プリズムはどのように機能するのでしょうか?光、屈折、分散の説明

プリズムは、光がガラスを通過するときに光を曲げることによって機能します。光の各色はわずかに異なる角度で曲がるため、白色光は完全な可視スペクトルに広がります。このプロセスには、次の 2 つの重要な物理原則が含まれます。 屈折 そして 分散 。これら 2 つの力がどのように相互作用するかを理解すると、空の虹から物理実験室でのレーザー実験に至るまで、あらゆることが説明されます。

光がプリズムに入ると何が起こるか

光線が空気からガラスに入ると速度が遅くなります。ガラスは空気よりも光学的に密度が高いため、光は低速でガラスを通過します。この速度の変化により、2 つの材料間の境界で光線が曲がります。この曲げは次のように呼ばれます 屈折 .

曲がりの量は、入射角の正弦と屈折角の正弦の比が 2 つの媒体の光速度の比に等しいというスネルズの法則で説明されます。実際には、光は密度の高い媒体に入ると表面に垂直な線に向かって曲がり、出るときはそこから離れるように曲がります。

プリズムは、少なくとも 2 つの平らな角度のある表面で形作られています。光はある面から入り、別の面から出ます。 2 つの表面は平行ではないため、入口で発生する屈折は出口で相殺されません。代わりに、両方の屈折が複合し、光をさらに同じ方向に曲げます。

なぜ白色光が色に分解されるのか

白色光は単色ではありません。それは可視スペクトルのすべての色の混合であり、それぞれが独自の波長を持っています。紫色の光の波長はおよそ 380 ～ 450 ナノメートルですが、赤色の光の波長はおよそ 620 ～ 750 ナノメートルです。

重要な点は、ガラスが異なる波長を異なる量だけ減速させることです。バイオレットのような短い波長は、ガラス内でより遅くなるため、より鋭く曲がります。赤のように波長が長いほど、速度の低下や曲がりが少なくなります。この波長に基づく曲げ角度の変化は、 分散 .

一般的なガラスプリズムでは、紫光と赤色光の屈折率の差は約 0.02～0.05 、ガラスの種類によって異なります。この小さな違いは、光がプリズムから出たときに色を広げて目に見える虹を形成するのに十分です。

スペクトル内の色の順序

色は常に一定の予測可能な量だけ変化するため、色は常に同じ順序で表示されます。最も曲がっていないものから最も曲がっているものへの順序は次のとおりです。

• 赤
• オレンジ
• 黄色
• 緑
• ブルー
• インディゴ
• バイオレット

これは自然の虹で見られるのと同じシーケンスで、水滴が大気中で小さなプリズムとして機能します。

プリズム形状の役割

標準的なプリズムの三角形の形状は偶然ではありません。頂角またはプリズム角と呼ばれる、三角形の頂点の角度は、光が受ける合計の偏差を直接制御します。頂角が大きいほど、色間の分離が大きくなります。

ほとんどのデモ用プリズムの頂角は次のとおりです。 60度 極端なジオメトリを必要とせずに、強力で容易に目に見える分散を実現します。 30 度のプリズムは光をより穏やかに偏向させますが、角度が 70 度を超えると、表面での内部反射により大幅な光損失が発生し始めます。

プリズムの材質も重要です。緻密なフリントガラスは、標準的なホウケイ酸ガラスよりも屈折率が高いため、色をより強力に分散させます。このため、正確な色分離が必要な光学機器には、通常の窓ガラスではなく、特別に配合されたガラスが使用されます。

色間の屈折率の比較

紙の上では屈折率の差は小さく見えますが、プリズムの形状によって出射面全体で色が増幅されると、はっきりと目に見える色の広がりが生じます。

プリズムは光を再結合して白に戻すことができますか

はい。アイザック・ニュートンは 1666 年に、最初のプリズムからの分散スペクトルの経路に 2 番目のプリズムを上下逆さまに配置することで、これを実証しました。 2 番目のプリズムは各色を曲げて整列させ、それらを単一の白色光ビームに再結合します。この実験は 2 つのことを証明しました。白色光にはすべての色が含まれているということと、プリズム自体は光に色を加えるのではなく、すでに存在しているものを明らかにするだけです。

この可逆性は光学設計において重要です。分析のために波長を分離する必要があるシステムは、収差のない理想的な光学系を想定して、情報を損失することなく後でそれらを再結合できます。

