OSA 光学実験キット

EXPLORE OPTICS
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2 ページ

1. 反射板による反射
ねらい
反射の法則と、反射板を用いて鏡像を作ることにより虚像について学習する。
必要なもの
反射板、レーザーフィンガーLED 1 個、定規、鏡反射はどこでも起こります。鏡で、あるいは、大きな窓に映る⾃分⾃⾝を⾒るとき、不思議な反射像を⾒ているのです︕それでは、反射はどのように起こるのでしょうか︖それらには、決まった法則があるのでしょうか︖

反射
光は直進します。そして、光は⾃由に伝搬しますが、何かの障害物に出くわしたときには、⾃由に進むことができなくなります。
たいていの場合、光は物体から跳ね返ります。これを反射と呼び、私たちがどのようにものを⾒るのかということと関係しています。図 1 を⾒てください。太陽や頭上からの光が物体に当たり、反射して眼に入るとき、眼は物体を「⾒る」ことになります。今までに、とても暗い部屋にいて、眼の前の⾃分の⼿が⾒えない、なんてことがなかったでしょうか︖なぜなら、光なしでは、我々の眼は、物体があるということを伝えることができないからです︕

図 1. どのように物を⾒ているのか︖
物体からの光が、鏡や窓のような表面から反射するとき、私たちは、ガラスの向こう側に、あたかも物体があるかのように⾒えます。この向こう側にあるように⾒える像を虚像といいます。
「虚」というのは偽物、あるいは、本物のように⾒えるという意味です。なぜなら、物体は本当に存在しているわけではないからです。鏡を⾒たとき、反射によって⾃分が⾃分⾃⾝の前に⽴っているように⾒えますが、実際には、そこには何も存在していないのです︕

虚像
図 2 にあるように、平らな鏡やガラスによって虚像はつくられます。鏡で⾃分⾃⾝を⾒てください。
鏡からどのくらいの距離のところに⾃分が⽴っているのかわかります。一方、鏡に映っている⾃分の反射像は、鏡からどのくらいの距離にあるのでしょうか︖

図 2. 虚像の性質
鏡に映っている⾃分の像から鏡までの距離は、⾃分が⽴っている場所から鏡までの距離と同じである
ことに気づくでしょう。なぜなら、虚像から平らな鏡までの距離と、実際の物体から鏡までの距離は、いつも同じだからです。
それでは鏡の前で左⼿を上げて、そのまま⼿を振ってみましょう。鏡に映っている⾃分は、どちらの⼿を振っているでしょうか︖

右⼿で振っているように⾒えるでしょう。虚像は、実際と逆になるのです。つまり左が右になります︕（訳注︓この表現は正しくありません。虚像は、左右が逆になるのではなく、前後が逆になります）
実⽣活における虚像︓救急⾞
救急⾞のような緊急⾞両は、⾞の前にはっきりと「救急⾞」というように書かれていることが多いと思います。場合によっては、⾞の後ろに書かれていることもあります。
救急⾞は、緊急を要する時にはサイレンを鳴らします。救急⾞の前を⾛っている⾞は、ミラーで後方を確認することによって、何がサイレンを鳴らしているのか⾒ることができます。しかし、それは、救急⾞の虚像です。救急⾞という⽂字が後方に書かれている場合には、ミラーをその方向に向けることによって、⾞を脇に⽌める必要があることがわかります。

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6 ページ

2. マーブルチョコ（Ｍ＆Ｍ’s）の色ねらい
色のついた光によってマーブルチョコ（M&M’s）を照らし、反射と吸収によって色が変わることを学
習する。
必要なもの
レーザーフィンガーLED またはライト BLOX 3 個（⾚、緑、⻘）、レーザーフィンガーLED 白、
マーブルチョコ（M&M’s）
色は、あらゆるところにあります。今朝、あなたは何色のシャツを着ようか、何色の靴を履こうか、選ばなければいけなかったはずです。そのような⾝近な色を物体に与えるものは何なのでしょうか︖
なぜ、⾚色のものや⻘色のものがあるのでしょうか︖

色は光から始まる
なぜ物が色をもつのかということを理解するためには、どのような光によって色が生じるのかを理解する必要があります。
光とは波であり、波⻑をもっています。図 1 を⾒てみましょう。⻘い光は⾚い光よりも⻑い波⻑をもっています。
（訳注︓この記述は誤りです。⻘い光の波⻑は⾚い光の波⻑よりも短いです。図 1 も誤りです。）波⻑は光に色を与えるものなのです。

図 1. 波⻑が色を決める

反射
何が物体に色を与えているのでしょうか︖

答えは簡単です、光なのです︕

光なしでは物体は色をもちません。なぜなら、光がなければ、⾒ることができないからです︕

⾚い

物体を⾒るとき、実際に⾒ているものは、物体から反射した⾚い光であり、それが眼に入ってくるのです。光が物体から跳ね返ることを反射と呼びます。

白色光
しかし、⾚いボールを⾒るとき、⾚い光がそこに当たっているわけではありませんよね︖そこには、
太陽や部屋の照明からくる光しかありません。これらは色のない光で、白色光と呼ばれています。
白色光は、⾚、⻘、緑の 3 色の光が混ざったものです。これらの 3 つの光の混ぜ方を変えることにより、ほとんどの光の色が作られます。いろいろな色を作り出すために、これらの色を混ぜる方法はいろ
いろあります︕

