Strumenti ottici Sistemi catadiottrici per la formazione di immagini Sistemi catadiottrici per la formazione di immagini Virtuali, per l’osservazione diretta.

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1 Strumenti ottici Sistemi catadiottrici per la formazione di immagini Sistemi catadiottrici per la formazione di immagini Virtuali, per l’osservazione diretta Virtuali, per l’osservazione diretta Reali, per l’immagazzinamento Reali, per l’immagazzinamento Microscopio Microscopio Produce un’immagine virtuale e ingrandita (ingrandimento visuale, G v ) di oggetti piccoli e vicini Produce un’immagine virtuale e ingrandita (ingrandimento visuale, G v ) di oggetti piccoli e vicini L’immagine si deve formare a distanza tale da non affaticare l’occhio: L’immagine si deve formare a distanza tale da non affaticare l’occhio: Occhio accomodato all’infinito Occhio accomodato all’infinito Occhio accomodato a distanza di visione distinta (  25 cm) Occhio accomodato a distanza di visione distinta (  25 cm) Microscopio semplice: Microscopio semplice: l’immagine è osservata attraverso una singola lente (detta lente d’ingrandimento) l’immagine è osservata attraverso una singola lente (detta lente d’ingrandimento) Microscopio composto: Microscopio composto: un primo stadio (obiettivo) forma un’immagine primaria (o intermedia) reale ed ingrandita un primo stadio (obiettivo) forma un’immagine primaria (o intermedia) reale ed ingrandita un secondo stadio (oculare) agisce da microscopio semplice un secondo stadio (oculare) agisce da microscopio semplice

2 Strumenti ottici Ingrandimento visuale Ingrandimento visuale  d y’  d0d0d0d0 y

3 Microscopio semplice – lente d’ingrandimento Ingrandimento visuale Ingrandimento visuale p q<0 F1F1F1F1 F2F2F2F2A’ B’ A B d  Lente convergente con p < f q<0

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5 Microscopio composto Prime realizzazioni: Jansen (fine 1500), Kepler (1611): difficoltà a realizzare superfici sferiche di buona qualità Prime realizzazioni: Jansen (fine 1500), Kepler (1611): difficoltà a realizzare superfici sferiche di buona qualità È costituito da due sistemi ottici È costituito da due sistemi ottici Obiettivo: forma un’immagine reale e ingrandita dell’oggetto Obiettivo: forma un’immagine reale e ingrandita dell’oggetto Oculare: agisce da lente d’ingrandimento Oculare: agisce da lente d’ingrandimento I due sistemi vengono alloggiati in un tubo di lunghezza I due sistemi vengono alloggiati in un tubo di lunghezza T  160 mm (tiraggio meccanico  distanza tra le lenti) La distanza tra 2° fuoco dell’obiettivo, F 2ob, e 1° fuoco dell’oculare, F 1oc,  = F 2ob F 1oc è detta lunghezza ottica La distanza tra 2° fuoco dell’obiettivo, F 2ob, e 1° fuoco dell’oculare, F 1oc,  = F 2ob F 1oc è detta lunghezza ottica Obiettivo: è un sistema convergente con f ob  1  10 mm Obiettivo: è un sistema convergente con f ob  1  10 mm p  [f ob, 2f ob ]  G y (ob) > 1 p  [f ob, 2f ob ]  G y (ob) > 1 L’immagine dell’obiettivo si forma nel 1° piano focale dell’oculare (si trasla tutto il tubo rispetto all’oggetto affinché ciò accada) L’immagine dell’obiettivo si forma nel 1° piano focale dell’oculare (si trasla tutto il tubo rispetto all’oggetto affinché ciò accada) Modalità di illuminazione dell’oggetto Modalità di illuminazione dell’oggetto

