光学

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光学システムに取り組んでいる研究者

光学は、物質との相互作用や、光を使用または検出する機器の構築など、の振る舞いと特性を研究する物理学の一分野です。[1]光学は通常、可視光線紫外線、および赤外線の動作を表します。光は電磁波であるため、 X線マイクロ波電波などの他の形態の電磁波も同様の特性を示します。[1]

ほとんどの光学現象は、光の古典的な電磁的記述を使用して説明することができます。ただし、光の完全な電磁気的記述は、実際に適用するのが難しいことがよくあります。実用的な光学は通常、簡略化されたモデルを使用して行われます。これらの中で最も一般的な幾何光学は、光を直線で移動し、表面を通過または反射するときに曲がる光線の集まりとして扱います。物理光学は、回折干渉などの波の影響を含む、より包括的な光のモデルです。これは幾何光学では説明できません。歴史的に、光線ベースの光モデルが最初に開発され、次に光の波動モデルが開発されました。19世紀の電磁理論の進歩は、光波が実際には電磁放射であるという発見につながりました。

いくつかの現象は、光が波のような特性と粒子のような特性の両方を持っているという事実に依存していますこれらの効果の説明には、量子力学が必要です。光の粒子のような特性を考慮すると、光は「フォトン」と呼ばれる粒子の集まりとしてモデル化されます。量子光学は、光学システムへの量子力学の応用を扱っています。

光学科学は、天文学、さまざまな工学分野、写真医学(特に、生理学的光学と呼ばれる眼科および検眼)を含む多くの関連分野に関連し、研究されています。光学の実用的なアプリケーションは、ミラーレンズ望遠鏡顕微鏡レーザー光ファイバーなど、さまざまなテクノロジーや日常のオブジェクトに見られます

歴史

ニムルドレンズ

光学は、古代エジプト人メソポタミア人によるレンズの開発から始まりました磨かれた水晶、多くの場合水晶で作られた最も初期の既知のレンズは、紀元前2000年にクレタ島(ギリシャ、イラクリオン考古学博物館)からのものです。ロードスのレンズは、ニムルドレンズなどのアッシリアのレンズと同様に、紀元前700年頃のものです[2]古代ローマ人ギリシャ人、レンズを作るためにガラス球に水を入れました。これらの実際的な発展に続いて、古代ギリシャ人インド人による光と視覚の理論が発展しました。哲学者、そして古代ギリシャ・ローマ世界における幾何光学の発展光学という言葉は、古代ギリシャ語のὀπτικήoptikē)に由来し、「外観、外観」を意味します。[3]

光学に関するギリシャの哲学は、視覚がどのように機能するかについての2つの相反する理論、導入理論放出理論に分解されました。[4]導入アプローチでは、視力は、目で捉えられた自分自身のコピー(エイドラと呼ばれる)を投げ捨てる物体から来るものと見なされていました。デモクリトスエピクロスアリストテレスとその信奉者を含む多くのプロパゲーターがいるこの理論は、視覚が実際に何であるかについての現代の理論とある程度接触しているようですが、実験的根拠がない推測にすぎませんでした。

プラトンは最初に、視覚が目から放出される光線によって達成されるという考えである放出理論を明確にしました。彼はまた、ティマエウスのミラーのパリティ反転についてコメントしました[5]数百年後、ユークリッド(紀元前4〜3世紀)は、視覚を幾何学に結び付け、幾何光学を作成する「光学」というタイトルの論文を書きました。[6]彼はプラトンの放出理論に基づいて研究を行い、遠近法の数学的規則を説明し、屈折の影響を説明しました。質的には、彼は、誰かが瞬きするたびに、目からの光線が星を瞬時に照らすことができるのではないかと疑問を呈しました。[7] ユークリッドは、光の最短軌道の原理を述べ、平面鏡と球面鏡での多重反射を考慮しました。 プトレマイオスは、彼の論文Opticsで、視覚の外送-導入理論を保持していました。目からの光線(またはフラックス)は円錐を形成し、頂点は目の中にあり、基部は視野を定義します。光線は敏感であり、表面の距離と向きに関する情報を観察者の知性に伝えました。彼はユークリッドの多くを要約し、屈折角を測定する方法を説明しました、しかし彼はそれと入射角の間の​​経験的関係に気付かなかった。[8] プルタルコス(西暦1〜2世紀)は、球面鏡での多重反射について説明し、画像のキラリティーの場合を含め、実物と想像の両方の拡大および縮小画像の作成について説明しました。

Alhazen(Ibn al-Haytham)、「光学の父」[9]
屈折の法則についての彼の知識を示すイブン・サフルの原稿のページの複製

中世の間に、光学に関するギリシャの考えは、イスラム世界の作家によって復活し、拡張されましたこれらの最も初期の1つは、アリストテレスとユークリッドの光学のアイデアのメリットについて書いたAl-Kindi(c。801–873)であり、光学現象をより正確に定量化できるため、放出理論を支持しました。[10] 984年、ペルシャの数学者イブン・サフルは「鏡とレンズの燃焼について」という論文を書き、スネルの法則と同等の屈折の法則を正しく説明しました。[11]彼はこの法則を使用して、レンズと曲面鏡の最適な形状を計算しました11世紀初頭、Alhazen(Ibn al-Haytham)は次のように書いています。光学の書 Kitab al-manazir)では、反射と屈折を調査し、観察と実験に基づいて視覚と光を説明するための新しいシステムを提案しました。[12] [13] [14] [15] [16]彼は、光線が目から放射されるというプトレマイオス光学の「放射理論」を拒否し、代わりに、光がすべての方向に直線で反射するという考えを提唱しました。目が光線をどのように捉えたかを正しく説明することはできませんでしたが、表示されてから目に入るオブジェクトのすべてのポイント。[17]アルハーゼンの作品はアラビア語の世界ではほとんど無視されていましたが、紀元1200年頃に匿名でラテン語に翻訳され、ポーランドの僧侶によってさらに要約されて拡張されました。Witelo [18]は、今後400年間、ヨーロッパの光学に関する標準的なテキストになります。[19]

中世ヨーロッパの13世紀に、英国の司教ロバート・グロセテステ幅広い科学的トピックについて書き、光の認識論、光の形而上学または宇宙論、光の神学または物理学、および光の物理学の4つの異なる視点から光について議論しました。光の神学[20]アリストトルとプラトニズムの作品に基づいています。グロステストの最も有名な弟子であるロジャーベーコンは、アルハーゼン、アリストテレス、アヴィセンナアヴェロエス、ユークリッド、キンディー、プトレマイオス、ティデウス、コンスタンティヌスアフリカンベーコンは、ガラス球の一部を拡大鏡として使用して、光が物体から放出されるのではなく、物体から反射することを実証することができました。

最初のウェアラブル眼鏡は、1286年頃にイタリアで発明されました。[21] これは、これらの「眼鏡」用のレンズを研磨および研磨する光学産業の始まりであり、13世紀に最初にヴェネツィアとフィレンツェで[22]、その後にオランダとドイツの両方にある眼鏡製造センター。[23]眼鏡メーカーは、当時の基本的な光学理論(ほとんどの場合、十分に説明することさえできなかった理論)を使用するのではなく、レンズの効果を観察することから得られた経験的知識に基づいて、視力を矯正するための改良型レンズを作成しました眼鏡がどのように機能したか)。[24] [25]この実用的な開発、習得、レンズの実験により、1595年頃に複合光学顕微鏡が発明され、1608年に屈折望遠鏡が発明されました。どちらもオランダの眼鏡製造センターに登場しました。[26] [27]

