光学コーティング

光学コーティングは、レンズ、プリズム、ミラーなどの光学部品に堆積される1 つまたは複数の薄い層の材料で、光学部品が光を反射および透過する方法を変更します。これらのコーティングは、光学分野の重要な技術になっています。光学コーティングの 1 つのタイプは反射防止コーティングで、表面からの不要な反射を減らし、眼鏡やカメラのレンズによく使用されます。もう 1 つのタイプは高反射コーティングで、これを使用すると、当たる光の 99.99% 以上を反射するミラーを製造できます。より複雑な光学コーティングは、ある波長範囲では高反射を示し、別の範囲では反射防止を示し、二色性薄膜フィルターの製造を可能にします。

最も単純な光学コーティングは、ガラス基板上に蒸着して鏡面を作るアルミニウムなどの金属の薄い層であり、このプロセスは銀メッキとして知られている。使用される金属によって鏡の反射特性が決まる。アルミニウムは最も安価で最も一般的なコーティングであり、可視スペクトル全体で約 88% - 92% の反射率が得られる。より高価なのは銀であり、遠赤外線でも 95% - 99% の反射率があるが、青色および紫外線スペクトル領域では反射率が低下する (<90%) という欠点がある。最も高価なのは金であり、赤外線全体で優れた (98% - 99%) 反射率を示すが、 550 nmより短い波長では反射率が限られており、典型的な金色となる。

金属コーティングの厚さと密度を制御することで、表面の反射率を下げ、透過率を上げることが可能になり、半銀鏡が作られます。これらは「マジックミラー」として使用されることもあります。

光学コーティングのもう 1 つの主要なタイプは、誘電体コーティング (つまり、基板とは異なる屈折率を持つ材料を使用) です。これらは、光学基板上に堆積されるフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、さまざまな金属酸化物などの材料の薄い層で構成されます。これらの層の正確な構成、厚さ、数を慎重に選択することで、コーティングの反射率と透過率を調整し、ほぼすべての望ましい特性を生み出すことができます。表面の反射係数を 0.2% 未満に下げて、反射防止(AR) コーティングを作成することができます。逆に、反射率を 99.99% 以上に上げて、高反射(HR) コーティングを作成することもできます。反射率のレベルを特定の値に調整することもできます。たとえば、ある波長範囲で、その上に当たる光の 90% を反射し、10% を透過するミラーを作成できます。このようなミラーは、ビームスプリッターとして、およびレーザーの出力カップラーとしてよく使用されます。あるいは、ミラーが狭い波長帯域の光のみを反射するようにコーティングを設計して、光学フィルターを生成することもできます。

誘電体コーティングは多用途であるため、双眼鏡、眼鏡、写真レンズ などの民生用機器だけでなく、多くの科学光学機器（レーザー、光学顕微鏡、屈折望遠鏡、干渉計など）にも使用されています。

誘電体層は、金属フィルムの上に塗布されることがあります。これは、保護層を提供するため（アルミニウムの上に二酸化ケイ素を塗布する場合など）や、金属フィルムの反射率を高めるためです。^[1]金属と誘電体の組み合わせは、他の方法では作れない高度なコーティングを作るためにも使用されます。1 つの例は、いわゆる「完全鏡」で、これは高い（ただし完全ではない）反射を示し、波長、角度、偏光に対する感度が異常に低いです。^[2]

反射防止コーティングは、表面からの反射を減らすために使用されます。光線が 1 つの媒体から別の媒体に移動するたびに(光が空気を通過した後ガラス板に入る場合など)、光の一部は2 つの媒体間の 表面 (界面と呼ばれる) で反射されます。

反射を減らすために、さまざまな効果が使用されます。最も単純なのは、2つの媒体の屈折率の中間の屈折率を持つ薄い材料の層を界面に使用することです。反射は、次の場合に最小限に抑えられます。

${\displaystyle n_{1}={\sqrt {n_{0}n_{S}}}}$、

ここで、は薄い層の屈折率、およびは2つの媒体の屈折率です。0°以外の入射角での多重コーティング層の最適屈折率は、Morenoら（2005）によって与えられています。^[3]${\displaystyle n_{1}}$${\displaystyle n_{0}}$${\displaystyle n_{S}}$

このようなコーティングにより、通常のガラスの反射を表面あたり約 4% から約 2% に減らすことができます。これは、 1886 年にレイリー卿によって発見された、最初のタイプの反射防止コーティングです。彼は、この効果により、古くて少し変色したガラス片は、新しいきれいなガラス片よりも多くの光を透過することを発見しました。

実用的な反射防止コーティングは、反射係数を直接的に低減するだけでなく、薄層の干渉効果も利用するために中間層に依存しています。層の厚さが、層内の光の波長のちょうど 4 分の 1 になるように正確に制御されている場合 (1/4波長コーティング)、薄層の前面と背面からの反射は、互いに破壊的に干渉し、打ち消します。

