 21 1 ) s s' R2 R1 ponendo rispettivamente: s, s’• ¨ ‡ troviamo che: 1 s' 1 1 1 ( n 21 1 ) f' R2 R1 f = f’: punti focali equidistanti da O 1 1 s f ( n 21 1 1 1 ) R2 R1 F’ F F F’ 1 1 1 1 1 ( n 21 1 ) s s' R2 f R1 lenti sottili Si può quindi scrivere: 1 1 1 s s' f < > 0 equazione delle lenti lente positiva/negativa 1 potenza diottrica f F’ F lente positiva F lente negativa lenti sottili 1 1 1 s s' f < > 0 1 potenza diottrica f per il tracciamento: F’ O S’ y S F F S equazione delle lenti y’ S’ lente positiva s F lente negativa s’ ingrandimento laterale: y' m y s' s lenti sottili S 1 1 1 s s' f ingrandimento laterale: y' m y s' s F O 1 potenza diottrica f F S’ s s’ piani focali attenzione al segno di R! 1 f 1 ( n 21 1 ) R1 f>0 pianoconvesse biconvesse 1 R2 convergenti (positive) concaveconvesse (menisco) f<0 divergenti (negative) pianoconcave biconcave concaveconvessa (menisco) lenti sottili 1 1 1 s s' f per il tracciamento si usano due dei tre raggi principali: F O S S’ F s s’ lente positiva o convergente lenti sottili 1 1 1 s s' f per il tracciamento si usano due dei tre raggi principali: y’ y S S’ F F s s’ lente negativa o divergente costruzioni delle immagini lenti sottili convergenti (positive) I) S oggetto reale, immagine reale F y y’ F S’ y obiettivo di macchina fotografica | m| << 1 F F pellicola y F F obiettivo di proiettore | m| >> 1 costruzioni delle immagini lenti sottili convergenti (positive) le immagini reali possono essere viste direttamente dall’occhio S F y F S’ S F y F oppure visualizzate (“proiettate”) su uno schermo costruzioni delle immagini lenti sottili convergenti (positive) II) y’ y oggetto reale, immagine virtuale F F lente di ingrandimento, oculari microscopio, telescopio III) y F y’ F oggetto virtuale, immagine reale costruzioni delle immagini lenti sottili divergenti (negative) I) y F F oggetto reale, immagine virtuale F oggetto virtuale, immagine reale y’ II) F y y’ III) F y’ F y oggetto virtuale, immagine virtuale oculare cannocchiale Aberrazioni delle lenti si noti che: fuori dall’appross. parassiale si ha l’aberrazione sferica: il fuoco è su un segmento Aberrazioni delle lenti si noti che: anche nella approssimazione parassiale la dispersione provoca la: n n ( ) F F’ aberrazione cromatica f f ( ) lenti sottili aberrazione cromatica n n ( ) F F’ f f ( ) parzialmente correggibile con lenti composte Riepilogo: le lenti sottili 1 1 1 1 1 ( n 21 1 ) s s' R2 f R1 1 1 1 s s' f y' m y s' s equazione del costruttore di lenti equazione delle lenti ingrandimento laterale Esercizio numerico 4.9 La ricetta di una lente correttiva prescrive +1.50 diottrie. Il fabbricante mola la lente da un pezzo di vetro con n = 1.56 e la superficie frontale convessa preformata avente raggio di curvatura R1 = 20 cm. Quale deve essere il raggio di curvatura dell’altra superficie? R3) Sia data una lente sottile biconcava di vetro crown (indice di rifrazione n1 = 1.57) in aria con i raggi di curvatura delle superfici pari a R1 = 8 cm e R2 = 10 cm. Si traccino i raggi e si calcoli caratteristiche, posizione e ingrandimento dell’immagine della freccia oggetto posta a una distanza d = 12 cm dalla lente. R2 R1 F 1 n n 1 1 1.57 1 1 1 -1 1 2 0.128 cm f n2 R1 R 2 1 8 10 1 1 1 s s' f m s' f 7.8 cm f s 7.8 12 4.7 cm s f 12 7.8 y' s' 0.34 cm y s immagine virtuale, dritta e rimpicciolita Esercizio numerico 4.10 Una diapositiva di formato 24 mm 36 mm deve essere proiettata su uno schermo di 1.20 m per 1.80 m posto ad una distanza di 5.00 m dal proiettore. Determinare: (a) che tipo di lente (singola) occorre usare e con quale lunghezza focale per coprire esattamente lo schermo con l’immagine; ( b) quale sarà la distanza lente-diapositiva; (c) se il proiettore produce un il flusso luminoso di 1000 lumen, che illuminamento (o illuminanza) si avrà sullo schermo? 