●光学【こうがく】

光に関する現象を扱う物理学の部門。光を光線とみなし，その反射，屈折，結像などを論じる幾何光学と，光を波動とみなし，その干渉，回折，偏光，分散などを論じる物理光学とに大別される。また光波は電磁波であるから，光学現象をマクスウェル方程式によって研究することができ，これを電磁光学という。結晶による光の複屈折や旋光などを研究するものを結晶光学という。プリズムや回折格子を用いて光をスペクトルに分解し，光の放射や吸収のメカニズムを研究するものを分光学といい，分光学的方法を用いて物質の性質を研究する分野を光物性学という。レーザーや原子と光の相互作用を取扱う場合，量子光学ということもある。また光が視覚に及ぼす効果を研究する色彩学や生理光学も広い意味では光学の一部である。

光の現象・性質を研究する物理学の一分野。幾何光学・物理光学・分光学・量子光学など。
[補説]書名別項→光学

《〈ギリシャ〉Optika》紀元前3世紀ごろのギリシャの数学者、ユークリッド（エウクレイデス）の著作。目で物が見えるのは目から発せられる放射物が見られる物体に届くからである、という説に基づく論文。視学。

光に関する諸現象および光に対する物質の性質を扱う学問の総称。光を光線の集合と見て，その進み方や像の結び方を研究する幾何光学と，光を波動と見て，その物理現象を研究する物理光学(波動光学)に大別されるが，分光学，色彩論なども含めることが多い。このような意味での今日の光学は物理学の一分科にすぎないが，少なくとも17世紀までは，科学者ばかりか，哲学者や神学者さえもこの学問に取り組んだ。しかも，光学の名のもとに，反射や屈折だけではなく，視覚の問題や，場合によっては眼球の解剖学と生理学すら論じられたのである。

伝統的な物理の教育体系（力学、電磁気学、熱力学、振動・波動、光学）の一つであり、光の本質や光がかかわる自然現象、そして光を利用した装置開発などをおもな研究対象とする物理学の一分野。ここでいう「光」とは、おもに可視光、赤外光、紫外光のことである。
　あらゆる光学現象は、光の量子性までを取り入れた量子光学で説明可能であるが、とくに量子性を議論しないのであれば、マクスウェルの方程式に基づいた波動光学で十分である。さらに、光の偏光状態や波としての回折の効果も無視できるのであれば、光の直進性のみを使った幾何光学の考え方による説明が便利である。［久我隆弘］

幾何光学

幾何光学は、光の伝播(でんぱ)を光線という概念でとらえる。そして、光線が均質な媒質中では直進し、異なった媒質との境界面に入射すると反射・屈折の法則に従ってその方向を変えるという性質をもっていることを利用して、被写体の像をできるだけ正確に再現する方法を研究する。再現された像を見たときに、被写体を直接見たときとまったく同じである場合にはその像は理想的な像であるといい、このような像をつくった結像系を理想的な結像系であるという。もしも像が被写体と違っている場合には収差があるという。一つの波長の光、すなわち単色光でも検出される収差を球面収差、使用する光の波長により像のでき方が異なるために生ずる収差を色収差という。このように幾何光学は、被写体から放射され、または反射された光線により像をつくる方法を研究する。また、元の光線そのものではなく、被写体の像を再現するのに必要な情報だけを伝播するための新しい媒体として光を利用することができるようになってきた。これが広義の光学情報論であって、フーリエ結像論、ホログラフィー、画像情報処理論などが含まれる。テレビ放送、宇宙ロケットからの星の写真伝送などもこれに含まれる。なお、幾何光学を広義の結像論と解釈し、これらも幾何光学の研究対象に含めるようになってきた。［石黒浩三］

波動光学

マクスウェルの方程式から導かれる波動方程式を基本方程式とし、光を電磁場の振動（電磁波）として取り扱う学問分野。光の回折、干渉、散乱現象や、偏光状態など、幾何光学では説明できない現象、状態が説明可能である。さらに、光ファイバー、フォトニック結晶、メタマテリアルなどの人工構造体中での光伝播も、波動光学でなければ記述できない。
　また、現実的な光のモデルとして、一つの軸（光軸）の周りに光のエネルギーが集中して伝播するという近似（近軸光線近似）を行ったものは、ビーム光学ともよばれ、レーザー光の伝播を記述するのに便利なのと同時に、幾何光学の素朴な拡張としての意味ももつ。［久我隆弘］

量子光学

電磁場を量子化し、光をエネルギー量子として取り扱う学問分野。1980年代後半から世界各国で盛んに研究が行われるようになった。波動光学、幾何光学を包含するが、自然現象のなかで説明するのに光の量子性（量子光学）が真に必要となるものは、黒体輻射(ふくしゃ)スペクトルと光の自然放出過程ぐらいである。しかし、21世紀に入ってからは、量子情報処理の観点からの研究が進展しており、将来的には光の量子性を利用した新しいデバイス（量子メモリー、量子コンピュータなど）や情報伝達手段（量子暗号、量子テレポーテーションなど）の開発が期待されている。［久我隆弘］