レンズ

2014年8月 1日 (金)

古代エジプトのヒエログリフに「レンズ」を意味する文字が?

Photo

Wikipediaの眼鏡を読んでいたところ、次のような一文を見つけました。

歴史
発明以前
レンズを使って物を(拡大して)見ることに関しては、紀元前8世紀の古代エジプトのヒエログリフに「単純なガラス製レンズ」を表す絵文字がある。

この文章には、参考文献がないのですが、これに続く文章は次の文章になっており、この文章には参考文献があげられています。

レンズで拡大して見ることについての具体的な記録としては、紀元1世紀皇帝ネロの家庭教師だった小セネカが「文字がどんなに小さくて不明瞭でも、水を満たした球形のガラス器やグラスを通せば、拡大してはっきり見ることができる」と書いている[1]。
[1] Kriss, Timothy C.; Kriss, Vesna Martich (April 1998), “History of the Operating Microscope: From Magnifying Glass to Microneurosurgery”, Neurosurgery 42 (4): 899–907

ただ、この文献はおそらく小セネカの話であり、エジプトのヒエログリフのレンズに関する言及はないだろうと考えつつ、この論文のタイトルにegyptの文字を加えたキーワードで検索してみました。すると、この論文を参考文献として掲げている下記のドキュメントが見つかりました。

 この論文は上記をクリックすると読むことができますが、エジプトのヒエログリフのレンズの話が参考文献を参照しながら書かれています。

History of eyeglasses

Precursors

-Lenses in ancient Egypt

The earliest historical reference to magnification dates back to ancient Egyptian hieroglyphs in the 5th century BC, which depict “simple glass meniscal lenses”. [1]、

[1] Kriss, Timothy C.; Kriss, Vesna Martich (April 1998), “History of the Operating Microscope: From Magnifying Glass to Microneurosurgery”, Neurosurgery 42 (4): 899–907

この論文は先のWikipediaで参照していた論文と同じものです。どうやら、この論文の中で、ヒエログリフのレンズの話が言及されているようです。

英語版のWikipedia Lens(Optics)にも同じ論文が参照されていて、ヒエログリフのレンズの話が掲載されていますが、注釈で「要確認」となっています。

simple glass meniscal lenses、簡単なガラス製の半月レンズ。これのヒエログリフがどんなものなのか、今のところわかりません。紀元前8世紀なのか、紀元前5世紀なのかも、表記がふらついていますが、この頃、レンズに使えるような透明なガラスが作れるようになっていたとは思えないのです。しかし、水晶玉などはあったはずです。

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2014年2月 3日 (月)

電子書籍版「レンズ」のキホン

オールカラーページのレンズ光学の入門書『「レンズ」のキホン』の電子書籍版が発売されました。

Hyosi

はじめに

 私たちの身のまわりには、カメラや望遠鏡、CD・DVDプレーヤー、コピー機やレーザープリンタなど、光を利用した製品がたくさんあります。それらの機器を支える光技術のキーデバイスとして使われているのが、レンズや鏡などの光学部品です。いまやレンズは先端技術を支えるマザー・ツールですから、新しい技術に先回りして進化していかなければならないという宿命を背負っています。レンズは人類の英知とともに進化している道具なのです。

 この本を手にしたみなさんは、レンズについて個人的に興味をもち、勉強したいと考えていたり、仕事の関係でレンズについて学ぶ必要に迫られていたりする方々ではないかと思います。レンズの本を探してみると、専門書はたくさん見つかりますが、やさしい入門書はわずかしかありません。光学の入門書でレンズのしくみや働きについて学ぶこともできますが、レンズが主題ではないため、レンズについて包括的に学ぶことはできません。そのため、本書はレンズの専門家ではない人や、物理が多少苦手と思っている人でも、光学の基礎からレンズの基本と応用までをわかりやすく学ぶことができる入門書となるように心がけて執筆しました。また、本書はカラー版であることから、作図の手順の解説などにも力を入れました。

 読者の皆さんにとって、本書がレンズの世界への扉としての役割、またレンズの専門書への橋渡しとしての役割をはたすことができたとするならば、著者としてこれほどうれしいことはありません。