そういうわけで、太陽光にはあらゆる色が含まれているので白色光であり、物体にあたって光を反射させることができます。

吸収
⾚いボールの話に戻りましょう。私たちは、図 2 のように、太陽光のもとで色を⾒ることができます。
このことから、白色光の中の⾚の波⻑がボールから反射し、それが眼に入ることによって、⾚く⾒えることがわかります。

図 2. 波⻑が色を決める
ところで、白色光はあらゆる光の色で構成されているということを知りました。それならば、⾚色の光以外の残りの光には何が起きているのでしょうか︖

例えば⻘い光の波⻑はどこへ⾏ってしまったのでしょうか︖
ボールから反射しなかった残りの光は、ボールの中に閉じ込められています。すなわち、それらは反射されることはなく、私たちは⾒ることができないのです。これを光の吸収と呼びます。例えば、⿊い物体であれば、その物体にあたるすべての光が吸収されます。なぜなら、色がないからです︕

白い物

体はすべての色を反射し、なにも吸収されません。
実⽣活での色︓測色
科学的に液体の成分を測る測定器として、色度計と呼ばれるものがあります。物質は、特定の波⻑の光または色を吸収します。あらかじめ、物質の成分がわかっていれば、そこに光を当てることによって、その中の物質の混合の割合がわかります。
混合した液体の吸収を色度計によって測定することができ、このことからそれらの液体を特定することができます。

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10 ページ

3. クマのグミによる透過
ねらい
異なる色の LED 光やレーザー光によってクマのグミを照らし、透過の原理を学習する。
必要なもの
レーザーフィンガーLED 白、⾚色レーザーポインタ、クマグミ 4 個（⾚、緑、透明、⿊）、白色の面
クマのグミを⾒てください。そして、それらをテーブルの上と箱の中、のように分けてください。それらのわずかな違いに気づくでしょうか︖近くで⾒ると、グミの中まで⾒ることができます。なぜそうなるのでしょうか︖

反射と吸収
光はまっすぐ進みます。物体にぶつかるときは、その先に進むことができません。その時、光はどうなるのでしょうか︖
まず、光は物体から跳ね返ります。これを反射といい、その様子を示したのが図 2 です。これが、私たちが周囲にある物体を⾒ることができる理由です。太陽などの光が物体から反射し、私たちの眼に入ってくるのです。また、暗い場所では物体を⾒ることができない理由でもあります。眼に入ってくる光がないのです︕
光は物体の中に閉じ込められることもあり、その様子が図 1 です。この光は吸収された後、私たちの目には届きません。そのため、その物体を⾒ることもありません。

図 1. 光の吸収

図 2. 光の反射

透過
光は、反射もせず、吸収もしないことがあります。窓の外にある⽊を⾒たり、コップに入っている冷たい飲み物を⾒たりするとき、私たちはどうしているのでしょうか︖
光が物体を通過するとき、これを透過といいます。その様子を示したのが図 3 です。光を通す物体は透明です。また光を通さない物体は不透明です。

図 3. 光の透過

白色光と色
色は光の波⻑によって生じます。例えば、⾚い光は⻘い光とは異なった波⻑をもっています。太陽や
懐中電灯からの光は白色光と呼ばれます。はっきりと⾒ることはできませんが、白色光は⾚色と⻘色と緑色の光が混ざってできています。これらの光の三原色を使うと、考えられるどんな光の色も作ることができるのです︕
白色光のもとで物体が⾚く⾒えたとき、⾚色の光の波⻑が物体から反射し、それが目に届くのです。
⻘色や緑色の光の波⻑はその⾚い物体によって吸収され、⾒ることはできません。

透明度
ガラスのような透明な物質は、すべての光の波⻑や色を通します。ただし、わずかな光は反射します。
窓での反射のことを考えてみてください。あなたは外に⽴っている⼈のことを窓越しに⾒ることができますが、⾃分⾃⾝のことも⾒ることができます。
特定の波⻑のみを透過する物質もあります。そのような物質は、反射して色が⾒えるか、または色のついたセロハンのようなものです。図 4 のような⻘色のプラスチックのシートを考えてみてください。
このシートは⻘色の光だけを透過および反射しますが、他の波⻑の光は吸収します。これが、シートが⻘色に⾒える理由です。

図 4. 波⻑の選択
実⽣活での波⻑選択︓3D メガネ
最近、3D 映画を⾒る機会が多くなりました。3D 映像を⾒る方法はいろいろありますが、古くから知られているものの一つが、⾚と⻘のメガネを使う方法です。⻘色と⾚色の映像を同時に流し、それらの像を⾒た角度をわずかに違えます。
左右の眼で⾒る像がわずかに違うので、脳の中で⽴体感が得られます。⻘いレンズを透過するのは⻘い映像、⾚いレンズを透過するのは⾚い映像なので、左右の眼で⾒る像が異なります。こうして、あた
かも実際の⽴体像を⾒ているように感じられます。

