透明性と半透明性

光学の分野において、透明性（透明度または透き通る度合いとも呼ばれる）は、光が目立った散乱を起こさずに物質を通過できる物理的特性である。巨視的スケール（問題の光子の波長よりもはるかに大きい寸法）では、光子はスネルの法則に従うと言える。半透明性（半透明または半透明性とも呼ばれる）は光を通過させるが、必ずしも（これも巨視的スケールでは）スネルの法則に従うわけではない。光子は、2つの界面のいずれか、または屈折率が変化する内部で散乱する可能性がある。言い換えれば、半透明の物質は、異なる屈折率を持つ成分で構成されている。透明の物質は、均一な屈折率を持つ成分で構成されている。^{[1]透明の物質は透明に見え、全体的に1色、またはあらゆる色の鮮やかな}スペクトルにつながるあらゆる組み合わせで見える。半透明性の反対の特性は不透明度です。光の規則的な反射や拡散反射、透過の知覚に関連するその他の視覚的外観のカテゴリは、関連する側面として透明性、半透明性、不透明度を含む 3 つの変数を持つ順序システムで セシアの概念の下に整理されています。

光が物質に当たると、いくつかの異なる方法で相互作用する可能性があります。これらの相互作用は、光の波長と物質の性質によって異なります。光子は、反射、吸収、透過の組み合わせによって物体と相互作用します。板ガラスやきれいな水などの一部の物質は、当たった光の多くを透過し、ほとんど反射しません。このような物質は光学的に透明であると呼ばれます。多くの液体と水溶液は非常に透明です。ほとんどの液体に構造上の欠陥 (空隙、亀裂など) がなく、分子構造が優れていることが、優れた光透過率の大きな要因です。

光を透過しない物質は不透明と呼ばれます。そのような物質の多くは、吸収中心と呼ばれるものを含む化学組成を持っています。多くの物質は、白色光の周波数を選択的に吸収します。物質は可視スペクトルの特定の部分を吸収し、他の部分を反射します。吸収されないスペクトルの周波数は、物理的に観察するために反射または透過されます。これが色を生み出すものです。すべての周波数と波長の光の減衰は、吸収と散乱の複合メカニズムによるものです。^[2]

透明化は、それを実現できる動物にとってほぼ完璧なカモフラージュを提供します。これは、明るい光よりも薄暗い海水や濁った海水でより簡単に行えます。クラゲなどの多くの海洋動物は、非常に透明です。

• 後期中英語: 古期フランス語から、中世ラテン語のtransparent (「透けて見える」) から、ラテン語のtransparere (「透けて」のtrans + parere「見える」) から。^{[出典が必要]}
• 16 世紀後半 (ラテン語の意味で): ラテン語のtranslucent (「透けて輝く」) から、動詞translucereから、trans (「透けて」) + lucere (「輝く」) から。^{[出典が必要]}
• 後期中期英語のopake は、ラテン語のopacus「暗くした」に由来する。現在の綴り（19 世紀以前にはまれ）は、フランス語の綴りの影響を受けています。^[要出典]

光の吸収に関して、材料に関する主な考慮事項は次のとおりです。

• 電子レベルでは、スペクトルの紫外線および可視 (UV-Vis) 部分での吸収は、電子軌道が特定の周波数の光量子(または光子)を吸収できるように配置されている (または「量子化」されている)かどうかによって決まります。たとえば、ほとんどのガラスでは、電子は可視光に関連する範囲でそれより上のエネルギー準位を利用できません。または、もしあったとしても、そこへの遷移は選択則に違反します。つまり、純粋な (ドープされていない) ガラスでは顕著な吸収がないため、建物の窓に最適な透明材料になります。
• 原子または分子レベルでは、スペクトルの赤外線部分における物理的吸収は、原子または分子の振動または化学結合の周波数、および選択規則に依存します。窒素と酸素は分子双極子モーメントがないため、温室効果ガスではありません。

光の散乱に関して最も重要な要素は、散乱される光の波長に対するこれらの構造的特徴のいずれかまたはすべての長さスケールです。主な材料の考慮事項は次のとおりです。

• 結晶構造: 原子または分子が結晶固体に見られる「長距離秩序」を示すかどうか。
• ガラス構造: 散乱中心には密度または組成の変動が含まれます。
• 微細構造: 散乱中心には、粒界、結晶欠陥、微細孔などの内部表面が含まれます。
• 有機材料: 散乱中心には繊維と細胞の構造および境界が含まれます。

