光の反射の像について

　光を四角い鏡に反射させたとき、近くの壁には、四角く（鏡の形とおなじ形の）像ができるのに、ずっと遠くの壁に反射させると、その像は丸くなります。一体どうしてですか？分かる方、至急回答お願いします！！

No.3 ベストアンサー 回答者： k-family 回答日時： 2002/06/04 09:57

完全な鏡、つまり完全に平らな鏡に、完全に位相のそろった並行光を当てればどこまでも並行に進みますから四角なままです。

そうでない場合は輪郭（四角）がぼけてきます。

鏡に凸凹やゆがみがあれば、並行光があたっても進む方向がバラバラですので、先に行けば行くほど丸くなるのは理解できると思います。

完全な鏡の場合に、位相と波長のそろった光でない場合はどうなるのかちょっとわかりません。＃１でnovaakiraさんが述べられたような結果になるのかも知れません。ただ、わかりやすく表現されたかったためと思いますが、表現としてはちょとおかしいところがあります。次の点です。(1)遠くに行けば行くほど、(2)ある距離を境に、と言うところです。また回析なのか干渉なのかも私にはよくわかりません。この点については専門の方からの回答をもらった方が良いかと思います。（←この部分自信なし）

その他、実際には空気があるのでぼやけやすくなります。これは空気自体の屈折率の場所による変化と、空気中のチリによる散乱の問題があります。

一番はじめの、平らな鏡に位相と波長のそろった光（レーザ光）をあてるとどうなるか、についてですが、このような実験があります。
アポロ計画によって月面に置かれた反射板に地上からレーザ光をあてる実験です。反射板は当然ですが最高水準の平面度を持った鏡です（この鏡は３枚を正確に９０度に組み合わせることでどこから投射した光でも元の位置へ返すことができるようになっています）。ここへ地上からレーザー光を投射します。これが月まで行って帰ってくると数Ｋｍ程度にまで広がると聞きました(*)。
最高の設備を使ってこの程度広がるわけですから我々の周りの機器ではこのくらい広がっても不思議ではありません。
＊：はじめのレーザ光の太さはわかりません。数Ｋｍというのも自信なしです。

と言うことで丸くなるのは何かの像が写っているわけではありません。完全な回答ではありませんが、お急ぎのようでしたので、誤解の無いように少しだけアドバイスしたとお考えください。

No.5 回答者： stomachman 回答日時： 2002/06/04 11:07

【１】光源が非常に遠くにある、しかも大きさを持って見えるもの（たとえば太陽）であるなら、No.2の回答が最も正確だと思われますが、いささか説明不足かもしれませんね。

　ほとんど同じ質問が過去にあるので、URLを付けておきます。

　完全な鏡を手に入れるより、四角い窓の穴を通した光が作る像をスクリーンに映して観察する方が簡単です。現象は同じ（図を描いてみればお分かりになるでしょう）なので、こちらで説明しましょう。
　穴の大きさに比べて、穴とスクリーンとの距離がうんと離れている場合、つまりスクリーン見て、光源の見かけの大きさ（角度）に比べて穴の見かけの大きさの方が遙かに小さい場合、つまり穴とスクリーンがうんと離れている場合には、像は光源の形を写しています。
　穴が上空に固定されているものとします。スクリーンの上を動き回りながら、穴を通して太陽が見えるかどうかスクリーンに印を付けていくと、円盤状に印が付きます。 いやそんなことしなくても、太陽が見える場所はスクリーンが明るくなるからすぐ分かります。これが像に他なりません。言い換えれば、針穴写真機で太陽の像をスクリーンに写しているんですね。
　一方、スクリーンと穴がうんと近いときには、スクリーンから見た穴の大きさに比べたら太陽は点光源みたいなものですから、像には穴の形がハッキリ現れる。この場合だって、像は完璧な四角ではなくて、多少縁がにじみます。スクリーンの上で、穴の縁に太陽がちょっとだけ見える位置、半分見える位置、ほとんど全部見える位置、というのがちょっとずつ違うから、スクリーン上の明るさにグラデーションができるわけです。従って、このグラデーション部分の幅は、四角い穴の代わりにピンホールを使ったときにスクリーンに写る太陽の像の直径と一致します。

