レンズのソースを表示

{{Otheruses|透明の球面体|その他|レンズ (曖昧さ回避)}}
[[ファイル:BiconvexLens.jpg|サムネイル|レンズ]]
[[ファイル:Lens2-ja.svg|サムネイル|レンズの断面形状の種類]]
'''レンズ'''（{{Lang-nl-short|lens}}、{{Lang-zh-short|透鏡}}）とは、
#[[光]]を[[屈折]]させて[[発散]]または[[集束]]させるための[[光学素子]]。本項で詳述する。
#上記光学素子と同じ役割をする素子や技術、自然現象など。本項でも説明する。
#[[写真レンズ]]のこと。複数のレンズを含む機械要素や電子回路などで構成される。

==概要==
[[光]]を[[屈折]]させて[[発散]]または[[集束]]させるための[[光学素子]]。通常は、両側面を[[球面]]と球面または球面と[[平面]]とした[[透明体]]である。
「'''透鏡'''」とも呼ばれる。
用途によっては、片面または両面を球面ではなくした[[非球面レンズ]]も利用される。

実用上の多くのレンズは1つの軸（[[光軸]]）のまわりに[[回転対称]]な面でできていて、以下の説明では主にこの場合を扱う。回転対称でない例として[[乱視]]用めがねレンズ（[[トーリックレンズ]]）、棒状の半円柱形ルーペなどがある。入射した平行[[光束]]を収束させる働きを持つものを'''[[凸レンズ]]'''、発散させるものを'''[[凹レンズ]]'''という。通常、レンズ中央部は凸レンズでは厚く、凹レンズでは薄い<!--ただし、これが凸・凹の定義ではない。反例としては軸外しレンズ、フレネルレンズなど。-->。

[[素材]]としては[[ガラス]]や、[[有機ガラス]]などの透明な[[プラスチック]]類が主に使われる。特に[[光学機器]]のレンズには[[光学ガラス]]が使われ、特殊な性質が必要とされることも多く[[蛍石]]などの特殊材料がある。<!--高精度を求められるレンズでは[[トリウム]]などの特殊な素材を添加することもある。--><!--←弗素とかいくらでもそういう添加物はあるんで、トリウムだけ挙げる意味がない-->

[[顕微鏡]]として微細な世界とそこに潜む微細な[[生命]]を発見させたり、[[望遠鏡]]として[[地球]]外の世界を見せるなど、レンズは[[科学]]の発展（[[科学史]]）に大きく関与している。

その他、[[写真]]およびその延長である[[映画]]、今や写真の技術が不可欠である[[印刷]]、その延長である[[集積回路]]の[[フォトマスク]]など現代の文明に欠くことのできない物である。

[[写真レンズ|写真撮影用のレンズ]]など、1セットのモジュールとなっているもの全体をレンズと言うことも多い。[[眼]]の[[水晶体]]もレンズと呼ばれる。

[[懐中電灯]]などの[[照明|照明器具]]の灯り（[[光束]]）を制御する目的でも多く利用される。

レンズの[[語源]]は[[レンズマメ]]（ヒラマメ、{{Lang-la|''lens''}}）である。当初作成されたレンズは凸レンズであり、その形状がレンズマメに似ていたことからこの名前が付いた<ref>[https://kotobank.jp/ejword/lens lensの意味 - 英和辞典 - コトバンク]</ref><ref>[https://emg-gweb.com/3104/ レンズ豆とレンズ - EMG エンパイヤメガネグループ]</ref>。

日本では、眼鏡、拡大鏡、顕微鏡、望遠鏡のように、元来は反射鏡の意だった「鏡」が<!--、おなじ精密光学機器であるためか、←憶測は要らない-->レンズにも流用された。宝石の意味もある「玉」（鏡筒の前後端のレンズを前玉・後玉等）や、稀に「鏡玉」といった言い回しも使われるが、一般的ではない。

