Loading article…
反射とは、 2つの異なる媒質の境界面で波面の方向が変わり、波面が元の媒質に戻る現象です。一般的な例としては、光、音、水面の反射などがあります。反射の法則によれば、鏡面反射（例えば鏡面）の場合、波が表面に入射する角度と反射される角度は等しくなります。
音響学では、反射によってエコーが発生し、ソナーに利用されます。地質学では、地震波の研究において重要です。反射は、水面波でも観測されます。反射は、可視光線以外にも、多くの種類の電磁波で観測されます。VHF以上の周波数の反射は、無線伝送やレーダーにとって重要です。特殊な「斜入射」ミラーを使用すれば、硬X線やガンマ線でさえも浅い角度で反射させることができます。
光の反射は、界面の性質に応じて、鏡面反射（鏡のような反射）または拡散反射（エネルギーは保持されるが像は失われる）のいずれかになります。鏡面反射では、反射波の位相は座標原点の選択に依存しますが、s偏光とp偏光（TE偏光とTM偏光）間の相対位相は、媒質の特性とそれらの間の界面の特性によって決まります。[ 1 ]
鏡は、正反射光の最も一般的なモデルであり、通常は金属コーティングを施したガラス板で構成され、そのコーティング部分で強い反射が起こります。金属では、表皮深さを超える波の伝播が抑制されるため、反射が促進されます。水やガラスなどの透明な媒体の表面でも反射は起こりますが、一般的に鏡に比べて反射効率は劣ります。
図において、光線PO が垂直な鏡の点Oに当たり、反射光線はOQです。点Oを通り鏡に垂直な仮想線 (法線と呼ばれる) を投影することで、入射角θ iと反射角θ rを測定できます。反射の法則はθ i = θ r、つまり入射角と反射角が等しいことを示しています。反射波の波数ベクトルは、鏡の法線へのベクトル投影が入射波ベクトルの符号を反転させたものとなり、大きさ (波数) は同じになります。
実際、光の反射は、ある屈折率の媒質から異なる屈折率の媒質へ光が進むときにいつでも起こり得ます。最も一般的な場合、光の一部は界面で反射され、残りは屈折します。境界に当たる光線に対するマクスウェル方程式を解くことで、フレネル方程式を導出できます。この方程式は、特定の状況で光がどれだけ反射され、どれだけ屈折するかを予測するために使用できます。これは、電気回路の インピーダンス不整合が信号の反射を引き起こす方法と類似しています。入射角が臨界角よりも大きい場合、密度の高い媒質からの光の全反射が起こります。
全反射は、通常の手段では効果的に反射できない波を集束させる手段として用いられます。X線望遠鏡は、波が収束する「トンネル」を形成することで構築されます。波はこのトンネルの表面と低い角度で相互作用し、焦点に向かって反射されます（あるいは、トンネル表面と再び相互作用し、最終的に焦点にある検出器に導かれます）。従来の反射鏡では、X線は目的の反射鏡をそのまま通過してしまうため、役に立ちません。
光が、通過する媒質よりも屈折率の高い物質で反射すると、180°の位相シフトが生じます。一方、光が屈折率の低い物質で反射する場合、反射光は入射光と同位相になります。これは薄膜光学の分野において重要な原理です。
鏡面反射は像を形成します。平面からの反射は鏡像を形成しますが、私たちが見ている像を、像の位置に回転した場合に見える像と比較するため、左右が反転して見えます。曲面からの鏡面反射は、拡大または縮小された像を形成します。曲面鏡は光学的なパワーを持ちます。このような鏡の表面は、球面または放物面である場合があります。
反射面が非常に滑らかな場合、発生する光の反射は鏡面反射または正反射と呼ばれます。反射の法則は次のとおりです。
これら3つの法則はすべてフレネル方程式から導き出すことができる。
古典電磁気学では、光は電磁波とみなされ、マクスウェル方程式によって記述されます。物質に入射した光波は、個々の原子（金属の場合は電子）に小さな分極振動を引き起こし、各粒子が双極子アンテナのようにあらゆる方向に小さな二次波を放射します。これらの波が合わさることで、ホイヘンス・フレネルの原理に従って鏡面反射と屈折が生じます。
ガラスなどの誘電体の場合、光の電場は物質中の電子に作用し、移動する電子が電場を生成して新たな放射体となる。ガラス中で屈折する光は、電子の前方放射と入射光の組み合わせである。反射光は、すべての電子の後方放射の組み合わせである。
金属において、結合エネルギーを持たない電子は自由電子と呼ばれます。これらの電子が入射光とともに振動すると、その放射場と入射場との位相差はπラジアン（180°）となるため、前方放射は入射光を打ち消し、後方放射は反射光となります。
光子の観点から見た光と物質の相互作用は量子電磁力学の分野であり、リチャード・ファインマンが著書『QED：光と物質の奇妙な理論』の中で詳細に解説している。
光が（非金属）材料の表面に当たると、材料内部の微細な凹凸（例えば、多結晶材料の結晶粒界、有機材料の細胞境界や繊維境界など）や、表面が粗い場合は表面での多重反射により、あらゆる方向に反射します。そのため、「像」は形成されません。これを拡散反射と呼びます。反射の正確な形状は、材料の構造によって異なります。拡散反射の一般的なモデルの一つにランバート反射があり、ランバートの余弦法則で定義されるように、光はあらゆる方向に等しく輝度（測光法）または放射輝度（放射測定法）で反射されます。