拡散反射- 一般的に、光が（非金属および非ガラス質の）固体材料の表面に当たると、材料内部の微細な凹凸（多結晶材料の粒界、有機材料の細胞または繊維の境界など）や、表面が粗い場合は表面による多重反射により、光はあらゆる方向に跳ね返ります。拡散反射は、通常、全方向反射角を特徴とします。肉眼で見える物体のほとんどは、拡散反射によって識別されます。このタイプの反射によく使用される別の用語は、「光散乱」です。物体の表面からの光散乱は、物理的観察の主なメカニズムです。^{[3] [4]}

液体や固体における光の散乱は、散乱される光の波長に依存します。したがって、可視性の空間スケール（白色光を使用）には、光波の周波数と散乱中心の物理的寸法（または空間スケール）に応じて制限が生じます。可視光の波長スケールは0.5  μmのオーダーです。1 μmほどの小さな散乱中心（または粒子）が光学顕微鏡で直接観察されています（例：ブラウン運動）。^{[5] [6]}

多結晶材料の光透過性は、その微細構造の特徴によって散乱される光の量によって制限されます。光の散乱は光の波長に依存します。したがって、可視性の空間スケール（白色光を使用）には、光波の周波数と散乱中心の物理的寸法に応じて制限が生じます。たとえば、可視光の波長スケールはマイクロメートルのオーダーであるため、散乱中心の寸法は同様の空間スケールになります。多結晶材料の主な散乱中心には、細孔や粒界などの微細構造の欠陥が含まれます。細孔に加えて、一般的な金属またはセラミック物体の界面のほとんどは、結晶秩序の小さな領域を分離する粒界の形をしています。散乱中心（または粒界）のサイズが散乱される光の波長のサイズよりも小さくなると、散乱は有意な程度には発生しなくなります。

多結晶材料（金属およびセラミック）の形成において、結晶粒の大きさは、主に、物体の形成（またはプレス）中に原料中に存在する結晶粒子の大きさによって決まります。さらに、粒界の大きさは粒子の大きさと直接比例します。したがって、元の粒子の大きさを可視光の波長よりはるかに小さくすると（光波長の約 1/15、またはおよそ 600 nm / 15 = 40  nm）、光の散乱の多くが除去され、半透明または透明な材料になります。

半透明セラミックアルミナの光透過率をコンピュータモデル化すると、粒界付近に閉じ込められた微細な細孔が主要な散乱中心として機能することがわかった。高品質の光透過率（理論密度の99.99パーセント）を得るには、多孔度の体積分率を1パーセント未満に減らす必要があった。この目標は、ゾルゲル化学やナノテクノロジーなどの新しい化学処理方法を使用して、世界中の研究室や研究施設で容易に達成され、十分に実証されている。^[7]

透明セラミックは、高エネルギーレーザー、透明装甲窓、熱追跡ミサイルのノーズコーン、非破壊検査用放射線検出器、高エネルギー物理学、宇宙探査、セキュリティ、医療用画像処理アプリケーションへの応用で関心を集めています。透明セラミックで作られた大型レーザー素子は、比較的低コストで製造できます。これらのコンポーネントは、内部応力や固有の複屈折がなく、比較的大きなドーピングレベルや最適化されたカスタム設計のドーピングプロファイルが可能です。このため、セラミックレーザー素子は高エネルギーレーザーにとって特に重要です。

透明パネル製品の開発により、住宅の窓や天窓に使用できる高強度で耐衝撃性のある材料など、他の高度な用途も可能になります。おそらくもっと重要なのは、壁やその他の用途の全体的な強度が向上し、特に地震や強風にさらされる高せん断条件に対応できるようになることです。期待される機械的特性の向上が実現すれば、窓の面積が実際に壁のせん断抵抗に寄与するのであれば、今日の建築基準法でガラス面積に見られる従来の制限はすぐに時代遅れになる可能性があります。

現在入手可能な赤外線透過性材料は、通常、光学性能、機械的強度、価格の間でトレードオフの関係にあります。たとえば、サファイア（結晶アルミナ）は非常に強度がありますが、高価で、3～5 μm の中赤外線範囲全体にわたって完全な透明性がありません。イットリアは 3～5 μm で完全に透明ですが、高性能の航空宇宙用途には十分な強度、硬度、耐熱衝撃性がありません。これら 2 つの材料を組み合わせたイットリウム アルミニウム ガーネット（YAG）は、この分野で最高の性能を発揮します。^[要出典]