文脈によるが「鏡玉」は、宝物としての鏡と玉という意味のことも多い。

== 凸レンズ ==
=== 基本的性質 ===
[[ファイル:convex_lens_light.PNG|thumb|図1-1]]
[[ファイル:Lens3-ja.svg|thumb|図1-2 物体が焦点距離より遠いときは実像ができる]]
[[ファイル:Lens3b-ja.svg|thumb|図1-3 物体が焦点距離より近いときは虚像ができる]]
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、{{Lang-en-short|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 (光学)|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<!--厳密な定義「主面と光軸の交点」とは異なるか-->。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]]{{要曖昧さ回避|date=2021年10月}}を通る光は角度を変えずに進む

=== 実像と虚像 ===
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。

=== レンズの公式 ===
{{Main|レンズの公式}}
焦点距離 ''f'' のレンズ（''f'' は凸レンズでは正、凹レンズでは負とする）について、
主点を原点とした光軸方向の座標を ''s''<sub>1</sub> (通常は負)、像の光軸方向の座標を ''s''<sub>2</sub> とすると
{{Indent|1/''s''<sub>2</sub> <nowiki>=</nowiki> 1/''f'' + 1/''s''<sub>1</sub>}}
という関係（[[レンズの公式]]）が成り立つ<ref name="Smith_MOE">{{Cite book
|last = Smith
|first = Warren J.
|date = 2000-07-26
|title = Modern Optical Engineering: The Design of Optical Systems
|edition = 3rd Ed.
|publisher = McGraw-Hill
|location =
|isbn = 978-0071363600
|pages = pp. 25 - 27
}}</ref>。より広く知られた形の式
{{Indent|1/''a'' + 1/''b'' <nowiki>=</nowiki> 1/''f''}}
は、''s<sub>1</sub>, s<sub>2</sub>'' の[[絶対値]]をそれぞれ''a'', ''b'' とおいた（距離として表した）ものである。

物体が物側焦点より外側にある（つまり |''s<sub>1</sub>''| > ''f''）ならば倒立実像がレンズに関し物体と反対側 (''''s<sub>2</sub>'' > 0) にでき、物側焦点より内側にある（|''s<sub>1</sub>''| < ''f''）ならば正立虚像が物体と同じ側 (''s<sub>2</sub>'' < 0) にできる。像と物の大きさの比（横倍率） ''m'' は
{{Indent|''m'' <nowiki>=</nowiki> ''s<sub>2</sub>''/''s<sub>1</sub>''}}
で表される（''m'' は実像では負、虚像で正である）<ref name="Smith_MOE" />。

上記レンズの公式の別の表現として、前側焦点と物との座標差を'' z ''、後側焦点と像との座標差を'' z' ''とおくと以下のニュートン形式の式が成り立つ<ref name="Smith_MOE" />。
{{Indent|
''-zz' '' <nowiki>=</nowiki> ''f''<sup> 2</sup><br />
''m'' <nowiki>=</nowiki> -''z' ''/''f'' <nowiki>=</nowiki> ''f''/''z''}}

=== 副実像<ref>{{Cite web|和書|url=https://sh.higo.ed.jp/utosh/wysiwyg/file/download/24/327 |title="副実像"の写像公式化の研究 |accessdate=2022-03-05 |publisher=[[熊本県立宇土中学校・高等学校|熊本県立宇土高等学校]]}}</ref> ===
{{節スタブ|上の参考文献に基づく記述をお願いします。|date=2022年3月5日 (土) 12:44 (UTC)}}

=== ルーペ ===
{{Redirect|ルーペ|伊藤かな恵の楽曲|ルーペ (曲)}}
[[ファイル:Magnifying glass.jpg|thumb|虫眼鏡（凸レンズの代表的利用例）]]
[[ファイル:Loupe-optical path.svg|thumb|right|ルーペの光路図]]
'''ルーペ'''（虫眼鏡、{{Lang-de-short|Lupe}}）は、凸レンズでできる拡大された虚像を目視観察する[[道具]]である。ルーペの[[倍率]]は、ルーペ無しで距離 ''L'' のところから物体を見たときと、ルーペを通して見たときの虚像の見かけの大きさ（[[視角]]）の比であらわす。すなわち、ルーペ無し・有りのときの見込み角度をそれぞれ α、β とすると、倍率 ''M'' は <math>M = \tan \beta / \tan \alpha</math> と定義される。ただし、[[近軸近似]]の成り立つ範囲では ''M'' &asymp; β/αとなる。距離 ''L'' としては、[[明視距離]]（慣習的に 250 [[ミリメートル|mm]] とされる）が用いられる<ref>{{Cite journal|和書
|author = [[鶴田匡夫]]
|year = 2006
|month = 6
|title = 第8・光の鉛筆[11] 読書用ルーペ2 明視距離
|journal = [[O plus E]]
|volume =
|issue =
|pages =
|publisher = [[アドコム・メディア]]
|issn =
|url = http://opluse.shop-pro.jp/?pid=19556474
}}</ref>。

