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- テクニカル・レビュー 光学技術部、運営部
- 最終更新日 2026年7月21日
概要 このガイドでは、凸レンズと凹レンズの像形成の原理、それらの実用上の違い、そして眼鏡からレーザー加工装置、さらには特注の非球面レンズに至るまで、実際の光学システムにおいてこれら2つがどのように連携して機能するかについて解説します。.
凸レンズと凹レンズは、現在使用されている最も基本的な2つの光学素子です。老眼鏡、カメラのレンズ、顕微鏡、レーザーシステムなど、ほぼすべての光学システムは、この2つの組み合わせに基づいて構成されています。 一般的に、凸レンズは「光を収束させる」、凹レンズは「光を拡散させる」と簡潔に説明される。この説明は正確だが、単なるスローガンとして扱われると、なぜこの区別が実用上重要なのか、あるいはなぜ実際の光学システムで片方だけが使われることがほとんどないのか、その理由を説明することはできない。.
簡単な実演を見れば、その違いが直感的に理解できます。凸レンズを直射日光の下に置くと、光は小さく、明るく、高温の一点に集まります。一方、凹レンズを光源に向けると、光は広がり、より広い範囲を照らします。 このガイドで解説するその他のすべて――像の形成、代表的な用途、そしてこれら2種類のレンズがどのように連携して機能するか――は、この単一の挙動から導き出されるものです。.
凸レンズ：光をどのように集束させるか
1. 形状と識別
A 凸レンズ 中心部が端よりも厚くなっている――これは、虫眼鏡や球体の断面のような形状です。老眼鏡や虫眼鏡は、この「中心が厚く、端が薄い」形状の、日常で最もよく見られる例です。.
2. 機能
凸レンズの主な働きは、光線を焦点に向かって集めることです。これが、その2つの主な用途の基礎となっています：
- 倍率 — 小さな文字、セル、または細かい部分を拡大して、より詳しく観察すること。.
- フォーカス — 光を一点に集めることで、カメラは鮮明な画像を撮影でき、プロジェクターは小さな光源の光を大きなスクリーンに投影することができます。この同じ原理を利用して遠視を矯正しています。老眼鏡の凸レンズは、光の進路を変え、網膜上で正しく収束させることで、近くの物体を鮮明に映し出します。.
3. 材料と製造
凸レンズは通常、光学ガラスまたは高透明度のプラスチックから製造され、用途や生産量に応じて、精密研削、研磨、または射出成形によって成形されます。より高い透過効率やグレアの低減が求められる用途では、一般的に反射防止コーティングが施されます。 平凸型と両凸型の両方が一般的に使用されています。平凸型（片面が平ら）は、よりシンプルな取り付けインターフェースや球面収差の低減が必要な場合に頻繁に指定されますが、両凸型は、コンパクトな形状でより強力な収束力が必要な場合に使用されます。.
4. 主要な光学特性
凸レンズは、 実際の画像 — 光線は物理的に収束し、スクリーンに投影することができるため、カメラやプロジェクターでは凸レンズが用いられている。物体がレンズの焦点距離内に置かれると、レンズは代わりに拡大像を形成する 仮想イメージ — 虫眼鏡の仕組み。被写体が大きく見えるが、その像を平面に投影することはできない。.
凹レンズ：光がどのように拡散するか
1. 形状と識別
A 凹レンズ 中心部が縁よりも薄く、フリスビーや浅いガラスの皿に似ています。光を収束させるのではなく、入射光を外側へと拡散させます。.
2. 機能
凹レンズの主な役割は、拡大ではなく、光路の方向や視野を制御することにあります：
- ドアの覗き穴（ピープホール） 像を圧縮するが視野を広げる外部の凹レンズと、拡大用の内部の凸レンズを組み合わせることで、狭い開口部から広い廊下の景色を見ることができる単純な一方向光学系が形成される。.