光が物体に当たるとき、その光の周波数 (または波長) は 1 つだけではなく、通常は複数あります。物体は、特定の周波数の光を選択的に吸収、反射、または透過する傾向があります。つまり、ある物体は緑色の光を反射し、他のすべての周波数の可視光線を吸収する場合があります。別の物体は青色の光を選択的に透過し、他のすべての周波数の可視光線を吸収する場合があります。可視光線が物体と相互作用する方法は、光の周波数、物体内の原子の性質、そして多くの場合、物体の 原子内の電子の性質によって異なります。

素材によっては、その上に当たる光の大部分が反射されずに透過するものもあります。光波を透過できる素材は光学的に透明と呼ばれます。化学的に純粋な（ドーピングされていない）窓ガラスやきれいな川や湧き水がその代表的な例です。

いかなる光波周波数も透過しない物質は不透明と呼ばれます。そのような物質は、吸収中心と呼ばれるものを含む化学組成を持つことがあります。ほとんどの物質は、光周波数を選択的に吸収する物質で構成されています。したがって、それらは可視スペクトルの特定の部分のみを吸収します。吸収されないスペクトルの周波数は、物理的に観察できるように反射されるか透過されます。スペクトルの可視部分では、これが色を生み出します。^{[8] [9]}

吸収中心は、私たちの周囲にある可視光の特定の波長の出現に大きく関与しています。長い波長 (0.7 μm) から短い波長 (0.4 μm) に移ると、赤、オレンジ、黄、緑、青 (ROYGB) はすべて、特定の光波周波数 (または波長) の選択的吸収による色の出現で私たちの感覚で識別できます。選択的光波吸収のメカニズムには次のものがあります。

• 電子:原子 (例:色素) 内の電子エネルギー レベルの遷移。これらの遷移は通常、スペクトルの紫外線 (UV) および/または可視領域で発生します。
• 振動:原子/分子の振​​動モードにおける共鳴。これらの遷移は、通常、スペクトルの赤外線部分で発生します。

電子吸収では、入射光波の周波数は、物質を構成する原子内の電子のエネルギー レベルと同じかそれに近い状態になります。この場合、電子は光波のエネルギーを吸収してエネルギー状態を増大させ、多くの場合、原子核から外殻または軌道へと移動します。

特定の物質の分子を形成するために結合する原子には、多数の電子が含まれています (周期表の原子番号Zで示されます)。すべての光波は電磁気的な性質を持っていることを思い出してください。したがって、光波は物質内の負に帯電した電子と接触すると、強い影響を受けます。光子(光エネルギーの個々のパケット) が原子の価電子と接触すると、次のようなことが起こります。

• 分子が光子を吸収すると、エネルギーの一部が発光、蛍光、燐光によって失われることがあります。
• 分子が光子を吸収し、反射または散乱が発生します。
• 分子は光子のエネルギーを吸収することができず、光子はその経路を進み続けます。その結果、透過が発生します (他の吸収メカニズムがアクティブでない場合)。

ほとんどの場合、物体に当たる光には上記の組み合わせが起こります。異なる材料の状態は、吸収できるエネルギーの範囲が異なります。たとえば、ほとんどのガラスは紫外線 (UV) を遮断します。ガラス内の電子が UV 範囲の光子のエネルギーを吸収し、可視光スペクトルの光子の弱いエネルギーを無視するからです。しかし、特殊なホウケイ酸ガラスや石英などの特殊なガラスもあり、これらは UV を透過するため、紫外線の透過率が高いのです。

したがって、物質が照射されると、個々の光子が原子の価電子をより高い電子エネルギーレベルに遷移させることができます。光子はその過程で破壊され、吸収された放射エネルギーは電位エネルギーに変換されます。すると、吸収されたエネルギーに対していくつかのことが起こります。電子によって放射エネルギーとして再放射されるか(この場合、全体的な効果は実際には光の散乱です)、物質の残りの部分に消散するか (つまり、熱に変換されます)、電子が原子から解放される可能性があります (光電効果やコンプトン効果の場合のように)。

凝縮物質に機械的運動エネルギーを蓄える主な物理的メカニズムは、熱、つまり熱エネルギーです。熱エネルギーは運動エネルギーとして現れます。つまり、熱は原子レベルおよび分子レベルでの運動です。結晶物質の主な運動モードは振動です。どの原子も、結晶構造内のある平均位置の周りを、最も近い原子に囲まれて振動します。この 2 次元での振動は、時計の振り子の振動に相当します。振り子は、ある平均位置または平均 (垂直) 位置の周りを対称的に前後に揺れます。原子および分子の振動周波数は、平均すると 10 ¹² サイクル/秒(テラヘルツ放射)のオーダーになります。

