波の回折

🧠 回折は波が開口や障害物の縁で広がる現象で、構造の大きさが波長に近いほど顕著になる。

開口で生じる回折

開口内の各点からの二次波 secondary wavelet 二次波（secondary wavelet） secondary wavelet（二次波） が干渉し、中央極大central maximum 中央極大（central maximum）central maximum（中央極大） と側方極大 secondary maximum / lateral maximum側方極大（secondary maximum / lateral maximum） secondary maximum / lateral maximum（側方極大）・極小を作る。幾何学的な影の中にも波が回り込む。

flowchart TD
  A["波が有限開口へ到達"]
  B["開口内の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='secondary wavelet'>二次波</span>が広がる"]
  C["方向ごとの干渉で回折パターン形成"]
  A --> B
  B --> C

単スリット回折の条件

$a$はスリット幅 slit widthスリット幅（slit width） slit width（スリット幅）、$θ$は観察角。$a$が小さいほどパターンは広がる。

開口と回折広がり

単一開口では連続した波面 wavefront 波面（wavefront） wavefront（波面） 内の干渉が広がった像を作り、周期的な多数の開口では回折格子optical grating回折格子（optical grating）optical grating（回折格子）の鋭い主極大 principal maximum 主極大（principal maximum） principal maximum（主極大） が現れる。

• フラウンホーファー回折Fraunhofer diffraction フラウンホーファー回折（Fraunhofer diffraction）Fraunhofer diffraction（フラウンホーファー回折） は遠方またはレンズ焦点面、フレネル回折Fresnel diffraction フレネル回折（Fresnel diffraction）Fresnel diffraction（フレネル回折） は近傍で扱う。
• 中央極大central maximum 中央極大（central maximum）central maximum（中央極大） は単スリット回折 single-slit diffraction 単スリット回折（single-slit diffraction） single-slit diffraction（単スリット回折） 像で最も広く明るい。
• 回折は光学機器の分解能に原理的限界を与える。

医学・測定への応用

顕微鏡では微細構造からの回折光 diffracted light 回折光（diffracted light） diffracted light（回折光） を対物レンズ objective lens 対物レンズ（objective lens） objective lens（対物レンズ） が集めることで像情報を形成する。開口数numerical aperture開口数（numerical aperture）numerical aperture（開口数）・照明条件の最適化や超振動レンズ super-oscillatory lens 超振動レンズ（super-oscillatory lens） super-oscillatory lens（超振動レンズ） は、回折による分解能制約 Limitations 制約（Limitations） Limitations（制約） を踏まえて高分解能 high resolution, HR 高分解能（high resolution, HR） high resolution, HR（高分解能） 化する方法である。¹²

まとめ

• 回折は波が開口や障害物の縁で広がる現象で、構造の大きさが波長に近いほど顕著になる。
• フラウンホーファー回折Fraunhofer diffraction フラウンホーファー回折（Fraunhofer diffraction）Fraunhofer diffraction（フラウンホーファー回折） は遠方またはレンズ焦点面、フレネル回折Fresnel diffraction フレネル回折（Fresnel diffraction）Fresnel diffraction（フレネル回折） は近傍で扱う。
• 顕微鏡では微細構造からの回折光 diffracted light 回折光（diffracted light） diffracted light（回折光） を対物レンズ objective lens 対物レンズ（objective lens） objective lens（対物レンズ） が集めることで像情報を形成する。