- 近視の矯正: 近視の目では、角膜や水晶体の曲率が強すぎる（あるいは眼軸長が長すぎる）ため、光が網膜上ではなく網膜の手前で焦点を結んでしまいます。凹レンズは、入射光が目に到達する前にそれをわずかに拡散させ、事実上、焦点を網膜上に後退させる働きをします。.
- 光学機器 凹面レンズを用いて、光路を補正したり、ビーム径を拡大したり、システムの他の部分で生じる光学収差を低減したりします。.
3. 材料と製造
凹レンズは、光学ガラスや樹脂を原料とし、成形または精密研磨の工程を経て製造されます。眼鏡用レンズでは非球面凹レンズの設計が一般的であり、収差を低減するとともに、より薄く軽量なレンズを実現し、より自然な視野を確保します。多層の反射防止コーティングや耐傷性コーティングは、ほとんどの市販製品で標準的に施されています。.
4. 主要な光学特性
凹レンズは虚像しか形成できません。発散する光線は物理的に収束することがないため、像をスクリーンに投影することはできません。この虚像は常に正立しており、被写体に比べてサイズが小さくなります。 凹レンズの実用的な価値は、倍率にあるのではなく、発散光を制御する能力にあります。この特性により、視野を広げたり、光をより効率的に目や器具に導いたりするのに役立ちます。.
凸レンズと凹レンズ：比較表
| 特徴 | 凸レンズ | 凹レンズ |
|---|---|---|
| プロフィール | 中央が厚く、縁が薄い | 中央が薄く、縁が厚い |
| ライトアクション | 収束する（内側に曲がる） | 外側に広がる（外側に曲がる） |
| 画像タイプ | リアルかバーチャルか | オンライン限定 |
| 画像の向き | 実：反転 / 仮想：正位置 | 常に直立 |
| 画像サイズ | 拡大または縮小 | 常に割引中 |
| 代表的な焦点距離の表示 | ポジティブ | 否定 |
| 代表的な用途 | 拡大鏡、顕微鏡の対物レンズ、カメラのレンズ、プロジェクター、遠視用メガネ | ドアの覗き穴、望遠鏡の接眼レンズ、近視用メガネ、ビームエキスパンダー |
焦点距離の符号の規則は、光学工学において便利な略記法です。凸レンズ（収束レンズ）には正の焦点距離が割り当てられ、凹レンズ（発散レンズ）には負の焦点距離が割り当てられます。 この単一の区別によって、表の他の行のほとんどが説明されます。つまり、像が実像になるか虚像になるか、また1倍を超える倍率が得られるかどうかが決まるのです。.
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凸レンズと凹レンズによる像の形成
1. 実像形成（凸面のみ）
物体が凸レンズの焦点距離の外側に位置する場合、屈折した光線は実際にはレンズの反対側で収束し、スクリーンやセンサーに投影できる倒立実像を形成します。これが、カメラやプロジェクターの光学系の基礎となっています。.
物体が焦点距離の内側に置かれると、光線はレンズを通過した後に収束しなくなり、その代わりに、物体の後ろにあるより大きな仮想点から発散しているように見えます。目はこれを、拡大され、正立した仮想像として認識します。これが虫眼鏡の仕組みです。.
2. 仮想像の形成（両タイプ）
凹レンズは、入射光を常に発散させます。光線はレンズの反対側で物理的に交わることは決してないため、実像は決して形成されません。 目（またはその先のレンズ）は、この発散する光線を逆方向にたどることで、正立した縮小された虚像を認識します。これこそが、凹レンズが覗き穴で効果を発揮する理由です。つまり、光を実際にどこかに収束させることなく、広い視野を短い物理的距離に圧縮できるからです。.
光学システムにおけるそれらの連携の仕組み
精密光学システムにおいて、凸レンズと凹レンズが単独で使用されることはほとんどありません。通常、凸レンズが画像形成や集光能力の中核を担い、凹レンズはその能力によって生じる収差や光路制御上の問題を補正します。以下のセクションでは、この組み合わせが最も重要な役割を果たす4つの分野について解説します。.