6 Microscopio composto F 1ob F 2ob F 1oc F 2oc obiettivooculare 

7 Microscopio composto F 1ob F 2ob F 1oc F 2oc obiettivooculare 

8 Microscopio composto Numerodell’oculare

9 Cannocchiale (telescopio rifrattore) Produce un’immagine virtuale e ingrandita (ingrandimento visuale, G v ) di oggetti grandi, ma lontani Produce un’immagine virtuale e ingrandita (ingrandimento visuale, G v ) di oggetti grandi, ma lontani G v non ha senso per le stelle!!!! G v non ha senso per le stelle!!!! Prime realizzazioni: Lippershey (1608), Galilei (1609): difficoltà a realizzare superfici sferiche di buona qualità Prime realizzazioni: Lippershey (1608), Galilei (1609): difficoltà a realizzare superfici sferiche di buona qualità È costituito da due sistemi ottici È costituito da due sistemi ottici Obiettivo: forma un’immagine reale dell’oggetto Obiettivo: forma un’immagine reale dell’oggetto Oculare: agisce da lente d’ingrandimento Oculare: agisce da lente d’ingrandimento Le lunghezze focali sono nella relazione f ob >> f oc Le lunghezze focali sono nella relazione f ob >> f oc Di solito si adotta la configurazione telescopica o afocale in cui F 2ob  F 1oc  lunghezza ottica:  = 0, mentre T = f ob + f oc Di solito si adotta la configurazione telescopica o afocale in cui F 2ob  F 1oc  lunghezza ottica:  = 0, mentre T = f ob + f oc Galileiano (terrestre): Galileiano (terrestre): f ob > 0; f oc 0; f oc < 0  T = f ob + f oc = f ob - |f oc | Kepleriano (astronomico): Kepleriano (astronomico): f ob > 0; f oc > 0 (più lungo del galileiano)

10 F 2ob  F 1oc obiettivooculare  F 2oc α α O 1ob O 2ob Cannocchiale astronomico o kepleriano L’immagine è capovolta Raggioproveniente dal bordo del pianeta e passante per F 1ob Asse ottico puntato al centro del pianeta!!!

11 F 2ob  F 1oc obiettivooculare  F 2oc α α O 1ob O 2ob Cannocchiale terrestre o galileiano F 2ob  F 1oc F 2oc Raggiopassante per F 1ob L’immagine è dritta

12 Cannocchiale (telescopio rifrattore) L’immagine è capovolta  osservazioni astronomiche L’immagine è capovolta  osservazioni astronomiche Si può modificare con una lente “invertente”: Si può modificare con una lente “invertente”: La lunghezza aumenta di 4f L La lunghezza aumenta di 4f L Per aumentare il potere risolutivo Per aumentare il potere risolutivo Grande diametro dell’obiettivo Grande diametro dell’obiettivo Per aumentare G v Per aumentare G v f ob grande  instabilità meccanica f ob grande  instabilità meccanica f oc piccola  forti aberrazioni f oc piccola  forti aberrazioni F 2ob F 1L F 2L F 1oc fLfLfLfL 2f L

13 Cannocchiale (telescopio rifrattore) Per ridurre le aberrazioni (sferiche, cromatiche, coma, …) si usano sistemi di più lenti (ad es. doppietti) Per ridurre le aberrazioni (sferiche, cromatiche, coma, …) si usano sistemi di più lenti (ad es. doppietti) Il più grande telescopio rifrattore Il più grande telescopio rifrattore si trova a Yerkes (USA) f ob = 19.4 m f ob = 19.4 m D ob = 1.02 m D ob = 1.02 m Per avere risoluzioni maggiori, Per avere risoluzioni maggiori, ridurre le instabilità (vibrazioni) e le aberrazioni (cromatica) si usano telescopi riflettori L’obiettivo è uno specchio L’obiettivo è uno specchio sferico o parabolico

14 DpDpDpDp DsDsDsDs Telescopi riflettori Telescopio newtoniano (1688) Telescopio newtoniano (1688) Elimina l’aberrazione cromatica Elimina l’aberrazione cromatica Primario: parabolico  elimina l’aberrazione sferica Primario: parabolico  elimina l’aberrazione sferica Fattore di ostruzione: D s /D p Fattore di ostruzione: D s /D p Rapporto focale (o di apertura) = f /D p Rapporto focale (o di apertura) = f /D p Montaggio Cassegrain (XVII secolo) Montaggio Cassegrain (XVII secolo) Il secondario è un iperboloide  allunga la focale equivalente mantenendo compattezza Il secondario è un iperboloide  allunga la focale equivalente mantenendo compattezza

15 Camera oscura Scatola con pareti opache Scatola con pareti opache foro (detto “stenopeico”) di diametro D foro (detto “stenopeico”) di diametro D Schermo posteriore o lastra traslucida Schermo posteriore o lastra traslucida Distanza foro-schermo = f Distanza foro-schermo = f È basata sulla propagazione rettilinea È basata sulla propagazione rettilinea Foro piccolo  sistema (quasi) stigmatico Foro piccolo  sistema (quasi) stigmatico Se troppo piccolo  poca luminosità + diffrazione Se troppo piccolo  poca luminosità + diffrazione Se troppo grande  sistema NON stigmatico Se troppo grande  sistema NON stigmatico Diametro ottimale: Diametro ottimale: Es: f = 20 cm; = 500 nm Es: f = 20 cm; = 500 nm D * = 0.45 mm D * = 0.45 mm

