光学

光学（optics）は、光の伝播、反射、屈折、干渉、回折、物質との相互作用などを研究する物理学の分野である。

幾何光学

光を光線として扱い、反射の法則やスネルの法則を用いて鏡やレンズによる像形成を記述する。

波動光学

干渉や回折、偏光などは光の波としての性質を示す。これらは波動方程式や重ね合わせの原理で説明される。

量子光学

光と物質の相互作用を量子論で扱うと、光は光子という量子的な励起として記述される。

屈折と光路

異なる媒質の境界で、入射角と屈折角を法線から測るとn₁sinθ₁=n₂sinθ₂となる。屈折率が大きい側へ進むと通常は法線に近づく。逆に大きい側から小さい側へ進む場合、入射角が臨界角を超えると全反射が起こる。光ファイバーはこの性質を利用する。

例：薄いレンズの像

空気中の理想的な薄い凸レンズで焦点距離f=10 cm、物体距離a=30 cmとする。1/f=1/a+1/bから1/b=1/10−1/30=1/15なので、像距離b=15 cm。横倍率は−b/a=−1/2で、倒立した半分の大きさの実像になる。距離の符号規約は教材によって異なるため、途中で混ぜない。

波長が効いてくる場面

レンズや開口の寸法が波長に比べ十分大きいと幾何光学が有効だが、小さな開口では回折を無視できない。二つの波の位相差で強め合い・弱め合いが起こるのが干渉である。分解能は倍率だけで決まらず、波長と開口径にも制限される。光を大きく拡大しても、失われた細部が自動的に戻るわけではない。

関連項目