※この電子書籍は固定レイアウト型で配信されております。固定レイアウト型は文字だけを拡大することや、文字列のハイライト、検索、辞書の参照、引用などの機能が使用できません。

目次

はじめに
登場キャラクターのご紹介

第 1 章 レンズのお話

001 レンズは光の屈折をたくみに利用するために生みだした道具
002 レンズの歴史
003 小さなものを拡大して見る顕微鏡の歴史
004 遠くのものを近くに見る望遠鏡の歴史
005 レンズでできた像を記録するカメラの歴史

COLUMN レンズの語源

第 2 章 光のふるまい

006 光の直進性と逆進性
007 光の反射の法則
008 鏡による光の反射
009 光の乱反射
010 透明な物体を通る光
011 光は物質の境界面で折れ曲がる 光の屈折
012 光はどのような道筋を選んで進むのか フェルマーの原理
013 スネルの法則①
014 スネルの法則②
015 空気のゆらぎが光を曲げる 陽炎と逃げ水のしくみ
016 空気のゆらぎが光を曲げる 蜃気楼と大気差のしくみ
017 プリズムでできる光の色の帯 光の分散
018 大空にかかる光の色の帯 虹ができるしくみ
019 虹の形はどうして円弧なのか
020 光は波か粒子か① 光の回折
021 光は波か粒子か② 光の干渉
022 光の回折と干渉でできる虹のしくみ
023 光は縦波か横波か
024 偏光メガネとブリュースターの法則
025 光は電磁波の仲間
026 光の速さはどれぐらいか
027 光のふるまいを考える幾何光学と波動光学

COLUMN 近接場光ー光の回折限界を超える光 66

第 3 章 レンズのしくみと働き

028 点光源からでた光はどのように進むか
029 影のでき方
030 ピンホールでできる像
031 ピンホールカメラでできる像
032 レンズの基本的なしくみ
033 凸レンズと凹レンズの基本的な働き
034 レンズの焦点と焦点距離
035 レンズの主点と主平面
036 薄肉球面レンズの焦点距離の求め方
037 レンズを通る光の進み方
038 凸レンズでできる実像
039 無限遠からやってくる光は凸レンズでどこに像を結ぶか
040 凸レンズでできる虚像
041 凸レンズを半分隠すと実像と虚像はどうなるか
042 物体が焦点の位置にあるとき実像と虚像はどうなるか
043 凹レンズでできる虚像
044 レンズの写像公式と倍率① 凸レンズの実像の場合
045 レンズの写像公式と倍率② 凸レンズの虚像の場合
046 レンズの写像公式と倍率③ 凹レンズの虚像の場合
047 レンズの写像公式のまとめ
048 レンズの倍率を求めるもう1つの方法
049 レンズの作図の裏技① 光軸上の1点からでて凸レンズに入射する光
050 レンズの作図の裏技② 凸レンズに任意の傾きで入射する光
051 レンズの作図の裏技③ 凹レンズを通る光の場合
052 2枚のレンズを通る光
053 凹面鏡と凸面鏡のしくみ
054 凹面鏡と凸面鏡で反射する光
055 レンズの分類の仕方
056 表面屈折を利用したレンズ① 球面レンズ
057 表面屈折を利用したレンズ② 非球面レンズ
058 表面屈折を利用したレンズ③ シリンドリカルレンズ
059 表面屈折を利用したレンズ④ トロイダルレンズ
060 表面屈折を利用したレンズ⑤ フレネルレンズ
061 表面屈折を利用しないレンズ① グリンレンズ(屈折率分布レンズ)
062 表面屈折を利用しないレンズ② 回折レンズ

