レンズ
物側焦点より遠い物体上の点(物点)から出た光(図1-2)について考えると、
物から軸に平行にレンズに向かう光は、屈折されたあと像側焦点を通る光になる
物側焦点を通ってレンズへ向かう光は、屈折されたあと軸に平行な光になる
結果として物点から出てレンズへ向かう光はレンズの反対側の一点(像点)を通る。軸からの物点の高さと像点の高さとの比は一定となる。像面にスクリーンを置けば物体が逆さまに拡大・縮小された像が投影されることになる。このように物点からの光が像点で交わってできる像を実像と呼ぶ。
物側焦点より近い物体上の点から出た光(図1-3)について考えると、
物体から軸に平行にレンズに向かう光は、屈折されたあと像側焦点を通る光になる
節点を通る光は、レンズを通る前後で角度が変わらない(薄レンズ近似では主点と節点が一致するため、ただ直進する)
結果として、実際には物点から出てレンズへ向かった光をレンズの反対側から見ると、あたかも物点より遠くの一点から出たかのように進む。このように物点からの光が像点で交わらずにできる像を虚像と呼ぶ。虚像は、ルーペのようにレンズを覗き込むことで観察できる。虚像の場合にも軸からの物点の高さと像点の高さとの比は一定となる。実像の場合と違い、光が実際に1点に集まるわけではないので、スクリーンを置いても像を投影することはできない。レンズを覗いて虚像を観察できるのは、目が網膜上に実像を結像させるからである。
光は、ガラスなど透明な物質に入るときに屈折し、出るときにも屈折する。回転対称なガラスで軸から離れるほど内側に屈折するように傾けた形状(ふちより中央が厚い形状)にすれば、光が集まるようにすることができる。これを凸レンズ(とつレンズ、英: convex lens)という。
一枚のレンズについては、その回転対称軸を光軸と呼ぶ。以下ではレンズに入射する光束が光軸付近の十分細い領域を通る(近軸近似が成り立つ)とする。光軸に平行な光線は凸レンズを通過したのち一点に集まる。この点を焦点と呼ぶ。レンズに入る前の光線とレンズから出て焦点を通る光線とが交わる点から光軸上に下ろした垂線の足を主点と呼ぶ。主点から焦点までの距離を焦点距離と呼ぶ。また平行光をレンズの前後どちら側から入れるかに対応して二つの焦点が存在することになり、主点も二つ存在する。ただし、焦点距離は前後どちらも等しい。レンズの厚みが無視できる程度に薄いと仮定(薄レンズ近似)した場合、二つの主点は一致する。
凸レンズには主に下記のような性質がある(図1-1)。
光軸に平行な光線は凸レンズを通ったのち焦点を通る
焦点から出た光線は凸レンズを通ったのち光軸に平行な光線となる
レンズの節点を通る光は角度を変えずに進む