メニュー

レンズと結像:レンズの基礎知識2

レンズの基礎知識

更新日:2020年7月29日(初回投稿)
著者:株式会社オプト・イーカレッジ 代表取締役 河合 滋

前回は、レンズを知るための基礎知識として、光と色の性質について説明しました。今回は、レンズに入射した光が集光し、結像する仕組みを解説します。

今すぐ、技術資料をダウンロードする!(ログイン)

1. 光軸と主光線

・光軸と主光線

光学系の中心を通る軸を光軸と呼び、座標系では、通常、光軸をz軸とします。また、光の伝搬を考えるとき、光束の中心を主光線と呼びます(図1)。結像について考えるとき、光軸と主光線の関係は非常に重要です。

図1:光軸と主光線

図1:光軸と主光線

・メリジオナル面とサジタル面

光軸と主光線を含む面をメリジオナル面(タンジェンシャル面、子午平面)と呼びます。また、主光線を含み、メリジオナル面に直交する面をサジタル面(球欠平面)と呼びます(図2)。

図2:メリジオナル面とサジタル面

図2:メリジオナル面とサジタル面

メリジオナル面は、主光線が光軸に対して最も傾斜している状態を表しています。逆に、サジタル面では、主光線と光軸が一致するため、光線の斜入射の影響が現れません。レンズを評価する場合には、メリジオナル面の性能が重要です。

2. 焦点距離と主要点

・焦点の位置

光軸に対して平行な光を凸レンズに入射させたとき、その光が集光する位置が焦点です(図3)。

図3:凸レンズの焦点

図3:凸レンズの焦点

物体側から光を入射させたときの集光位置を像側(後側)焦点といいます。また、像側から光を入射させたときの集光位置を物側(前側)焦点といいます。逆に考えれば、焦点から出た光、あるいは焦点を通る光線は、凸レンズを通過することにより、光軸に対して平行になります。

これに対し、凹レンズでは光は発散してしまい、集光しません。この発散光を逆向きにたどると一点に集光します。これが凹レンズの焦点です(図4)。また、それぞれの焦点を含み、光軸に垂直な面を焦平面と呼びます。

図4:凹レンズの焦点

図4:凹レンズの焦点

・焦点距離

焦点距離は、レンズの中心から焦点までの距離です。一般に、距離に符号を付けることはありません。しかし、光学では、光の進む方向を正として符号を用います。例えば、凸レンズの像側の焦点距離f’は、図5に示すように、レンズの中心から光の進む方向へ距離を測るため、正の値を持ちます。これに対して、物側の焦点距離fは、レンズの中心から光の進む方向と反対の方向に距離を測るため、負の値を持ちます。

図5:焦点距離

図5:焦点距離

これに対し凹レンズでは、物側焦点は像空間にあり、像側焦点は物空間にあります。従って、物側焦点距離は正の値、像側焦点距離は負の値を持ち、凸レンズとは逆になります。光学で使われる式で距離を扱う場合には、通常、これらの符号を含めるので注意が必要です。そのため、距離を定義する場合、どこからどこまでの距離なのか、すなわち、始点と終点をはっきりさせる必要があります。

3. 主平面と主点

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

4. 物体と像の関係

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

    ピックアップ記事

    tags