COLUMN メタマテリアルー負の屈折率をもつ物質

第 4 章 レンズの性能

063 レンズをつくる光学ガラスに求められる性質
064 光学ガラスの屈折率
065 光学ガラスのアッベ数
066 光学ガラスの分類
067 ガラス以外の光学材料① 天然や人工の結晶
068 ガラス以外の光学材料② 光学プラスチック
069 レンズができるまで① 球面レンズのつくり方
070 レンズができるまで② 非球面レンズのつくり方
071 収差とはなにか
072 球面収差
073 球面収差の補正
074 コマ収差と非点収差
075 像面湾曲と歪曲収差
076 軸上色収差と倍率色収差
077 像の大きさと明るさ
078 Fナンバーと実効Fナンバー
079 開口数NAとレンズの分解能
080 絞りと瞳
081 絞りの位置とテレセントリック
082 焦点深度と被写界深度

COLUMN ガラスはなぜ透明なのか

第 5 章 レンズを使った身近なもののしくみ

083 ヒトの眼の構造
084 正常な眼のしくみと働き
085 近視と遠視
086 老視と乱視
087 コンタクトレンズのしくみ
088 ルーペのしくみ
089 ルーペの倍率
090 光学顕微鏡のしくみ① 基本的なしくみ
091 光学顕微鏡のしくみ② 倍率と分解能
092 望遠鏡のしくみ① 基本的なしくみ
093 望遠鏡のしくみ② ケプラー式望遠鏡の光の進み方
094 望遠鏡のしくみ③ オランダ式(ガリレオ)望遠鏡の光の進み方
095 望遠鏡のしくみ④ 望遠鏡の倍率
096 望遠鏡のしくみ⑤ ピント合わせが必要なのはなぜ?
097 カメラのしくみ① Fナンバーとシャッタースピード
098 カメラのしくみ② 画角と焦点距離
099 カメラのしくみ③ デジタルカメラの画角と焦点距離
100 進化するレンズ 流体レンズのしくみ

COLUMN 像反転系 倒立像を正立像として見る

参考文献
索引

Kindle やKindleアプリで閲覧可能です。

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2013年4月10日 (水)

大きなレンズで光のエネルギーを集める

大きなレンズを使って太陽光を集めた様子を撮影した映像です。焦点の温度は華氏2000度(=摂氏1093度)にもなるそうです。

この焦点の位置にいろいろなものを持ってくると、あっという間に燃焼してしまいます。

ビンの中の液体はあっという間に沸騰、ビンは破裂してしまいます。

Burning Stuff With 2000ºF Solar Power!!

この大きなレンズは、古いテレビで使われていたものだそうで、フレネルレンズと呼ばれるものです。フレネルレンズについては、こちらの記事で解説しています。

光と色と:フレネルレンズの原理と仕組み

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2013年3月25日 (月)

図解入門レンズの基本と仕組み[第2版]-身近な現象と機器に学ぶ光学入門

図解入門よくわかる最新レンズの基本と仕組み[第2版]

図解入門レンズの基本と仕組み[第2版]-身近な現象と機器に学ぶ光学入門

本書はレンズについて知りたいという人を対象に、光の性質から、レンズの基本的な仕組み、種類、収差や性能、眼鏡やカメラなど実際の機器でのレンズの使われ方を図表を使ってやさしく解説します。

【内容】

 カメラや天体望遠鏡には興味があるけど物理は苦手という人でも、レンズの基本について勉強できる本です。

 中学理科から高校物理で学ぶ光の基礎知識を取り上げながら、レンズについてわりやすく解説した本です。

単行本: 291ページ
出版社: 秀和システム; 第2版 (2013/03)
ISBN-10: 4798037354
ISBN-13: 978-4798037356
発売日: 2013/03

目次

はじめに

 21世紀の科学技術は「光の時代」と言われています。現在、光の先端技術を応用したものが、私たちの生活の中にたくさん入ってきています。

 光の技術があるところでは、必ずといってよいほどレンズが活躍しています。レンズはカメラや望遠鏡だけではなく、CD/DVDプレーヤーやコピー機、レーザープリンタをはじめとする、光を使った様々な製品に使われているのです。レンズは光技術の立役者であるといっても過言ではありません。

 本書の構成にあたっては、レンズの専門家ではない人や、物理は少し苦手と思っている人が、「レンズについて知りたい」「勉強したい」と思ったときに、どのような入門書があればよいのかを中心に考えました。

