透明性と半透明性

光学の分野では、透明性（透明度または透光性とも呼ばれる）は、光が物質を透過する際に、光の散乱がほとんど起こらないという物理的性質です。巨視的スケール（寸法が問題となる光子の波長よりもはるかに大きいスケール）では、光子はスネルの法則に従うと言えます。半透明性（半透明度または半透明性とも呼ばれる）は、光が物質を透過する（光の散乱の有無にかかわらず）という物理的性質です。光は透過しますが、光は必ずしも巨視的スケールでスネルの法則に従うとは限りません。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される可能性があります。言い換えれば、半透明の物質は屈折率の異なる成分で構成され、透明な物質は屈折率が均一な成分で構成されています。^{[ 1 ]}透明な素材は、全体的に単一の色、またはあらゆる色の鮮やかなスペクトルにつながる任意の組み合わせで、透明に見えます。半透明性の反対の性質は不透明性です。光の規則的または拡散的な反射と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、透明性、半透明性、不透明性を含む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、さまざまな方法で相互作用します。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、透過のいずれか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、入射光の大部分を透過し、反射はごくわずかです。このような物質は光学的に透明です。多くの液体や水溶液は非常に透明です。ほとんどの液体の優れた光透過性は、構造欠陥（空隙、亀裂など）がないことと分子構造によるものです。

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。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、反射または透過され、私たちの物理的な観察の対象となります。これが色を生み出す原因です。すべての周波数と波長の光の減衰は、吸収と散乱の複合的なメカニズムによるものです。^{[ 2 ]}

透明度が高いと、それをうまく利用できる動物にとってはほぼ完璧なカモフラージュとなる。これは、明るい場所よりも薄暗い場所や濁った海水の方が容易である。クラゲなど、多くの海洋生物は非常に透明度が高い。

• 後期中英語: 古フランス語から、中世ラテン語transparent-「透けて見える」から、ラテン語transparereから、 trans-「透けて」+ parere「見える」から。
• 16世紀後半（ラテン語の意味で）：ラテン語のtranslucent - 「透けて見える」から。これは動詞translucereから来ており、 trans - 「透けて」＋lucere「輝く」から成る。
• 後期中英語のopake は、ラテン語のopacus「暗くなった」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る。

光の吸収に関して、主な材料上の考慮事項は以下のとおりです。

• 電子レベルでは、スペクトルの紫外線および可視光（UV-Vis）領域における吸収は、電子軌道が特定の周波数の光量子（または光子）を吸収できるような間隔（または「量子化」）になっているかどうかに依存します。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の上に利用可能なエネルギー準位を持っていません。もし持っていたとしても、そこへの遷移は選択則に違反するため、純粋な（ドーピングされていない）ガラスでは顕著な吸収は起こらず、建物の窓に最適な透明材料となります。
• 原子または分子レベルでは、スペクトルの赤外線領域における物理的吸収は、原子または分子の振動周波数や化学結合、および選択則に依存します。窒素と酸素は分子双極子モーメントを持たないため、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。主な材料に関する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性固体に見られる「長距離秩序」を示すかどうか。
• ガラス状構造：散乱中心には、密度または組成の変動が含まれる。
• 微細構造：散乱中心には、粒界、結晶学的欠陥、微細な孔などの内部表面が含まれる。
• 有機材料：散乱中心には、繊維構造や細胞構造、および細胞境界が含まれる。

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、材料内部の微細な不規則性（例えば、多結晶材料の粒界、有機材料のセルまたは繊維の境界）による多重反射、および表面が粗い場合は表面による多重反射により、あらゆる方向に跳ね返ります。拡散反射は通常、全方向の反射角によって特徴付けられます。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。この種の反射によく使われる別の用語は「光散乱」です。物体の表面からの光散乱は、物理的観察の主要なメカニズムです。^{[ 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、（白色光を用いた）可視性の空間スケールには、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）に応じて限界が生じます。可視光の波長スケールは、約 0.5 μmです。1 μm 程度の小さな散乱中心（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 ]}  

透明セラミック

多結晶材料の光透過率は、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、（白色光を用いた場合）可視性の空間スケールには、光波の周波数と散乱中心の物理的寸法に応じて限界が生じます。例えば、可視光の波長スケールはマイクロメートルオーダーであるため、散乱中心の寸法も同様の空間スケールになります。多結晶材料における主要な散乱中心には、気孔や粒界などの微細構造欠陥が含まれます。気孔に加えて、典型的な金属やセラミックの物体における界面のほとんどは、結晶秩序の微小領域を隔て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よりも小さくなると、散乱はもはや有意な程度には起こりません。

多結晶材料（金属やセラミックス）の形成において、結晶粒のサイズは、成形（またはプレス）時に原料中に存在する結晶粒子のサイズによって大きく左右されます。さらに、結晶粒界のサイズは粒子サイズに比例します。したがって、元の粒子サイズを可視光の波長（光の波長の約1/15、つまり約600  nm  /  15 = 40 nm）よりもはるかに小さくすることで、光散乱が大幅に抑制され、半透明または透明な材料が得られます。 