ヨハネス・ケプラーによる光学に関する最初の論文Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur(1604)

17世紀初頭、ヨハネスケプラーは、レンズ、平面鏡と球面鏡による反射、ピンホールカメラの原理、光の強度を支配する逆二乗の法則、および天文学的な現象の光学的説明など、幾何光学を拡張しました。太陽の日食と天体の視差として彼はまた、画像を記録した実際の器官としての網膜の役割を正しく推測することができ、最終的に、眼鏡メーカーが過去300年間にわたって観察していたさまざまなタイプのレンズの効果を科学的に定量化することができました。[28]望遠鏡の発明後、ケプラーはそれらがどのように機能するかについて理論的基礎を打ち出し、2つの凸レンズを使用してより高い倍率を生成するケプラー式望遠鏡として知られる改良版について説明しました。[29]

ニュートンの光学の初版の表紙(1704)

光学理論は17世紀半ばに、哲学者ルネデカルトが書いた論文進歩しました。この論文では、光がそれを生成した物体から放出されると仮定して、反射や屈折などのさまざまな光学現象を説明しました。[30]これは古代ギリシャの放出理論とは実質的に異なっていた。1660年代後半から1670年代初頭にかけて、アイザックニュートンはデカルトのアイデアを光の粒子説に拡張し、白色光はプリズムで構成要素に分離できる色の混合物であると有名に判断しました1690年、クリスティアーン・ホイヘンスは波動理論を提案しました1664年にロバートフックによってなされた提案に基づく光のために。フック自身はニュートンの光の理論を公に批判し、2つの間の確執はフックの死まで続いた。1704年に、ニュートンはOpticksを発表しました。当時、物理学の他の分野での成功もあって、彼は一般に、光の性質に関する議論の勝利者と見なされていました。[30]

ニュートン光学は、トーマス・ヤングオーギュスタン・ジャン・フレネルが光の波の性質をしっかりと確立する光の干渉に関する実験を行った19世紀初頭まで一般的に受け入れられていました。ヤングの有名な二重スリット実験は、光が重ね合わせの原理に従っていることを示しました。これは、ニュートンの小体理論では予測されない波のような特性です。この研究は、光の回折理論につながり、物理光学の研究領域全体を開きました。[31]波動光学は、1860年代にジェームズクラークマクスウェルによって電磁気理論とうまく統合されました。[32]

光学理論の次の発展は、マックス・プランクが光と物質の間のエネルギー交換が量子と呼ばれる離散的な量でのみ発生すると仮定して黒体放射を正しくモデル化した1899年に起こりました[33] 1905年、アルバート・アインシュタインは、光自体の量子化をしっかりと確立する光電効果の理論を発表しました。[34] [35] 1913年、ニールスボーアは、原子が離散的な量のエネルギーしか放出できないことを示し、放出および吸収スペクトルに見られる離散的な線を説明しました[36]これらの開発に続く光と物質の相互作用を理解することは、量子光学の基礎を形成するだけでなく、量子力学全体の開発にとっても重要でした。究極の頂点である量子電気力学の理論は、実光子と仮想光子の交換の結果として、すべての光学および電磁プロセスを一般的に説明します[37]量子光学は、1953年のメーザーと1960年のレーザーの発明で実用的な重要性を獲得した。 [38]

場の量子論におけるポール・ディラックの研究に続いてジョージ・スダルシャンロイ・J・グラウバーレナード・マンデルは、1950年代と1960年代に電磁界に量子論を適用して、光検出と光の統計についてより詳細に理解しました

古典光学

古典的な光学は、幾何学的(または光線)光学と物理(または波)光学の2つの主要な分岐に分けられます。幾何光学では、光は直線で進むと見なされますが、物理光学では、光は電磁波と見なされます。

幾何光学は、使用される光の波長がモデル化されるシステムの光学要素のサイズよりもはるかに小さい場合に適用される物理光学の近似値と見なすことができます。

幾何光学

光線の反射と屈折のジオメトリ

幾何光学、または光線光学は、直線で移動し、その経路が異なる媒体間の界面での反射と屈折の法則によって支配される「光線」の観点から光の伝播を説明します。[39]これらの法則は、西暦984年まで経験的に発見され[11]、それから現在に至るまで、光学部品や機器の設計に使用されてきました。それらは次のように要約できます。

光線が2つの透明なマテリアルの境界に当たると、反射光線と屈折光線に分割されます。

反射の法則によれば、反射光線は入射面にあり、反射角は入射角に等しくなります。
屈折の法則によれば、屈折した光線は入射面にあり、入射角の正弦を屈折角の正弦で割った値は一定です。

ここで、nは、任意の2つのマテリアルと特定の色の光の定数です。最初の材料が空気または真空の場合、n2番目の材料 の屈折率です。

反射と屈折の法則は、光線が2点間を通る経路が最短時間で通過できる経路であるというフェルマーの原理から導き出すことができます。[40]

概算

幾何光学は、近軸近似、または「小角度近似」を行うことによって単純化されることがよくあります。その後、数学的挙動は線形になり、光学部品とシステムを単純な行列で記述することができます。これは、ガウス光学系近軸光線追跡の技術につながります。これらは、おおよその画像や物体の位置や倍率など、光学システムの基本的な特性を見つけるために使用されます。[41]

反射

鏡面反射の図

反射は、鏡面反射拡散反射の2つのタイプに分けることができます鏡面反射は、単純で予測可能な方法で光を反射するミラーなどの表面の光沢を表します。これにより、空間内の実際の(実際の)場所または外挿された(仮想の)場所に関連付けることができる反射画像の生成が可能になります。拡散反射は、紙や岩などの光沢のない素材を表します。これらの表面からの反射は統計的にしか説明できず、反射光の正確な分布は材料の微視的構造に依存します。多くの拡散反射板は、ランベルトの余弦則によって記述または近似できます。、任意の角度から見たときに等しい輝度を持つサーフェスを表します。光沢のある表面は、鏡面反射と拡散反射の両方を与えることができます。

鏡面反射では、反射光線の方向は、入射光線が表面法線となす角度、つまり光線が当たる点で表面に垂直な線によって決まります入射光線と反射光線および法線は単一平面にあり、反射光線と表面法線の間の角度は、入射光線と法線の間の角度と同じです。[42]これは反射の法則として知られています。

フラットミラーの場合、反射の法則は、オブジェクトの画像が直立していて、オブジェクトがミラーの前にあるのと同じ距離でミラーの後ろにあることを意味します。画像サイズはオブジェクトサイズと同じです。法則はまた、鏡像がパリティ反転されていることを意味します。これは、左右反転として認識されます。2つ(または任意の数)のミラーでの反射から形成された画像は、パリティ反転されません。コーナーリフレクターは、入射光線が来た方向に戻る反射光線を生成します。[42]これは 再帰反射と呼ばれます。

