輻輳（光学）

光学において、輻輳とは、互いに完全に平行ではない光線によって形成される角度のことです。伝播するにつれて光軸に近づく光線は収束していると言われ、軸から離れる光線は発散していると言われます。これらの仮想光線は常に光の波面に対して垂直であるため、光の輻輳は波面の曲率半径に直接関係しています。凸レンズまたは凹面鏡は、平行光線を焦点に集め、一点に向かって収束させます。その焦点を超えると、光線は発散します。逆に、凹レンズまたは凸面鏡は平行光線を発散させます。

光は実際には仮想光線で構成されておらず、光源は単一点光源ではないため、輻輳は通常、光学システムの単純な光線モデル化に限定されます。実際のシステムでは、輻輳は光源の直径、光学系からの距離、および光学面の曲率の積です。曲率が増加すると輻輳が増加して焦点距離が減少し、画像またはスポットのサイズ（ウェスト径）は小さくなります。同様に、曲率が減少すると輻輳が減少し、焦点距離が長くなり、画像またはスポット径が増加します。輻輳、焦点距離、およびウェスト径のこの相互関係は光学システム全体で一定であり、光学不変量と呼ばれます。直径が大きくなったビームは発散度が低くなりますが、直径が小さくなった場合は発散が大きくなります。

単純な光線モデルは、レーザー光などの一部の状況では機能しないため、代わりにガウスビーム解析を使用する必要があります。

幾何光学において、輻輳は光波面の曲率を表す。 ^[1]輻輳は次のように定義される。

${\displaystyle V={\frac {n}{r}},}$

ここで、nは媒体の屈折率、r は点光源から波面までの距離です。輻輳は、 m ⁻¹に相当するディオプター(D) 単位で測定されます。^{[1]これは、輻輳を}光学パワーの観点から説明しています。凸レンズなどの光学系の場合、レンズから出る光の収束点は焦点面の入力側にあり、光学パワーは正です。凹レンズの場合、焦点はレンズの背面、つまり焦点面の出力側にあり、光学パワーは負です。光学パワーのないレンズは光学窓と呼ばれ、平らで平行な面を持っています。光学パワーは、大きな正像がどれだけ拡大され、小さな負像がどれだけ縮小されるかに直接関係しています。

すべての光源はある程度の発散を生じます。これは、光源から出る波が常にある程度の曲率を持っているためです。適切な距離では、これらの波はレンズや鏡を使用して真っ直ぐにすることができ、発散が最小限の平行ビームを作成できますが、ビームの直径と焦点距離に応じて、ある程度の発散が残ります。^{[2] [3]}点光源と波面の間の距離が非常に大きくなると、輻輳はゼロになり、波面は平面になり、検出可能な曲率がなくなります。遠くの星からの光は半径が非常に大きいため、波面の曲率は検出できず、輻輳はありません。^[2]

光は、伝播方向に放射状に伸びる線の束で構成されていると描くこともできます。これらの線は常に波面に対して垂直で、「光線」と呼ばれます。これらの無限に細い想像上の線は、それらの間の角度によってのみ分離されます。光線追跡では、輻輳は任意の 2 つの光線間の角度として描くことができます。画像またはビームの場合、輻輳は、光円錐の端 (輻輳) にある束の最も外側の光線 (周辺光線) と光軸の間の角度として説明されることがよくあります。この傾斜は通常、ラジアンで測定されます。したがって、この場合、レンズによって伝送される光線の収束は、光源の半径を光学系からの距離で割った値に等しくなります。これにより、画像のサイズ、または任意の集束光学系によって生成できる最小スポット直径が制限されます。これは、その式の逆数、つまり光源の発散に距離を掛けたものによって決まります。輻輳、焦点距離、最小スポット径（「ウエスト径」とも呼ばれる）の関係は空間全体にわたって一定であり、一般に光学不変量と呼ばれます。^{[4] [5]}

この角度関係は、レーザー切断やレーザー溶接などのレーザー操作では特に重要になります。なぜなら、エネルギーの強度に影響を与えるスポット径と物体までの距離との間には常にトレードオフがあるからです。ビームの発散を低く抑えたい場合は、より大きな直径のビームが必要ですが、より小さなビームが必要な場合は、より大きな発散で妥協する必要があり、レンズの位置を変えてもこれは変わりません。スポットを小さくする唯一の方法は、焦点距離の短いレンズを使用するか、ビームをより大きな直径に拡大することです。^[6]

しかし、この波面の曲率の尺度は、幾何光学においてのみ完全に有効であり、焦点における波面が波長に依存し、曲率が焦点からの距離に比例しないガウスビーム光学や波動光学においては有効ではない。この場合、光の回折が非常に積極的な役割を果たし始め、特に遠方場において、スポットサイズがさらに大きな直径に制限されることが多い。^[7]非円形光源の場合、発散は光軸からの光線の断面位置によって異なる可能性がある。例えば、ダイオードレーザーは、垂直方向（低速軸）よりも平行方向（高速軸）の発散が大きく、長方形のプロファイルを持つビームを生成する。この種の発散の差は、単一の断面方向に沿った発散にのみ影響を与えるロッドレンズを使用するなどのビーム成形方法によって低減することができる。 ^[8]

単一点に向かって伝播する波面は、正の輻輳を生じます。波面がすべて同じ焦点に収束するため、これは収束とも呼ばれます。逆に、単一のソース ポイントから離れて伝播する波面は、負の輻輳を生じます。負の輻輳は発散とも呼ばれます。

• 光パワー
• 光学解像度
• 方位（光学）