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13 ページチャレンジ 1︓LED 光のスペクトル
ねらい
選択的な透過を学習することにより、光のスペクトルを理解する。
関連するレッスン
3: クマのグミによる透過
7: 単色のレーザー光
必要なもの
レーザーフィンガーLED またはライト BLOX 2 個（緑、⻘）、⾚色レーザーポインタ、反射板、回折格子、無色の壁またはスクリーン

光のスペクトル色のついた光は、その色だけが常に⾒えているとは限りません。⾚い LED は⾚色の光だけで構成されているわけではなく、⾚色や⻩色、橙色の光から構成されます。私たちは、図 1 に⾒られるように、回折格子によって、スペクトルの中の光線の色を⾒ることができます。

図 1︓回折格子による白色光のスペクトル

透過光の選択
透明な物体の中には、特定の波⻑の光だけを通すものがあります。これは、透過する光を選択しているのです。例えば、図 2 のように⻘いセロハンは⻘い光だけを透過し、他の波⻑の光を吸収します。また⻘い光だけを反射します。これが、⻘色に⾒える理由です。

図 2︓⻘色の透過の選択

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15 ページ

4. 白色光と影
ねらい
白色光と影を操作することにより、それらの性質を理解する。
必要なもの
レーザーフィンガーLED またはライト BLOX 3 個（⾚、緑、⻘）、レーザーフィンガーLED 白、
レーザーポインタや鉛筆のように細くて⻑いもの、無色の壁またはスクリーン
ときどき、後を追われていると感じることがあるでしょうか︖しかし安⼼してください、それはあなたの影ですから︕あなたの永遠の友である影はどのようにできるのでしょうか︖いつも動いているのでしょうか︖ならば、それはなぜでしょうか︖

白色光
太陽からの光は白色光で、室内灯や懐中電灯、白色のフィンガーライトからの光と同じ種類の光です。
それらの光に色がないと思われるでしょうが、必ずしもそういうわけではないのです︕
白色光は、⾚色、⻘色、緑色の光の三原色が混ざってできています。絵の具のように、これらの色を組み合わせて、考えられるすべての光の色をつくることができます。

どのように光は進むのか
光線は常にまっすぐ進みます。たくさんの光をまとめると、懐中電灯のような光束ができます。LEDや光 BLOX のような光源から離れてみると、光線は広がり、お互いに離れていきます。
光線が物体にぶつかったとき、まわりに逃げることができません。光は折れ曲がることや、障害物を避けるようにカーブすることができないのです。もし物体が透明であるならば、光は物体を透過します。
物体が不透明ならば、影がつくられます。

影
光が不透明な物体と出くわしたときは、物体を通過することはできません。そのため、反射されたり吸収されたり、それらが両方起こることもあります。いずれにしても光は物体の向こう側に到達することはありません。

図 1. どのようにして影ができるか。
図１を⾒てください。左側に光源があり、そこから出る光束があります。光束は直線上を進み、⾚い物体と出くわしたときには、反射や吸収が起こります。そして、ボールの後ろの空間には光が届いておらず、暗くなっています。これが影です。
影の大きさは、光源から物体までの距離で決まるために変化します。図 2 を⾒てください。⾚いボー
ルは光源から離れていて、光束がボールとぶつかるときの光のない部分の範囲が少なくなっています。

図 2. 小さな影
次に図 3 を⾒てみましょう。ボールが光源の近くにあり、距離が近いので、ボールによってたくさんの光を遮られ、大きな影ができます。

図 3. 大きな影実⽣活での影︓⽇時計
日時計は、太陽光の影によって時間を知るものである。古代エジプトの時代から知られており、現代でも使われています。
日時計は、⾦属や⽯からできている基板に対して 90 度の角度で⾦属（グノモンと呼ばれる）が取り付けられています。⾦属や⽯の基板には、時間や分を表す時計の機能が刻まれています。日時計が正しい方向に向けられている時、グノモンの影は、その時の時間を示します。

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18 ページチャレンジ 2︓透過と影
ねらい
選択的な透過の知識を基に、物体の選択的な透過により影のでき方について学習する。
関連するレッスン
3: クマのグミによる透過
4: 白色光と影
必要なもの
レーザーフィンガーLED またはライト BLOX 2 個（⾚、⻘）、反射板、
レーザーポインタや鉛筆のように細くて⻑いもの、無色の壁またはスクリーン影
影とは光のないことです。光は直線上を進み、何かの物体と出くわしたときにはそれを避けることはできません。そのとき反射されたり、吸収されたり、透過するのです。物体が透明なら光は透過し、物体の向こう側まで通り抜けます。しかし、物体が透明でなければ、光は反射されたり吸収されたり、あるいは、それらが両方起こったりします。いずれにしても光は物体の向こう側へは届かず、影ができます。