色分解を超えたプリズムの実用化

プリズムは虹を作るためだけに使われるわけではありません。これらは、光学機器やテクノロジーにおいてさまざまな精密な機能を果たします。

分光法

科学者はプリズムベースの分光計を使用して、物質によって放出または吸収される光を分析します。各要素は固有のスペクトル線のセットを生成し、指紋のように機能します。天文学者はこの技術を使用して、物理的なサンプルを収集することなく、数百万光年離れた星の化学組成を決定します。

双眼鏡と潜望鏡

双眼鏡内部のダハプリズムとポロプリズムを使用 全内部反射 分散というよりも。光が臨界角よりも急な角度でガラスの内面に当たると、光は損失なく完全に反射されます。これにより、双眼鏡は画像の明るさと向きを維持しながら、光路をコンパクトな形に折りたたむことができます。

電気通信と光ファイバー

光ファイバーネットワークにおける波長分割多重化では、プリズムと同様に機能する分散ベースのコンポーネントが使用されます。さまざまなデータ チャネルがさまざまな波長の光で送信され、回折格子やプリズム状の要素を使用して分離または結合されるため、1 本のファイバーで膨大な量の情報を同時に伝送できます。

カメラおよびプロジェクター システム

ハイエンドのビデオ カメラは、ビーム分割プリズムを使用して、入射光を個別の赤、緑、青のチャネルに分割し、それぞれが専用のセンサーで捕捉されます。これにより、カラー フィルター アレイに依存するシングル センサー システムよりも正確な色が再現されます。

入射角が出力に与える影響

光がプリズム表面に当たる角度は、結果に大きく影響します。最小偏角では、光はプリズムを対称的に通過し、分散は最もきれいになります。入射角が急になると、一部の波長が内部全反射を起こし、プリズムからまったく出なくなる場合があります。

60 度のクラウン ガラス プリズムの場合、最小偏角は約 37～40度 可視光用。光学エンジニアは、機器を設計する際にこれを正確に計算し、最小限の歪みで目的の波長を確実に通過させます。

光があまりに浅い角度で表面に当たると、光はガラスに入らずに反射する可能性があり、これはフレネル方程式によって支配される現象です。高品質の反射防止コーティング 光学プリズム この表面損失を最小限に抑え、伝送効率を向上させます。

プリズムと回折格子の違い

プリズムと回折格子はどちらも光をその成分波長に分離できますが、それはまったく異なる物理的メカニズムによって行われます。プリズムは屈折と屈折率の波長依存性を利用します。回折格子は、何千もの細い平行線で覆われた表面から散乱される光波の干渉を利用します。

注目すべきは、色の順序が 2 つ間で逆になっていることです。プリズムでは紫が最も大きく曲がります。回折格子では、赤色が最大角度まで回折されます。この違いは、それぞれの場合の基礎となる物理学の直接的な結果です。

一部の材料が他の材料よりも光を分散させる理由

材料が光を分散する傾向は、そのアッベ数によって測定されます。あ 低いアッベ数 分散が高いことを意味し、材料が色を強く分離することを意味します。アッベ数が高いということは、分散が低いことを意味します。緻密なフリント ガラスのアッベ数は約 36 ですが、ホウケイ酸クラウン ガラスのアッベ数は約 64 です。

カメラレンズでは、高分散は色収差を生じ、異なる色がわずかに異なる距離に焦点を合わせ、フリンジやぼやけが生じるため、通常は望ましくありません。レンズ設計者は、高分散ガラスと低分散ガラスで作られた要素を意図的に組み合わせて色誤差を打ち消します。これは色消し補正と呼ばれる技術です。

しかし、プリズム分光計では、まさに高分散が求められます。分散が強いほどスペクトルが広がり、密集した波長を区別しやすくなります。

重要なポイント

ガラスは異なる波長を異なる量だけ遅らせ、各色を独自の角度で屈折させるため、プリズムは白色光をスペクトルに分割します。プリズムの三角形の幾何学形状により、入口と出口の両方の屈折によって光が同じ方向に曲げられ、分離が増幅されます。その結果、浅い端の赤から急な端の紫まで続く目に見える虹が得られます。

1. 屈折 異なる光学密度の材料間を移動するときに光が曲がります。
2. 分散 同じ材料内で異なる波長を異なる量だけ曲げます。
3. プリズムの形状により 2 つの表面での屈折が複合され、目に見える色の分離が生成されます。
4. ニュートンがスペクトルを 2 番目のプリズムで再結合することで証明したように、このプロセスは完全に可逆的です。
5. プリズムは、教室でのデモンストレーションだけでなく、分光法、イメージング システム、双眼鏡、電気通信にも使用されています。