１章 光学の基礎 12t5007D 五浦 亮佑 目次 • • • • 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
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