選択的な透過透明な物体は特定の波⻑をもつ色の光のみを通すものもあります。これが選択的な透過です。反射板のような⾚いプラスチックは、⾚色の光だけを通します。⾚以外の色の光は吸収されるか、伝搬できな
くなります。

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20 ページ

5. ペッパーズゴースト
ねらい
反射板によってペッパーズゴーストをつくり、虚像のでき方と性質を理解する。
必要なもの
反射板、レーザーフィンガーLED 白、レーザーポインタや鉛筆のように細くて⻑いもの、
スマートフォン
夜、部屋の明かりが点いている状態で窓の前に⽴っている⾃分を想像してみてください。何が⾒えるでしょうか︖

ペッパーズゴーストとは︖
ガラスに⼈を反射させることで、「空中」に浮いた幽霊の像をつくり出すことができます。これをペッ
パーズゴーストと呼び、実は、⻑い歴史があります。

ペッパーズゴーストの歴史
ペッパーズゴーストは 400 年以上も前から知られていましたが、発明家のヘンリー・ダークス（Henry
Dircks）が、1862 年に「ダークスのファンタスマゴリ（Phantasmagoria）」という装置を開発するまで実証されてきませんでした。これは、一瞬にして舞台上に幽霊を出現させたり消したりする装置です。
しかし残念なことに、その装置を使うには、劇場を再建しなければならないほど複雑な仕掛けでした。
その後、ジョン・ペッパーという大学教授により、この錯覚をより簡単につくれるようになったため、ペッパーズゴーストは今日私たちが知っているような状態にまで発展していきました。ペッパーズゴー
ストはチャールズ・ディケンズ（Charles Dickens’）の「The Haunted Man」で初めて使われました。
その錯覚は大成功を収めたので、発明家ダークスの開発した装置に代わり、ペッパーズゴーストという名がつきました。
ペッパーズゴーストは劇場作品やマジックショー、幽霊屋敷などで、今日でも使われています。

反射と虚像
⾃分⾃⾝を鏡で⾒るときに映る⾃分の像は虚像と呼ばれます。何かが確かに存在しているように思えても、実際には存在していません。目の前にいる像は⾃分に似ているが、実際はそこにいないのです︕
虚像は平らな平面鏡によってつくられます。それらの虚像と鏡の距離は、実際に存在する物体と鏡との距離と同じであり、虚像は左右が逆さまになります（訳注︓左右が逆になるのではなく、前後が逆になります）。虚像の大きさは実際の物体で同じです。

どのようにしてペッパーズゴーストは機能するのか。
ペッパーズゴーストを作る一つの方法として、図 1 のような特別なステージを使う方法があります。
⾒えるステージ（ピンク色）とその横にある観客からは⾒えないステージ（⻘色）の二つのステージを作ります。この隠れた部屋を「⻘い部屋」といい、そこに⽴っている⼈が幽霊のように⾒えます。⻘い
部屋の壁は暗い色で塗られています。
ガラスの板はステージと⻘い部屋の間に角度 45 度の位置に置きます。⻘い部屋は暗くなっていて、ステージが明るくなったとき、ステージには何もないように⾒えます。晴れているときに窓の前に⽴つ
⾃分を想像してみてください。⾃分の像は⾒えますか︖いや、外の物体だけが⾒えます。
そしてステージを薄暗くし、⻘い部屋にいる⼈間にスポットライトが当たると、ガラスに反射してその⼈が⾒えるようになります。観客には実際の⼈間は⾒えないので、ステージに幽霊が浮いているように⾒えます。

図１. ペッパーズゴーストのセットアップ

図 2. ペッパーズゴーストの動き

実⽣活でのペッパーズゴースト︓ディズニーランドのホーンテッドマンション
ディズニーランドのアドラクションであるホーンテッド（「幽霊の出る」という意味）マンションは、
もっとも大きなペッパーズゴーストの一つです。ゲストは、ドゥームバギーと呼ばれるライドに乗ってホーンテッドルームを進むと、巨大なガラス板に覆われている空の部屋を⾒下ろすことになります。
ゲストから⾒えないように、暗い部屋で、ロボットの幽霊が踊ったり、⾷事をしたりしています。部
屋が明るくなると、踊っている姿が⾒え、暗くなると、その姿が消えます。

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23 ページ

6. ペッパーグラム TM とホログラム
ねらいペッパーグラム TM によってペッパーズゴーストをつくり、反射について学習する。
必要なもの
スマートフォン、ペッパーグラム TM、取り付け治具
ホログラムは、この 40 年の間、動画やビデオゲームにおいて非常に⼈気がありました。ホログラム
についてどう思いますか︖

映画などの普通のプロジェクションとはどう違うのでしょうか︖

ペッパーズゴーストペッパーズゴーストは錯覚であり、現実的で不気味な幽霊像をつくるために、反射の法則を使います。
これは、ホログラムとよく間違えられますが、ホログラムとは全く違うものです︕

反射の法則
簡単に言えば、反射の法則は、図 1 にあるように、入射角と反射角が等しいというものです。反射す
る平面に対して 90 度の角度をなす法線からの角度を測ります。入射角は光源からの光が鏡に反射する
光線と法線との間の角度のことです。反射角は鏡から反射した光線と法線との間の角度のことです。