倍率は物体とレンズと目の位置関係により変化する。レンズの焦点距離 ''f''、前側焦点から物体までの距離を ''x''、後側焦点から目までの距離を ''z'' とすると、倍率 ''M'' は
{{Indent|<math> M = {L \over f}\cdot {1 \over {1 + (xz / f^2)}} </math>}}
となる<ref>{{Cite book|和書
|author = 小穴純
|title = レンズの話
|year =
|publisher =
|isbn =
|page =
}}</ref><ref name="tsuruta1988">{{Cite book|和書
|author = 鶴田匡夫
|title = 続・光の鉛筆 : 光技術者のための応用光学.
|year = 1997<!-- 1988? -->
|publisher = [[新技術コミュニケーションズ]]
|isbn = 4-915851-02-8
|page =
}}</ref>。

手持ち式のルーペの場合、主に以下のような使い方がある<ref>{{Cite journal|和書
|author = 鶴田匡夫
|year = 2006
|month = 5
|title = 第8・光の鉛筆[10] 読書用ルーペ1 倍率と解像力
|journal = O plus E
|volume =
|issue =
|pages =
|publisher = アドコム・メディア
|issn =
|url = http://opluse.shop-pro.jp/?pid=19556472
}}</ref>。
* 物体をレンズの前側焦点に置く（''x'' = 0）。このときレンズを通した光は平行光になるので、目の位置に関わらず虚像は無限遠にあり倍率は一定で、''M'' = ''L''/''f'' となる。
* 目をできるかぎりレンズに近づけ（''z'' = -''f''）、かつ虚像の見かけの位置が目から ''L'' = 250 mm となるように物体を置く。このとき ''M'' = (''L''/''f'') + 1 となる。さらに物体をレンズに近づければ倍率は上がるが、実際は目の焦点があわせられる範囲で制約される。
* 目を後側焦点に置く（''z'' = 0）。このとき倍率は一定で ''M'' = ''L''/''f'' となり物体の位置によらない。

商品としてのルーペには ''M''<sub>0</sub> = 250/''f'' を倍率として表示している場合<ref>{{Cite web|和書
|author=ニコンビジョン
|authorlink=ニコンビジョン
|url = http://www.nikonvision.co.jp/products/loupe/high.htm
|title = ハイグレード読書用ルーペ
|work = 製品紹介
|accessdate = 2008-06-02
}}</ref>と、
''M'' = (250/''f'') + 1 = ''M''<sub>0</sub> + 1 を表示している場合<ref>{{Cite web|和書
|author = 池田レンズ工業
|date =
|url = http://www.rakuten.ne.jp/gold/loupe-studio/others/power.html
|title = ルーペの倍率
|work = ルーペスタジオ楽天店
|publisher =
|accessdate = 2006-06-02
}}</ref>、あるいはそのいずれでもない場合（目と物体の間の距離を 250 mm としてレンズをその中間に置いたときの倍率<ref>{{Cite web|和書
|author = ニコンビジョン
|date =
|url = http://www.nikonvision.co.jp/products/loupe/pendant.htm
|title = ペンダントルーペ
|work = 製品紹介
|publisher =
|accessdate = 2008-06-02
}}</ref>、など）がある。

