平行光（コリメート光）とは：定義・回折の制約とコリメーターの役割

平行光（コリメート光）の定義、回折がもたらす制約、現実との違いとコリメーターの仕組みを図解で分かりやすく解説。

平行光（コリメート光）とは、光線が平行になっている光のことを指します。理想的には光線が互いにまったく交わらず、進行方向に沿って一定の間隔を保ちながら進むため、距離が増しても広がらない光です。コリメートという語は、英語の“collimate”（整列させる）に由来し、コリニア（同一直線上に並ぶ）という概念と関係があります。

理論的な見方（波面と平面波）

波の観点では、完全な平行光は位相面（波面）が無限に平らな平面波に相当します。平面波は空間全体で一様な振幅・位相を持つ数学的理想であり、物理的には無限のエネルギーを要するため現実には存在しません。実際の光は有限の開口（ビーム幅）を持つため、波動光学で扱うとその開口に対応する波面から回折が生じ、わずかに広がります。

回折による制約（なぜ完全な平行光は作れないか）

有限の開口を通る波は回折によって拡がり、遠方ではフラウンホーファー回折に従って角度的な広がり（ダイバージェンス）を持ちます。おおまかな目安として、中心的な広がりの角度θは波長λと開口径Dの比で与えられます：

θ ≈ λ / D

例えば波長λ = 500 nm、開口D = 1 cmのとき、θ ≈ 5×10^−5 rad（約10.3秒角）になります。開口を大きくすればダイバージェンスは小さくなりますが、無限に小さくすることはできません。

現実の光ビーム：ガウシアンビームとビーム品質

レーザー光など実際のビームは理想の平面波ではなく、しばしばガウシアン強度分布を持ちます。ビームにはビームウエスト（最小径）やその位置が存在し、そこからの広がりは理論的に決まっています。ビーム品質を表すパラメータとしてM^2（エムスクエア）があります。M^2=1が理想的な単一モードガウシアンビームで、値が大きくなるほど実際のビームは理想から乖離し、同じ開口サイズでより早く広がります。

コリメーターの役割と種類

コリメーターは光源から出る光を「おおまかに平行にする」ための光学素子や装置です。完全な平行にはできませんが、用途上十分に小さなダイバージェンスに整えることができます。代表的な方式：

• レンズ（コリメーティングレンズ）— 光源や光ファイバーの出射面をレンズの焦点に置くことで平行光に近づける。
• パラボラ鏡／放物面反射鏡—遠方からの平行光を集める、あるいは点光源を平行光に変換するのに有効（非色収差）。
• ピンホールやスリットを用いた空間フィルタ—波面の高周波ノイズを除去し、より整ったビームを得るが出力を減らす。
• 光ファイバー（特に単一モードファイバー）— 出射はほぼガウシアンで、その後レンズでコリメートすることが多い。
• アスフェリックレンズやオプティカルウィーブなど高性能コリメータ—特定用途で低ダイバージェンスを達成。

実用上の注意と応用例

完全な平行光は理想なので、設計では「どの程度まで平行であれば十分か」を基準にします。主な応用：

• 望遠鏡や顕微鏡：入射光を平行に近づけて対物レンズや接眼レンズで像を形成する。
• レーザー加工、光通信、距離測定（LIDAR）：小さなダイバージェンスが必要。
• 光学測定（干渉計、分光器）：平行光で精密な測定が可能になる。
• 照明設計（スポットライト、プロジェクタ）：指向性を制御するためのコリメーション。

ダイバージェンスの測定と評価指標

ビームの広がりは角度（mrad や deg）で表されます。実務では次のような指標を使います：

• 半角ダイバージェンス（1/e^2点やFWHMで定義）
• ビーム径（2wや直径の定義に注意）
• M^2（ビーム品質）— 理想ビームに対する広がりの倍率を示す。

まとめ

平行光（コリメート光）は、光線がほぼ平行に進む光を指す概念で、波動性と有限開口による回折のため完全には実現できません。コリメーターは光を実用上平行に近づけるための装置であり、用途に応じてレンズ、鏡、ピンホール、光ファイバーなどが用いられます。設計では波長、開口径、ビーム品質（M^2）などを考慮して、必要なダイバージェンスを達成することが重要です。

質問と回答

Q: 平行光とは何ですか?

Q:コリニアとコリメートという言葉の関係は?

Q: コリメートされた光は伝播するのですか?

Q: 回折とは何ですか?

Q: 誰でも完全に平行な光線を作ることができますか?

Q: コリメーターとは何ですか?

Q: コリメーターはどのようにして平行光を作るのですか?

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