図 1. 反射の法則

どのようにしてペッパーグラム TM は機能するのか
ペッパーグラム TM を使ってペッパーズゴーストをつくってみましょう。スマートフォンに映る動画が浮いているように⾒せるための装置をつくります。ペッパーグラム TM は、固くて反射するプラスチッ
クからできています。折り目通りに折ってスマートフォンの上に置くと、図 2 で⾒られるように、スマートフォンの画面に対するそれぞれの面の角度は 45 度になります。

図 2. ペッパーグラム TM のセットアップ
図 3 は 4 つの面のうちの 1 つを表していて、どの面も同じように反射します。浮いている 3D 像をつくるために、4 つの面で同じように反射させ、ペッパーグラムによって 1 つの面だけで反射しているよ
うに⾒せます。

図 3. ペッパーグラム TM の一つの面
スマートフォンに映る映像は、ペッパーグラム TM の裏面で反射します。⾒る⼈にとっては、その映像の中の像がペッパーグラム TM で浮いているように⾒えます。これがペッパーズゴーストであり、虚像です。眼というのは、常に光がまっすぐ先から到達するだろうと考えるため、映像は正面にあるように⾒え、ペッパーグラム TM の中に存在していると錯覚します。このことにより、物体は、スマートフォンと反射面までの距離と同じだけ離れた反射面の先に虚像があるように⾒えます。

しかしホログラムではない︕
ペッパーグラム TM からできる像はホログラムのように⾒えますが、ホログラムではありません。ホロ
グラムは三次元物体の「写真」です。物体をさまざまな角度からレーザーで照らすことにより、物体の大きさと形がホログラムフィルムに記録され、これがホログラフィックプリントとなります。
ホログラフィックプリントを⾒るとき、正面から⾒ると⽴体的に物体が⾒えます。この物体はプリントの後ろに浮いていて、物体を窓越しに⾒ているかのように⾒えます。プリントを動かすと（あるいは頭を動かすと）、絵の⾒え方が変わります。違った角度から物体を⾒ているのです︕レーザー光をホロ
グラフィックプリントに照射して、スクリーンに像を投影することもできます。これも同様に、違った角度から⾒ることができます。
実⽣活でのホログラム︓セキュリティ
今度、紙幣を太陽にかざしてみましょう。セキュリティのためのホログラムを⾒ることができるはずです。通常、通貨の書かれている⽂字か絵の部分にあり、紙幣を動かすと、その部分の色や形が変わります。
セキュリティホログラムは、パスポートやクレジットカードにも使われています。これは、偽造しにくくするためにあります。マスターホログラムのコピーは非常に高価で、また、素⼈には難しい技術です。すなわち、偽造防⽌に役⽴っているわけです。

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26 ページ

7. 単色のレーザー光線
ねらい
白色光や色のある LED 光とレーザー光を比較することにより、レーザー光の単色性について学習する。

必要なもの
回折格子、レーザーフィンガーLED またはライト BLOX 3 個（⾚、緑、⻘）、
レーザーフィンガーLED 白、レーザーポインタ、懐中電灯（オプション）、無色の壁またはスクリーン

レーザー光は、私たちが毎日⾒ている光とは違うものであることは明らかです。レーザー光と、普通の電球が発する光とは何が違うのでしょうか︖

色とは何でしょうか︖
色は光の波⻑と直接結びついています。光の色が違うということは、波⻑が違うということです。⾚い物体を⾒るとき、物体は⾚い光だけを反射するので⾚く⾒えます。
光が一つの波⻑の光だけで構成されるとき、それを単色と言います。

白色光
それならば、太陽や室内灯から出る光は何色なのでしょうか︖⻩色︖白色︖そもそも色をもつのでしょうか︖
光は色を持ちます︕この光は白色光と呼ばれますが、白色光という名前にも関わらず、光の三原色の組み合わせから構成されています。⾚と⻘と緑の光が混ざったとき、白色光と言われている「明るい」
光ができます。
これが、太陽や電灯などの下ですべての色を⾒ることができる理由です。すべての波⻑の光が反射・吸収されるので、どの色でも⾒ることができるのです。

回折格子
回折格子は、図 1 にあるように、枠にはまった透明なプラスチックからできています。プラスチックを覆う何千もの細かい溝は、私たちの目で⾒ることはできません。溝は上から下までできていて、互いに平⾏です。溝がとても細いので 1mm のプラスチックに何百もの溝をつくることができます︕

図 1. 回折格子
回折格子に光を当てると、違った波⻑を持つ光ごとに分けられます。図 2 にあるように、これらの分けられた光の色は並んでいます。これがスペクトルです。

図 2. 白色光のスペクトル
実⽣活での単色光︓分光測定法
光が気体を透過すると吸収されます。吸収される光は特定の波⻑ですが、その波⻑は気体によって異なります。成分のわからない気体があった場合、吸収される光の波⻑によって、その気体の成分がわかります。その時に、レーザー光が使われます。
レーザー光を特定の波⻑に合わせ、その気体が存在する方向に光を照射します。もし、その波⻑のレーザー光が弱くなれば、その中に、その気体が存在することになります。この技術は、別の惑星の大気を探査するときにも使われます。

