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複数要素の光学システムでは、光伝送の複合損失によりシステム全体の効率が大幅に低下します。未処理のガラス表面は、空気と基板の間の屈折率の不一致により、表面ごとに入射光の約 4% ～ 5% を反射します。精密機器、民生用ディスプレイ、または眼科用デバイスに複数のレンズを重ねると、この反射によるペナルティは急速に増大します。その結果、深刻な信号の減衰、ゴースト、迷光、およびシステムのパフォーマンスを損なう潜在的なレーザー誘発損傷が発生します。正しいものを指定する 反射防止コーティング は厳密なエンジニアリング要件です。これは、最終的な光学アセンブリのスループット、コントラスト、および信頼性を決定します。エンジニアは、基板の材料、動作波長、および環境条件を評価して、弱め合う干渉によってこれらの反射を中和する薄膜ソリューションを選択する必要があります。この仕様を正しく行うことで、光学システムが理論上の設計限界で動作することが保証されます。
フレネル反射は、屈折率の異なる 2 つの媒体間の境界で発生します。光が空気 (屈折率 ≈ 1.0) から N-BK7 などの標準的なホウケイ酸クラウン ガラス (屈折率 ≈ 1.52) に伝わると、光波の一部が反射して戻ります。この損失はフレネル方程式を使用して計算できます。これは、空気とガラスの各界面で光の約 4.26% が失われることを示しています。 2 つの面を持つ単純な単一レンズ システムでは、光の約 8.5% が失われます。ただし、現代の光学アセンブリでは単一のレンズが使用されることはほとんどありません。
10 個の個別のレンズ要素を含む複雑な対物レンズ アセンブリを考えてみましょう。これは、20 の異なる空気とガラスのインターフェースを意味します。表面処理を行わないと、累積伝送損失は驚くべきものになります。このシステムは入射光の約 42% のみを透過し、反射によりほぼ 60% が失われます。この大幅な減少 光の透過により 、高精度の画像システムが役に立たなくなります。失われた光はただ消えるだけではありません。鏡筒内で跳ね返ります。
| レンズ要素の数 | 面の数 | 全光透過率 (%) | 反射による全光損失 (%) |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 91.6% | 8.4% |
| 3 | 6 | 77.0% | 23.0% |
| 5 | 10 | 64.7% | 35.3% |
| 10 | 20 | 41.8% | 58.2% |
前面反射と背面反射の明確な光学的危険性を分析する必要があります。前面の反射は外部のグレアの原因となります。ディスプレイやカメラ ウィンドウを設計している場合、このグレアにより画面やセンサーの視界が見えにくくなり、スループットが直接低下します。多くの場合、裏面の反射はより破壊的です。光は前面を通過し、背面に当たり、前面に向かって反射します。マルチレンズ システムでは、この光は要素間で反射し、最終的には迷光、深刻なフレア、または明確なゴースト イメージとしてセンサーに到達します。これにより、画像のコントラストが失われ、解像度が損なわれます。
許容可能な反射しきい値の定義は、アプリケーションに完全に依存します。画一的な指標を適用することはできません。標準的な商用イメージング システムの場合、エンジニアは通常、可視スペクトル (400nm ～ 700nm) にわたる表面あたりの平均反射率が 0.5% 未満であると指定します。ハイエンドのマシン ビジョン レンズでは、この要件が 0.25% 未満にまで引き下げられる可能性があります。レーザー光学機器は、より厳格な規則に従って動作します。高出力連続波 (CW) レーザー システムでは、レーザー キャビティを破壊する可能性のある壊滅的な後方反射を防ぐために、特定のレーザー波長で反射しきい値を 0.1% 未満、さらには 0.05% 未満にする必要があります。