読書用ルーペなどで片面が平らな平凸レンズをもちいたものでは、倍率は表裏どちらでも同じだが、凸側を物体に向けたほうが[[非点収差]]などが小さく、見やすくなる<ref>{{Cite journal|和書
|author = 鶴田匡夫
|year = 2006
|month = 4
|title = 第8・光の鉛筆[9] 19世紀半ばのルーペ
|journal = O plus E
|volume =
|issue =
|pages =
|publisher = アドコム・メディア
|issn =
|url = http://opluse.shop-pro.jp/?pid=19556470
}}</ref>。倍率が大きいルーペ（''M''<sub>0</sub> &gt; 1）で両眼で観察できるほど視野を広くするには非球面レンズが必要となる<ref>{{Cite journal|和書
|author = 鶴田匡夫
|year = 2006
|month = 7
|title = 第8・光の鉛筆[12] 読書用ルーペ3 両眼視ルーペ
|journal = O plus E
|volume =
|issue =
|pages =
|publisher = アドコム・メディア
|issn =
|url = http://opluse.shop-pro.jp/?pid=19556475
}}</ref>。

頭に装着して用いるルーペは'''ヘッドルーペ'''と呼ばれ、両手を用いた細かい作業などに用いられる。

== 凹レンズ ==
=== 基本的性質 ===
[[ファイル:Concave_lens_lights_02.PNG|thumb|図2‐1]]
[[ファイル:Lens4-ja.svg|thumb|凹レンズによる虚像]]
凸レンズと逆に光を発散させるレンズは'''凹レンズ'''（おうレンズ、{{Lang-en-short|concave lens}}）と言う。レンズの両面の形により、両凹、平凹、凸凹 （[[メニスカス]]凹）の各種がある。

凹レンズを通る光（図2-1）には主に以下のような性質がある。
# 軸に平行な光線は凹レンズを通った後、入射側にある軸上の一点（[[焦点 (光学)|焦点]]）から出たかのように広がって進む（発散）
# レンズの後方の焦点に向かう光線は凹レンズを通過した後は軸に平行に進む
# 節点を通る光線は凸レンズ同様に角度を変えずに進む

凹レンズでできる像は常に正立[[虚像]]で、物体と同じ側にある。焦点距離を負の数値であらわす（''f'' < 0）と、凸レンズの場合と同じレンズの公式が成り立つ。

== 凹凸レンズ ==
凹凸レンズ(英:meniscus lens)は、英語名のまま、メニスカスレンズとも呼ばれる。レンズの片面が凸、もう片面が凹になったレンズで、二つの面の相対的な曲率の違いに応じて中央が周囲より厚い場合は凸レンズとして、逆の場合は凹レンズとして働く。眼鏡の場合は単体で、また光学機器で他のレンズと組み合わせて使用される。

== レンズの種類 ==
===屈折率により光路を制御するレンズ===
* [[回折レンズ]] - [[回折]]を利用したもので、一部の写真レンズの部品として用いられている。
* [[セルフォックレンズ]] - 屈折率分布型の端面が平坦なレンズ。アライメントがし易いため[[WDM]][[光通信]]のコンポーネントなどに使われる。アレイ状に並べたセルフォックレンズアレイ（SLA）はプリンタやコピー機の光学系などに使われる。
* [[非球面レンズ]] - [[収差]]を抑える（場合によってはゼロにする<ref>レーザー用など、目的によってはゼロにできる場合がある。</ref>）ため、面を真球ではなくしたレンズ。[[写真レンズ]]や光学式メディアのピックアップ用レンズや[[眼鏡]]用として生産されている。

===光学レンズと同様な働きをする技術、現象===
* [[重力レンズ]] - 天体などの[[重力]]による[[時空]]の歪みによって、光が曲げられる現象である。これにより、遠方の[[銀河]]などの像が歪んだり、2つに分裂したりする。
* [[電子顕微鏡]]では光の代わりに[[電子線]]を用いて試料の拡大像や[[電子線回折|回折]]図形を得るが、この[[陰極線|電子線]]を曲げるレンズ([[電子レンズ]])として[[電磁石]]を用いた磁界レンズや[[電場|静電場]]を使った静電レンズが用いられる。
* [[放射光]]などによる[[X線回折]]では、[[回折]]によって[[X線]]を集光する[[X線レンズ]]が用いられている。X線レンズの材料として[[金属多層膜]]などが挙げられる。
===光以外の物をレンズのように制御する技術===
* [[爆縮レンズ]] - [[原子爆弾]]に用いられる技術
* [[爆薬レンズ]]
* [[風レンズ]] - 小型の[[風力発電]]用[[風車]]に用いられる技術
* [[音響レンズ]] - [[音波]]の収束に使用される。[[ソナー]]や[[イルカ]]等の[[海獣|海洋哺乳類]]にみられる。
* [[誘電体装荷アンテナ]] - [[アンテナ]]の開口部に設置された[[誘電体]]により、見かけの開口率を高める。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