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29 ページ

8. 平⾏なレーザー光
ねらい
レーザー光と LED 光を距離の異なる位置から観測することにより、レーザー光の平⾏性を学習する。
必要なもの
レーザーフィンガーLED またはライト BLOX 1 個（⾚、緑、または⻘）、
ライト BLOX のスリットキャップ（オプション）、レーザーポインタ、無色の紙 2 枚、定規
レーザー光は重要なところを強調するためによくプレゼンテーションで用いられます。これは普通の光ではできないことです。なぜ、レーザー光は暗くなることなく、LED 光よりもずっと遠くまで照らすことができるのでしょうか︖

どのように光は進むのか
光線は、図 1 や図 2 のように表現することができます。光線には特定の規則があります。もっとも重要なことは、光線は常にまっすぐ進むということです。反射しない限り曲がることもありません。

図 1. 明るい光

図 2. 暗い光

なぜ光は明るいのか︖
光束は、たくさんの異なる方向に配列された光線からできています。このことが、光がどのくらい明
るいのかということに影響しています。
図 1 にある光路図を⾒てください。光束をつくる光線と光線の間隔がとても短いため、光⾃体はとても明るくなります。光線と光線の間隔が短ければ短いほど、光は明るくなります。
逆に、図 2 は暗い光束を示しています。光線どうしが離れているほど、光は暗くなります。
LED のように、光線が光源から離れると、光は発散します。図 3 がその光の発散の様子を表しています。これは、光束の明るさは、光源から離れていくにつれて暗くなっていくということを意味しています。

図 3. 発散する光
光が発散しなければ、光線は互いに平⾏を維持し、コリメートされていると言います。
実⽣活での平⾏光︓顕微鏡
平⾏光の代表的なものはレーザー光ですが、ある器械を使うと、どんな光でも平⾏にすることができます。そのような平⾏光を利用した器械の一つが顕微鏡です。
顕微鏡において、高倍率ではっきりとものを観察するためには、光源から出た光が平⾏になってアイピース（接眼レンズ）に入射します。このような光は、レーザーまたは LED によって作られます。

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32 ページ

9. コヒーレントなレーザー光
ねらい
レーザーポインタからでた光と LED 光の干渉パタンを比較することにより、レーザー光の可干渉性を学習する。
必要なもの
レーザーフィンガーLED またはライト BLOX 1 個（⾚、緑、または⻘）、レーザーポインタ、無色の紙

レーザー光は、我々が普段使う普通の光とは違う 3 つの性質があります。

光波
光束はいくつかの光線からできています。それぞれの光線は横波として表されます。すべての光線の位相がそろっているとき、その光はコヒーレントであると言います。
同じ位相の光線が 2 つあるならば、それらは波の山と谷が同期しているということになります。図 1と図 2 はコヒーレントとインコヒーレントの違いを示しています。図 1 は波の山と谷がそろっていて、
コヒーレント光です。図 2 は波の山や谷がそろっておらず、インコヒーレント光です。

図 1. コヒーレント光

図 2. インコヒーレント光

乱反射
反射の法則とは、入射角と反射角が等しいというものです。光束が、図 3 のような滑らかな表面を反射するとき、すべての光線が同じ角度で入射して同じ角度で反射します。
しかし、もし光束が図 4 のような平坦でない表面を反射するならば、どの光線も違った角度で反射します。これが乱反射です。

図 3. 乱反射（訳注︓正しくは正反射）

図 4. 正反射（訳注︓正しくは乱反射）干渉とスペックルパタン
2 つの光が出くわしたとき、それらは干渉して 1 つの光となります。もし 2 つの波の山が重なれば、光は干渉して強め合い、結果として光は強くなります。一方、波の山と谷が重なれば、光線は干渉して弱め合い、光は弱くなります。
先ほど述べた乱反射の現象について考えてみましょう。インコヒーレント光が乱反射されるとき、光は交差して干渉し、完全に規則的ではなくなります。そのため、少なくとも⾁眼で⾒てみると光線の明るさは一定です。
ところが、コヒーレント光が乱反射する場合は、より規則的な干渉をします。なぜならば、入射光が同位相だからです。光線が反射されるとき、波の山や谷がより顕著な形となります。これが斑点模様（スペックルパタン）となります。反射光の中の明るい斑点が強め合う干渉であるのに対して、暗い点は弱め合う干渉です。
実⽣活でのコヒーレント光︓⾎流計測
コヒーレント光によるスペックルパタンは、そこを反射する表面の粗さに依存します。表面が変わると、新しいスペックルパタンが作られる。これを動的スペックルと呼びます。
動的スペックルは、医学的に皮膚の内側の⾎流を測るために使われています。皮膚のすぐ下の⾎流は、皮膚を動かします。したがって、コヒーレント光を皮膚に照射すると、その動きによってスペックルパ
タンが変化します。医者は、その動きによって⾎流を測定することができます。

