光物理学

反射と屈折

光線は、表面で反射するとき、1つの透明な媒体から別の媒体に移動するとき、または組成が連続的に変化する媒体を通過するときに方向を変えます。反射の法則では、滑らかな表面からの反射では、反射光線の角度は入射光線の角度と等しいとされています。（慣例により、幾何光学のすべての角度は、表面の法線、つまり表面に垂直な線を基準にして測定されます。）反射された光線は、常に入射光線と法線の法線によって定義される平面にあります。表面。反射の法則は、平面鏡と曲面鏡によって生成される画像を理解するために使用できます。ミラーとは異なり、ほとんどの自然な表面は光の波長のスケールで粗く、その結果、平行な入射光線は多くの異なる方向に反射されます。拡散反射は、どの位置からでもほとんどの照明された表面を見る能力の原因です。光線は表面のすべての部分で反射した後、目に到達します。

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１つの透明な媒体を進む光が第２の透明な媒体（例えば、空気およびガラス）との境界に遭遇すると、光の一部は反射され、一部は第２の媒体に透過される。透過光が第2の媒体に移動すると、進行方向が変化します。つまり、屈折します。また、スネルの法則として知られている屈折の法則は、（入射角θとの関係について説明₁）及び屈折角度（θ ₂に、表面に対して垂直（「垂直線」）に対して測定された）を、数学用語：N ₁ θ罪₁ = N ₂罪θ ₂、ここで、n ₁およびn _2は、それぞれ、第一及び第二の媒体の屈折率です。任意の媒体の屈折率は、その媒体での速度に対する真空内の光の速度の比に等しい無次元定数です。

定義により、真空の屈折率は正確に1です。透明な媒体の光の速度は常に真空の光の速度よりも遅いため、すべての媒体の屈折率は1より大きく、 1と2の間の典型的な透明な材料。たとえば、標準条件での空気の屈折率は1.0003、水は1.33、ガラスは約1.5です。

屈折の基本的な特徴は、スネルの法則から容易に導き出されます。光線が2つの媒体間の境界を横切るときの光線の曲がりの量は、2つの屈折率の違いによって決まります。光がより密度の高い媒質に入ると、光線は法線に向かって曲げられます。逆に、より密度の高い媒体から斜めに現れる光は、法線から遠ざかります。入射ビームが境界に垂直である（つまり、法線に等しい）特殊なケースでは、2番目の媒体に入射するときに光の方向に変化はありません。

スネルの法則はレンズの結像特性を支配します。レンズを通過する光線は、レンズの両面で曲げられます。表面の曲率を適切に設計することで、さまざまな集束効果を実現できます。例えば、最初に点光源から発散する光線は、レンズによって方向を変えて空間内の点に収束し、焦点の合った画像を形成することができます。人間の目の光学系は、角膜と水晶体の焦点特性に集中しています。遠くのオブジェクトからの光線は、これら2つのコンポーネントを通過し、光に敏感な網膜上でシャープな画像に集束されます。他の光学イメージングシステムは、拡大鏡、眼鏡、コンタクトレンズなどの単純な単レンズアプリケーションから、複数のレンズの複雑な構成までさまざまです。現代のカメラでは、特定の倍率を生成し、不要な反射による光の損失を最小限に抑え、レンズの収差によって引き起こされる画像の歪みを最小限に抑えるように選択された6個以上の個別のレンズエレメントを使用することは珍しくありません。