曲面のあるミラーは、レイトレーシングと表面の各ポイントでの反射の法則を使用してモデル化できます。放物面を持つミラーの場合、ミラーに入射する平行光線は、共通の焦点に収束する反射光線を生成します他の曲面も光を集束させる可能性がありますが、形状の発散による収差があり、集束が空間に不鮮明になります。特に球面鏡は球面収差を示します。球面鏡は、1より大きいまたは小さい倍率で画像を形成でき、倍率は負の場合があり、画像が反転していることを示します。鏡での反射によって形成される直立した画像は常に仮想ですが、反転した画像は実像であり、スクリーンに投影できます。[42]

屈折

空気/水界面など、 n 1 <n2場合のスネルの法則の図

屈折は、屈折率が変化する空間の領域を光が通過するときに発生します。この原理により、レンズと光の集束が可能になります。最も単純な屈折のケースは、均一な媒体と屈折率の間に界面がある場合に発生します。屈折率のある別の媒体このような状況では、スネルの法則は、結果として生じる光線の偏向を説明します。

どこは、それぞれ法線(境界面に対して)と入射波および屈折波の間の角度です。[42]

媒体の屈折率は、その媒体内の光 の速度vに次のように関係します。

ここで、c真空中の光速です

スネルの法則は、屈折率と媒体の形状がわかっている限り、線形媒体を通過する光線の偏向を予測するために使用できます。たとえば、プリズムを通過する光の伝播により、プリズムの形状と向きに応じて光線が偏向されます。ほとんどの材料では、屈折率は光の周波数によって異なります。これを考慮に入れると、スネルの法則を使用して、プリズムが光をスペクトルに分散させる方法を予測できます。光がプリズムを通過するときにこの現象が発見されたのは、アイザックニュートンが原因であることが有名です。[42]

一部の媒体には、位置によって徐々に変化する屈折率があるため、媒体内の光線は湾曲しています。この効果は、暑い日に見られる蜃気楼の原因です。高さによる空気の屈折率の変化により、光線が曲がり、遠くに鏡面反射のように見えます(水たまりの表面にあるかのように)。屈折率が変化する光学材料は、屈折率分布型(GRIN)材料と呼ばれます。このような材料は、屈折率分布型光学系の製造に使用されます。[43]

屈折率の高い材料から屈折率の低い材料に進む光線の場合、スネルの法則では、いつは大きい。この場合、送信は発生しません。すべての光が反射されます。この現象は全反射と呼ばれ、光ファイバー技術を可能にします。光が光ファイバを伝わると、内部で全反射し、ケーブルの長さ全体にわたって光が失われることはありません。[42]

レンズ
収束レンズの光線追跡図。

屈折によって収束または発散する光線を生成するデバイスは、レンズと呼ばれます。レンズは焦点距離によって特徴付けられます。収束レンズは正の焦点距離を持ち、発散レンズは負の焦点距離を持ちます。焦点距離が短いほど、レンズの収束効果または発散効果が強いことを示します。空気中の単純なレンズの焦点距離は、レンズメーカーの式で与えられます。[44]

レイトレーシングは、レンズによって画像がどのように形成されるかを示すために使用できます。空気中の薄いレンズの場合、画像の位置は次の式で与えられます。

どこ物体からレンズまでの距離です。はレンズから画像までの距離であり、はレンズの焦点距離です。ここで使用される符号の規則では、オブジェクトと画像がレンズの反対側にある場合、オブジェクトと画像の距離は正になります。[44]

Lens1.svg

入ってくる平行光線は、収束レンズによって、レンズの反対側にある、レンズから1焦点距離のスポットに集束されます。これは、レンズの後部焦点と呼ばれます。有限距離にある物体からの光線は、焦点距離よりもレンズから遠くに集束されます。オブジェクトがレンズに近いほど、画像はレンズから遠くなります。

発散レンズでは、入射する平行光線はレンズを通過した後に発散し、レンズの1焦点距離前のスポットから発生したように見えます。これがレンズの前焦点です。有限距離にあるオブジェクトからの光線は、焦点よりもレンズに近く、レンズのオブジェクトと同じ側にある虚像に関連付けられます。オブジェクトがレンズに近いほど、虚像はレンズに近くなります。ミラーと同様に、単一のレンズによって生成される直立した画像は仮想ですが、反転した画像は現実的です。[42]

レンズは、画像を歪める収差に悩まされています。単色収差は、レンズの形状が各物体点から画像上の単一点に光線を完全に向けないために発生しますが、色収差は、レンズの屈折率が光の波長によって変化するために発生します。[42]

焦点距離fの薄い凸レンズの黒い文字の画像は  赤で示されています。選択された光線は、文字EI、およびKに対して、それぞれ青、緑、およびオレンジで表示されます。E(2 f)には、同じサイズの実画像と反転画像があることに注意してください。Ifで)は無限大にそのイメージを持っています。Kf / 2)は、2倍のサイズの仮想の直立した画像を持っています

物理光学

物理光学では、光は波として伝播すると考えられています。このモデルは、幾何光学では説明できない干渉や回折などの現象を予測します。空気中の光波速度は約3.0× 108m  / s(真空中では正確に299,792,458 m / s )です。可視光波の波長は400〜700 nmの間で変化しますが、「光」という用語は、赤外線(0.7〜300μm)および紫外線(10〜400 nm)にもよく適用されます。

波動モデルは、どの媒体で何が「波打っている」のかを説明することなく、光学システムがどのように動作するかを予測するために使用できます。19世紀半ばまで、ほとんどの物理学者は、光の乱れが伝播する「エーテル」媒体を信じていました。[45]電磁波の存在は、1865年にマクスウェルの方程式によって予測された。これらの波は光速で伝播し、互いに直交するさまざまな電場と磁場を持ち、波の伝播方向にも影響します。[46]量子力学的効果を考慮しなければならない 場合を除いて、光波は現在一般的に電磁波として扱われています。

物理光学を用いた光学系のモデリングと設計

光学システムの分析と設計には、多くの簡略化された近似が利用できます。これらのほとんどは、直交する電気ベクトルと磁気ベクトルを持つベクトルモデルを使用するのではなく、単一のスカラー量を使用して光波の電場を表します。[47]ホイヘンス-フレネル式はそのようなモデルの1つです。これは、波面上の各点が二次球面波面を生成するというホイヘンスの仮説に基づいて、1815年にフレネルによって経験的に導き出されました。これはフレネルが波の重ね合わせの原理と組み合わせたものです。キルヒホフ回折方程式マクスウェルの方程式を使用して導出される、は、ホイヘンス-フレネルの方程式をより強固な物理的基盤に置きます。ホイヘンス・フレネル原理の適用例は、回折とフラウンホーファー回折に関する記事に記載されています。

電気的および磁気的特性が光と材料との相互作用に影響を与える材料を扱う場合は、光波の電界と磁界の両方のモデリングを含む、より厳密なモデルが必要です。たとえば、金属表面と相互作用する光波の動作は、誘電体材料と相互作用するときに発生する動作とはまったく異なります。偏光をモデル化するには、ベクトルモデルも使用する必要があります。

有限要素法境界要素法伝送線路行列法などの数値モデリング手法を使用して、解析的に解くことができないシステムでの光の伝播をモデル化できます。このようなモデルは計算量が多く、通常、分析ソリューションで達成できる精度を超える精度を必要とする小規模な問題を解決するためにのみ使用されます。[48]