1. 視力矯正
視力矯正は、凸・凹の関係が最も直接的かつ一対一で応用される例です。凸レンズは、網膜の後方に位置する焦点（遠視）を補正するために収束力を加え、焦点を網膜上へと引き寄せます。 一方、凹レンズはこれとは逆の働きをし、網膜の手前に焦点が結ばれる状態（近視）を補正するために発散力を加え、焦点を網膜の位置まで後方に移動させます。それぞれの視力異常は、その目の特定の焦点調節の誤りを直接打ち消す光学特性を持つレンズの種類によって矯正されます。.
2. 望遠鏡、顕微鏡、およびアクロマティック・ダブレット
望遠鏡や顕微鏡では、凸の対物レンズ群が主な拡大の役割を果たしますが、色収差（異なる波長の光がわずかに異なる点に焦点を結ぶことで生じる色にじみ）を引き起こします。 これを補正するために、凹レンズが用いられます。代表的な例がアクロマティック・ダブレットで、これは屈折率の異なる凸レンズ（通常はクラウンガラス）と凹レンズ（通常はフリントガラス）を組み合わせたもので、凸レンズの収束力を維持しつつ、色収差を大幅に低減します。 無色二重レンズの設計は、現在も精密顕微鏡の対物レンズや望遠鏡の接眼レンズにおいて、標準的な構成要素として用いられています。.
3. カメラレンズアセンブリ
現代のカメラレンズは、単一のレンズではなく、数十枚の凸レンズと凹レンズを精密に積み重ねた構成となっています。 凸レンズは光を収束させて主像を形成し、凹レンズは樽型や針刺し型の歪みを補正し、像面湾曲を制御して（フレームの端部も中心部と同様に鮮明に保つ）、同じ絞り値と焦点距離において、単一のレンズでは実現できないほど、レンズ全体をコンパクトに構成することを可能にしています。.
4. レーザーおよび精密ビーム制御
レーザー加工システムでは、凸レンズがレーザーエネルギーを小さなスポットに集光し、切断や溶接に利用されます。多くの場合、その手前に凹レンズを配置してビームをまず発散させ、ビームが集光用の凸レンズを通過した後の最終的な焦点スポットのサイズや位置を、エンジニアが精密に制御できるようにしています。これは、ビームエキスパンダーアセンブリにおける一般的な構成です。 計測および通信システムでは、凹レンズと凸レンズを組み合わせてビームエキスパンダーを構築したり、光学的アイソレーションを実現したりすることで、高精度な実験や高速データ伝送に必要な、安定した低歪みの光路を維持しています。.
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新しい技術によって、凸レンズや凹レンズは置き換えられることになるのでしょうか？
フリーフォームレンズや液体レンズといった新興技術は、光学的に可能な範囲を広げつつありますが、これらは従来の凸レンズや凹レンズに取って代わるものではなく、あくまでそれらを補完する役割を果たしています。3つの実用的な理由から、従来のレンズは依然として圧倒的多数の光学システムの基盤となっています。.
伝統的なレンズは、依然として揺るぎない基盤となっています。.
そのシンプルさ、信頼性、そして成熟した低コストの製造プロセスにより、眼鏡から産業用レンズに至るまで、大多数の光学システムにおいて、これらは依然として第一の選択肢となっています。また、その動作原理は、光学工学教育における標準的な出発点であり続けています。.
新しい技術は、従来のレンズでは解決できない特定のボトルネックに対処します。.
液体レンズは、可動する機械部品を一切使用せずに動的な焦点調整が可能であり、高速オートフォーカスが求められるスマートフォンカメラやマシンビジョンシステムにおいて有用です。メタレンズは厚さが1ミリメートル未満であり、単一の平面上に複数の光学機能を統合できるため、スマートフォンの3Dセンシングモジュールでの採用が拡大しています。 しかし、現在のところ、どちらの技術も、従来のガラスレンズと比較して、単位コストが高く、大規模製造プロセスが未成熟であり、環境安定性が低いという課題に直面しています。これらの点においては、従来の凸レンズや凹レンズが依然として明確な優位性を保っています。.