特定の周波数の光波が、同じまたは（共鳴する）振動周波数を持つ粒子を含む物質に当たると、それらの粒子は光波のエネルギーを吸収し、それを振動運動の熱エネルギーに変換します。異なる原子と分子は異なる固有振動周波数を持つため、赤外線の異なる周波数（またはスペクトルの一部）を選択的に吸収します。光波の反射と透過は、光波の周波数が物体の固有共振振動周波数と一致しないために発生します。これらの周波数の赤外線が物体に当たると、エネルギーは反射または透過されます。

物体が透明であれば、光波は物質の大部分を通って隣接する原子に伝わり、物体の反対側で再放射されます。このような光波の周波数は透過すると言われています。^{[10] [11]}

物体が透明でないのは、入射光を反射するためか、入射光を吸収するためです。ほとんどすべての固体は入射光の一部を反射し、一部を吸収します。

光が金属の塊に当たると、規則的な格子に密集した原子と、原子の間をランダムに移動する「電子の海」に遭遇します。 ^[12]金属では、これらのほとんどは非結合電子（または自由電子）であり、共有結合またはイオン結合した非金属（絶縁体）固体に通常見られる結合電子とは対照的です。金属結合では、潜在的な結合電子は結晶構造内の原子によって簡単に失われる可能性があります。この非局在化の効果は、「電子の海」の効果を誇張するだけです。これらの電子の結果として、金属に入射する光のほとんどは反射され、これが光沢のある金属表面が見える理由です。

ほとんどの絶縁体（または誘電体）はイオン結合によって結合しています。したがって、これらの材料には自由な伝導電子がなく、結合電子は入射波のごく一部のみを反射します。残りの周波数（または波長）は自由に伝播（または伝送）されます。このクラスの材料には、すべてのセラミックとガラスが含まれます。

誘電体に光吸収性の添加分子 (顔料、染料、着色剤) が含まれていない場合、通常は可視光のスペクトルに対して透明です。誘電体内の色中心 (または染料分子、または「ドーパント」) は入射光の一部を吸収します。残りの周波数 (または波長) は自由に反射または透過します。このようにして色付きガラスが製造されます。

ほとんどの液体と水溶液は透明度が高い。たとえば、水、食用油、消毒用アルコール、空気、天然ガスはすべて透明である。ほとんどの液体には構造上の欠陥 (空隙、亀裂など) がなく、分子構造が優れていることが、その優れた光透過率の主な原因である。一部の繊維質材料 (紙や布など) が濡れると見かけ上の透明度が増す理由の 1 つは、液体が粘性流によって内部の欠陥を「修復」する能力である。液体は多数の空隙を埋め、材料の構造的均質性を高める。^{[引用が必要]}

入射光に対して散乱中心をもたない欠陥のない理想的な結晶（非金属）固体における光散乱は、主に秩序だった格子内の非調和性の影響によるものである。結晶性物質の典型的な異方性（対称群とブラベー格子を含む）のため、光の透過は極めて方向性がある。例えば、石英シリカ（二酸化ケイ素、SiO ₂）の7つの異なる結晶形態はすべて、澄んだ透明な物質である。^[13]

光学的に透明な材料は、さまざまな波長の入射光波に対する材料の応答に焦点を当てています。周波数選択導波管を介した誘導光波伝送には、光ファイバーという新興分​​野と、競合する波長または周波数間の干渉がほとんどまたはまったくなく、さまざまな周波数の伝送媒体として機能する特定のガラス組成物の能力（マルチモード光ファイバー）が関係しています。電磁（光）波伝播によるエネルギーおよびデータ伝送のこの共鳴モードは、比較的損失がありません。^[要出典]

光ファイバーは、全反射のプロセスによって軸に沿って光を伝送する円筒形の誘電体導波管です。光ファイバーは、クラッド層に囲まれたコアで構成されています。光信号をコアに閉じ込めるには、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも大きくなければなりません。屈折率は、物質内の光の速度を反映するパラメータです。（屈折率は、真空中の光の速度と特定の媒体内の光の速度の比です。したがって、真空の屈折率は 1 です。）屈折率が大きいほど、光はその媒体内をゆっくりと移動します。光ファイバーのコアとクラッドの一般的な値は、それぞれ 1.48 と 1.46 です。^{[引用が必要]}

