Ottica

L’ OTTICA A 360°

Introduzione all’ ottica

Spesso si sente parlare di ottica, ma quanti sanno cos’è e cosa studia?  L’ ottica è una parte della fisica che studia la luce e si divide in ottica geometrica e ottica fisica. L’ottica geometrica studia la traiettoria della luce per capire come cambia attraversi i vari mezzi ottici, mentre l’ottica fisica si occupa della natura della luce e della sua interazione con il mezzo ottico.

Quando parliamo della messa a fuoco delle lenti da vista o delle lenti a contatto consideriamo l’ottica geometrica, mentre la polarizzazione delle lenti da sole riguarda l’ ottica fisica.

Alcune definizioni ottiche

Punto matematico: ente astratto le cui dimensioni tendono a 0

Punto fisico: ente di dimensioni reali, ma trascurabili nel contesto in cui si trova

Mezzo omogeneo: materiale con lo stesso indice di rifrazione in tutti i suoi punti

Mezzo isotropo: materiale con lo stesso indice di rifrazione qualunque sia la direzione del raggio incidente.

Mezzo ottico: materiale omogeneo, isotropo e trasparente.

Raggio: traiettoria della luce quando attraversa un mezzo ottico, anche cambiando traiettoria resta rettilineo.

Diottro o discontinuità ottica: superficie ideale che separa due mezzi ottici differenti tra loro.

Rifrazione: fenomeno per cui il raggio incontra un diottro, lo attraversa, cambia direzione e si propaga nel mezzo ottico successivo.

Riflessione: un raggio incontra un diottro ma non lo attraversa e torna nel mezzo ottico di provenienza.

Assorbimento: incontrando un diottro, la luce si trasforma in calore.

Diffusione: la luce riflessa o rifratta non segue le leggi della riflessione o della rifrazione.

Indice di rifrazione del materiale: rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce attraverso il materiale, mentre l’ indice di rifrazione relativo è il rapporto tra gli indici di rifrazione dei 2 mezzi ottici attraversati dal raggio.

Angolo limite: angolo di incidenza oltre il quale non si ha più rifrazione ma solo riflessione.

Il comportamento del raggio nell’ ottica geometrica

Nell’ ottica geometrica  si considera e si studia il comportamento di un raggio monocromatico e diaframmato attraverso un mezzo ottico e i fenomeni che avvengono. Con il termine  “monocromatico”  si intende un raggio formato da una sola radiazione con una lunghezza d’onda e frequenza ben definita, mentre con il termine “diaframmato” si intende un raggio stretto, concentrato e preciso.

Il raggio proviene dal primo mezzo ottico, per esempio l’ aria, e incide sul secondo mezzo ottico, ad esempio l’acqua (può avvenire anche il contrario). Il diottro rappresenta il “confine” tra i due mezzi ottici e l’inclinazione del raggio si chiama angolo di incidenza.

Quando il raggio penetra nel secondo mezzo ottico attraverso il diottro avviene la rifrazione, cioè il raggio cambia la sua direzione e prosegue nel materiale. La nuova inclinazione del raggio si chiama angolo di rifrazione.

Quando il raggio incontra il diottro una parte si riflette su di esso, quindi non penetra nel mezzo ottico successivo ma torna indietro in quello di provenienza. L’ inclinazione del raggio riflesso si chiama angolo di riflessione ed è sempre uguale a quello di incidenza.

Nel momento del passaggio tra i due mezzi ottici un’altra parte di energia del raggio si trasforma in calore e questo fenomeno si chiama assorbimento. Un’ ultima parte di energia si diffonde in tutte le direzioni secondo il fenomeno della diffusione.

Rifrazione policromatica nell’ ottica geometrica

Un raggio è policromatico quando è composto da radiazioni aventi più lunghezze d’onda e frequenze, quindi un raggio policromatico è fatto da più raggi monocromatici. Per convenzione non si studiano tutte le radiazioni del raggio policromatico, ma solo la blu, la gialla e la rossa. In caso di mancata specificazione si considera la gialla.

Quando un raggio policromatico si rifrange viene scomposto in più raggi monocromatici, uno per ogni radiazione che compone il raggio originario. Diciamo che da un raggio incidente si origina un cono rifratto e chiamiamo spettro l’insieme dei raggi rifratti di una radiazione policromatica.

Un materiale più dispersivo forma uno spettro più ampio, mentre un materiale meno dispersivo origina uno spettro più stretto. Con una forte rifrangenza c’è una piccola dispersione.

Numero di Abbe o bontà ottica del materiale

Il numero di Abbe è un valore che indica la qualità ottica di un materiale ed è il risultato del rapporto tra la rifrangenza e la dispersione del materiale ottico stesso. Un numero di Abbe alto indica un materiale più trasparente, puro e con minore dispersione rispetto ad uno con un numero di Abbe basso.

Possiamo dire che il numero di Abbe e la qualità ottica crescono insieme. Questo valore è più alto nei materiali con un indice di rifrazione basso, mentre cala in quelli con un indice di rifrazione alto; questo perché i componenti inseriti per aumentare l’indice di rifrazione aumentano la dispersione del materiale e quindi fanno calare la sua bontà ottica.

Per questo motivo le lenti ad alto indice sono vendute sempre con l’antiriflesso, mentre in quelle a basso indice non è obbligatorio. Nelle lenti oftalmiche il numero di Abbe va da un minimo di 30 (policarbonato) a un massimo di 60 (vetro crown 1,52).

Indice di rifrazione del materiale

Lo spessore e il peso della lente dipendono dall’ indice di rifrazione del materiale. A parità di potere, un indice di rifrazione basso rende la lente più spessa e pesante, di conseguenza, per gradazioni elevate si usa un alto indice di rifrazione per avere una lente più sottile e leggera.

Il valore dell’indice di rifrazione va da 1,50 a 1,74 nelle lenti organiche e da 1,52 a 1,90 nelle lenti in vetro. Come detto prima, nei materiali ad alto indice c’è più dispersione quindi cala il numero di Abbe.