幾何光学からのすべての結果は、音響工学および信号処理で使用されるのと同じ数学的および分析的手法の多くを適用するフーリエ光学の手法を使用して復元できます。

ガウスビーム伝搬は、レーザービームなどのコヒーレント放射を伝搬するための単純な近軸物理光学モデルです。この手法は部分的に回折を考慮し、レーザービームが距離とともに拡大する速度、およびビームの焦点を合わせることができる最小サイズの正確な計算を可能にします。したがって、ガウスビーム伝搬は、幾何光学と物理光学の間のギャップを埋めます。[49]

重ね合わせと干渉

非線形効果がない場合は、重ね合わせの原理を使用して、外乱を追加するだけで相互作用する波形の形状を予測できます。[50]結果として生じるパターンを生成するためのこの波の相互作用は、一般に「干渉」と呼ばれ、さまざまな結果をもたらす可能性があります。同じ波長と周波数の2つの波が同相ある場合、波の山と谷の両方が整列します。これは建設的な干渉をもたらします波の振幅の増加。これは、光の場合、その場所の波形の明るさに関連しています。あるいは、同じ波長と周波数の2つの波の位相がずれている場合、波の山は波の谷と整列し、その逆も同様です。これにより、破壊的な干渉が発生し、波の振幅が減少します。これは、光の場合、その場所での波形の調光に関連しています。この効果の説明については、以下を参照してください。[50]

結合
波形
2つのwaves.svgの干渉
ウェーブ1
ウェーブ2
同相の2つの波
位相が180°ずれた2つの波
油や燃料がこぼれると、薄膜干渉によってカラフルなパターンが形成されます。

ホイヘンス・フレネルの原理は、波面のすべての点が新しい外乱の生成に関連していると述べているため、波面がさまざまな場所で建設的または破壊的に干渉し、規則的で予測可能なパターンで明るいフリンジと暗いフリンジを生成する可能性があります。[50] 干渉法は、通常、距離または角度分解能を正確に決定する手段として、これらのパターンを測定する科学です[51]マイケルソン干渉計は、干渉効果を使用して光速を正確に測定する有名な機器でした[52]

薄膜やコーティングの外観は、干渉効果の影響を直接受けます。反射防止コーティング破壊的な干渉を使用して、コーティングする表面の反射率を下げ、グレアや不要な反射を最小限に抑えるために使用できます。最も単純なケースは、入射光の波長の4分の1の厚さの単層です。フィルムの上部からの反射波とフィルム/材料の界面からの反射波は正確に180°位相がずれており、破壊的な干渉を引き起こします。波は、1つの波長に対して正確に位相がずれているだけです。これは通常、可視スペクトルの中心近く、約550nmになるように選択されます。複数の層を使用するより複雑な設計では、広帯域で低い反射率、または単一波長で非常に低い反射率を実現できます。

薄膜の建設的な干渉は、コーティングの設計に応じて狭いまたは広い波長範囲の光の強い反射を作成する可能性があります。これらのフィルムは、誘電体ミラー干渉フィルター熱反射板、およびカラーテレビカメラの色分解用フィルターの製造に使用されます。この干渉効果は、油膜に見られるカラフルな虹のパターンを引き起こす原因でもあります。[50]

回折と光学解像度

距離で隔てられた2つのスリットの回折明るいフリンジは、黒い線が黒い線と交差し、白い線が白い線と交差する線に沿って発生します。これらのフリンジは角度で区切られていますと注文として番号が付けられます

回折は、光の干渉が最も一般的に観察されるプロセスです。この効果は、1665年にフランチェスコ・マリア・グリマルディによって最初に説明されました。フランチェスコ・マリア・グリマルディは、ラテン語のディフリンジャーから「バラバラにする」という用語を作り出しました[53] [54]その世紀の後半、ロバート・フックとアイザック・ニュートンはニュートン環の回折として知られる現象についても説明し[55]ジェームズ・グレゴリーは鳥の羽からの回折パターンの観察を記録した。[56]

ホイヘンス・フレネル原理に依存した最初の回折の物理光学モデルは、1803年にトーマス・ヤングが2つの近接したスリットの干渉パターンを使った干渉実験で開発しました。ヤングは、2つのスリットが小体ではなく2つの固有の波源として機能した場合にのみ、彼の結果を説明できることを示しました。[57] 1815年と1818年に、オーギュスタン・ジャン・フレネルは、波の干渉が回折をどのように説明できるかについての数学をしっかりと確立しました。[44]

回折の最も単純な物理モデルは、特定の波長(λ)の光による明るい縞と暗い縞の角距離を表す方程式を使用します。一般に、方程式は次の形式を取ります

どこは2つの波面源の間の分離です(ヤングの実験の場合、それは2つのスリットでした)、中央のフリンジと中央の最大値が[58]

この式は、単一のギャップを介した回折、複数のスリットを介した回折、または等間隔に多数のスリットを含む回折格子を介した回折など、さまざまな状況を考慮してわずかに修正されています。[58]回折のより複雑なモデルでは、フレネルまたはフラウンホーファー回折の数学を使用する必要があります。[59]

X線回折は、結晶内の原子が1オングストロームのオーダーの距離で規則的な間隔を持っているという事実を利用しています。回折パターンを確認するために、その間隔と同様の波長のX線が結晶を通過します。結晶は2次元の格子ではなく3次元の物体であるため、関連する回折パターンはブラッグ反射に従って2方向に変化し、関連する輝点は固有のパターンで発生します。原子間の間隔の2倍です。[58]

回折効果は、別々の光源を光学的に分解する光検出器の能力を制限します。一般に、アパーチャを通過する光は回折を経験し、作成できる最高の画像(回折限界光学系で説明)は、暗いヌルで区切られた明るいリングを囲む中央のスポットとして表示されます。このパターンはエアリーパターンと呼ばれ、中央の明るいローブはエアリーディスクと呼ばれます。[44]そのようなディスクのサイズは次の式で与えられます

ここで、θは角度分解能、λは光の波長、Dレンズ口径です2点の角距離がエアリーディスクの角半径よりも大幅に小さい場合、2点は画像で解決できませんが、角距離がこれよりもはるかに大きい場合、2点の別個の画像が形成され、したがって、解決することができます。レイリーはやや恣意的な「レイリー基準」を定義しました「角距離がエアリーディスクの半径に等しい2つの点(最初のヌル、つまり光が見えない最初の場所まで測定)は解決されたと見なすことができます。レンズまたはその開口部は、解像度が細かくなります。[58] 干渉測定は、非常に大きなベースライン開口部を模倣する機能を備えており、可能な限り最大の角度分解能を実現します。[51]

天体画像の場合、大気は、星をきらめかせるための大気の散乱と分散のために、可視スペクトルで最適な解像度を達成することを妨げます。天文学者は、この効果を天文学的なシーイングの質と呼んでいます補償光学として知られる技術は、画像の大気破壊を排除し、回折限界に近い結果を達成するために使用されてきました。[60]