【２】四角い完全な鏡に平行光（つまりうんと遠くにある点光源からの光）をあてた場合は、上記の話では窓に平行光を通した場合に相当し、スクリーンをどこまで離しても像は完全な四角のままになる、という結論になりますね。ところがこの場合には、大きさを持って見える光源の場合には重要でなかった、ずっと弱い効果が現れてきます。
　結論から言えば、像は四角のままという訳には行きません。まず、穴（あるいは鏡）の縁の光の波長のオーダーの部分を通る光は広がります。これがNo.1で言われている回折効果です。この成分は弱いばかりか穴（あるいは鏡）の近くですぐに広がってしまいますので、像にはほとんど影響がないでしょう。
　穴（あるいは鏡）の縁以外の部分を通った光は四角いまま進むんですが、光の電場が光自身に作用して、光束を広げる効果を生じ、このために遠くに行くほど広がります。とても強い光を使ったときにだけ重要になる効果ですが。
　空気を通す場合には、空気の密度ムラによる屈折で像が揺らぎます。形も変化しますが、丸くなるというより、むしろ像が動くんです。ホコリによる散乱は光を弱くする効果をもたらし、像は丸くなるというより薄くなってしまう。

なお、鏡に凹凸がある場合、像が丸くなるとは限りません。

参考URL：http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=46173

No.4 回答者： noname#11476 回答日時： 2002/06/04 10:24

鏡で考えるとわかりにくいのですが、簡単には四角にくりぬいた紙（アパーチャ）を用意してその背後から光を投影して影を見ていることと同じです。

（つまり影絵です）

ご質問のケースが具体的になにを見たのかわかりませんが多分、基本的にはNo.2の方の解答でよろしいかと思います。
太陽でない場合もNo.3の方の解答にあるように「平行でない光」の場合はその形状は変化します。

No.1の方の解答は（ちょっと間違っていますが）、平行な光であっても起きる現象で、この場合は鏡又はアパーチャのサイズが光の波長に近くなっていくと顕著になります（光の回折という現象が無視できなくなるため）。
（この場合も投影する距離が長いほど形状が連続的に変化していきます。）
ただ、平行な光がアパーチャの場所で回折という現象によって平行でなくなるために、遠方では形状が変化するので、「平行でない光が遠方まで進むとその形状が変化する」点は同じです。

平行でない光というのは、つまり、四角い枠に対して同一方向のみの光でなく、色んな方向から光が入っていることを意味しますので、枠を通過した光も、その直後は枠の形ですが、その後進む方向はまちまちなので、形状はそのままを保持できません。
太陽はその形状が円形であるため、光の進む方向をみると、光の進む方向成分の分布は円形となっていますので、遠方での形状は円形となります。

作図できると簡単に説明できるのですが、文字だけなのでわかりにくいかもしれませんが、一度絵を描いてみて下さい。
鏡で考えるとわかりにくいので、ただの四角い枠として書くとわかりやすいです。

No.2 回答者： brogie 回答日時： 2002/06/04 07:07

＞光を四角い鏡に反射させたとき、近くの壁には、

＞四角く（鏡の形とおなじ形の）像ができるのに、
これは鏡の形が写っています。

＞ずっと遠くの壁に反射させると、その像は丸くなります。
これは太陽の像が丸く写っているのです。

No.1 回答者： novaakira 回答日時： 2002/06/04 01:05

簡単にいうと光は遠くにいけばいくほど波の性質が見えてくるので

ある距離を境に回折という現象(光の回り込み)が起こります。
よって遠くの像は丸くなってしまいます。