実際には、単純な一層干渉コーティングの性能は、反射が一波長の光の一角度でのみ正確に打ち消されるという事実と、適切な材料を見つけることの難しさによって制限されます。通常のガラス ( n ≈1.5) の場合、最適なコーティング指数はn ≈1.23 です。必要な屈折率を持つ有用な物質はほとんどありません。 フッ化マグネシウム(MgF ₂ ) は、その指数が望ましい値よりも高い (n=1.38) にもかかわらず、耐久性があり、物理蒸着法を使用して基板に簡単に塗布できるため、よく使用されます。このようなコーティングにより、一般的なガラスで 1% という低い反射率を達成でき、より高い指数の媒体ではより良い結果が得られます。

表面からの反射が最大限に破壊的な干渉を受けるように設計された複数のコーティング層を使用することで、さらに低減することが可能です。2 層以上の層を使用することで、最大反射率が 0.5% 未満の可視範囲 (400 ～ 700 nm) をカバーする広帯域反射防止コーティングが一般的に実現できます。より狭い波長帯の反射は 0.1% まで低く抑えることができます。あるいは、屈折率の差が小さい一連の層を使用して、屈折率勾配によって広帯域反射防止コーティングを作成することもできます。

高反射 (HR) コーティングは、反射防止コーティングとは逆の働きをします。基本的な考え方は、通常、2 つの材料から構成される周期的な層システムに基づいています。1 つは硫化亜鉛( n =2.32) や二酸化チタン( n =2.4) などの高屈折率の材料、もう 1 つはフッ化マグネシウム( n =1.38) や二酸化ケイ素( n =1.49) などの低屈折率の材料です。この周期的なシステムは、バンドストップと呼ばれる特定の波長範囲で表面の反射率を大幅に高めます。バンドストップの幅は、使用される 2 つの屈折率の比率によってのみ決定されます (1/4 波長システムの場合)。一方、最大反射率は、スタック内の層の数に応じてほぼ 100%まで増加します。層の厚さは通常 1/4 波長です (同じ材料から構成される非 1/4 波長システムと比較して、最も広い高反射バンドが得られます)。最も優れたコーティングは、完全に滑らかな表面に堆積した誘電損失のない材料から構築され、99.999% を超える反射率 (かなり狭い波長範囲) を達成できます。一般的な HR コーティングは、広い波長範囲 (可視スペクトル範囲で数十ナノメートル) にわたって 99.9% の反射率を達成できます。

AR コーティングと同様に、HR コーティングは光の入射角の影響を受けます。垂直入射から離れた場所で使用すると、反射範囲はより短い波長にシフトし、偏光に依存するようになります。この効果を利用して、光線を偏光するコーティングを作成できます。

反射スタックの層の正確な厚さと構成を操作することで、反射特性を特定の用途に合わせて調整でき、高反射波長領域と反射防止波長領域の両方を組み込むことができます。コーティングは、ロングパス フィルターまたはショートパス フィルター、バンドパス フィルターまたはノッチ フィルター、または特定の反射率を持つミラー (レーザーで便利) として設計できます。たとえば、一部のカメラで使用されるダイクロイック プリズムアセンブリには、2 つの誘電体コーティングが必要です。1 つは 500 nm 未満の光を反射するロング波長パス フィルター (光の青色成分を分離するため)、もう 1 つは 600 nm を超える波長の赤色光を反射するショートパス フィルターです。残りの透過光は緑色成分です。

スペクトルのEUV部分 (約 30 nm より短い波長)では、ほぼすべての材料が強く吸収するため、この波長範囲の光を焦点合わせしたり操作したりすることが困難です。 TRACEやEITなどの EUV 光で画像を形成する望遠鏡では、ガラスなどの基板に真空蒸着された、モリブデンやタングステンなどの高質量金属とシリコンなどの低質量スペーサーの何百もの交互層で構成された多層ミラーが使用されます。各層ペアは、反射する光の波長の半分に等しい厚さになるように設計されています。 各層からの散乱光間の建設的干渉により、ミラーは、可視光での通常の金属ミラーと同様に、目的の波長の EUV 光を反射します。多層光学系を使用すると、入射する EUV 光の最大 70% を反射できます (ミラーの作成時に選択した特定の波長で)。

透明導電性コーティングは、コーティングが電気を伝導したり静電気を消散させたりすることが重要な用途で使用されます。導電性コーティングは開口部を電磁干渉から保護するために使用され、消散性コーティングは静電気の蓄積を防ぐために使用されます。透明導電性コーティングは、フラットパネルディスプレイ技術や多くの光電気化学実験など、光を通過させる必要がある状況で電極を提供するためにも広く使用されています。透明導電性コーティングに使用される一般的な物質は、インジウムスズ酸化物(ITO) です。ただし、ITO は光学的にあまり透明ではありません。特にスペクトルの青色端で十分な透明性を実現するには、層を薄くする必要があります。ITO を使用すると、20 ～ 10,000オーム/平方のシート抵抗を実現できます。ITO コーティングは、透過率をさらに向上させるために反射防止コーティングと組み合わせることができます。その他の TCO (透明導電性酸化物) には、ITO よりもはるかに優れた UV 透過率を提供する AZO (アルミニウムドープ酸化亜鉛) が含まれます。特殊クラスの透明導電性コーティングは、IR 透過窓に (レーダー) ステルス (ステルス技術) 特性が求められる戦域航空軍事光学用の赤外線フィルムに適用されます。これらは RAIT (レーダー減衰/赤外線透過) として知られ、ホウ素添加 DLC (ダイヤモンド状炭素)などの材料が含まれます^[要出典]。

