Ｑ＆Ａ：光の御質問をどうぞ
■■光のＱ＆Ａ■■
●通信学会科学実験教室 テキスト
１９９９年９月１１日土曜日 午後１時から３時
「光通信のひみつをさぐれ！−発光ダイオード、レーザ、そしてマルチメディア−」
日本大学理工学部 藤井 陽一
MAG00736@nifty.ne.jp
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なんでも、教科書の原理図や挿し絵の暗記ではなく、現象の本質を考えよう。
補助単位を覚えよう：１０^3 置きに ＹＺＥＰＴＧＭｋ−ｍμｎｐｆａｚｙ
■光は、電磁波の１部門である。
電気の振動である。電磁波は、非媒体波。空間を自由に伝わる。
■光はエネルギーである。
振幅^2＝パワー ａ^2＝Ｐ
エネルギー＝パワー×時間 Ｅ＝Ｐｔ ［Ｊ］＝［Ｗ］［ｓ］
■光は波である。光速、周波数、波長、位相がある。
ｃ＝ｆλ ３×１０^8［ｍ／ｓ］＝周波数［Ｈｚ］×波長［ｍ］
種類 周波数［Ｈｚ］ 波長［ｍ］
ガンマ線、Ｘ線 ３０ＰＨｚ〜 〜１０ｎｍぐらい
紫外線 １ＰＨｚ〜３０ＰＨｚ １０ｎｍ〜３００ｎｍぐらい
可視光線 ４００ＴＨｚ〜１ＰＨｚ ３００ｎｍ〜８００ｎｍぐらい
赤外線 ３００ＧＨｚ〜４００ＴＨｚ ８００ｎｍ〜１ｍｍぐらい
ミリ波、マイクロ波、電波 〜３００ＧＨｚ １ｍｍ〜
■偏波＝偏光
光は空間を伝わる。空間には、ｘｙｚと３つの自由度がある。電磁界は、どの方向でも、ＯＫ。しかし、伝わる方向は、普通ｚとする。従って、残り、ｘｙの２つの自由度がある。これを偏波という。垂直／水平偏波、右廻り／左廻り偏波など。
■光の波には位相があって干渉する。
干渉径 Ｄ その寸法内では位相が揃っている。パラボラアンテナの径と同じ
指向性 θ 光の拡がり角
θ＝λ／Ｄ 拡がり角＝波長／干渉径 ［ラジアン］＝［ｍ］／［ｍ］
■光はまっすぐ進む。直進性
しかし、進んでいるところは眼では見えない。紙などで遮る、微粒子で散乱させるなどして進んでいる途中を眼で見ることができる。
ＨｅＮｅレーザー まっすぐ進むのが空気中の微粒子の散乱で見える。
レーザダイオード まっすぐ進む。レーザーポインターとして使う。
ＬＥＤ 広がって進む。
自然光 広がって進む。
■光線
２種類ある。
１．光ビームの軸。１本。通っているのを横から見ることができる。
２．光の波が進む向き。たくさんある。目で見て間接的にわかる。
ＨｅＮｅレーザ、レーザダイオード 光ビーム。軸が見える。
ＬＥＤ、自然光 光が進む向きを目で直接確かめよう。
■光は干渉する。干渉性。コヒーレンス 指向性
波長は同じでも広がり方、干渉性が異なる。
干渉径が異なる：
ＨｅＮｅレーザー ５ｍｍぐらい ０．０００１ラジアン
レーザダイオード ５０μｍぐらい ０．０１ラジアン
ＬＥＤ ０．５μｍぐらい １ラジアン
自然光 ０．５ｎｍぐらい 四方に広がる
波長は赤 約０．６μｍとして
■光は物質で道草する。屈折率。光の速さ
光は物質が好きで、かならず立ち寄って道草する。従って、平均すれば光の速さが遅くなる。この比を屈折率ｎという。
光の速さｖ＝ｃ／ｎ ｃは一定：３×10^8ｍ／ｓである。
真空 ｎ＝１
水 ｎ＝１．３３
ガラス ｎ＝１．５ ぐらい
屈折率ｎは、光の周波数によって少しずつ変わる。これを分散という。
■光は吸収、放出される。
光は、それと同じ周波数の振動をしている物質に、共振して、吸収される。また逆に放出される。物質は、その周波数ωに対して、エネルギーが
Ｅ＝ｈω
だけ増減する。ｈはプランク定数。
■発光の原理
レーザーと発光ダイオード
ＨｅＮｅレーザ レーザダイオード は、誘導放出という原理で光を出す。
ＬＥＤ 自然光 は、自然放出という原理で光が出ている。
自然放出： ある原子分子で、エネルギーの高い状態から低い状態へ落ちるとき、光を出す。ほかの原子などとは無関係。位相はランダム。スペクトル幅は広い。
