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子供のための光学
凹レンズと凸レンズ
レンズとは？
レンズは光を効果的に屈折させます。光を制御するほとんどのデバイスには、1つ以上のレンズが内蔵されています。一部のデバイスはミラーのみを使用しますが、ミラーはレンズができることのほとんどを実行できます。
基本的な単レンズには2種類あります
凸レンズ
凸レンズまたは正レンズは、光を収束または集光させ、像を形成できます。
凹レンズ
凹レンズまたは負レンズは、光線を発散（拡散）させます。
複合レンズ形状も可能です
通常、光は何かに遮られて曲がるまで、完全に直進します。光の直進経路は光線と呼ばれます。複数の凸レンズまたは凹レンズを組み合わせると、光の経路を曲げることができます。
図1. 複数の凸レンズまたは凹レンズを組み合わせたときに、光の経路がどうなるかを確認してください。
単レンズと複合レンズ？
単純なレンズでは非常に鮮明な画像を形成できません。そのため、レンズ設計者や光学エンジニアは、単純なタイプを組み合わせてより優れた複合レンズを作成する方法を考案します。これには何十億もの計算が必要となるため、私たちは特別なコンピュータープログラムを使用してこれを支援しています。
さまざまなデバイスがさまざまな種類のレンズを使用しています。矢印をクリックして、いくつかの例をご覧ください。
携帯電話
このデバイスは...を使用します
カメラ
このデバイスは...を使用します
マーズローバー
このデバイスは...を使用します
出典: https://www.jpl.nasa.gov/edu/resources/teachable-moment/meet-perseverance-nasas-newest-mars-rover/
拡大鏡：シンプルな光学デバイス
この図は、虫眼鏡が光線をどのように曲げて、物体を実際よりも大きく見せるかを示しています。多くの光学デバイスは、光を曲げて目と脳を欺き、光が異なる（通常はより大きく、またはより近い）物体から来たように見えるという同じ基本的な考え方を使用しています。
Molecular Expressionsウェブサイトで、簡単な拡大の素晴らしいデモンストレーションをご覧ください（新しいウィンドウで開き、Javaプラグインが必要です）。虫眼鏡を上下に動かして、画像がどのように変化するかを確認できます。
クイズに挑戦！
レンズは至る所にあり、それぞれ目的があります。どのレンズが...に使用されているか、考えてみましょう。
1. スクリーンに大きな画像を表示する？
2. 遠くの物を見る？
3. 非常に小さなものを見る？
4. 暗闇で見る？
5. 後で見るために画像をキャプチャする？
6. 視力不良を矯正する？
A) 望遠鏡
D) プロジェクター
B) 暗視ゴーグル
E) メガネ
C) カメラ
F) 顕微鏡
1. D
2. A
3. F
4. B
5. C
6. E
天文学と宇宙探査における光学
光学は、天文学や宇宙探査において長い歴史を持っています。ガリレオ（1564～1642年）は、小型望遠鏡を使って月や夜空の他の天体を観察し、その観測結果を報告した最初の一人でした。
彼が発見したのは...
- 月には山のような地形があること
- 木星には独自の衛星があること
- 太陽の黒い領域、すなわち黒点
- 惑星は比較的近いため望遠鏡では小さな円盤として見え、一方、星は非常に遠いため常に点のように見えること。
より優れた地上望遠鏡や分光計などの特殊な光学機器により、人々は宇宙の多くの秘密を発見することができました。今日でも、地上望遠鏡や科学光学機器は使用され、改良が続けられています。
1957年以来、光学は宇宙時代の重要な一部となっており、ロケットや衛星を追跡するために使用される地上望遠鏡から始まりました。その後まもなく、科学者たちはカメラ、望遠鏡、その他の光学機器を搭載した地球衛星を開発しました。その多くは地球を振り返るため、さらに多くは星や惑星を観測するためでした。少し後には、米国と当時のソビエト連邦も、月、金星、火星、そして最終的には冥王星を訪れるために、地球軌道外に宇宙船を送り始めました。2015年には、NASAのニュー・ホライズンズ探査機が、冥王星とその衛星をフライバイした最初の宇宙船となりました。
ハッブル宇宙望遠鏡は、おそらく最も有名な宇宙ベースの光学システムであり、Optical Research Associates (ORA、現在はキーサイトの一部) の数名のエンジニアが、実際に修理光学系の設計やその他の側面に取り組みました。ORAは、この作業やその他の宇宙関連の作業に対して、NASA公共サービスグループ功績賞を受賞しました。ハッブルの仕組みについて詳しくはこちらのウェブサイトをご覧ください。
NASAは2021年に、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡という別の望遠鏡を打ち上げました。この望遠鏡は太陽を周回し、これまでのどの機器もできなかった方法で、初期宇宙の微かな銀河を検出・研究することができます。私たちの銀河内では、目に見えないほど不透明な星形成領域の塵やガスを透過し、系外惑星の大気を探査することができます。
他の惑星について学ぶことに興味があるなら、火星探査機からさらに多くのことを学ぶことができるでしょう。キーサイトの光学エンジニアリングチームが、2021年2月に火星に着陸した火星探査機パーサヴィアランスのMastcam-Zズームレンズを設計したことを誇りに思っています。Mastcam-Z機器は、探査機のマストに取り付けられた科学的な「目」として機能します。Mastcam-Zの「Z」は「ズーム」を意味します。これは宇宙探査の歴史における画期的な出来事であり、深宇宙探査機器に搭載された初のズームレンズシステムです。
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