分散と散乱

プリズムを介した光分散の概念的なアニメーション。高周波(青)の光が最も偏向され、低周波(赤)の光が最も偏向されません。

屈折プロセスは、一種の散乱として、光の波長が他の距離と類似している物理光学限界で発生します。最も単純なタイプの散乱は、電磁波が単一粒子によって偏向されるときに発生するトムソン散乱です。光の波状の性質が明らかなトムソン散乱の限界では、周波数に依存し、厳密に量子力学的プロセスであるコンプトン散乱とは対照的に、光は周波数に関係なく分散され、粒子としての光の性質が含まれます。統計的な意味で、光の波長よりもはるかに小さい多数の粒子による光の弾性散乱は、レイリー散乱として知られているプロセスです。一方、波長が類似またはそれよりも大きい粒子による散乱の同様のプロセスは、ミー散乱として知られており、チンダル効果が一般的に観察される結果です。原子または分子からの光散乱のごく一部がラマン散乱を受ける可能性があり、原子および分子の励起によって周波数が変化します。ブリルアン散乱は、時間の経過に伴う局所的な変化や高密度物質の動きによって光の周波数が変化するときに発生します。[61]

分散は、材料特性(材料分散)または光導波路の形状導波路分散)のいずれかにより、光の周波数が異なると位相速度が異なる場合に発生します。最もよく知られている分散の形態は、波長の増加に伴う屈折率の低下です。これは、ほとんどの透明な材料で見られます。これは「通常の分散」と呼ばれます。これは、すべての誘電体材料で、材料が光を吸収しない波長範囲で発生します。[62]媒体がかなりの吸収を持つ波長範囲では、屈折率は波長とともに増加する可能性があります。これは「異常分散」と呼ばれます。[42] [62]

プリズムによる色の分離は、通常の分散の例です。プリズムの表面で、スネルの法則は、法線に対して角度θで入射する光が角度arcsin(sin(θ)/ n)で屈折することを予測しています。このように、屈折率の高い青色光は赤色光よりも強く曲げられ、よく知られている虹のパターンになります。[42]

分散:異なる速度で伝播する2つの正弦波は、移動する干渉パターンを作成します。赤い点は位相速度で移動し、緑の点は群速度で伝播します。この場合、位相速度は群速度の2倍です。図の左から右に移動すると、赤い点が2つの緑の点を上回ります。事実上、個々の波(位相速度で移動する)は波束(群速度で移動する)から逃げます。

材料の分散は、多くの場合、アッベ数によって特徴付けられます。アッベ数は、3つの特定の波長での屈折率に基づいて分散を簡単に測定できます。導波管の分散は、伝搬定数に依存します。[44]両方の種類の分散は、電磁波の振幅と同じ周波数で変化する波束の特徴である波のグループ特性の変化を引き起こします。「群速度分散」は、放射の信号「包絡線」の広がりとして現れ、群分散遅延パラメータを使用して定量化できます。

どこ群速度です。[63]均一な媒体の場合、群速度は次のようになります。

ここで、nは屈折率、cは真空中の光速です。[64]これにより、分散遅延パラメータのより単純な形式が得られます。

Dがゼロ未満の場合、媒体はの分散または通常の分散を持っていると言われます。Dがゼロより大きい場合、媒体の分散は負になります。光パルスが通常の分散媒体を介して伝播される場合、結果として、より高い周波数の成分がより低い周波数の成分よりも遅くなります。したがって、パルスはポジティブチャープまたはアップチャープになります、時間とともに頻度が増加します。これにより、プリズムから出てくるスペクトルは、屈折が最も少ない赤色光と最も屈折が大きい青/紫の光で表示されます。逆に、パルスが異常に(負に)分散する媒体を通過する場合、高周波成分は低周波数成分よりも速く移動し、パルスは負のチャープまたはダウンチャープになり、時間とともに周波数が低下します。[65]

群速度分散の結果は、負であろうと正であろうと、最終的にはパルスの一時的な広がりです。これにより、光ファイバをベースにした光通信システムでは分散管理が非常に重要になります。分散が高すぎると、情報を表すパルスのグループがそれぞれ時間とともに広がり、合流して信号を抽出できなくなるためです。[63]

偏光

偏光は、波の振動の方向を表す波の一般的な特性です。多くの電磁波などの横波の場合、波の進行方向に垂直な平面内の振動の方向を表します。振動は一方向に向けられる場合があり(直線偏波)、または振動方向は波が進むにつれて回転する場合があります(偏波または楕円偏波)。円周偏光波は進行方向に右または左に回転することができ、これらの2つの回転のどちらが波に存在するかを波のキラリティーと呼びます。[66]

分極を考慮する一般的な方法は、電磁波が伝播するときに電界ベクトルの方向を追跡することです。平面波の電界ベクトルは、xyのラベルが付いた2つの垂直成分に任意に分割できます(zは進行方向を示します)。電界ベクトルによってxy平面にトレースされた形状は分極状態を表​​すリサージュ図形です。[44]次の図は、空間内の特定のポイントでの電界ベクトル(青)の時間(縦軸)の変化の例とそのxを示しています。およびy成分(赤/左および緑/右)、および平面内のベクトルによってトレースされたパス(紫):空間内の点を進化させながら特定の時間に電界を見ると、同じ進化が発生します。伝播と反対の方向。

Linear polarization diagram
線形
Circular polarization diagram
サーキュラー
Elliptical polarization diagram
楕円偏光

上の左端の図では、光波のx成分とy成分が同相です。この場合、それらの強さの比率は一定であるため、電気ベクトル(これら2つの成分のベクトル和)の方向は一定です。ベクトルの先端が平面内の1本の線をトレースするため、この特殊なケースは直線偏光と呼ばれます。この線の方向は、2つのコンポーネントの相対的な振幅によって異なります。[66]

真ん中の図では、2つの直交成分は同じ振幅を持ち、90°位相がずれています。この場合、他のコンポーネントが最大または最小の振幅にあるとき、一方のコンポーネントはゼロです。この要件を満たす2つの可能な位相関係があります。x成分はy成分より90°進んでいるか、y成分より90°遅れている可能性があります。この特殊なケースでは、電気ベクトルが平面内の円をトレースするため、この分極は円分極と呼ばれます。円の回転方向は、2相関係のどちらが存在するかによって異なり、右円偏光円偏光に対応します。[44]

2つの成分の振幅が同じでないか、位相差がゼロでも90°の倍数でもない他のすべての場合、電気ベクトルが平面内の楕円をトレースするため、偏光は楕円偏光と呼ばれます(偏光楕円これを上の図の右側に示します。分極の詳細な数学はジョーンズ計算法を使用して行われ、ストークスパラメータによって特徴付けられます[44]

偏光の変更

偏光モードごとに屈折率が異なる媒体は、複屈折と呼ばれます。[66]この効果のよく知られた兆候は、光波長板/リターダ(線形モード)およびファラデー回転/旋光度(円形モード)に現れます。[44]複屈折媒体の光路長が十分である場合、平面波は屈折のために著しく異なる伝搬方向で材料を出ます。たとえば、これは方解石の巨視的な結晶の場合です、これは、視聴者に、それらを通して見られるものすべての2つのオフセットされた直交偏光画像を提示します。1669年にエラスムスバルトリヌスによって偏光の最初の発見を提供したのはこの効果でした。さらに、位相シフト、したがって偏光状態の変化は通常、周波数に依存し、二色性と組み合わせてしばしば明るい光を発生させます色と虹のような効果。鉱物学では、多色性として知られるこのような特性は、光顕微鏡を使用して鉱物を識別する目的で頻繁に利用されます。さらに、通常は複屈折性ではない多くのプラスチックは、機械的ストレスを受けると複屈折性になります。これは、光弾性[66]光ビームの直線偏光を回転させる非複屈折法には、効率的な同一直線上の透過のために設計されたプリズムセットで全反射を使用するプリズム偏光回転子の使用が含まれます。[67]