誘導放出： エネルギーの高い状態から低い状態へ、入力したほかの光につられて落ち、従って、互いに位相の揃った光を放出する。スペクトル幅は狭くなる。
発光する波長はエネルギー準位の差によって決まる。従って、物質固有。勝手に変えられない。
■光はたくさんの周波数の光から成り立っている。
スペクトル幅が違う：
ＨｅＮｅレーザー 非常に狭い １ＧＨｚぐらい
レーザダイオード 狭い １００ＧＨｚぐらい
ＬＥＤ 広い １００ＴＨｚぐらい １ラジアン
自然光 非常に広い
■波長特性
受光器（目）には波長感度特性がある。レーザ、ＬＥＤにも光り易さの波長特性がある 人間の目は、緑の周波数が一番感度が高い。照度［ｌｘ］は、人間の目の感度特性を取り入れた光のパワー密度。
普通の光検出器（Ｓｉフォトダイオード）は、高い周波数、短い波長のほうが感度が高い。
レーザ、ＬＥＤ（ＧａＡｓ系）は、低い周波数のほうが作り易い。
■出力パワーが違う：
ＨｅＮｅレーザー １〜１０ｍＷぐらい
レーザダイオード １〜１０ｍＷぐらい
ＬＥＤ １〜１０ｍＷぐらい
自然光 １０〜１００００ｌｘぐらい
出力パワーも物質固有。勝手に変えられない。
■安全注意！！
光（レーザー）の危険は、熱と化学作用。周波数とパワーによる。
パワーの強いレーザーには注意しよう。眼に入れない。肌に触れさせない。
紫外線には当たらないよう注意しよう。日焼け、皮膚癌。ビタミンＤの迷信だ。
ＨｅＮｅレーザーレーザダイオードは大体眼にいれても大丈夫だがを直接目に入れないほうが良い。
ＬＥＤ、自然光は、特に強くなければ眼に入れても大丈夫。
従って、注意すればレーザーは安全である。
■実験準備：レーザーと発光ダイオード＋電源 １０個ずつぐらい 各机に配置。
ＨｅＮｅレーザー＋電源
●●実験１：紙にあてて見る。
広がりを比較する。
干渉性が高いときは、スペックルパターンが見える。スペックルパターンは、紙の上のランダムな反射が眼の中で干渉して生ずるのである。 ＨｅＮｅレーザー ◎干渉性が高いから、スペックルパターンが見える。広がらない。
ＬＤ △ 直進する。スペックルパターンが見える。
ＬＥＤ × 拡がっているのしか見えない。
自然光 × 殆ど見えない。
●●実験２：ファイババンドルにあてる。
光は、ファイバの中を進むこともできる。光ファイバは、中心の屈折率が高く、周囲が低い物質で出来ている。光は物質がたくさんあるところ、屈折率の大きいところ、を好んで進む。そのため、ファイバの中を伝えることができる。
まっすぐ進む光はファイババンドル中を進み、端面から綺麗に光って見える。
広がるとパワーが落ち、はっきり見えない。
ＨｅＮｅレーザー ◎ 綺麗 ファイバ中を伝わっている光が見える。
ＬＤ ○ 光が広がり弱いので、あまり綺麗ではない。
ＬＥＤ × 眼で見て下さい。光が広がり弱いのでよく見えない。
自然光 × 明るい光をあてると見える。
●●実験３：レンズで絞れるか。
干渉性の悪いものは、多くの小さい干渉径の光の集まりである。
干渉性の悪いものは絞っても小さくできない。
ＨｅＮｅレーザー ◎
ＬＤ ○
ＬＥＤ ×
自然光 ×
●●実験４：ホログラムが見えるか
ホログラムは干渉である。ホログラムの中にある細かい縞模様からの干渉が眼に入って元のイメージが見える。
ＨｅＮｅレーザー ◎ 良く見える。
ＬＤ ○ 見える。
ＬＥＤ × 見えにくい。
自然光 × 見えない。特別な「白色光ホログラム」は見える。
●●実験５：プリズムで屈折分光を見よう。
光の周波数によって屈折率が変わる（分散）のため、周波数によって、つまり、色が変わると屈折する角度が違うので周波数の違う光を分けることができる。
原理図とは異なり、分かれていく光線は、横から目で見ることはできない。
プリズムの出口から、直接目で見て観察して下さい。
ＨｅＮｅレーザー 単色 プリズムで屈折して行く光線の様子を横から見よう。出口から観察しないこと。周波数は一定なので、分かれない。
