Biophysics · 03.06

波の回折

Wave diffraction

🧠 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・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\sin\theta=m\lambda\qquad (m=\pm1,\pm2,\ldots)

$a$ 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Fraunhoferフラウンホーファー（Fraunhofer）Fraunhofer（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Fresnelフレネル（Fresnel）Fresnel（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）は単スリット回折像diffraction pattern回折像（diffraction pattern）diffraction pattern（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。

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Fraunhoferフラウンホーファー（Fraunhofer）Fraunhofer（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Fresnelフレネル（Fresnel）Fresnel（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。