半透明セラミックアルミナを透過する光のコンピュータモデリングにより、粒界付近に閉じ込められた微細な孔が主要な散乱中心として機能することが示されています。高品質の光透過（理論密度の99.99%）を実現するには、多孔度体積率を1%未満に低減する必要がありました。この目標は、ゾルゲル化学やナノテクノロジーの手法を含む新たな化学処理方法を用いて、世界中の研究所や研究施設で容易に達成され、十分に実証されています。^{[ 7 ]}

透明セラミックスは、高エネルギーレーザー、透明装甲窓、熱追尾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、医療画像処理など、幅広い用途で注目を集めています。透明セラミックス製の大型レーザー素子は、比較的低コストで製造可能です。これらの素子は内部応力や固有の複屈折がなく、比較的高いドーピング濃度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を実現できます。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な材料となっています。

透明パネル製品の開発は、住宅用窓や天窓に使用できる高強度・耐衝撃性材料など、他にも多くの先進的な用途に活用される可能性がある。さらに重要なのは、壁などの構造物の全体的な強度が向上することであり、特に地震や強風にさらされる高せん断条件下での強度向上に大きく貢献するだろう。機械的特性の向上が期待通りに実現すれば、窓面積が壁のせん断抵抗に実際に寄与するようになれば、今日の建築基準で定められているガラス面積の従来の制限はすぐに時代遅れになる可能性がある。

現在入手可能な赤外線透過材料は、一般的に光学性能、機械的強度、価格の間でトレードオフの関係にある。例えば、サファイア（結晶性アルミナ）は非常に強度が高いが、高価であり、3～5μmの 中赤外線領域全体で完全な透明性を備えていない。イットリアは3～5μmで完全に透明である が、高性能な航空宇宙用途に必要な強度、硬度、耐熱衝撃性に欠ける。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、この分野で最も優れた性能を持つ材料の一つである。

光が物体に当たると、通常は単一の周波数（または波長）だけでなく、多くの周波数（または波長）を持ちます。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、可視光の他のすべての周波数を吸収するかもしれません。また別の物体は青色の光を選択的に透過し、可視光の他のすべての周波数を吸収するかもしれません。可視光が物体とどのように相互作用するかは、光の周波数、物体を構成する原子の性質、そして多くの場合、物体を構成する原子内の電子の性質に依存します。

光が当たった際に反射されずに透過する物質があります。光波を透過させる物質は、光学的に透明であると言われます。化学的に純粋な（添加物のない）窓ガラスや、清浄な川の水や湧き水などがその代表例です。

光波の周波数を一切透過させない物質は不透明と呼ばれます。このような物質は、吸収中心と呼ばれるものを含む化学組成を持つ場合があります。ほとんどの物質は、光周波数の選択的な吸収を行う物質で構成されています。そのため、可視スペクトルの特定の部分のみを吸収します。吸収されなかったスペクトルの周波数は、反射されるか透過され、私たちの目に見えるようになります。可視スペクトルの部分では、これが色を生み出す原因となります。^{[ 8 ] [ 9 ]}

吸収中心は、私たちの周りの可視光の特定の波長の出現に大きく関与しています。波長が長い方（0.7  μm）から短い方（0.4  μm）へと移ると、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）の選択的吸収によって、私たちの感覚で色として認識されます。選択的光波吸収のメカニズムには、次のものがあります。

• 電子遷移：原子内の電子エネルギー準位の遷移（例：顔料）。これらの遷移は通常、紫外線（UV）領域および／または可視光領域で起こります。
• 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領域に現れる。

赤外線：結合伸縮

凝縮物質に運動の機械的エネルギーを蓄える主要な物理的メカニズムは、熱、すなわち熱エネルギーによるものです。熱エネルギーは運動のエネルギーとして現れます。したがって、熱は原子および分子レベルでの運動です。結晶性物質における主要な運動モードは振動です。任意の原子は、結晶構造内の平均位置または平均的な位置を中心に、最も近い隣接原子に囲まれて振動します。この2次元の振動は、時計の振り子の振動に相当します。平均位置または平均的な（垂直）位置を中心に、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、平均すると毎秒^10¹² サイクル（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、振動運動の熱エネルギーに変換します。異なる原子や分子はそれぞれ異なる固有振動数を持つため、赤外線の異なる周波数（またはスペクトルの異なる部分）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鳴振動数と一致しないために起こります。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。

物体が透明な場合、光波は物質の内部を通って隣接する原子に伝わり、物体の反対側で再放出されます。このような周波数の光波は透過すると言われます。^{[ 10 ] [ 11 ]}

光学的に透明な材料は、様々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。周波数選択型導波路による導波光伝送は、光ファイバーという新興分​​野と、特定のガラス組成物が複数の周波数を同時に伝送媒体として機能し（マルチモード光ファイバー）、競合する波長や周波数間の干渉がほとんど、あるいは全くないという特性に基づいています。電磁波（光）伝搬によるこの共鳴モードのエネルギーおよびデータ伝送は、比較的損失が少ないのが特徴です。