 レンズを勉強するためには、光の基本的な性質を理解しておく必要があります。なぜなら、光とレンズは切っても切れない間柄だからです。この本では、光の基本的な性質についても、ページをかなり割いて説明しました。本書で取り上げたものは、レンズを学ぶ上で必要となる知識です。そこで、本書1冊で光の基本からレンズの仕組みまでを理解できるように、あるいはレンズの専門書で行き詰まったとき、理解を助けるために読んで頂けるように心がけて、執筆を進めました。

 本書は2005年3月に第1版が発売されてから8年の歳月が経過し、ここに第2版を出版することになりました。改訂にあたっては、本書の基本的な主旨は踏襲し、読者の皆さんから頂いた質問や意見などを参考に、よりわかりやすい内容に仕上げることをめざしました。そのため、巻頭のカラー口絵のページや、新しい文章や図を加えて、第1版に比べて約50ページ増量しました。

読者の皆さんが、本書を手にすることによって、光とレンズに関する基本知識を身につけられ、本書がレンズ光学の専門書への橋渡しの役割を果たすことができたとしたならば、著者としてこれほど嬉しいことはありません。

 最後になりますが、本書の作成にあたっては、北海道理科サークルWisdom96の皆さんに、書き上げた文章を読んで意見を頂いたり、写真を提供して頂いたり、お世話になりました。この場を借りてお礼を申し上げます。

 そして、本書の編集作業を担当していただいた秀和システム第一出版編集部の皆さんにお礼を申し上げます。

第1章 レンズとは何か

  • 1-01 そもそもレンズとは?
  • 1-02 レンズの働きをするものを探してみよう
  • 1-03 レンズの歴史
  • コラム 世界最古のレンズ? ニムルドのレンズ
  • 1-04 望遠鏡と顕微鏡の歴史
  • 1-05 カメラの歴史
  • コラム 活動写真の発明

第2章 光の基本的な性質

  • 2-01 光はどのように進むのか① 光の直進性
  • コラム 鏡の歴史
  • 2-02 光はどのように進むのか② 光の反射と乱反射
  • 2-03 光はどのように進むのか③ 光の屈折と反射
  • コラム 光通信と光ファイバー
  • 2-04 光はどのように進むのか④ フェルマーの原理とスネルの法則
  • 2-05 光の分散
  • 2-06 光の回折と干渉
  • コラム シャボン玉でできる虹
  • 2-07 光が偏るとは?
  • 2-08 どうしてものが見えるのか
  • コラム 物体はどのようにして見えるのかを研究した人びと
  • 2-09 光と色の三原色
  • 2-10「光る」とはどのようなことか
  • 2-11 光の速度はどれぐらいか
  • コラム 光速の測定が光の波動説の完全勝利をもたらした
  • 2-12 光の正体は何か
  • 2-13 電磁波とは何か
  • 2-14 幾何光学と波動光学
  • コラム ナノテクノロジーとは

第3章 レンズの基本的な仕組みと働き

  • 3-01 影や像のできかた
  • 3-02 レンズの仕組みと働き
  • コラム 老眼鏡と近視眼鏡のレンズの種類を確かめる
  • 3-03 レンズの構成
  • 3-04 レンズを通る光の進みかた
  • 3-05 レンズでできる像
  • 3-06 レンズの式と倍率
  • 3-07 レンズの置き方
  • 3-08 2枚のレンズを通る光
  • 3-09 レンズの簡易な作図方法
  • コラム 平行光で凸レンズの焦点距離を求める
  • 3-10 凹面鏡と凸面鏡
  • コラム 凹面鏡を利用した太陽炉

第4章 レンズの分類

  • 4-01 レンズの基本的な分類のしかた
  • 4-02 表面で光を屈折するレンズ① 
  • 4-03 表面で光を屈折するレンズ② 
  • 4-04 表面屈折以外のレンズ
  • コラム 光を回折させてみよう
  • 4-05 レンズを作る材料
  • コラム ガラスはなぜ透明か
  • 4-06 光学ガラスの屈折率とアッベ数
  • 4-07 光学ガラスの分類
  • 4-08 ガラス以外の材料
  • 4-09 レンズのつくりかた
  • コラム 光学ガラスやレンズの製造工程を詳しく知りたい人は