私たちが見るほとんどの物体から目に届く光は、物体の表面からの拡散反射によるものであり、これが私たちの物理的な観察の主要なメカニズムです。[ 2 ]
一部の表面は後方反射を示す。これらの表面の構造は、光が来た方向と同じ方向に反射するようにできている。
太陽光に照らされた雲の上を飛行する際、航空機の影の周辺はより明るく見える。同様の効果は、草についた露でも見られる。この部分的な後方反射は、湾曲した水滴の表面の屈折特性と、水滴の裏側の反射特性によって生じる。
一部の動物の網膜は再帰反射板として機能します（詳細はタペタム・ルシダムを参照）。これは、動物の夜間視力を効果的に向上させるためです。眼のレンズは入射光と出射光の経路を相互に変化させるため、眼は強力な再帰反射板として働き、懐中電灯を持って野原を歩いていると夜間にその効果が見られることがあります。
単純な再帰反射器は、3枚の通常の鏡を互いに垂直に配置することで作ることができます（コーナー反射器）。生成される像は、1枚の鏡で生成される像の反転像です。表面に小さな屈折球の層を堆積させるか、小さなピラミッド状の構造を作ることで、表面を部分的に再帰反射させることができます。どちらの場合も、内部反射によって光は元の場所に反射されます。これは、交通標識や自動車のナンバープレートが、光を主に元の方向に反射させるために利用されています。この用途では、完全な再帰反射は望ましくありません。なぜなら、完全な再帰反射では、光が運転手の目ではなく、対向車のヘッドライトに反射されてしまうからです。
光が鏡で反射すると、1つの像が現れます。2枚の鏡を真正面に合わせると、直線上に無限の像が現れます。互いに角度をつけて配置された2枚の鏡の間に見える複数の像は、円上に広がります。[ 3 ]その円の中心は、鏡の仮想的な交点にあります。4枚の鏡を真正面に合わせ、正方形に配置すると、平面上に無限の像が現れます。4枚の鏡をピラミッド状に組み立て、各鏡のペアが互いに角度をつけて配置すると、その間に見られる複数の像は球面上に広がります。ピラミッドの底面が長方形の場合、像はトーラスの一部に広がります。[ 4 ]
これらは理論上の理想であり、完全に滑らかで完全に平坦な、光を全く吸収しない完璧な反射板が完全に整列していることを前提としています。実際には、反射板の表面のわずかな不完全さの影響が伝播・増幅し、光の吸収によって像が徐々に消え、あらゆる観測機器（生物学的または技術的なもの）が干渉するため、これらの状況に近づくことはできても、完全に実現することはできません。
このプロセス（位相共役とも呼ばれる）では、非線形光学プロセスにより、光は来た方向と全く同じ方向に跳ね返ります。光の方向が反転するだけでなく、実際の波面も反転します。共役反射鏡は、光を反射させてから、その反射光を収差のある光学系に再度通すことで、ビームから収差を除去するために使用できます。複雑な共役鏡を覗き込むと、瞳から出た光子だけが瞳に到達するため、鏡は黒く見えます。
ベリリウムなどの中性子を反射する物質は、原子炉や核兵器に用いられている。物理学や生物学においては、物質内部の原子による中性子の反射を利用して、物質の内部構造を解明することが一般的に行われている。
縦波音波が平面に当たると、反射面の寸法が音の波長に比べて大きい場合、音はコヒーレントに反射されます。可聴音の周波数範囲は非常に広く（20～約17000Hz ）、したがって波長範囲も非常に広い（約 20mm～17m ）ことに注意してください。結果として、反射の全体的な性質は、表面の質感と構造によって変化します。たとえば、多孔質材料はエネルギーの一部を吸収し、粗い材料（粗さは波長に比例します）は、エネルギーをコヒーレントに反射するのではなく、散乱させるために、多くの方向に反射する傾向があります。これは、これらの反射の性質が空間の聴覚的感覚に重要であるため、建築音響学の分野につながります。外部騒音軽減の理論では、反射面のサイズは、音の一部を反対方向に反射することで、騒音障壁の概念をわずかに損ないます。音の反射は音響空間に影響を与える可能性があります。
地震やその他の発生源（爆発など）によって生じた地震波は、地球内部の層によって反射されることがあります。地震によって発生した波の深層反射を研究することで、地震学者は地球の層状構造を解明することができました。浅層反射は、反射地震学において、地球の地殻全般の研究、特に石油や天然ガスの鉱床探査に利用されています。
科学者たちは、時間反射が存在する可能性があると推測してきた。CUNY大学院センターの先端科学研究センターの科学者たちは、電子スイッチが埋め込まれたメタマテリアルの帯に広帯域信号を送ることで時間反射を観測したと報告している。[ 5 ]電磁波における「時間反射」については、2023年に学術誌Nature Physics に掲載された論文で議論されている。[ 6 ]