ＬＤ 単色 プリズムで屈折していくのが見える。出口から観察しないこと。
ＬＥＤ 単色 位置が変わる。出口から眼で見ると、元の緑黄赤の間隔より拡がって見える。屈折によって光が別れた証拠。
自然光 分光 いろいろな色に別れる。自然光＝白色光は、広いスペクトルを持っている。出口から蛍光灯などを観察して下さい。
●●実験６：ＣＤＲＯＭで干渉分光を見よう。
ＣＤＲＯＭは、細い線が多数引かれているので、回折格子と同じに分光作用がある。記録した部分は、情報に対応するドットが書き込まれるので、光が散乱して綺麗には見えない。
ＨｅＮｅレーザー 単色 周波数は殆ど一定だから、別れては見えない。
ＬＤ 単色 スペクトルの拡がりは見えない。
ＬＥＤ 単色 スペクトルが広いので、少し色が着いて見える。緑黄のＬＥＤは両わきの色が少し見える。赤では、眼の波長感度が悪いので、スペクトルの拡がりは見えない。
自然光 分光 白色光だから、綺麗な色が着いて見える。これは、普通見ていること。
●●実験７：コーナーレフと鏡
光線の説明 光線はまっすぐ進む。光線は→←両方向に進む。
普通の鏡は、鏡の面に対して対称な角度に出る。だから、鏡を傾ければ、いろいろな景色を見ることができる。
コーナーレフは、３回反射して出てくるので、入射光と同じ方向に出る。だから、何時も自分の眼しか見えない。
ＨｅＮｅレーザー 光の経路を見よう。
ＬＤ 光の経路を見よう。
ＬＥＤ ×
自然光 いつも自分の眼が見える。鏡ではいろいろなものが見える
●●実験８：光フィルタを見よう。
色ガラスフィルタにはいろいろなものがある。その内、赤フィルタは、赤より波長の短い光は通さない。ほかにも、干渉フィルタなどいろいろなフィルタがある。
ＨｅＮｅレーザー 赤の周波数である。 通る。
ＬＤ 赤の周波数である。 通る。
ＬＥＤ 緑、黄色少し通る。スペクトルの広がりがあるから。赤 通る。
自然光 赤だけが通るから、景色は赤く見える。
●●実験９：光の偏光
光には偏光という自由度が２つある。いろいろな光が偏光しているか見よう。偏光板を回転して、光の強さが変わるのは偏光している証拠である。
ＨｅＮｅレーザー 綺麗に偏光しているのと偏光していないのがある。
ＬＤ 少し偏光している。
ＬＥＤ 偏光していない
自然光 偏光していない。
●●実験１０：パワーを測ろう。
光のパワーは、自然光でもレーザーでも同じことである。光パワー測定器を注意して使って、測定して見よう。
ＨｅＮｅレーザー １０ｍＷぐらい。
ＬＤ １ｍＷぐらい
ＬＥＤ ０．１ｍＷぐらい。
自然光 明るさによって違う。１ｍＷぐらい？照明の単位は別にある。部屋は普通２００ｌｘぐらい。
●●実験１１：ピンホ−ルカメラを作ろう。
小さい穴は像から来る光の角度分布を取り出す作用がある。従って、入射角度分布という形で像を見ることができる。これは、レンズの結像作用、つまり、位置の分布（角度でなくて）とは異なる。像は、倒立している。
穴の径：明るさと分解能と反比例関係にある。
ＨｅＮｅレーザー 穴のパターンが見える。
ＬＤ 穴のパターンが見える。
ＬＥＤ 光が弱いので見えない。
自然光 大きい穴：明るい像しかしぼけている。小さい穴：暗いがはっきりしている。
自然光は干渉径が小さいので、穴が大きいと、位相が打ち消し合ってぼけてしまう。
レンズは、この位相の差を調整して、何処でも位相が合うようにしたものである。
世の中には光が溢れているが、光は実用的にも、広く使われるようになった。これらによって、現在のマルチメディア社会の基礎が作られた。
●光ファイバ通信 光のパルスを、光ファイバを通して遠くに送る。
空気よりも透明なガラスファイバ、高速変調できる半導体レーザが出来たので、はじめて実用になった。
●ホログラム ３次元的な光の情報を、干渉縞の形で記録したもの。３次元的なディスプレイとして利用される。
●発光型心電計 光を応用したセンサは、誘導雑音の少ない計測に便利である。心臓の情報をチェックする心電計にも光を利用したものがある。