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35 ページ

10. レーザー光の波⻑の測定
ねらい
⾚いレーザー光の波⻑を計算することによって、回折について学習する。
必要なもの
レーザーポインタ、回折格子、無色の紙、定規、回折格子を固定する治具（オプション）
海岸で波打つ様子を想像してみてください。突然港の壁のような障害物にぶつかったとき、波はどうなると思いますか︖

狭い入口だけを通過するのでしょうか︖

壁の穴を通過したとき波はどのようになるのでしょうか︖

回折
波が周りに障害がある狭いところなどを通るとき、どのように曲がるのかということは、回折によって説明できます。図 1 を考えてみましょう。物体に小さな切れ込みを入れたところを通過する際の波を表しています。波が切れ込みを通過すると、その分だけ短くなって、波は均一に進み続けるだろうと予想する⼈が多いかと思います。しかし、そうではなく、通過するときに、波は物体の方へ曲がります。

図 1. 狭い切れ込みによる回折同様に、狭いところを通過するとき、波は回折します。これを示したのが図 2 であり、波は狭いとこ
ろに向かって曲がります。

図 2. 狭いところの回折光は波であるので、上で述べたように、障害に出くわしたとき回折するのです。

回折格子
回折格子は何千もの薄い、垂直な切れ込みが上から下まで並んでいるプラスチックのシートです。これらの切れ込みは狭い物体の働きをし、光は回折格子を通過して回折します。
しかし、波が回折して曲がると、互いに干渉します。2 つの山が出くわすと干渉して、波が強くなり、明るくなります。2 つの谷が出くわすと干渉により波は弱まり、暗くなります。

レーザー光の干渉縞
波⻑の異なる光は、違う角度で回折します。もし白色光を回折格子に通すなら、そのスペクトルを構成しているすべての色の光が並んで⾒えるでしょう。試しに回折格子を⾃分の目線のところまで持ち上げて、室内灯のような白色光を⾒てください。スペクトルが観察できるでしょう︕
しかしレーザー光は単色なので 1 つの波⻑の光でしか構成されていません。そのため、すべての光波は同じ角度で回折し、スペクトルは観察されません。干渉縞が 1 つの色の光のみで成り⽴っているのです。
これを示しているのが図 3 です。このパタンを使って、光の波⻑を計算することができます。

図 3. レーザー光の干渉縞

光の波⻑の計算
レーザー光の波⻑を計算するには、特定の面の干渉縞に着目する必要があります。図 3 をもう一度⾒てください。もっとも明るい光は中央部分にあります。左右にある小さなパタンが 2 番目に強い光（訳注︓1 次回折光）となります。白色光ではすべてのスペクトルが 1 次回折光となります。

光の波⻑を計算するための公式は以下の形で表されます。

ߣ=(ܺ)(݀)‫ܮ‬
ここで、
ܺ︓中央光と 1 次回折光との間の⻑さ
݀︓回折格子の切れ込みの幅‫︓ܮ‬干渉縞を映すスクリーンと回折格子との間の距離

実⽣活での回折︓ホログラム
ホログラムは⽴体写真です。すなわち、ホログラムには奥⾏きがあり、ホログラムを動かすと、実際の物体を動かしたかのように⾒え方が変わります。
ホログラムを⾒るには、ホログラム板にレーザー光を照射します。このホログラム板には、不透明なガラス板に透明な線が描かれており、一種の回折格子として働きます。ホログラム板にレーザー光を照射すると、光は回折し、干渉パタンを作ります。この干渉パタンが像、あるいはホログラムとなります︕

EXPLORE OPTICS OSA ACTIVITY GUIDE

38 ページチャレンジ 3︓反射の法則の検証
ねらい
光路図を描くことによって、反射の法則を学習する。
関連するレッスン
1: 反射板による反射
必要なもの
反射板、色鉛筆またはペン（⾚、緑、または⻘）、小さな鏡（オプション）、分度器、レーザーフィンガーLED またはライト BLOX 3 個（⾚、緑、⻘）（オプション）

反射の法則
光線が表面で反射されるとき、入ってくる光線は入射光線といい、出ていく光線は反射光線といいます。表面から 90 度のところに法線と呼ばれる架空の線を描きます。入射光線と法線との間の角を入射角、反射光線と法線との間の角を反射角といいます。反射の法則は、図 1 で示されているように入射角と反射角が常に等しいというものです。

図 1. 反射の法則

Laser Classroom

⾒えないものを探る
私たちが⾒ているあらゆるものは、光以外の何物でもありません。光は、次のいずれかによって⾒ることができます。
1. 光源そのもの（電球や炎、太陽など）からの光
2. 物体から反射してくる光
いずれにせよ、⾒ているものは光です。光が、私たちの目に届き、脳がそのものを理解します。簡単に言えば目に⾒えるということです。
物体が光を反射しなければ、目には⾒えません。物体が存在していても、光が反射して目に届かなければ、そこには「物体が存在していない」ように思えるのです。では、物体にカバーをして、周りにある光をなくしてください。私たちは、そこに物体があるということを知っているため、実際には、そこに物体がないとは思いません。しかし、私たちの眼で⾒えるのは、周りや後ろの物体であり、カバーした物体は、あたかもそこには全く存在していないかのように、眼に映りません。少し不思議な話ですね。
ものを⾒えなくする一つの方法として、光を曲げるという方法があります。光を曲げる現象は屈折と呼ばれ、私たちは、いつもこの現象を⾒ています。ここで写真に写っているカモを⾒てみてください。
本当に半分に分かれているのでしょうか︖