高密度媒体中を進む光が急角度で境界に当たると、光は完全に反射されます。この効果は全反射と呼ばれ、光ファイバーで光をコア内に閉じ込めるために使用されます。光は境界で前後に跳ね返りながらファイバーに沿って進みます。光は臨界角よりも大きな角度で境界に当たる必要があるため、特定の角度範囲内でファイバーに入る光だけが伝播します。この角度範囲はファイバーの受容円錐と呼ばれます。この受容円錐のサイズは、ファイバーのコアとクラッドの屈折率の差の関数です。光導 波路は、集積光回路（レーザーや発光ダイオード（LED）と組み合わせたものなど）のコンポーネントとして、またはローカルおよび長距離光通信システムの伝送媒体として使用されます。^[要出典]

光ファイバーの減衰は伝送損失とも呼ばれ、伝送媒体を通過する距離に応じて光線（または信号）の強度が減少することです。これは長距離にわたる信号伝送を制限する重要な要因です。光ファイバーの減衰係数は、現代の光伝送媒体の透明性が非常に高いため、通常、媒体を通過する際の dB/km の単位を使用します。媒体は通常、入射光線を内部に閉じ込める シリカガラスのファイバーです。

光ファイバーにおける減衰の主な原因は、ガラス構造の構造的無秩序と組成変動による分子レベルの不規則性、いわゆるレイリー散乱による散乱である^[15]。この同じ現象は、赤外線ミサイルドームの透明性を制限する要因の1つと見なされている。^[16]さらなる減衰は、ファイバーコアと内部クラッド内の金属や水イオンなどの残留物質によって吸収される光によって引き起こされる。曲げ、スプライス、コネクタ、またはその他の外力による光漏れも減衰を引き起こす要因である。高光出力では、ファイバー内の非線形光学プロセスによって散乱が発生することもある。^[17]

水面近くに浮かぶ海洋動物の多くは透明度が高く、ほぼ完璧なカモフラージュができる。^[18]しかし、海水とは屈折率が異なる素材でできた体では透明化が難しい。クラゲなどの一部の海洋動物はゼラチン状の体を持ち、主に水でできている。その厚い中脳は無細胞で透明度が高い。そのため浮力があり便利だが、筋肉量の割に体が大きいため速く泳げず、このカモフラージュは機動性とのトレードオフとなる。^[18]ゼラチン状のプランクトン性動物の透明度は50～90パーセントである。透明度が50パーセントであれば、深さ650メートル（2,130フィート）のタラなどの捕食動物から動物が見えなくなる。浅い水域では光が明るく捕食者の視界に入りやすく、透明度を高める必要がある。例えば、タラは浅い水域で最適な照明の下で98パーセント透明な獲物を見ることができる。そのため、カモフラージュに十分な透明性は、より深い水の中ではより容易に達成される。^[18]同じ理由で、空気中での透明性はさらに達成するのがより困難であるが、 半透明の皮膚と淡い緑色の手足を持つ南米の熱帯雨林のガラスガエルに部分的な例が見られる。 ^[19]中央アメリカのいくつかの種のクリアウィング（イトミネア）蝶や多くのトンボおよび類似の昆虫も、ほとんど透明な羽を持っており、捕食者からある程度保護する一種の隠蔽羽である。^[要出典]

• 連続媒体の電気力学、Landau, LD、Lifshits. EM、Pitaevskii, LP、(Pergamon Press、オックスフォード、1984)
• レーザー光散乱：基本原理と実践Chu, B.、第 2 版（Academic Press、ニューヨーク、1992 年）
• 固体レーザー工学、W. Koechner（Springer-Verlag、ニューヨーク、1999年）
• 化学物理学入門、JC スレーター（McGraw-Hill、ニューヨーク、1939年）
• 現代固体理論、F. ザイツ（McGraw-Hill、ニューヨーク、1940 年）
• ガラス体の現代的側面、JDマッケンジー編（バターワース、ロンドン、1960年）

ウィキメディア・コモンズには透明性に関連するメディアがあります。

ウィキメディア・コモンズには、透明媒体に関連するメディアがあります。

• UV安定性
• 光の性質
• UV-Vis吸収
• 赤外線分光法
• ブリルアン散乱
• 透明セラミックス
• 防弾ガラス
• 透明ALONアーマー
• 光学材料の特性
• ガラスが透明なのはなぜですか?
• 光ファイバーにおけるブリルアン散乱
• 熱赤外線放射とミサイル誘導