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2019年9月20日 (金)

全反射:余話

1:照明
 これは、私が中学校か高校かで全反射について学んだ時に先生が話してくれたものです。
0917zenhansha

前の記事で使った図にちょっと手を加えました。
ショールームか何かに、ちょっとした大きさのプールというか水槽を設置します。
底部の中心に光源を置く。AとBは光源から出た光がちょうど臨界角になる位置です。
このAB間の位置に、直径ABの円盤を設置する。
そうすると、光源から出て円盤に当たる光は、円盤がなければ屈折して外へ出てくるはずですが、円盤に遮られて出てきません。
円盤ABの外へ向かった光は、入射角が臨界角より大きいので全反射してプールの底を照らします。もちろん外へは出てこない。
ということは、このプールのそばに立った人は、どう頑張っても光源を直接見ることはできないのですね。
でも、プール内は明るいのです。きっと不思議な感覚に包まれることでしょう。
光源が見えないのに光が充満している。
とまあ、こんな話。

↓このサイトに同じ話が載っています。
http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/p/wave/kouha/zennhannsya.html
全反射

「入射角が臨界角より小さくなるような領域を障害物で覆うと、光は向こう側に到達できなくなります。上から見たときに光源が見えなくなるということです。このとき、入射角が臨界角より大きくなるような領域は覆う必要はありません。」

2:水中から水面を見ると
上の水中からの照明の光線を逆向きにします。
0918snellwindow

つまり水底に観察者の眼があり、プールの底から水面を見るのです。

そうすると、明るい円形が見えます。
水の外からくるすべての光線は、ABを直径とする円を底面とする円錐の中に納まってしまうんですね。
「スネルの窓」といいます。
「スネルの法則」は非常にポピュラーですが、「スネルの窓」はあまり知られていないかも。

↓参考にどうぞ
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%81%AE%E7%AA%93


スネルの窓
スネルの窓(スネルのまど、英: Snell's window)またはスネルの円(スネルのえん、英: Snell's circle[1])、もしくは光学的マンホール(こうがくてきマンホール、英: optical man-hole[2])とは、水中から見上げたとき、水面より上にある全てのものが約97度に開いた円錐の中に収まって見える現象である[3]。この現象が起こるのは、光が水中へ進むときにスネルの法則に従って屈折するからである[4]。スネルの窓の外側の領域は完全に真っ黒か、もしくは水中にある物が水面で全反射して映る。


3:光ファイバー
↓1の項目でリンクした同じページの下の方に「光ファイバー」の話も載っていて

インターネット通信などに使われる光ファイバーケーブルは、屈折率の大きいガラスなどの素材を中心部に使い、外周部に屈折率の小さい素材を使い、光信号が中心部を全反射しながら進んでいくという仕組みの通信ケーブルです。

こうあるのですが。間違いではないけれど。全反射を使うと、長距離を伝わると波形が乱れたり、反射で位相が乱れたりするんですね。
で、全反射ではなく、ファイバーの中心部と周辺部で屈折率のなだらかな変化をつくり、伝わる光線が波のような進路を描くようにしてやると、波形が乱れにくくなります。
すごい技術ですね。私のパソコンの通信環境も光ファイバーです。毎日お世話になっています。
子どもの頃には想像もつかなかった技術です。

↓TDKのサイトです。
https://www.jp.tdk.com/techmag/knowledge/200811u/index.htm
第105回 通信用だけじゃない −光を届ける光ファイバー−

↓ウィキペディアから
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%90%E3%83%BC

グレーデッド・インデックス型
グレーデッド・インデックス(Graded index、GI)型は、屈折率分布型とも呼ばれ、コアの屈折率が動経方向に対して二次関数的に連続変化するようなものである。中心から離れるに従って屈折率を小さくしているため、光が徐々に屈折しコアに閉じ込められることになる。また、媒質中の光の速度は屈折率に反比例するため、光の速度は中心から離れるにつれて速くなる。これにより、斜めに進む光と直進する光が端から端まで到達する速度は同じになり、伝送波形が崩れにくい。ステップ・インデックス型に比べ製造が難しく高価になりがちであるが、高速伝送が可能である。ガラス製の場合、クラッド外径が125 μm、コア径が50 μm、62.5 μmの2種類があり、10 Gbpsで500 mの中距離高速伝送が可能である。完全フッ素化ポリマーを使用したプラスチック製の場合、クラッド外径が500 μm、コア径が120 μmであり、10 Gbpsで100 mの伝送が可能である。

ステップ・インデックス型
ステップ・インデックス(Step index、SI)型は、コアとクラッドの界面のみで屈折率が不連続に変わるものである。コアとクラッドの境界面で全反射するような角度で入射させ光を伝送する。しかし、斜めに入射した光が中央を真っ直ぐ進む光より長い距離を進み到達時間が長くなることになり、長距離伝送後に元の波形が崩れてしまうという欠点がある。グレーデッド・インデックスに比べ製造が簡単で安価であるが、高速伝送・伝送距離などの特性はやや劣る。プラスチック製の場合クラッド外径が1,000 - 750 μm、コア径が980 - 500 μm程度であり、LEDを光源とした400 Mbpsで10 m程度までの伝送が可能である。音声やビデオの短距離伝送に用いられている。

4:バイオミメティクス

http://www.seibutsushi.net/blog/2013/01/1358.html
 カタツムリの殻皮に学ぶ「汚れないセラミックス」

 殻の表面構造を解析すると、数百ナノ(1ナノ=10億分の1m)からミリサイズまでの広範囲な階層でフラクタル組織、つまり『溝』がつくられていることがわかりました。
 殻表面の細かい溝によって水膜ができ、油を寄せつけない。
 とてつもなく細かい溝。これがカタツムリの汚れ防止機構でした。つまり、殻表面にあるこの溝に常に水がたまっている状態なのです。ここに油をたらしても、水と油は反発し合うのでくっつかない。だから、上から水をかけるだけで、浮いている油が流れ落ちてしまうというわけです。
 これと似た原理を用いているのが、ハスなどの植物の葉っぱです。
ハスの葉の表面に水を流すと、はじかれてコロコロと転がりますね。これは、葉の表面に水が入り込めないくらい小さな、数ミクロンの凹凸があるためなのです。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%90%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%9F%E3%83%A1%E3%83%86%E3%82%A3%E3%82%AF%E3%82%B9
バイオミメティクス
バイオミメティクス(英語: Biomimetics)とは、「生物の構造や機能、生産プロセスを観察、分析し、そこから着想を得て新しい技術の開発や物造りに活かす科学技術」の意[1]。用語としては、1950年代にアメリカ合衆国の神経生理学者オットー・シュミット(英語版)が初めて使用した[1]。

日本語表記としては生物模倣技術、生物模倣と呼ばれることもある[2]。SPEEDOがサメの肌の特徴を模倣することで水の抵抗を低減した水着「ファーストスキン」を開発したことや、関西大学システム理工学部の教授である青柳誠司が蚊を模倣して痛みの少ない注射針「マイクロニードル」を開発したような事例が、バイオミメティクスの例と言える[2]。

もう私の文章は付け加えません。いろいろあるものです。

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