== 参考文献 ==
* {{cite book|和書|author=吉田正太郎 |authorlink=吉田正太郎 |title=光学部品研磨技術 |isbn= |date=1954 |publisher=宇宙物理学研究会 }}
* {{cite book|author=Frank Twyman |authorlink= |translator= |title=Prism and Lens Making: A Textbook for Optical Glassworkers |isbn= |date=1952年 |url= |publisher=Hilger & Watts }}
* {{cite book|和書|author=Frank Twyman |authorlink= |translator=富岡正重・山田幸五郎 |title=プリズム及レンズ工作法の研究 |isbn= |date=1956年 |url= |publisher=宗高書房 }}
* {{cite book|author=Willy Zschommler |authorlink= |translator= |title=Feinoptik-Glasbearbeitung: Werkkunde f.d. Feinoptiker |isbn= |date=1963年 |publisher=Hanser }}
* {{cite book|和書|author=Willy Zschommler |authorlink= |translator=浅野俊雄 |title=レンズ・プリズムの精密加工 : -光学工場必修技術ー |isbn= |date=1969年 |publisher=[[恒星社厚生閣]] }}
* {{cite book|和書|author=吉田正太郎 |authorlink=吉田正太郎 |title=レンズとプリズム―その研磨の実際 |isbn=9784805202197 |date=1985年6月 |publisher=[[地人書館]] }}
* {{cite book|和書|author=吉田正太郎 |authorlink= |title=光学機器大全 |isbn=9784416200001 |date=2000年3月 |publisher=[[誠文堂新光社]] }}
* {{cite book|和書|author=永田信一 |authorlink= |title=図解　レンズがわかる本 |isbn=4-534-03491-1 |date=2002年11月 |publisher=[[日本実業出版社]] }}
* {{Cite book|和書
|author = 桑嶋幹
|title = よくわかる最新レンズの基本と仕組み : 身近な現象と機器に学ぶ
|url = http://lens.goryoukaku.com/
|year = 2005
|publisher = [[秀和システム]]
|series = 図解入門
|isbn = 4-7980-1028-6
}}

== 関連項目 ==
{{Commonscat|Lenses}}
* [[焦点 (光学)]]
* [[焦点距離]]
* [[実像]]
* [[虚像]]
* [[開口数]]
* [[ザイデル収差]]
* [[非球面レンズ]]
* [[可変焦点レンズ]]
* [[フレネルレンズ]]
* [[対物レンズ]]
* [[バローレンズ]]
* [[レデューサーレンズ]]
* [[接眼レンズ]]
* [[写真レンズ]]
* [[蛍石レンズ]]
* [[液浸|油浸レンズ]]

== 外部リンク ==
* {{Cite web|和書
|author =
|date =
|url = http://optica.cocolog-nifty.com/blog/2009/11/post-d3e9.html
|title =  レンズの語源 （レンズの名前の由来）
|work =
|publisher =
|accessdate = 2011-02-20
}}
* {{Cite web|和書
|author = 安藤幸司
|date = 2010-01-18
|url = http://www.anfoworld.com/
|title = AnfoWorld --- マッキントッシュと計測カメラのホームページ
|work =
|publisher = アンフィ（有）
|accessdate = 2011-09-18
}}
* {{Cite web|和書
|author =
|date =
|url = http://www.opticsdesign.gr.jp/
|title = ODG 日本光学会（応用物理学会）光設計研究グループ
|work =
|publisher =
|accessdate = 2011-09-18
}}

{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:れんす}}

[[Category:レンズ|*]]
[[Category:光学]]
[[Category:光学機器]]