違いますよね。しかし、そのように⾒えますね。何が起こっているのでしょうか︖

屈折
光がある物質（空気）から別の物質（水、ガラス、プラスチックなど）に進むとき、光の進む速さが変化します。この速さの変化が光を曲げています。光が曲がると、物体が実際に存在しているところとは違う場所に光は現れます。これがカモに起こっていることなのです。光がカモに当たり、跳ね返って⾃分の目に直接入ってくる代わりに、水の外からやってきた光は水の中でカモに当たって跳ね返り、再び水の外に出て私たちの目に入るのです。光が水の中に入ったり、水の外に出て⾏ったりする際に、光が曲がり、カモの体の下半分が切られているように⾒えるのです。

ロチェスタークローク（ロチェスターの光学迷彩）
ロチェスター大学の研究者は、4 枚のレンズを使うことで、いともたやすく、物体の裏が完全に⾒えるように、光を曲げるしくみを発⾒しました︕簡単にできるので、キットを使って実験してみましょう。

図（消える領域）
参考リンク︓http://commonpost.info/?p=101259
図のように 4 つのレンズをセットすることで、クロークな領域（消える領域）をつくることができます。レンズは二つの「組」に分けることができ、それぞれの「組」は、距離 d1 だけ離れた二つのレンズ（f1 と f2）から構成されています。そして、それぞれの「組」は距離 d2 だけ離れています。
レンズの間の距離とレンズの組の間の距離は、レンズの焦点距離を使い、次の簡単な数学によって定義されます。
1. まず、焦点距離の異なる二つのレンズを使います。このキットでは、全体で 1 m 以内に収めるために、焦点距離を 50 mm と 150 mm のレンズを使っています。しかし、どんな焦点距離のレンズでも実験できます。
2. レンズ f1 と f2 は、それぞれのレンズの焦点距離の和だけ離します（距離︓d1）。このキットの場
合、次のようになります。
d1 = 150 mm＋50 mm = 200 mm
3. 二組のレンズは、次の式を満⾜するように離します（距離 d2）。
d2 = 2×f2×(f1＋f2) / (f1-f2)
d2 = 2×50 mm (150 mm＋50 mm)／(150 mmー50 mm)（訳注︓原⽂の式は間違っています）
d2 = 100 mm×200 mm／100 mm＝200 mm

キットの中に入っているもの
レンズホルダー︓4 個
両凸レンズ（口径︓50 mm、焦点距離︓150 mm）︓2 個（訳注︓原⽂に誤りあり）
両凸レンズ（口径︓50 mm、焦点距離︓50 mm）︓2 個（訳注︓原⽂に追加）

光学系の組み⽴て⼿順
1. ⻑さ 1 m くらいの平らなテーブルを用意する。
2. レンズをホルダに実装し、f1（焦点距離︓150 mm）と f2（焦点距離︓50 mm）がわかるように、区別する。
3. f1 のレンズをテーブルの端に置き、原点とする。
4. f2 のレンズを原点から 200 mm 離れた位置に置く。
5. f1 のレンズを原点から 400 mm 離れた位置に置く。
6. f2 のレンズを原点から 600 mm 離れた位置に置く。
7. 600 mm 以上離れた位置に、パタンの描かれた背景を置く。（訳注︓原⽂に誤りあり）
8. 4 枚のレンズの軸方向を覗き、レンズの間に、鉛筆のような物体を軸に対して垂直に、上下左右に動かしてみると、物体が⾒えなくなります。その場所で、光が物体の周りに屈折して背景が⾒えるのです。

チャレンジ 4︓⾃分のクロークを作ってみる
1. 4 枚のレンズを用意する。その内の 2 枚の焦点距離 f1 はわかっていて、残りの 2 枚の焦点距離 f2 はわかっていないとします。
2. それらのレンズを 2 枚ずつ 2 組に分けます。
3. 次の式を使って d1 と d2 を求めます。
d1（それぞれの組の中のレンズ間の距離）＝f1＋f2
d2（二組のレンズの間の距離）＝2×f2×(f1＋f2) / (f1-f2)
4. f1 のレンズと f2 のレンズを d1 だけ離して置く。
5. もう一組のレンズを d2 だけ離して置く。もう一組のレンズも互いに d1 だけ離して置く。
6. 4 枚のレンズの軸方向を覗き、レンズの間に、鉛筆のような物体を軸に対して垂直に、上下左右に動かしてみると、物体が⾒えなくなります。その場所で、光が物体の周りに屈折して背景が⾒えるのです。