直線偏光の向きを変える偏光子。
この写真でθ1 θ0 = θiです

特定の偏光モードの振幅を低減するメディアはダイクロイックと呼ばれ、偏光フィルターまたは単に「偏光子」と呼ばれる1つのモードでほぼすべての放射線を遮断するデバイスを備えていますエティエンヌ・ルイ・マルスにちなんで名付けられたマルスの法則によれば、完全な偏光子を直線偏光ビームに配置すると、通過する光 の強度Iは次の式で与えられます。

どこ

I 0は初期強度であり、
θiは、光の初期偏光方向と偏光子の軸との間の角度です[66]

偏光されていない光のビームは、すべての可能な角度で直線偏光の均一な混合物を含んでいると考えることができます。の平均値からが1/2の場合、透過係数は次のようになります。

実際には、偏光子でいくらかの光が失われ、偏光されていない光の実際の透過率はこれよりいくらか低くなります。ポラロイドタイプの偏光子では約38%ですが、一部の複屈折プリズムタイプではかなり高くなります(> 49.9%)。[44]

拡張媒体での複屈折と二色性に加えて、偏光効果は、屈折率の異なる2つの材料間の(反射)界面でも発生する可能性があります。これらの効果は、フレネルの式によって処理されます。波の一部は透過し、一部は反射します。比率は入射角と屈折角に依存します。このようにして、物理光学はブリュースター角を回復します。[44]光が表面の薄膜から反射する場合、フィルムの表面からの反射間の干渉により、反射光と透過光に偏光が生じる可能性があります。

自然光
写真の空に対する偏光フィルターの効果。左の写真は偏光子なしで撮影されています。右の写真では、フィルターを調整して、空から散乱した青い光の特定の偏光を排除しました。

ほとんどの電磁放射源には、光を放出する多数の原子または分子が含まれています。これらのエミッターによって生成される電界の方向は相関していない可能性があり、その場合、光は無光であると言われますエミッター間に偏相関がある場合、光は部分的に偏光されます。偏光が光源のスペクトル全体で一貫している場合、部分的に偏光された光は、完全に偏光されていない成分と完全に偏光された成分の重ね合わせとして説明できます。次に、偏光度、および偏光楕円のパラメータの観点から光を説明することができます。[44]

光沢のある透明な素材で反射された光は、光が表面に垂直(垂直)である場合を除いて、部分的または完全に偏光されます。数学者エティエンヌ・ルイ・マルスが偏光の最初の数学モデルの開発を可能にした測定を行うことができたのは、この効果でした。偏光は、光が大気中で散乱するときに発生します。散乱光は晴天の明るさと色を生み出します。散乱光のこの部分的な偏光は、写真の空を暗くするために偏光フィルターを使用することで利用できます。円偏光二色性旋光( "光学活性キラル分子によって示される円形複屈折") 。[44]

現代の光学

現代の光学は、20世紀に普及した光学科学と工学の分野を網羅しています。光学科学のこれらの分野は、通常、光の電磁特性または量子特性に関連していますが、他のトピックも含まれています。現代の光学の主要なサブフィールドである量子光学は、特に光の量子力学的特性を扱います。量子光学は単なる理論ではありません。レーザーなどの一部の最新のデバイスには、量子力学に依存する動作原理があります。光電子増倍管チャネルトロンなどの光検出器は、個々の光子に応答します。CCDなどの電子イメージセンサーはショットノイズを示します corresponding to the statistics of individual photon events. Light-emitting diodes and photovoltaic cells, too, cannot be understood without quantum mechanics. In the study of these devices, quantum optics often overlaps with quantum electronics.[68]

光学研究の専門分野には、結晶光学メタマテリアルのように、光が特定の材料とどのように相互作用するかについての研究が含まれます。他の研究は、特異光学非線形光学、非線形光学、統計光学、および放射測定のような電磁波の現象学に焦点を合わせています。さらに、コンピューターエンジニアは、「次世代」コンピューターの可能なコンポーネントとして、統合光学マシンビジョン、およびフォトニックコンピューティングに関心を持っています。[69]

今日、光学の純粋な科学は、光学工学と呼ばれる応用光学科学と区別するために、光学科学または光学物理と呼ばれています。光学工学の著名なサブフィールドには、照明工学フォトニクス、およびレンズ設計光学部品の製造とテスト画像処理などの実用的なアプリケーションを備えたオプトエレクトロニクスが含まれます。これらの分野のいくつかは重なり合っており、主題の用語の間にあいまいな境界があり、世界のさまざまな地域や業界のさまざまな分野でわずかに異なることを意味しています。非線形光学の研究者の専門家コミュニティは、レーザー技術の進歩により、過去数十年で発展してきました。[70]

レーザー

このような高出力レーザーを使った実験は、現代の光学研究の一部です。

レーザーは、誘導放出と呼ばれるプロセスを通じて、一種の電磁放射である光を放出するデバイスですレーザーという用語は、誘導放出による光増幅の頭字語です[71]レーザー光は通常、空間的にコヒーレントです。つまり、光は狭い低発散ビームで放射されるか、レンズなどの光学部品を使用して1つに変換できます。レーザーに相当するマイクロ波であるメーザーが最初に開発されたため、マイクロ波と無線周波数を放射するデバイスは通常、メーザーと呼ばれます。[72]

VLTのレーザーガイド星[73]

最初に機能するレーザーは、1960年5月16日ヒューズ研究所のセオドア・メイマンによって実証されました。[74]最初に発明されたとき、それらは「問題を探す解決策」と呼ばれていました。[75]それ以来、レーザーは数十億ドル規模の産業になり、何千もの非常に多様なアプリケーションで有用性を見出しています。一般の人々の日常生活で目に見えるレーザーの最初のアプリケーションは、1974年に導入されたスーパーマーケットのバーコードスキャナーでした。 [76] 1978年に導入されたレーザーディスクプレーヤーは、レーザーを含む最初の成功した消費者製品でしたが、コンパクトディスクプレーヤーは、1982年以降、消費者の家庭で真に一般的になった最初のレーザー搭載デバイスでした。[77]これらの光ストレージデバイスは、データ検索のためにディスクの表面をスキャンするために幅1ミリ未満の半導体レーザーを使用します。光ファイバ通信は、光の速度で大量の情報を送信するためにレーザーに依存しています。レーザーの他の一般的なアプリケーションには、レーザープリンターレーザーポインターが含まれます。レーザーは、無輸血手術レーザー眼科手術レーザーキャプチャーマイクロダイセクションなどの医療分野や、軍事用途などで使用されています。ミサイル防衛システム電気光学対抗手段(EOCM)およびLIDAR レーザーは、ホログラムバブルグラムレーザーライトショーレーザー脱毛にも使用されます。[78]