第5章 レンズの収差と性能

  • 5-01 収差とは何か
  • 5-02 球面収差
  • 5-03 コマ収差と非点収差
  • 5-04 像面湾曲と歪曲収差
  • 5-05 軸上色収差と倍率色収差
  • 5-06 Fナンバー
  • 5-07 開口数NA
  • 5-08 絞りと瞳
  • 5-09 絞りの位置とテレセントリック
  • 5-10 焦点深度と被写界深度
  • 5-11 レンズの解像力と伝達関数MTF
  • コラム 偏心収差 レンズ製造やとりつけで生じる収差
  • 5-12 アッベの不変量とラグランジュの不変量
  • コラム レンズの設計

第6章 レンズを使った製品と技術

  • 6-01 光学系とは何か
  • 6-02 眼の働き
  • 6-03 眼鏡と眼の屈折異常① 
  • 6-04 眼鏡と眼の屈折異常② 
  • 6-05 コンタクトレンズの仕組み
  • コラム 昆虫の複眼の仕組み
  • 6-06 ルーペの仕組み
  • 6-07 顕微鏡の仕組み
  • 6-08 望遠鏡の仕組み
  • コラム 双眼鏡の仕組み
  • 6-09 カメラの仕組み
  • 6-10 CD-ROMとCD-ROMドライブの仕組み
  • 6-11 レーザープリンタの仕組み
  • 6-12 バーコードリーダーの仕組み
  • 6-13 半導体産業を支えるステッパーレンズ
  • 6-14 自然現象とレンズ

索引

参考文献

読者サポートサイト

http://lens.goryoukaku.com/

▼サンプルページ

巻頭口絵(抜粋)

Front

第1章 第1節 そもそもレンズとは

Page11

第2章 第3節 光はどのように進むのか③光の屈折と全反射

Page23

第3章 第4節 レンズを通る光の進みかた

Page34

第4章 第1節 レンズの基本的な分類のしかた

Page41

第5章 第2節 球面収差

Page52

第6章 第2節 目の働き

Page62

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2013年3月 7日 (木)

美味しい液体レンズ

美味しい液体レンズを見つけました。

もちろん、日本製です。

Photo

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2013年2月 3日 (日)

シリンドリカルレンズの原理と仕組み

 牛乳びんは円筒のような形をしていますが、水を入れると光を屈折します。次の写真のように、牛乳びんを縦置きにして文字を見ると、文字が左右がひっくり返って見えます。牛乳びんを横置きにして文字を見ると、文字の上下がひっくり返って見えます。

123a

 次の図のように円柱の側面の一部を切り出した形をしたレンズをシリンドリカルレンズといいます。シリンドリカルは「円柱状の」という意味です。普通の球面レンズはどこを切り出しても断面に曲面がありますが、シリンドリカルレンズは曲面をもつ断面と、曲面を持たない断面があります。

Photo

 球面レンズに入る光軸と平行な光はレンズのどの部分を通っても次の図の(A)のように焦点に集光しますが、シリンドリカルレンズの円柱面に入る光軸と平行な光は直線上に集光します。

Photo_2

 シリンドリカルレンズを使うと、次の写真のように直線上に並んだ細かい文字などを拡大して読み取ることができます。

131

 シリンドリカルレンズはレーザープリンター、コピー機、バーコードのスキャニング、ホログラフィー装置、レーザー投影機などに使われています。

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2012年12月27日 (木)

氷レンズで火を起こす

氷レンズというと、冷凍庫で作成した氷を使って実験という感じだと思いますが、この映像で紹介している氷レンズの作成方法はサバイバル系です。池や湖で自然に出来た氷を切り出してレンズを作ります。

映像の最後に作成した氷レンズで太陽の光を集めて枯れ草に火をつけるシーンがあります。これだけ大きなレンズだと・・・

この先は映像をご覧下さい。

How to make Fire from ICE

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2012年10月26日 (金)