6. SISTEMI E STRUMENTI OTTICI 6.1 L’occhio umano Umor acqueo Umor vitreo oggetto esteso Disegno schematico dell’occhio umano Funzionamento: lente convergente caso I) S F’ y y’ F S’ oggetto reale, immagine reale L’occhio umano: sensori e sensibilità Umor vitreo 120.000.000 di bastoncelli (visione notturna acromatica) 7.000.000 di coni (visione diurna cromatica) Curve di sensibilità 3 tipi di coni teoria del tri-stimolo per la percezione del colore l’occhio umano il processo di accomodamento: oggetto all’infinito oggetto a distanza finita l’occhio umano i più comuni difetti della visione: il bulbo oculare è “allungato” il potere di accomodamento è limitato l’occhio umano nel processo di visione distinta naturale: y f0 y’ d definiamo: y y f 0 atan d d grandezza angolare (apparente) 15 cm d ma la visione è più distinta per d = d0 25 cm 6.2a Il microscopio semplice (lente di ingrandimento) y’ f’ y F d’ si confronti con la situazione di visione distinta naturale: y f0 d0 definiamo ingrandimento angolare: f' M f0 y ' d 0 y d ' tan f f M d0 f 6.2b Il microscopio composto oculare s’ s y O F1’ F2 y’=y0 F1 y0’ f’ F2’ obiettivo d’ f' M f0 ' y 0 ' d 0 y ' y' y y 0 d ' y tipic. mob 50 200, Moc 5 10 - mob Moc M 200 2000 6.3 Il telescopio a rifrazione telescopio galileiano (cannocchiale) 1609 oculare F1’ F2 f’ obiettivo M in realtà all’infinito f' f1 0 f f2 MGalileo = 33 telescopio a rifrazione telescopio astronomico (kepleriano) 1611 oculare F1’ obiettivo M f' f1 0 f f2 F2 6.4 Il telescopio a riflessione telescopio newtoniano 1672 F1 oculare specchio piano non c’è aberrazione cromatica obiettivo (specchio concavo) M f' f1 0 f f2 MNewton 40 6.5 La macchina fotografica f Is s f D 1 0 s obiettivo sostituendo nella: 1 1 1 s s' f s' y ' my f y s e f pellicola s' f m f s s f Ip è inversamente proporzionale a: quindi l’intensità sulla pellicola: 2 Ip D s I s D 2 I s s I s 2 ( y') yf y 2 2 D s I s f y 2 1 f number 2 f “f - number” D Riepilogo: le espressioni degli strumenti ottici ingrandimento angolare lente semplice M ingrandimento microscopio M = - mob Moc ingrandimento telescopio M d0 f f1 f2 Le 10 leggi dell’ottica geometrica legge di Snell n2 sinθ r n1sinθi angolo di Brewster θiB atan(n2 / n1 ) incidenza normale n n R 1 2 n1 n2 2 T 1 R , equazione degli specchi 1 1 2 1 s s' R f equazione del diottro n1 n n n1 n n 2 2 1 2 s s' R f f' equazione della lente 1 s 1 1 ( n 21 1 ) s' R1 ingrandimento laterale della lente m ingrandimento angolare della lente M y' y d0 f ingrandimento microscopio M = - mob Moc ingrandimento telescopio M f1 f2 s' s 1 R2 1 f Esercizio numerico 4.11 Una candela accesa è posta a 30 cm davanti a una lente convergente con lunghezza focale f1=15 cm, che è a sua volta davanti a un’altra lente avente f2=10 cm e distante 50 cm. a) Tracciare il diagramma dei raggi; b) calcolare la posizione e le dimensioni dell’immagine finale. Esercizio numerico 4.12 Un fisico che si è perso in montagna cerca di costruire un telescopio usando le lenti dei suoi occhiali da lettura. Esse hanno potenza diottrica di +2.0 e +4.5. a) Qual è il massimo ingrandimento che può ottenere con il suo telescopio? b) Quale lente dovrebbe usare come oculare? Esercizio numerico Un oggetto è posto a distanza s = 6 cm a sinistra di una lente sottile convergente di focale f1 = 12 cm. Una lente sottile divergente di focale f2 = -24 cm è a distanza d = 9 cm dalla prima lente. Trovare con il calcolo e con il tracciamento dei raggi la posizione e la natura dell’immagine prodotta dal sistema delle due lenti.