光学レンズの幾何学を理解する

光学設計者が光学レンズについて話すとき、それは単一のレンズ要素またはレンズ要素のグループ（図1）を指します。単体レンズの例としては、平凸（PCX）レンズ、両面凸（DCX）レンズ、非球面レンズなどがあります。コンポーネントの例としては、テレセントリックイメージングレンズ、無限遠補正目的レンズ、ビームエクステンダーなどがあります。それぞれの組み合わせは、それぞれ特定のレンズ形状を持ち、独自の方法で光を制御する一連のレンズ要素で構成されています。

図1: 平凸レンズ（左側の単一要素）とテレセントリックイメージングレンズ（右側の要素の組み合わせ）

スネルの屈折法則

各レンズ形状について詳しく説明する前に、まず光学レンズが屈折の特性を使ってどのように光を曲げるかを考えましょう。屈折とは、光が媒質に入るときや出るときに一定量だけ進路がずれる現象です。このずれは、媒質の屈折率と光の表面法線に対する角度に依存します。この特性はスネルの屈折法則（式1）によって支配され、n1は入射媒質の屈折率、θ1は入射光の角度、n2は屈折媒質の屈折率、θ2は屈折光の角度を表します。スネルの法則は、光がさまざまな媒質を通る際に、入射角と伝播角の間の関係を記述しています（図2）。

スネルの屈折法則

各レンズ形状について詳しく説明する前に、まず光学レンズが屈折の特性を使ってどのように光を曲げるかを考えましょう。屈折とは、光が媒質に入るときや出るときに一定量だけ進路がずれる現象です。このずれは、媒質の屈折率と光の表面法線に対する角度に依存します。この特性はスネルの屈折法則（式1）によって支配され、n1は入射媒質の屈折率、θ1は入射光の角度、n2は屈折媒質の屈折率、θ2は屈折光の角度を表します。スネルの法則は、光がさまざまな媒質を通る際に、入射角と伝播角の間の関係を記述しています（図2）。

図2: スネルの屈折法則