身のまわりにある凸レンズ
凸レンズと聞いてイメージできるでしょうか。メガネのガラス、ルーペのガラス、双眼鏡のガラスなど、凸レンズは身のまわりにあふれています。いろいろな用途で使われている凸レンズですが、どれも「ものを大きく見せる」ことができるという特徴があります。では、なぜ凸レンズはものを大きく見せることができるのでしょうか？
凸レンズのつくり
ルーペをイメージしてもらうと分かるのですが、凸レンズは光を1点に集めます。特に、凸レンズの光軸（下図参照）に平行に入った光が１点に集まり、この点を焦点といいます。また、レンズの中心から焦点までの距離を焦点距離といいます。
凸レンズを通る三基本光線
凸レンズでできる像はどこにどのようにできるのかの作図をするために、凸レンズを通る３つの光線に着目します。光が集まる点にスクリーンなどを置いておけば、物体の像が見えます。この光線のいずれの２つを使えば、像の作図ができます。
【凸レンズの三基本光線】
- 軸に平行な光は焦点を通る。
- レンズの中心を通る光は直進する。
- 焦点を通る光は、軸に平行に進む。
凸レンズのつくる像の作図「倒立の実像」
凸レンズがつくる像は、物体と凸レンズの位置によって変わってきます。ここでは倒立の実像を作図する方法を説明します。倒立の実像は、凸レンズに対して物体が焦点の外側にあるときにできます。作図では、前に説明しました三基本光線のうち２つを利用します。
上の図からわかるように、物体であるろうそくの炎の先端から出る光を考えているので、光が集まった点にろうそくの先端の像ができます。なので、像は物体に対してひっくり返った像となります。倒立と呼ばれるゆえんです。また、レンズに対し、物体と反対側にできる像を実像といいます。合わせて、倒立の実像というわけです。
凸レンズのつくる像の作図「正立の虚像」
物体が焦点より内側にあるときにはまた違った像ができます。次に正立（せいりつ）の虚像を作図する方法を説明します。倒立の実像を作図したときと同じ方法で作図してみましょう。作図してみると分りますが、光が交わりません。つまり、実像はできないのです。でも実は、反対側から見ると像が見えます。これを虚像といい、光線を逆に伸ばして、交点をつくれば作図できます。見ている人は光線が曲がってきているとは認識しないので下図のような虚像ができるのです。
物体が焦点上にある場合は？
今までみてきたように、焦点より外側に物体があれば倒立の実像が、内側にあれば正立の虚像がそれぞれできました。それでは物体が焦点の上にある場合、像はどうなるのでしょうか？みなさんはもう自分で答えられますよ。実際に作図してみればいいのです。下の作図から分かるように光線は平行となり、どうしようとも絶対に交わりません。光が集まらないということは像はできないのです。