●光記録 ＭＯ、ＭＤ，ＣＤ、ＤＶＤなど最近は、大容量の光記録媒体が大きな進歩をしている。
２１世紀は光の世紀と言われる。将来、光の新しい応用が開発され、実用化が進展していくものと考えられる。
■■光のＱ＆Ａ■■
Ｑ＆Ａ：光の御質問をどうぞ
Ｑ01：光自体は温度というものを持っていますか？
Ａ01：
●光は波です。従って、エネルギー＝周波数、振幅、位相 などのパラメータを持つ波のモードです。従って、温度、というパラメータはありません。
●しかし、ｈω＝ｋＴ＝ｅＶ という関係によって、周波数＝エネルギーを、温度ということがあります。また、電子ボルトで呼ぶこともあります。
●色、すなわち、広いスペクトルの光を、対応する黒体放射の温度に対応して、色温度ということがあります。赤い光は温度が低い、など。
Ｑ02：干渉径 とは？
干渉径は簡単に測定できますか？
干渉径は制御できますか？
実際の太陽光（自然光）を虫眼鏡で集光させるときはどうなりますか？
Ａ02：
●干渉径、あるいは、干渉面積、あるいは、開口 は、昔からあまり意識されなかった量です。なにか、光っている面積があるとき、それ全体が、干渉するかどうかわからないですね。それで干渉する範囲を、干渉径ということに致します。
●具体的には、レーザーでは、干渉性が高いので、殆ど、その出口の面積と同じ、蛍光灯などでは、非常に小さい〜原子サイズです。
●干渉径Ｄの測定は、拡がり角θ＝λ／Ｄから、推定することができます。
●普通の光源の面積と同じですから、レンズなどの光学系によって拡大縮小することが可能です。しかし、干渉性そのものを光学系で改善することは出来ません。
●レンズで絞るときは、レーザーなどの干渉性の高いものは、波長よりも小さいところまで絞れます。太陽、蛍光灯などの干渉性の悪いものはレンズによって、その、「像」ができるだけですので、波長まで小さくすることはできないです。
Ｑ03：ブラックホール内で光は見えますか？
Ａ03：
●見えます。
●密度が薄いブラックホールなら、我々も既にその中にいるので、普通に見えます。
Ｑ04：蜃気楼はどういったものなのでしょうか？
Ａ04：
蜃気楼とは、温度の高い空気は、分子が暴れて離ればなれになっているので屈折率が低い。 温度の低い空気はその逆で屈折率が高い。
富山湾の水は、春先、アルプスの雪解けの水が入って冷たい。従って、その海のすぐ上の空気は冷え、上空は暖かい状態が続く。ところで、光は屈折率の大きいところが好きで、そちらへ曲がる。従って、遠くの景色からの光が海の上を這うようにして、遠くでも見える、というのが普通の説明です。
夏路面が熱くなってその上の空気が高温になり、しかし、その上は低温、という、「逃げ水」も逆の蜃気楼です。
大気上空には、電離した電子があるので、屈折率が下がり、短波放送が遠くで聴こえるのも同じ原理。
光ファイバが遠くまで光を伝えるのも同じ原理です。
Ｑ05：ステレオグラムうちわというものもどういった構造をしていますか？
Ａ05：
ステレオうちわですが、立体画像方式にはいろいろあって、私は実物を見てないので、良くわかりませんが、多分、レンティキュラ方式ではないでしょうか。
これは、左右いろいろな角度からみた絵を細い短册状の写真にし、その上に、細いかまぼこ状のレンズ（レンティキュラ板）を貼り付けたものです。
左右の目から、違う角度で記録した絵を見るので、立体的に見えます。
Ｑ06：オーロラはなぜいろいろな色があるのか？
Ａ06：オーロラは、太陽から飛んで来る、高速の粒子：電子、陽子などが、地球の磁界に捕まって、北極、南極に集まり、そこの大気中の分子にぶつかって、これを電離し、それら分子が元に戻るときに光を出す、という原理です。
いろいろな色に見えるのは、太陽からの粒子の量とエネルギーの違い、地球磁界の分布状況の違い、空気分子の種類の違いによると思います。
Ｑ07：虹はなぜ起こるのか？