ルーフプリズムの多重内部反射は、フレネル菱形に似た方法で、透過光の偏光依存位相遅れを引き起こします。望ましくない干渉効果と画像のコントラストの低下を回避するには、ルーフ表面の 1 つに多層位相補正コーティングを施してこれを抑制する必要があります。誘電体位相補正プリズムコーティングは、真空チャンバー内で、おそらく 30 種類の異なる蒸着コーティング層を重ねて塗布されるため、複雑な製造プロセスとなります。

位相補正コーティングのないルーフプリズムでは、s偏光とp偏光はそれぞれ上部プリズムを通過する際に異なる幾何学的位相を獲得する。2つの偏光成分が再結合すると、s偏光とp偏光の干渉により、ルーフエッジに垂直な強度分布とルーフエッジに沿った強度分布が異なる。この効果により、ルーフエッジに垂直な画像のコントラストと解像度が低下し、ポロプリズム正立システムからの画像と比較して劣った画像が生成される。このルーフエッジ回折効果は、画像内の明るい点によって生成されるルーフエッジに垂直な回折スパイクとして見られることもある。技術光学では、このような位相はパンチャラトナム位相としても知られており、^{[4]量子物理学では同等の現象は}ベリー位相として知られている。^[5]

この効果は、屋根の頂上の不連続性からの 回折であるため、屋根の頂上に垂直な方向のエアリーディスクの伸長で確認できます。

望ましくない干渉効果は、ルーフプリズムのルーフ表面に位相補償コーティングと呼ばれる特殊な誘電体コーティングを蒸着することで抑制されます。ルーフ表面のこれらの位相補正コーティングまたはPコーティングは、 1988年にカールツァイスのアドルフ・ヴァイラウフによって開発されました^{[6]他のメーカーもすぐに追随し、それ以来、位相補正コーティングは中品質および高品質ルーフプリズム}双眼鏡で全面的に使用されています。このコーティングは、s偏光とp偏光の幾何学的位相の差を補正し、両方の位相シフトが実質的に同じになるようにして、画像劣化の干渉を防ぎます。^[7]

技術的な観点から見ると、位相補正コーティング層は実際の位相シフトを補正するのではなく、全反射によって生じる光の部分的な偏光を補正します。このような補正は常に、選択された波長と特定の入射角に対してのみ行うことができます。ただし、複数の層を重ねることで、多色光に対してルーフプリズムを近似的に補正することは可能です。^[8]このようにして、1990年代以降、ルーフプリズム双眼鏡は、以前はポロプリズムでのみ達成可能だった解像度も達成しています。^[9]位相補正コーティングの存在は、未開封の双眼鏡で2つの偏光フィルターを使用して確認できます。^[6]

ファノ共鳴光学コーティング（FROC）は、光学コーティングの新しいカテゴリです。^[10] FROCは、連続体として機能する広帯域ナノキャビティと、離散状態を表す狭帯域ファブリ・ペローナノキャビティを結合することにより、フォトニックファノ共鳴を示します。これら2つの共鳴間の干渉は、非対称のファノ共鳴線形として現れます。FROCは、他の光学コーティングを使用して再現できない光学特性を備えているため、光学コーティングの別のカテゴリと見なされています。主に、半透明のFROCは、同じ色を反射および透過するビーム分割フィルターとして機能します。これは、透過フィルター、誘電体ミラー、または半透明金属では実現できない特性です。

FROCは、高輝度と高純度の両方で広い色域にわたって色を生成できるため、優れた構造着色特性を備えています。 ^[11]さらに、入射光の角度に対する色の依存性は誘電体キャビティ材料によって制御できるため、角度に依存しない着色または角度に依存する着色を必要とするアプリケーションにFROCを適応させることができます。これには装飾目的や偽造防止対策が含まれます。

FROC はモノリシックスペクトルスプリッターと選択的太陽光吸収体の両方として使用されており、ハイブリッド太陽熱エネルギー生成に適しています。^[10]特定の波長範囲を反射するように設計でき、光電池のエネルギーバンドギャップに合わせて、残りの太陽スペクトルを吸収します。これにより、光電池の温度を下げることで、光濃度を高めてより高い光電変換効率を実現できます。温度が下がると、セルの寿命も長くなります。さらに、赤外線放射率が低いため、熱損失が最小限に抑えられ、システム全体の光熱効率が向上します。^[10]

• ヘクト、ユージン。第9章、光学、第2版。（1990年）、アディソンウェスレー。ISBN 0-201-11609  -X。
• I. Moreno 他「薄膜空間フィルタ」、Optics Letters、30、914–916 (2005)、doi :10.1364/OL.30.000914。
• C. Clark 他、「TAMD システム用 2 色 Mach 3 IR コーティング」、Proc. SPIE、vol. 4375、p. 307–314 (2001)、doi :10.1117/12.439189。

• 望遠鏡の部品と構造のリスト