凸レンズを半分隠すと実像はどうなるか

詳細版「凸レンズを半分隠すと実像と虚像はどうなるか」

　凸レンズで天井の蛍光灯の実像を机の上に作ると下の図の左のようになります。赤い光線①は蛍光灯の右端を出てレンズに平行に入る光です。レンズに平行に入る光はレンズの焦点を通ります。②の光線は、蛍光灯の右端を出てレンズの中心を通る光です。レンズの中心を通る光はそのまま直進します。青の光線は蛍光灯の中心を出てレンズの中心を通る光です。緑の光線は蛍光灯の左端を①と②に相当する光線です。さて、このレンズの半分を右側のように半分隠すと蛍光灯の実像はどのようになるでしょうか？

凸レンズを半分隠すと実像はどうなるか

　答えは「実像が半分になる？」あるいは「何も変わらない？」。いったい蛍光灯の実像がどのようになるのか考えてみましょう。上図の左側をもう少し詳しく描いたものが下図（Ａ）です。

凸レンズの光の進み方（実像の場合）

　凸レンズで実像ができる仕組みは中学校１年の理科で習います。物体の１点から出て凸レンズを通る光のうち「1. レンズの光軸に平行に入る光」「2. レンズの中心を通る光」「3. 凸レンズの手前の焦点を通る光」の３つの光は次のような進み方をすると習います。

　１．凸レンズの光軸に平行な光は屈折したあと焦点を通る。
　２．凸レンズの中心を通る光は屈折せずにそのまま直進する。
　３．凸レンズの手前側の焦点を通る光は屈折したあと光軸に平行に進む。

　凸レンズでできる実像は、この３つの光線を使って上図（Ａ）のように作図することができます。この３つの光の交点が、物体の１点に対応する像ができる位置となります。

　図（Ａ）では、物体の１点から出る３つの光線しか描かれていませんが、実際には光は物体の１点から四方八方に出ています。下の写真は電球に多数の隙間のあるカサをかぶせたものです。蛍光灯の表面の１点から出る光もこのように四方八方に広がっています（この写真は二次元的な広がりはよくわかりますが、実際には光は３次元的に広がっています）。

四方八方に広がる光

　物体の１点から出る無数の光線のうち、凸レンズを通る光線を描いたのが下図（Ｂ）です。図（Ａ）で描いた３本の光線はこれら無数の光線を代表したものに過ぎません。

　それでは最初の図の右側のように凸レンズをしゃへい板で半分隠してみましょう。そのときの光の進み方を示したものが下図（Ｃ）です。

　図（Ｃ）を見るとわかる通り、しゃへい板でレンズを半分隠しても、物体の１点から出た光の一部がさえぎられるだけです。

　ですから、レンズを半分隠しても実像はきちんとできます。半分だけの実像になるわけではありません。その代わり、レンズを通る光線の数が少なくなります。これはレンズを通る光の量が少なくなることになりますので、スクリーンにできる像は暗くなります。

　この説明だけを読んで「実像が暗くなるなら良いことはないな」と思う人もいるかもしれません。ところがレンズをしゃへい板で隠すというのは綺麗な像を作るためには非常に重要なことなのです。例えば、カメラには「絞り」がついています。「絞り」を絞ることで明るさを調節することができます。

　この絞りの度合いはＦナンバーで現されます。Ｆナンバーは像の明るさだけではなくて、解像度にも関係してきます。その話はまた次の機会にしたいと思います。

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