16 Macchina fotografica Camera oscura Camera oscura Foro  obiettivo Foro  obiettivo Schermo  pellicola o CCD Schermo  pellicola o CCD Obiettivo composto da molte Obiettivo composto da molte lenti per ridurre le aberrazioni Schema reflex Schema reflex Specchio piano rimovibile Specchio piano rimovibile Pentaprisma (ribalta immagine) Pentaprisma (ribalta immagine) Allo “scatto” lo specchio viene Allo “scatto” lo specchio viene rimosso e si apre l’otturatore

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18 Macchina fotografica Messa a fuoco: si varia la distanza (q ) tra pellicola e obiettivo Messa a fuoco: si varia la distanza (q ) tra pellicola e obiettivo Apertura relativa massima: Apertura relativa massima: Rapporto focale (o di apertura)  f – number Rapporto focale (o di apertura)  f – number Obiettivo Pellicola o CCD q  f D ob  Diaframma di apertura

19 Macchina fotografica Obiettivi Obiettivi A focale fissa A focale fissa Grandangolari: f = 24 mm, 28 mm, 35 mm Grandangolari: f = 24 mm, 28 mm, 35 mm “Normale”: f = 50 mm “Normale”: f = 50 mm Teleobiettivi: f = 135 mm, 200 mm, 400 mm, 1000 mm Teleobiettivi: f = 135 mm, 200 mm, 400 mm, 1000 mm A focale variabile (zoom) A focale variabile (zoom) f = 28 – 80 mm f = 28 – 80 mm f = 35 – 200 mm f = 35 – 200 mm …… …… Ingrandimento G y : Ingrandimento G y : Campo visivo Campo visivo  f f f f L  obiettivo pellicola Ingrandimento grande Campo visivo piccolo Ingrandimento piccolo Campo visivo grande

20 Macchina fotografica Profondità di campo Profondità di campo Distanza tra punti dietro ed avanti all’oggetto che appaiono "a fuoco" sulla pellicola (o CCD) Distanza tra punti dietro ed avanti all’oggetto che appaiono "a fuoco" sulla pellicola (o CCD) 1111 p  ’’’’ D D’ Diaframma di apertura Cerchio di minima confusione (  50 )  m 2222 1111 2222 q

21 Macchina fotografica Profondità di campo Profondità di campo 1111 p  ’’’’ D D’ Cerchio di minima confusione (  50 )  m 2222 1111 2222 q D/2

22 Macchina fotografica Profondità di campo Profondità di campo D/2  D’/2 1111 2222 

23 Macchina fotografica Profondità di campo Profondità di campo Focale piccola (grandangolo): panorami a fuoco Focale lunga (teleobiettivo): dettagli a fuoco, sfondo sfocato Aprendo il diaframma diminuisce  Più è lontano l’oggetto, più è grande  Chiudendo il diaframma aumenta 

24 Macchina fotografica Profondità di campo Profondità di campo mettendo a fuoco un oggetto, si otterrà una zona nitida che si estende per 1/3 verso di noi e per 2/3 dalla parte opposta 1111 p  ’’’’ D D’ 2222 1111 2222 q

25 Macchina fotografica Profondità di campo Profondità di campo La massima profondità di campo, dati La massima profondità di campo, dati f, D ob e D’ (con N = f /D ob ) si ha mettendo a fuoco ad una distanza H : H è detta iperfocale: distanza H (  p) a cui "mettere a fuoco" affinché la profondità di campo (  ) si estenda da H/2 ad ∞ H è detta iperfocale: distanza H (  p) a cui "mettere a fuoco" affinché la profondità di campo (  ) si estenda da H/2 ad ∞

26 Descrizione esercitazioni di laboratorio Prima esercitazione: Prima esercitazione: Misura dell’indice di rifrazione del vetro di un prisma col metodo della minima deflessione Seconda esercitazione: Seconda esercitazione: Determinazione dei punti cardinali di un sistema ottico centrato Terza esercitazione: Terza esercitazione: Misura dell’ingrandimento visuale di una lente d’ingrandimento e di un microscopio composto Quarta esercitazione: Quarta esercitazione: Misura del passo di un reticolo di diffrazione e di lunghezze d’onda Quinta esercitazione: Quinta esercitazione: Verifica della legge di Malus e misura del potere rotatorio di una soluzione zuccherina