数値絞りの光学システムにおける理解

数値絞りの光学システムにおける理解

光学は、数学が光の魔法に出会う魅力的な分野です。この領域内での重要な概念の一つは、数値開口（NA）であり、これは光学システムの性能と能力を定義する上で重要な役割を果たす、しばしば見落とされるパラメータです。顕微鏡、カメラ、または光ファイバーを使うにしても、NAを理解することが大きな違いを生むことがあります。

数値開口とは何ですか？

絞り込むと、数値開口（NA）は、光学システムが光を受け入れたり放出したりできる角度の範囲を特徴付ける無次元数です。数学的には、数値開口の公式は次のようになります:

どこ：

• NA 数値開口
• n レンズが動作している媒質の屈折率（無次元）。
• θ レンズに入るまたはレンズから出ることができる最大光円錐の半角（ラジアンで測定）。

入力の説明

この公式をマスターするために、入力を分解しましょう。

• 屈折率 (n)これは、真空と比較して、媒質内で光の速度がどれだけ減少するかを示す指標です。例えば、空気の屈折率は約1、水は約1.33、多くの光学ガラスはおおよそ1.5から1.9の範囲です。
• 半角 (θ)これは、光学系によって収集または放出されることができる光円錐の縁と光軸との間の角度です。この角度は常に90度未満であり、計算のためにラジアンに変換する必要があります（1ラジアン ≈ 57.3度）。

出力の説明

出力を理解することも同じくらい重要です。

• 数値開口 (NA)NA値は寸法のない値であり、通常1.4程度の値まで、0から範囲を持ちます（高性能光学システムの場合）。より高いNA値は、光を集めてより細かい詳細を解決する能力が大きいことを示します。

実生活の例

実際の例を通して、これをより明確にしましょう。空気中で動作するレンズを持つ顕微鏡を考えます（n = 1）。光がレンズに入る最大半角（θ）が30度の場合、NAをどのように計算しますか？まず、角度を度からラジアンに変換します。

次に、次の式を使用します:

この顕微鏡レンズの数値開口は0.5になります。

数値開口の影響

数値開口は、光学系の2つの重要な側面に直接影響を与えます： 解決 そして 明るさ翻訳

解決

解像度とは、光学システムが近接した2つの物体を識別する能力です。より高いNA値はより良い解像度を許可し、より詳細でシャープな画像を提供します。顕微鏡の例を挙げると、より高いNAレンズは生物学的試料の微細な詳細をキャッチし、研究者が細胞構造を観察する能力を向上させます。

明るさ

NAは、伝送または受信される光の明るさにも影響します。高いNAのレンズはより多くの光を集めることができるため、画像を明るくし、写真撮影に必要な露出時間を短縮したり、光学センサーの性能を向上させたりします。

よくある質問

数値開口に関する一般的な質問への回答は以下の通りです。

要約

光学系の数値開口の理解は、その能力と限界についての貴重な洞察を提供します。公式をマスターすることによって NA = n × sin(θ) その影響を理解し、解像度と明るさに感謝することで、科学研究から日常の写真撮影に至るまで、さまざまなアプリケーションで情報に基づいた決定を下すことができます。光学の世界にさらに深く飛び込み、NAがあなたの道を照らします！