1章 光学の基礎

１章 光学の基礎
12t5007D
五浦 亮佑
目次
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はじめに
光の進路
反射の法則
屈折の法則
・光路長
・全反射
・まとめ
はじめに
• 光は身近で生活には必要不可欠
• 基本的な原理
光は直進する
光束は目に見えない
光の進路は可逆的
光の反射
光の屈折
光の進み方
真空中では光は直進する
図１ 光線
光の進路は可逆的
（例外）光の散乱、回折
図２ 光の回折
ピンホールカメラ
・光の進み方を理解できるレンズを用いないカメラ
0.2mm~0.5mm程のピンホールをあけ、その孔を通る一つの方向
の光線のみからスクリーン上に像が映し出される。
フィルムに届く光の強さがレンズで集光す
る場合に比べとても弱いので、スクリーン
上に映し出されるのに時間がかかる。
光の散乱
• レーザー光の光速は目には見えないがビーム内の微粒子が
光を散乱することにより、目に見える。
(例) 晴れた日の空では大気中の微粒子により短波長光
(450nm~495nm程度)が強く散乱され、綺麗な青空が見える。
一方で・・・
空気の汚い場所ではスモッグ
などにより長波長光も散乱される。
そのため、綺麗な空が見えない。
光の反射
• 反射の法則
反射する際
入射角＝反射角が成立する。
反射率=反射光のエネルギー/入射光のエネルギー
入射角が90度になったとき
反射率1(完全反射)になる。
反射による像(1)
顔から出射したそれぞれの光線が
鏡の表面で反射の法則に従い反射。
bから射出された光の反射光線は
b’から射出されたように見え
鏡の中に自分の顔を見ることができる。
平面鏡に自分の顔が写る
虚像
反射による像(2)
• 凹面鏡では平行光線は反射すると一点sに集まる。
逆に一点sから発する光線はすべて平行に進むよう
になる。
光軸に平行な光線は焦点を通る。
焦点を通る光線は光軸に平行な直線になる。
屈折の法則
• 二種の透明物質が接しているところに光が入射すると、
光の進行方向が変化することを屈折と呼ぶ。
屈折の際、以下の式が成立する。
n=sini/sinr
=空気中の光の速さ/水中の光の速さ
nは屈折率で二つの物質によって定まる。
光路長
• 光が物質中で距離d進むのにかかる時間に真空中を光が
進む距離を光路長と呼ぶ。
d = vt
n = c/v なので、
nd = ct
光路長=nd
c:真空中の光の速さ
全反射(1)
• 光学的に密な媒質から光学的に疎な媒質に光が進むとき、
ある入射角Θを越えると屈折光線は境界面に沿った方向
に向く。
Θ：臨界角
臨界角を越えるとすべて内部に反射される。
全反射
全反射(2)
屈折の法則より
1*n = n’*sinΘ
sinΘ=n/n’
よって屈折率の高いものから低いものへ進むときのみ全反
射が起こる。
光ファイバーケーブルでは屈折率の大きい
ガラスなどの素材を中心部に使い外周に
屈折率の小さい素材を用いる。
まとめ
・光の進路
・光は直進する。(例外)散乱、回折
・光の進路は可逆的である。
・光の散乱により物体を視覚できる。
・反射の法則
・光学的に密な媒質により反射 入射角=反射角
・屈折の法則
・二種の透明物質が接する所に光入射→光の進行方向変化
・屈折率は二つの媒質により決まる。
・全反射
・光学的に密な物質から疎な物質に入射するときのみ。
・光ファイバーなどに用いる。
参考文献
光の散乱
http://www.mmjp.or.jp/rwicp/data104.html
大津元一・田所利康「光学入門」朝倉書店
ピンホールカメラを作ってみよう http://www.toshiphoto.com/Tutorial/TutorialIndex01.html
http://www.chem.gunmact.ac.jp/H19kokaikoza/textbook/gratings.html