Ａ07：大気中の水滴に、太陽の光が当たって、屈折、反射して見えます。
水の屈折率は、波長によって違うので、プリズムのように、出てくる光の角度が違うので、ご覧のように色が別れて見えます。
Ｑ08：ブラウン管の上でビニールを通して綺麗な花が見える。
Ａ08：これは、カラーブラウン管は、一面に白に見えるとしても、実は、赤緑青の３色の細かい点から成り立っているからです。その上に、透明なビニール、セロハン紙などを置くと、その透明なビニールに微妙な凸凹があるので、ブラウン管からの光がランダムに曲がって（ランダム屈折）色が見えるのです。白色光を７色に分けるプリズムをランダムに並べたようなものです。
これをもっと簡単に実験するには、次ぎにようにして見て下さい。すぐわかります。透明なセロテープ（不透明なメンディングテープは駄目）を、白く光っているブラウン管の上に貼って下さい。綺麗な色が見えます。セロテープは微妙な凸凹があり、ブラウン管は赤緑青の点点で光っているからです。
同じように、今度はセロテープを白く光る蛍光灯に貼って下さい。今度は色は見えず、真っ白なままです。蛍光灯は、赤緑青の点ではなく、もっと一様に白く光っているからです。
Ｑ09：ブラウン管の近くで小さい粒が曲がる。
Ａ09：これは、直接光とは関係がなく、静電気の所為だと思います。
ブラウン管は、１万から２万ボルトという高い電圧で、電子を加速して蛍光膜にぶつけ光らせています。そのとき、その高い電圧を持った電子が少し表にも出るのです。それで、その電子が、地面に帰りたくて、何か小さい粒が通ると、それを呼びつけるのです。それで、粒は曲がって落ちたり、ブラウン管面上に吸い付けられたりします。
静電気のためにドアのノブに触ってビリっというのと同じ現象です。
上から細かい粒をブラウン管の前で落としながら、横からカメラで撮ると良くわかります。
Ｑ10：液晶は偏光を使ってるって？
Ａ10：液晶テレビは偏光を使っている。同じＴＶの番組を映している ブラウン管のテレビ と 最近流行の液晶テレビを並べて、偏光フィルタを通して見て下さい。液晶テレビは、偏光フィルタを回すと見えなくなる角度がありますが、普通のブラウン管では関係なく見えます。
Ｑ11：位置が無くて方向だけがある物って何ですか？
Ａ11：それは虹です。虹は、太陽（光源）から、ある決まった角度でそれぞれの色の光が出ます。ですから、角度、つまり方向はありますが、特別の位置というものはありません。霧吹きを使って小さな虹を作れば簡単に実験できますね。
Ｑ12：ティッシュをテレビの前で回すと花のように見えるのは何故ですか。
Ａ12：回転しているティッシュが花のように見えるのは、ストロビング効果によるものでです。テレビは、１秒に６０回光っているので、回転するティッシュとバックでブラウン管上に映し出される光の周波数（６０Ｈｚ）により、花のように見えます。テレビや蛍光灯などでも同様の効果があるのですが、人の視覚的にはパソコンのブラウン管のような光度の比較的弱く、一定の絵のほうが、見えやすいと思います。 高木 俊和 （４年生）
Ｑ13：テレビの前で水滴が登るように見えるのは何故ですか。
Ａ13：テレビの前で水滴を落とすと、水滴が上がっていくように見える現象はストロービング効果によるものでです。
テレビの画面は、何時も一定に光っているのではなく、１秒に６０回光っています。ですから、たまたま光った瞬間にいる水滴を、人間の目が適当に解釈して繋げるので、上昇するように見える場合もあるのです。
テレビよりもパソコンのブラウン管ディスプレイの方が画面が一定なので、比較的見やすいです。また、テレビのように色の種類の少なく一様な画面のものの方がより効果的です。
足立区入谷のウエアハウスにこの原理を使った展示があります。普段は水が滝のように流れているだけですが、部屋を暗くしてストロボを連続的に光らせると、まるで水滴が上昇しているかのように見えるのです。 朝倉 泰代 （大学院１年）