ハイブリッドシステムの方が、より現実的な方向性だ。.
ハイエンドの光学製品では、中核となる画質を確保するために従来の凸レンズや凹レンズを採用しつつ、高速オートフォーカスを実現するために液体レンズ要素を組み込んでいる場合があります。また、新しい製造技術により、カスタム非球面レンズなどの複雑な従来の形状も、大量生産においてよりコスト効率良く製造できるようになり、従来のレンズに取って代わるのではなく、その性能を向上させています。.
要するに： 凸レンズは光がどこに収束するかを決定し、凹レンズは光がどのように発散するかを決定します。この原理は、依然として応用光学の基礎となっています。液体レンズやメタレンズ、および類似の技術は、その基礎を置き換えるのではなく、その上に新たな機能――動的な調整や平面への集積など――を付加するものです。.
よくあるご質問
凸レンズと凹レンズの主な違いは何ですか？
凸レンズは光を焦点に向かって収束させ、凹レンズは光を外側へ発散させます。焦点距離の符号が異なるというこの一点――凸レンズは正、凹レンズは負――が、それぞれのレンズがどのように像を形成するか、またどこで使用されるかといった、その他のすべての要素を決定づけています。.
画像サイズへの影響は？
凸レンズは、被写体が焦点距離に対してどの位置にあるかによって、像を拡大することも縮小することもできます。一方、凹レンズは常に像を縮小します。まさにこの特性があるため、凹レンズは拡大よりも視野を広げるために有用なのです。.
遠視にはどのレンズが使われ、近視にはどのレンズが使われるのですか？
遠視（hyperopia）は、凸レンズを用いて矯正されます。凸レンズは収束力を加えることで、焦点位置を網膜の手前に移動させます。近視（myopia）は、凹レンズを用いて矯正されます。凹レンズは発散力を加えることで、焦点位置を網膜の奥に移動させます。.
凹レンズは実像を結べるか？
いいえ。凹レンズは、それによって生じる発散光線が物理的に収束することはないため、常に正立し、縮小された虚像のみを形成します。虚像はスクリーンに投影することはできません。.
なぜ虫眼鏡は凸レンズで作られているのでしょうか？
凸レンズを被写体から焦点距離以内の位置に置くと、拡大された正立の虚像が形成され、これにより細部がより見やすくなる。.
「正の焦点距離」や「負の焦点距離」とはどういう意味ですか？
焦点距離の符号は工学上の略記法です。集光（凸）レンズは正の焦点距離を持ち、発散（凹）レンズは負の焦点距離を持ちます。 この規則は、光学設計全般において、計算の各段階で「凸」や「凹」をいちいち繰り返すことなく、そのレンズがシステム内で収束力を加えるか、あるいは減らすかを素早く判断するために用いられています。.
凸レンズと凹レンズを、1つの特注光学アセンブリに組み合わせて使用することは可能ですか？
はい――実際、これはほとんどの精密光学システムにおいて例外ではなく、標準的なアプローチです。アクロマティック・ダブレット、カメラレンズスタック、レーザービームエキスパンダーアセンブリなどは、いずれも凸レンズと凹レンズを組み合わせて、像形成能力と収差補正のバランスをとっています。 カスタムアセンブリは通常、対象となる波長範囲、必要な開口、および用途に応じて補正が必要な特定の収差に基づいて仕様が定められます。.
一般的に、凸レンズと凹レンズは装置の中でどのように連携して機能するのでしょうか？
ほとんどの精密機器において、凸レンズは主に像の形成や集光を担い、一方、凹レンズは光路を補正したり、光束の形状を制御したり、あるいは凸レンズによって生じる収差を低減したりする役割を果たします。その結果、いずれかのレンズタイプが単独で実現できるものよりも、より鮮明で安定した像が得られます。.
ドアの覗き穴には、どのような種類のレンズが使われていますか？
ドアの覗き穴は、外側に設置された凹レンズを用いて廊下の広角視野を狭い開口部に圧縮し、内側の凸レンズと組み合わせて、その像を目に見えるように拡大します。.
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