ピンホールで像ができる仕組み

 次の図のように厚紙に1センチメートルほどの星型の穴を開けて、天井の蛍光灯で厚紙の影を作ると、どのような影ができるでしょうか。穴の部分が明るい星型をした厚紙の影ができるでしょうか。

3031

 実際にやってみると、影の穴の部分は星型をしておらず、そこに蛍光管の姿が映し出されます。穴の形が円形でも三角形でも四角形でも、穴の形に関係なく蛍光管の姿が映ります。

 もし、蛍光管が円形のタイプのものなら、ドーナツ状の蛍光管の姿が映し出されます。このように映し出された物体の姿を像といいます。この像は鏡の中に見える物体の虚像とは異なり、そこに実際にやってきた光で作られる実像です。
 光源や物体の1点から出る光は四方八方に広がって進みます。次の図は物体の1点から出た光がピンホールに入る様子を示したものです。物体の1点から出て広がって進む光のほとんどは遮断されますが、ピンホールを通り抜けることができた光がスクリーンに物体の像を作ります。

3032

 ピンホールでできる像は元の物体と上下左右が反転した倒立像となります。これは光が直進するからです。次の図のように物体のABXYから出てピンホールに向かう光は、ピンホールを通過した後、A’B’X’Y’に向かって進みます。つまり、ピンホールで光が交差するため上下左右が反転した像ができるのです。ピンホール現象を利用したカメラが第1章で説明したカメラ・オブスクラ、つまりピンホールカメラです。

30321

 ピンホールと同様に鏡でスクリーンに像を作ることもできます。太陽光を鏡で反射させスクリーンに当てたとき、鏡とスクリーンの距離が短いと鏡の形をした明るい光が映るだけですが、距離が長くなると次の写真のように太陽の像が映ります。ピンホールは光を通過させて像を作りますが、鏡は光の進む向きを反転させて像を作ります。

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2012年9月 6日 (木)

度数を変更できる流体レンズ

 眼の水晶体は非常に優れたレンズです。水晶体の注目すべきところは、水晶体の厚さを調節することによって、焦点距離を変化させることができることでしょう。普通のレンズではそのようなことができないので、たとえば、カメラでは、レンズを前後に動かしてピントを合わせます。

 「なんとか水晶体のようにレンズ1枚で焦点距離を変更することができないか?」というアイデアで開発が進んでいるのが流体レンズです。

 ここで紹介するレンズは流体に電圧をかけて、焦点距離をリアルタイムに自由に変更することができるタイプのレンズです。屈折率の異なる2つの流体を使い、その厚さや形状を変えることによって、焦点距離を変えます。

 たとえば、オランダのPhilips Electronics社が開発したFluidFocusレンズは、次の図のように、短い円筒容器の中に、お互いに混じり合わない屈折率の異なる導電性流体と絶縁性流体が封入されています。

Photo

 ここに電圧をかけると流体の表面張力が変化し、流体の界面が短時間で下方向に凸型に変化します。この流体レンズは、まるで眼の水晶体のように1枚のレンズだけで焦点距離を変化させることができます 。

 このような流体レンズが実用化すれば、1枚のレンズで焦点距離が可変となるため、レンズ光学系全体の大きさを小さくすることができます。また、短時間でピントを合わせることができるようになります。

 前後に動かして焦点距離を調整するカメラのレンズと併用する形で、レンズにフィルターのように取り付けて、焦点距離の微調整に使うというのも面白いかもしれません。

 レンズはもともとガラスの表面を球面上に研磨した簡単な道具で、その基本原理も光の屈折にすぎませんが、新しい材料の開発や加工技術の発達などを背景に、どんどん進化しています。これから先も人類の英知がレンズに注がれていくことでしょう。

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2012年8月 9日 (木)

ペットボトルで火をつける方法

WATER BOTTLE STARTS FIRE!!

ペットボトルに水を入れ、太陽の光を集めると、火をつけることができるかどうかを検証した実験ができます。

透明なポリ袋に水を入れてもレンズができます。

火がない!と思っても、太陽さえ出ていれば何とかなるものです。

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