幾何光学・とは？初心者でも分かる基礎入門ガイド共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

幾何光学とは

幾何光学は、 光を直線の経路として扱う近似モデルに基づく学問です。波のように振る舞う光の細かな振る舞いを追わず、鏡やレンズの周りで起こる光の進路を光線と呼ばれる仮想の道筋で考えます。日常生活の中でも、鏡に映る像、プリズムで分かれる虹、水に入れたストローが折れて見える現象など、多くの現象が幾何光学の考え方で説明できます。

主な原理

幾何光学の基本は、反射と屈折、そしてそれらを用いた像の形成の三つです。反射は光が境界で反対方向へ跳ね返る現象で、反射の法則として「入射角は反射角に等しい」という性質を持ちます。

反射

鏡などの平面や曲面で光が跳ね返ると、観察者の視線の方向に像が現れます。反射は比較的近い距離の物体を見るときに特に重要です。

屈折

光が境界を越える際、進む速度が変わるため方向が曲がります。これは物質の屈折率の違いによって起こります。屈折の一般的な式は n1 sin theta1 = n2 sin theta2 です。n1, n2 はそれぞれの物質の屈折率、theta は入射角と屈折角を表します。

光学素子と像の作り方

レンズや鏡は光の経路を整える道具です。凸レンズは光を集束させ、凹レンズは光を拡げます。焦点距離と物体の位置関係を使えば像の位置を予測できます。眼鏡は近視・遠視を矯正するために、レンズの形状を変えて視覚を整えます。

日常での実感

生活の中にも幾何光学の直感を鍛える場面が多くあります。透明なグラスに入れた水に光が入ると、ストローが途中で折れて見える現象や、プリズムを使って光を虹色に分ける現象、鏡に映る自分の姿などは、光線の曲がり方を身近に教えてくれます。

表で覚える基本

現象	説明	代表的な式・特徴
反射	光が境界で反対方向へ跳ね返る	入射角 = 反射角
屈折	光が別の物質へ進むとき、進む角度が変わる	n1 sin theta1 = n2 sin theta2
像の形成	レンズや鏡を使って光を集束させ、像を作る	焦点距離と物体距離の関係を利用

まとめ

幾何光学は、光を直線の道筋として考える基礎的で実用的な工具です。反射と屈折のしくみを理解することで、私たちの生活に関わる多くの光学機器や現象をより深く理解できるようになります。今後は焦点距離の意味や屈折率の計算方法など、さらに詳しいポイントにも触れていきます。

幾何光学の同意語

光線光学: 光を直線的な光線として扱い、反射・屈折・像の形成など、波の性質を必ずしも考慮せずに光の経路を説明する分野の呼び方です。
光線学: 光を光線として捉える学問で、幾何光学の考え方を用いて光の進む経路や像の性質を分析します。
光学幾何学: Geometrical optics の日本語表現の一つで、光を光線として扱う考え方を指す言葉です。幾何光学と同義で使われることがあります。
レイオプティクス: ray optics のカタカナ表記で、光線を使って光の挙動を説明する分野を指します。文献や講義で使われることがあります。
光線理論: 光を光線として扱い、反射・屈折・像の形成を説明する理論。幾何光学の基本的な考え方を指します。

幾何光学の対義語・反対語

波動光学: 幾何光学が光を直線的な光線として近似するのに対し、光を波として扱い、干渉・回折・偏光などの波動現象を説明する領域。小さなスケールや長波長の現象を正しく理解するのに用いられます。
回折: 物体の縁や細孔を通過する際に光が波として拡がる現象。幾何光学の直線伝播では説明できない振る舞いで、波動光学の典型的な現象です。
干渉: 複数の光波が重なって明暗の縞を作る現象。波の性質が前提となる現象で、幾何光学の枠を超える現象です。
量子光学: 光を量子（光子）として扱い、光の非古典的性質を扱う分野。幾何光学の古典的近似を超える領域で、量子情報や非古典的状態の研究などに用いられます。
光子論: 光を粒子（光子）として捉える観点・研究領域。波動と粒子の二重性を強調する視点で、幾何光学とは別の基礎理解を提供します。
非幾何光学: 幾何光学の近似を超えた現象を指す総称。波動光学や量子光学の領域で扱われる現象を含み、より正確な伝播を説明します。