カピッツァ・ディラック効果

カピッツァ・ディラック効果により、定在波の光に遭遇した結果、粒子のビームが回折します光は、さまざまな現象を使用して物質を配置するために使用できます(光ピンセットを参照)。

アプリケーション

光学は日常生活の一部です。生物学における視覚系の遍在性は、五感のうちの1つの科学として光学が果たす中心的な役割を示しています多くの人が眼鏡コンタクトレンズの恩恵を受けており、光学はカメラを含む多くの消費財の機能に不可欠です。虹と蜃気楼は天気の例です。光通信は、インターネットと最新の電話の両方のバックボーンを提供します

人間の目

人間の目のモデル。この記事で言及されている特徴は、1。硝子体液3.毛様体筋、6。瞳孔、7。前房、8。角膜、10。水晶体皮質、22。視神経、26 。、30。網膜です。

人間の目は、網膜と呼ばれる光受容細胞の層に光を集中させることによって機能します。網膜は、目の後ろの内層を形成します。フォーカシングは、一連の透明なメディアによって実現されます。目に入る光は最初に角膜を通過します。角膜は目の光パワーの多くを提供します。次に、光は角膜のすぐ後ろの液体、つまり前房を通過し、次に瞳孔を通過します。次に、光はレンズを通過します。レンズは、光の焦点をさらに合わせ、焦点を調整できるようにします。次に、光は目の中の液体の本体、つまり硝子体液を通過します。、網膜に到達します。網膜の細胞は、視神経が出る場所を除いて、目の後ろに並んでいます。これにより、死角が発生します。

光受容細胞には、光のさまざまな側面に敏感な桿体細胞と錐体細胞の2種類があります。[79]桿体細胞は、広い周波数範囲にわたって光の強度に敏感であるため、白黒の視力を担っています。桿体細胞は中心窩、中心視の原因となる網膜の領域には存在せず、光の空間的および時間的変化に対して錐体細胞ほど反応しません。ただし、桿体細胞はより広い領域に存在するため、網膜には錐体細胞の20倍の桿体細胞が存在します。それらのより広い分布のために、桿体は周辺視野に責任があります。[80]

対照的に、錐体細胞は光の全体的な強度にあまり敏感ではありませんが、異なる周波数範囲に敏感であるため、明所視の知覚に使用される3つの種類があります。錐体細胞は中心窩に非常に集中しており、視力が高いため、桿体細胞よりも空間分解能が優れています。錐体細胞は桿体細胞ほど薄暗い光に敏感ではないため、ほとんどの暗視は桿体細胞に限定されています。同様に、錐体細胞は中心窩にあるため、中心視(ほとんどの読書、縫製などの細部の作業、または物体の注意深い検査を行うために必要な視力を含む)は錐体細胞によって行われます。[80]

レンズの周りの毛様体筋は、目の焦点を調整することを可能にします。このプロセスは、宿泊施設として知られています。近点遠点、物体に焦点を合わせることができる目からの最も近い距離と最も遠い距離を定義します。通常の視力を持つ人の場合、遠点は無限遠にあります。近点の位置は、筋肉がレンズの曲率をどれだけ増加させることができるか、およびレンズが年齢とともにどれだけ柔軟性がなくなるかによって異なります。オプトメトリスト眼科医、および眼鏡技師は通常、適切な近点を通常の読書距離よりも近いと見なします(約25cm)。[79]

視覚の欠陥は、光学原理を使用して説明することができます。加齢に伴い、水晶体の柔軟性が低下し、近点が眼から遠ざかります。これは老眼として知られる状態です。同様に、遠視に苦しむ人々は、近くの物体が網膜上に画像化されるのを可能にするのに十分なほどレンズの焦点距離を短くすることができません。逆に、遠方の物体を網膜上で画像化できるようにレンズの焦点距離を十分に長くできない人は、近視に苦しみ、無限遠よりもかなり近い遠点を持っています。乱視として知られている状態角膜が球形ではなく、一方向により湾曲している場合に発生します。これにより、水平方向に拡張されたオブジェクトが、垂直方向に拡張されたオブジェクトとは網膜のさまざまな部分に焦点を合わせ、画像が歪む結果になります。[79]

これらの状態はすべて、矯正レンズを使用して矯正することができます。老眼と遠視の場合、収束レンズは近視を眼に近づけるために必要な追加の曲率を提供し、近視の場合、発散レンズは遠視を無限遠に送るために必要な曲率を提供します。乱視は、角膜の不均一性を補うために、ある方向に別の方向よりも強く湾曲するシリンドリカル表面レンズで補正されます。[81]

矯正レンズの屈折力はジオプトリーで測定されます。これは、メートルで測定された焦点距離の逆数に等しい値です。正の焦点距離は収束レンズに対応し、負の焦点距離は発散レンズに対応します。非点収差を補正するレンズについても、3つの数値が与えられています。1つは球面度数、1つはシリンドリカル度数、もう1つは非点収差の方位角です。[81]

視覚効果

ポンゾ錯視は、平行線が無限大に近づくにつれて収束しているように見えるという事実に依存しています。

目の錯覚(視覚的錯覚とも呼ばれます)は、客観的な現実とは異なる視覚的に知覚される画像によって特徴付けられます。目で収集された情報は脳で処理され、画像化されているオブジェクトとは異なる知覚を与えます。目の錯覚は、それらを作るオブジェクトとは異なる画像を作成する物理的効果、過度の刺激(たとえば、明るさ、傾き、色、動き)の目と脳への生理学的効果を含むさまざまな現象の結果である可能性があります。目と脳が無意識に推論する認知錯覚。[82]

認知的錯覚には、特定の光学原理の無意識の誤用から生じるものが含まれます。たとえば、エイムズの部屋ヘリングミュラーライアーオービソンポンゾ錯視ヴント錯視はすべて、平行光線(または実際には平行線の任意のセット)は、芸術的な視点で2次元的にレンダリングされた画像では、無限遠点で収束しているように見えます。[83]この提案は、有名な月の錯視の原因でもありますここで、月は本質的に同じ角の大きさを持っていますが、天頂よりも地平線の近くではるかに大きく見えます。[84]この幻想はプトレマイオスを非常に混乱させたので、彼が彼の論文である光学でそれを説明したとき、彼はそれを大気差に誤って帰した[8]

別のタイプの目の錯覚は、壊れたパターンを利用して、心をだまして、存在しない対称性または非対称性を認識させます。例としては、カフェウォールエーレンシュタインフレーザースパイラルポゲンドルフ錯視、ツェルナー錯視などがあります。関連しているが、厳密には幻想ではないが、周期的構造の重ね合わせによって発生するパターンである。たとえば、グリッド構造の透明な組織はモアレパターンと呼ばれる形状を生成しますが、平行な不透明な線または曲線を含む周期的な透明なパターンを重ね合わせると、線のモアレパターンが生成されます。[85]

光学機器

1728年のCyclopaediaのさまざまな光学機器のイラスト

シングルレンズには、写真レンズ、矯正レンズ、拡大鏡などのさまざまな用途がありますが、シングルミラーは放物線反射鏡やリアビューミラーに使用されます。多数のミラー、プリズム、レンズを組み合わせることで、実用性のある複合光学機器を生み出します。たとえば、潜望鏡は、障害物の周りを見ることができるように位置合わせされた2つの平面鏡です。科学で最も有名な複合光学機器は、16世紀後半にオランダ人によって発明された顕微鏡と望遠鏡です。[86]