光ファイバーは、全反射の原理によって軸方向に光を伝送する円筒形の誘電体導波路です。ファイバーは、コアとその周囲を覆うクラッド層から構成されています。光信号をコア内に閉じ込めるには、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、物質中の光の速度を表すパラメータです。（屈折率は、真空中の光速と特定の媒質中の光速の比です。したがって、真空の屈折率は1です。）屈折率が大きいほど、その媒質中を光が伝わる速度は遅くなります。光ファイバーのコアとクラッドの典型的な屈折率は、それぞれ1.48と1.46です。

密度の高い媒質中を伝搬する光が急な角度で境界に当たると、光は完全に反射されます。この現象は全反射と呼ばれ、光ファイバーでは光をコア内に閉じ込めるために利用されています。光はファイバー内を伝搬し、境界で何度も反射を繰り返します。光は境界に臨界角よりも大きな角度で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射した光のみが伝搬されます。この角度範囲はファイバーの受光コーンと呼ばれます。この受光コーンの大きさは、ファイバーのコアとクラッドの屈折率の差によって決まります。光導波路は、集積光回路（例えば、レーザーや発光ダイオード（LED）と組み合わせたもの）の構成要素として、あるいは近距離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。

減衰のメカニズム

光ファイバーにおける減衰（伝送損失とも呼ばれる）とは、伝送媒体を通過する距離に応じて光ビーム（または信号）の強度が減少する現象です。これは、信号を長距離伝送する際の重要な制限要因となります。現代の光伝送媒体は非常に高い透過率を持つため、光ファイバーにおける減衰係数は通常、媒体を通過する際のdB/kmという単位で表されます。伝送媒体は通常、入射光を内部に閉じ込めるシリカガラス製のファイバーです。

光ファイバーでは、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レイリー散乱と呼ばれる分子レベルの不規則性からの散乱です^{[ 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つとして見られています^{[ 16 ]} 。さらに、ファイバーコアと内側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も減衰が発生します。曲げ、スプライス、コネクタ、またはその他の外部力による光漏れも、減衰を引き起こす要因です。高光パワーでは、ファイバー内の非線形光学プロセスによっても散乱が発生する可能性があります^{[ 17 ] 。}

水面近くに浮遊する多くの海洋生物は透明度が高く、ほぼ完璧なカモフラージュ効果を発揮します。^{[ 18 ]}しかし、海水とは異なる屈折率を持つ物質でできた体では、透明度を維持することは困難です。クラゲなどの一部の海洋生物は、主に水で構成されたゼラチン質の体を持っています。厚い中膠は無細胞で透明度が高く、浮力を得るのに都合が良いのですが、筋肉量に対して体が大きくなるため、速く泳ぐことができず、この種のカモフラージュは機動性とのトレードオフとしてコストがかかります。^{[ 18 ]}ゼラチン質のプランクトン動物は、透明度が50～90パーセントです。透明度が50パーセントあれば、水深650メートル（2,130フィート）でタラなどの捕食者から見えなくなります。浅い水域では光が明るく、捕食者の視認性が高いため、見えなくなるにはより高い透明度が必要です。例えば、タラは浅瀬の最適な照明下では98パーセント透明な獲物を見ることができます。したがって、カモフラージュに十分な透明性は、より深い水域でより容易に達成されます。^{[ 18 ]}同じ理由で、空気中での透明性はさらに達成しにくいですが、部分的な例として、 半透明の皮膚と淡い緑色の四肢を持つ南米の熱帯雨林のガラスガエルが挙げられます。 ^{[ 19 ]}中央アメリカの数種のクリアウィング（イトミイネ）チョウや多くのトンボ、および近縁の昆虫も、ほとんど透明な翅を持ち、捕食者からある程度の保護を提供する隠蔽の一形態となっています。 ^{[ 20 ]} 

• 連続媒体の電気力学、ランダウ、LD、リフシッツ、EM、ピタエフスキー、LP、（パーガモン・プレス、オックスフォード、1984年）
• レーザー光散乱：基本原理と実践 B. Chu著、第2版（アカデミック・プレス、ニューヨーク、1992年）
• 固体レーザー工学、W. Koechner著（Springer-Verlag、ニューヨーク、1999年）
• 化学物理学入門、JC・スレーター著（マグロウヒル社、ニューヨーク、1939年）
• 『固体の現代理論』、F・ザイツ著、（マグロウヒル社、ニューヨーク、1940年）
• 『硝子体状態の現代的側面』、J・D・マッケンジー編（バターワース社、ロンドン、1960年）

• 紫外線安定性
• 光の性質
• UV-Vis吸収
• 赤外分光法
• ブリルアン散乱
• 透明セラミック
• 防弾ガラス
• 透明なALONアーマー
• 光学材料の特性
• ガラスが透明になる理由は何ですか ？
• 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