Cosa sono i mezzi ottici

L’ ottica geometrica studia la traiettoria del raggio luminoso attraverso i mezzi ottici, cioè come il raggio cambia direzione e i fenomeni che avvengono tra il raggio stesso e i mezzi ottici.

I mezzi ottici sono materiali omogenei, isotropi e trasparenti. Omogenei perché hanno lo stesso indice di rifrazione in ogni punto, isotropi perché mantengono l’ indice di rifrazione per ogni direzione del raggio incidente, trasparenti perché la luce può attraversarli.

Esistono diversi tipi di mezzi ottici, come la lamina, il diottro sferico, la lente, il prisma e il sistema ottico. Ciascuno di questi mezzi ottici ha le proprie caratteristiche e funzioni.

La lamina

La lamina è un mezzo ottico formato da 2 superfici piane e parallele tra loro e la sua funzione è quella di traslare il raggio che la attraversa. Quando attraversa una lamina, il raggio uscente è parallelo a quello entrante ma traslato, ovvero spostato su un altro piano.

La traslazione aumenta con lo spessore della lamina e dipende anche dagli indici di rifrazione della lamina stessa e del mezzo ottico in cui è immersa (aria o acqua). Un oggetto visto attraverso una lamina appare più vicino rispetto alla sua posizione reale.

Due lamine adiacenti si considerano come se fossero separate e immerse nello stesso mezzo ottico, cioè si calcolano gli spostamenti dell’ immagine prodotti dalle singole lamine e poi si sommano. Una lamina attraversata da un raggio policromatico origina un’ aberrazione cromatica.

Il diottro sferico

Il diottro sferico è una superficie di forma sferica con un raggio di curvatura costante, che separa due mezzi ottici diversi. Si considera come una calotta sferica ottenuta sezionando una sfera con un piano.

Il diottro sferico ha un asse ottico che passa per il suo centro e lo divide in due parti uguali. Il mezzo ottico da cui arrivano i raggi incidenti sul diottro si chiama spazio oggetto, mentre quello in cui si propagano i raggi rifratti dal diottro si chiama spazio immagine.

Un diottro sferico è definito convesso quando converge i raggi verso l’ asse ottico, mentre è detto concavo quando diverge i raggi allontanandoli dall’ asse ottico. Il diottro convesso ha sempre un potere positivo, quello concavo è sempre negativo.

La lente

Cosa è una lente? Una lente è l’ insieme dei 2 diottri che delimitano la lente stessa, di cui almeno uno deve essere sferico. I diottri corrispondono alle due facce della lente, quella anteriore e quella posteriore.

La lente è il mezzo ottico usato per correggere le ametropie come la miopia, l’ ipermetropia e l’ astigmatismo e anche la condizione fisiologica chiamata presbiopia.

Esistono lenti di vari tipi, che ora spieghiamo.

Lente biconvessa: nasce dall’ unione di 2 diottri convessi e quindi è sempre positiva e convergente.

Lente biconcava: nasce dall’ unione di 2 diottri concavi e perciò è sempre negativa e divergente.

Lente pianoconvessa: una faccia è piana, l’ altra è fatta da un diottro sferico convesso. È una lente positiva e convergente.

Lente pianoconcava: una faccia è piana, l’ altra è fatta da un diottro sferico concavo. È una lente negativa e divergente.

Lente menisco: la faccia anteriore è convessa, quella posteriore è concava. In base alla curvatura e al potere delle due facce la lente menisco può essere sia positiva e convergente, sia negativa e divergente.

È una lente a poteri discordi. Negli occhiali si usano le lenti menisco, perciò un menisco positivo corregge il soggetto ipermetrope, un menisco negativo corregge il soggetto miope e un menisco torico corregge l’ occhio astigmatico.

Il potere della lente per correggere la presbiopia dipende dalla gradazione necessaria per vedere bene da vicino.

Dividendo le lenti in base al potere avremo:

Lenti positive: sono quelle biconvesse, pianoconvesse e menisco positive, convergono i raggi. Possono essere sferiche, asferiche e toriche.

Lenti negative: sono quellebiconcave, pianoconcave e menisco negative, divergono i raggi. Esistono sferiche, asferiche e toriche.

Dividendo le lenti in base alla geometria esistono:

Lenti sferiche: le superfici della lente hanno un raggio di curvatura costante e seguono la curva di una sfera.

Lenti asferiche: una delle due superfici della lente è sferica, l’ altra ha una curva asferica, ad esempio ellittica. A parità di potere queste lenti sono più piatte e sottili rispetto a quelle sferiche e hanno meno aberrazioni ottiche.

Lenti biasferiche: entrambe le superfici sono asferiche e rendono la lente molto piatta. Questa geometria riduce molto le aberrazioni ottiche.

In generale, una lente positiva è più spessa al centro e più sottile al bordo, mentre una lente negativa è più spessa al bordo e più sottile al centro. Il fuoco della lente è il punto in cui vanno a fuoco i raggi rifratti dalla lente.

Il prisma

Il prisma è un mezzo ottico formato da facce piane ma non parallele tra loro. È composto da una faccia di incidenza, su cui arriva il raggio, una faccia di emergenza, da cui il raggio esce, una base e uno spigolo.

Il prisma devia il raggio luminoso sempre verso la sua base, inoltre se viene attraversato da un raggio policromatico lo scompone nelle sue varie radiazioni.

Il prisma è usato nelle lenti per i soggetti con strabismo, infatti si parla di lenti prismatiche, oppure viene utilizzato nei sistemi ottici come i periscopi. Si possono accoppiare anche due prismi insieme.

I sistemi ottici

I sistemi ottici sono composti da diottri piani o sferici, nella pratica sono fatti da lenti e talvolta prismi. Essendo formati da più mezzi ottici, i sistemi ottici hanno più fuochi posti sugli assi ottici dei sistemi stessi.

I sistemi ottici servono per ingrandire e avvicinare le immagini degli oggetti osservati. Esempi di sistemi ottici sono il cannocchiale, il binocolo, il telescopio, il microscopio, il periscopio e soprattutto l’ occhio.

Consideriamo l’ occhio come un sistema ottico perché è formato da più mezzi ottici rifrattivi che mettono a fuoco la luce sulla retina, dei quali la cornea e il cristallino sono i principali. Il liquido lacrimale, l’ umor acqueo e l’ umor vitreo contribuiscono alla rifrazione totale oculare.