Ｑ14：２枚の渦巻を上下に動かすと回るように見える。
Ａ14： これは、「モアレ効果」という現象の一種ではないか、と思います。
一番簡単なモアレは、すだれのように平行線を引いた透明な板を２枚つくり、重ねて、一方を動かします。そうすると、重なった部分が別の方向に動くように見えます。
これは、視覚認識心理の問題で、人間の眼は、それが実際に存在しないものでも、動くものには敏感に反応し、まるで、何かが動いているように見えるのです。モアレは、光の波長の問題ではなく、視覚生理の問題ですので、太い線の場合にも起こります。
例として、鋏を開き閉じると、二つの刃の交点が急速に動くように見えます。
つまり、線の幅ではなく、線の端の交わりの動きが重要なのですね。この交わりの角が鋭いほど、線自身の動きよりも交わりの部分が速く動くことになるので、人間の目はそちらを重点的に見るので、御質問のように、上下に動かしただけでも、回転しているように見えるのです。
モアレは、人間の視覚だけではなく、その特徴を、計算機で画像処理して、いろいろな計測応、たとえば、仏像の形状の測定、ブラジャーの設計など、複雑な形状の計測に使われています。
Ｑ15：光ファイバはガラスだから水に強い。
Ａ15： いいえ、逆に、ガラスは水に弱いのです。同じガラスのコップで４年以上毎日ビールを飲んでいる人は居ません。かならず何時か壊れるからです。ガラスに水が侵入すると、細かいクラックが生じ、ファイバは切れてしまいます。また、水の分子は、光通信に使う波長の光を吸収するので、光の損失が増えます。
Ｑ16：画素とは何か。
Ａ16：画素、ｐｉｘｅｌとは、イメージをディジタルに分解したときの要素です。位置とそこでの色情報を持っています。しかし、点ではありません。色は、２色、８色、パレット１６−２５６色、６５０００色、１６００万色など、各種あります。
Ｑ17：ＲＧＢと光の波長の関係は。
Ａ17： ＲＧＢは人間の視覚のパラメータです。波長の情報を、人間にわかるように編成したものです。ですから、逆に、ＲＧＢから光の波長はわかりません。
Ｑ18：レンズにレーザ（光）を照射した場合、焦点距離から内側と外側ではどのように違うのですか？？
Ａ18： レンズの焦点距離は、レーザでも普通の光でも同じです。両方とも、光なのですから。
レンズの焦点距離は、入り口出口両方で同じです。
しかし、焦点距離を．．．ｃｍと測る基準の面＝主面＝が、入り口出口では違うところにあります。
・＜｜｜＞・ ・焦点 ｜主面
という感じです。・と｜の間の距離が焦点距離で、＜＞同じです。
焦点距離の測定は、主面の位置が不明のために、意外と面倒です。レンズの公式 ｆ焦点距離 ａ，ｂ像の位置 １／ｆ＝１／ａ＋１／ｂ で、ｘ，ｙが主面の位置とすると、
１／ｆ＝１／（ａ＋ｘ）＋１／（ｂ＋ｙ）
として、３回ａ，ｂを変えて実験を繰り返し、ｆ，ｘ，ｙを求めて下さい。
Ｑ19：砂糖水の上に普通の水を静かに注ぐと、向こうにある像が見える。
Ａ19： 砂糖を水に３０％（重量）溶かした水の屈折率は、 1.3638。一方、普通の水の屈折率は、 1.3330 です。この差はわずかですが、下の砂糖水のほうが屈折率が大きいので、その界面で全反射が起こり、界面よりも下、約12度にある像が反射して見えます。
これは、富山湾で起こる蜃気楼と同じ現象です。蜃気楼では、空気の温度差による屈折率の逆転ですが、この砂糖水では、溶質が違うための屈折率逆転です。
砂糖水の上にしっかりした紙などを置き、上から注ぐ水が混ざらないようにすると、綺麗な界面ができ、綺麗な反射像が得られます。このまま放置すると、または、かき混ぜなどをすると、砂糖が拡散して界面は消えてしまいます。
全反射像は倒立していますが、これは、普通の鏡で左右が逆になるのと同じで、鏡が寝ている状態なので、上下が逆になるのです。界面が歪むことによるレンズ効果ではありません。
Ｑ20：暗闇で光（光源、ライト）がない状態でも、物を見ることができないでしょうか？
