Diottro

Il diottro è un sistema ottico costituito dalla superficie di separazione di due mezzi con indice di rifrazione diverso. Se la superficie è piana, si parla di diottro piano, e tra i diottri non piani, quello di particolare rilevanza è il diottro sferico. Un sistema ottico centrato, composto da due diottri rifrangenti adiacenti (con almeno uno curvo), forma una lente.

Un diottro. Le distanze p e q sono misurate rispetto al vertice del diottro (come punto di intersezione tra l'asse ottico e la superficie).

In approssimazione parassiale, quindi per angoli di incidenza piccoli, si può ricavare che la legge dei punti coniugati di un diottro è:

${\frac {n_{1}}{p}}+{\frac {n_{2}}{q}}={\frac {n_{2}-n_{1}}{R}}$

dove $R$ indica il raggio di curvatura della superficie. Infatti, facendo riferimento alla figura a lato (il fatto che il diottro sia convesso o concavo non cambia il risultato), dove $n_{1}<n_{2}$, è possibile scrivere le seguenti relazioni geometriche: $\alpha +\omega +(\pi -\vartheta _{1})=\pi$ e $\beta +\vartheta _{2}+(\pi -\omega )=\pi$. Inoltre, siccome per ipotesi iniziale $\vartheta \sim \sin {\vartheta }\sim \tan {\vartheta }$, la legge di Snell può essere riscritta come $n_{1}\vartheta _{1}=n_{2}\vartheta _{2}$, che unita a quelle precedentemente ricavate fornisce $n_{1}\alpha +n_{2}\beta =(n_{2}-n_{1})\omega$. Infine, poiché l'approssimazione parassiale coinvolge anche gli angoli $\alpha ={\frac {l}{p}}$, $\beta ={\frac {l}{q}}$ e $\omega ={\frac {l}{R}}$, si ottiene la legge scritta sopra.

Dato un sistema ottico, la conoscenza di pochi punti, detti punti principali, permette di costruire l'immagine di un qualsiasi oggetto. Per il diottro i punti principali sono il centro $C$ di curvatura della superficie ed i fuochi del diottro:

• Il centro di curvatura $C$ ha la proprietà che qualsiasi raggio di luce proveniente dallo spazio oggetto e passante per $C$ non subisce deviazioni nell'attraversare la calotta sferica.
• Il secondo fuoco $F_{2}$ del diottro è il punto in cui convergono tutti i raggi luminosi provenienti dallo spazio oggetto parallelamente all'asse ottico; il secondo fuoco è quindi l'immagine di un punto posto all'infinito ($p\rightarrow +\infty$). La distanza $f_{2}$ (con relativo segno) di tale punto dal vertice $V$del diottro è data ponendo

  $f_{2}=q={\frac {n_{2}}{n_{2}-n_{1}}}R$

• il primo fuoco $F_{1}$ è invece il punto sull'asse ottico nello spazio oggetto la cui immagine è il punto posto all'infinito ($q\rightarrow +\infty$):

  $f_{1}=p={\frac {n_{1}}{n_{2}-n_{1}}}R$

È da osservare che le distanze focali $f_{1}$ e $f_{2}$ di un diottro hanno sempre lo stesso segno, uguale od opposto a quello del raggio di curvatura a seconda del segno di $n_{2}-n_{1}$. Moltiplicando ambo i membri della legge dei punti coniugati per ${\frac {R}{n_{2}-n_{1}}}$, essa può essere riscritta in modo che compaiano le distanze focali:

${\frac {f_{1}}{p}}+{\frac {f_{2}}{q}}=1$

Altre formule utili che legano le grandezze in gioco sono ${\frac {f_{1}}{f_{2}}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}$ ed $f_{2}-f_{1}=R$.

Tramite considerazioni geometriche simili a quelle fatte in precedenza si ricava l'ingrandimento lineare trasversale del diottro:

$I={\frac {y'}{y}}={\frac {q-R}{p+R}}={\frac {n_{1}q}{n_{2}p}}$

Il termine ${\frac {n_{2}-n_{1}}{R}}$ al secondo membro dell'uguaglianza iniziale è anche detto potere convergente del diottro: se è positivo il diottro è detto convergente, mentre se è negativo il diottro è detto divergente.

Bibliografia

• (EN) R. A. Herman A treatise on geometrical optics (Cambridge University Press, 1900)
• (EN) E. T. Whittaker The theory of optical instruments (Cambridge University Press, 1907)
• (EN) J. L. Synge Geometrical Optics: An Introduction To Hamilton's Method (Cambridge University Press, 1937)
• (EN) Bruno Rossi, Optics, Addison-Wesley Educational Publishers Inc, 1957, ISBN 978-02-01065-30-5.

Voci correlate

• Indice di rifrazione
• Lente
• Luce
• Legge di Snell
• Leggi di Fresnel
• Onda (fisica)
• Onda elettromagnetica
• Ottica geometrica
• Radiazione elettromagnetica
• Velocità della luce