顕微鏡は、最初は対物レンズ接眼レンズの2つのレンズで開発されました対物レンズは本質的に拡大鏡であり、焦点距離が非常に短いように設計されていますが、接眼レンズは一般的に焦点距離が長くなっています。これは、近くのオブジェクトの拡大画像を生成する効果があります。一般に、エネルギー保存の法則とより広い表面積への光線の拡散により拡大画像が暗くなるため、追加の照明源が使用されます。複合顕微鏡として知られる最新の顕微鏡には、機能を最適化し、画像の安定性を高めるために、多くのレンズ(通常は4つ)が搭載されています。[86]わずかに異なる種類の顕微鏡、比較顕微鏡は、画像を並べて見て、人間が使用したときに3次元に見える立体視 両眼視を生成します。[87]

屈折望遠鏡と呼ばれる最初の望遠鏡も、単一の対物レンズと接眼レンズで開発されました。顕微鏡とは対照的に、望遠鏡の対物レンズは、光学収差を避けるために大きな焦点距離で設計されました。対物レンズは、焦点距離がはるかに短い接眼レンズの焦点になるように調整された焦点で、遠くの物体の画像に焦点を合わせます。望遠鏡の主な目的は、必ずしも倍率ではなく、対物レンズの物理的なサイズによって決定される光の収集です。したがって、望遠鏡は通常、接眼レンズを切り替えることで変更できる倍率ではなく、対物レンズの直径で示されます。望遠鏡の倍率は、対物レンズの焦点距離を接眼レンズの焦点距離で割ったものに等しいため、[86]

大きなレンズを作ることは大きな鏡を作ることよりもはるかに難しいので、ほとんどの現代の望遠鏡は反射望遠鏡、つまり対物レンズではなく主鏡を使用する望遠鏡です。同じ一般的な光学的考慮事項は、反射望遠鏡に適用される反射望遠鏡にも当てはまります。つまり、主鏡が大きいほど、より多くの光が集められ、倍率は、主鏡の焦点距離を接眼レンズの焦点距離で割ったものに等しくなります。 。プロの望遠鏡は一般的に接眼レンズを備えておらず、代わりに焦点に機器(多くの場合、電荷結合装置)を配置します。[86]

写真

絞り値f / 32で撮影した写真
絞り値f / 5で撮影した写真

写真撮影の光学系には、レンズと、それがプレートフィルム、または電荷結合デバイスであるかどうかにかかわらず、電磁放射が記録される媒体の両方が含まれます。写真家は、カメラとショット の相反性を考慮する必要があります。

露出∝ApertureArea×ExposureTime×SceneLuminance [88]

つまり、絞りが小さいほど(焦点深度が深くなるほど)、入ってくる光が少なくなるため、時間を長くする必要があります(動きが発生するとぼやける可能性があります)。相互主義の法則の使用例は、日光の下での適切な露出を推定するために必要な設定の大まかな推定値を与えるSunny16ルールです。[89]

カメラの絞りは、 f値またはfストップと呼ばれる無次元数f /#で測定され、多くの場合、次のように表記されます。、およびによって与えられる

どこは焦点距離であり、は入射瞳の直径です。慣例により、「f /#」は単一の記号として扱われ、f /#の特定の値は、番号記号を値に置き換えることによって書き込まれます。Fストップを大きくする2つの方法は、入射瞳の直径を小さくするか、焦点距離を長くすることです(ズームレンズの場合、これはレンズを調整するだけで実行できます)。レンズがピンホールカメラの限界に近づいているため、F値が高いほど被写界深度も深くなります。ピンホールカメラでは、距離に関係なくすべての画像の焦点を完全に合わせることができますが、長時間露光が必要になります。[90]

レンズが提供する視野は、レンズの焦点距離によって変化します。フィルムの対角サイズまたはカメラのセンサーサイズとレンズの焦点距離との関係に基づいて、3つの基本的な分類があります。[91]

  • 通常のレンズ:約50°の画角(この角度は人間の視覚とほぼ同等と見なされるため[91])、焦点距離はフィルムまたはセンサーの対角線にほぼ等しくなります。[92]
  • 広角レンズ:通常のレンズより60°以上の画角と短い焦点距離。[93]
  • ロングフォーカスレンズ:通常のレンズよりも画角が狭い。これは、フィルムまたはセンサーの対角線よりも焦点距離が長いレンズです。[94]最も一般的なタイプの長焦点レンズは望遠レンズであり、特殊な望遠グループを使用して焦点距離よりも物理的に短くする設計です。[95]

最新のズームレンズには、これらの属性の一部またはすべてが含まれている場合があります。

必要な露光時間の絶対値は、使用されているメディアの光に対する感度によって異なります(フィルム感度、またはデジタルメディアの場合は量子効率で測定されます)。[96]初期の写真では、光感度が非常に低いメディアを使用していたため、非常に明るいショットでも露出時間を長くする必要がありました。技術が進歩するにつれて、フィルムカメラやデジタルカメラによる感度も向上します。[97]

物理的および幾何学的光学からの他の結果は、カメラ光学に適用されます。たとえば、特定のカメラ設定の最大解像度能力は、瞳孔サイズに関連付けられた回折限界によって決定され、大まかにレイリー基準によって与えられます。[98]

大気光学

2007年10月のカリフォルニア山火事の日の入りのこの写真のように、色とりどりの空は、粒子状物質からの光の散乱と汚染が原因であることがよくあります。

大気の独特の光学特性は、広範囲の壮大な光学現象を引き起こします。空の青い色は、レイリー散乱の直接の結果であり、より高い周波数(青)の太陽光を観測者の視野に戻します。青色光は赤色光よりも散乱しやすいため、日の出日の入りのように、厚い大気を通して観測すると、太陽は赤みがかった色合いになります。空に追加された粒子状物質は、さまざまな角度でさまざまな色を散乱させ、夕暮れと夜明けにカラフルな輝く空を作り出すことができます。大気中の氷の結晶やその他の粒子の散乱は、ハロー残光コロナ太陽光線、そして日。これらの種類の現象の変化は、粒子のサイズと形状の違いによるものです。[99]

蜃気楼は、空気の屈折率の熱変化によって光線が曲がり、遠くの物体の画像がずれたり、大きく歪んだりする光学現象です。これに関連する他の劇的な光学現象には、歪んだ形状で予測されるよりも早く太陽が昇るように見えるノバヤゼムリヤ効果が含まれます。壮大な形の屈折は、蜃気楼と呼ばれる温度の逆転で発生します。ここでは、島、崖、船、氷山など、地平線上または地平線を越​​えたオブジェクトが、「おとぎ話の城」のように細長く、高く見えます。[100]

虹は、雨滴の光の内部反射と分散屈折の組み合わせの結果です。一連の雨滴の裏側での1回の反射により、空に40°から42°の範囲の角度サイズの虹が生成され、外側が赤になります。二重の虹は、50.5°から54°の角度サイズの2つの内部反射によって生成され、外側は紫になります。虹は、太陽が虹の中心から180度離れた状態で見られるため、太陽が地平線に近づくほど、虹が目立ちます。[66]

も参照してください

参考文献

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