Ａ20：暗いところでも、赤外線が出ていることがあります。赤外線で像を作り、電子的に増倍して像を増強し、目で見えるようにした装置が、ノクトビジョン、ＩＲスコープなどの商品名でうられています。戦争や特殊実験用に使われています。
Ｑ21：光は濃い煙などで遮断されてしまいますが、濃い煙があったとしても物を見ることはできないでしょうか？
Ａ21：煙、霧などの粒子の径は、可視光の波長と同じ程度ですので、可視光は散乱されて通りません。可視光よりも長い波長、たとえば、赤外線、マイクロ波では、散乱が少ないので、これらを使ってイメージを取る技術が開発されています。たとえば、合成開口レーダなどがそれです。これも軍用が主です。
Ｑ22：二人の影が近寄るとくっつくように見えますが何故でしょうか？
Ａ22：二人の影の周りは、影がぼけているために薄くなっています。その部分が重なると、影が濃くなるので、くっついて行くように見えます。これは、光線が作るインコヒーレントな像のぼけですから、光の波の重なりによって起こるコヒーレントな回折とは違う現象です。
Ｑ23：自然光は何故プリズムなどで分けないと、色が見えないのでしょうか？
Ａ23：自然光には、いろいろの波長の光が完全に含まれていますので、人間の目はそれを 白 であると感じます。 ある波長だけを取り除いた光、ある波長だけの光は、いろいろの波長を含んでいない、不完全な光ですので、人間の目は、それを、色であると感じます。
Ｑ24：光は電磁波であるという波動説と粒子であるという粒子説があります。この両方の二重性について、粒子説とはどんなものですか？粒子説でしか説明できない現象とはどんなものなのでしょうか？
Ａ24：光は電磁波ですから、基本的に波そのものです。光同士の相互作用では、干渉、回折のように、波としての相互作用をします。これが、粒子である、という粒子説は、たとえば、光電効果のように、光を物質当てると、電子、という粒子が出てくるから、逆に、光もｈωというエネルギーを持つ粒子と考えると説明しやすい、また、電子などの粒子にあてるときは、エネルギーｈω、運動量ｈω／ｃとして相互作用するということなどから、一種の説明のための便宜だ、とお考え下さい。
Ｑ25：凸レンズにより光を集めた場合、その部分の単位面積あたりの光の強さ（ルクス）は増加するのでしょうか？子供とソーラーカーの模型を作ったのですが、曇天で動かず子供が虫眼鏡で光を集めればよいと言い出したのですがそのような方法で動かすことは可能なのでしょうか？
Ａ25：レンズ集光の件ですが、レンズとは、受光器（ソーラーセルやフォトダイオード）の面積が小さいとき、大きい口径のレンズによって集光するために使います。
レンズの焦点付近の、面積当たりの光エネルギーは増えるので、小さい受光器でもエネルギーを取り込むことができるわけです。ソーラーセルのように大きい受光器の場合は、受けるエネルギーは、ソーラーセルの面積で決まってしまいますので、レンズを使っても使わなくても、エネルギーは同じです。 むしろ、レンズを使うと、焦点付近の温度が上がり過ぎて、ソーラーセルを壊すことになります。
ソーラーカーを走らせるには、面積の大きいソーラーセルに、強い光をあてることが大切です。
Ｑ26：ホログラムの記憶の時に参照光と物体光の光路差を０に近づけるのはコヒーレンスの観点からみてどういう意味でそうするのですか？
Ａ26：参照光と物体光の行路差を０にするホログラムは、白色光で再生して、できるだけ自然な像を得ることを目的とする、ホログラムの一種です。
白色光は波長範囲が広く、また、波形がランダムなので、コヒーレンスが低いです。コヒーレンスが低くても、光路差が０なら干渉します。そういう理由で、この種のホログラムは光路差が０になるようにして再生します。
(C)1999-2005 藤井 陽一
MAG00736@nifty.ne.jp
-*- 2005/05/08 -*-