迷光とゴースト画像を除去することは、高コントラストの解像度を達成するための難しい要件です。暗視ゴーグルや深宇宙天文センサーなどの低照度環境では、すべての光子が重要になります。表面処理の最適化によりセンサーの応答性がダイレクトに向上します。内部反射によって引き起こされる背景ノイズを抑制すると、信号対ノイズ比が向上し、システムは、まぶしさの中で失われるであろう微かなターゲットを解像できるようになります。
反射を低減する最も簡単な方法は、単層コーティングです。フッ化マグネシウム (MgF2) は、この従来のソリューションの業界標準です。 MgF2 は屈折率が低い (約 1.38) ため、空気と標準ガラスの間の優れた中間層となります。設計波長 (通常は人間の目のピーク感度である 550nm) で正確に 4 分の 1 波長の厚さの層を適用すると、相殺的な干渉が生じます。コーティングの上部で反射する光は、ガラスの境界で反射する光を打ち消します。 MgF2 の単一層により、表面反射を 4.26% から約 1.2% ～ 1.5% に下げることができます。
ただし、単層ソリューションは、1 つの特定の波長と 1 つの特定の角度でのみ完全に機能します。設計波長から離れると、反射は急速に増加します。幅広いスペクトルにわたって高性能を必要とする最新のアプリケーションのために、エンジニアは多層誘電体コーティングを指定します。これらの設計では、高屈折率材料 (二酸化チタン、TiO2、五酸化タンタル、Ta2O5 など) と低屈折率材料 (二酸化シリコン、SiO2 など) の交互層を使用します。さまざまな厚さの 4 層から 20 層以上の層を積み重ねることにより、光学エンジニアは位相シフトを正確に制御して優れたパフォーマンスを達成し、広いスペクトル帯域にわたって反射をゼロ近くまで下げることができます。
薄膜設計を指定する場合、システムの光源に基づいて狭帯域性能と広帯域性能のどちらかを選択する必要があります。
現代の防衛および産業システムの多くは、個別の分離された波長での高い伝送を必要とします。ターゲティングポッドは、日中のイメージング (400 ～ 700nm) に可視カメラと 1550nm で動作するレーザー距離計を使用する場合があります。標準的な BBAR では、パフォーマンスを損なうことなくこの大きなギャップを効果的にカバーすることはできません。エンジニアは、その間のスペクトルを無視しながら、必要な波長で特定の「透過窓」を作成するために、デュアルバンドまたはマルチバンドのコーティングを設計します。これには、透過ピークがシステムのセンサーと完全に一致することを保証するために、イオン ビーム スパッタリング (IBS) などの高精度の方法を使用して堆積された、複雑で層数の多い設計が必要です。
人間の相互作用を考慮して設計されたコーティングは、密閉型光学機器と比較して独特の要求に直面します。眼鏡レンズ、ヘッドアップ ディスプレイ (HUD)、および医療モニターには、特定の要件が必要です。 ARコーティング 技術。眼科用途では、目標は 2 つあります。1 つは、より多くの光を透過させ、着用者の背後にある光による内部の眩しさを軽減することで着用者の視力を向上させること、もう 1 つはレンズが観察者に見えないようにすることで眼鏡の外観を改善することです。ディスプレイのコーティングは、モニターのカラーバランスを変えることなく、周囲の部屋のぎらつきを軽減する必要があります。ヒューマンインターフェース光学部品は常に指紋や環境油にさらされるため、これらのコーティングには汚れ防止のための追加の最上層が組み込まれていることがよくあります。
光学コーティングは、入射角 (AOI) に非常に敏感です。薄膜の設計は、層を通過する光の光路長に基づいて計算されます。光が法線 (0 度) 以外の角度で表面に当たると、光がコーティングを通過する物理的距離が増加します。これにより位相シフトが変化し、スペクトル性能曲線全体がより短い波長にシフトします (「ブルー シフト」として知られる現象)。
0 度の AOI で 1064nm 用の V コートを設計し、レーザーが実際に 45 度で光学素子に当たる場合、最小反射点はおそらく 1030nm にシフトします。 1064nm では、反射が 2% または 3% に急増し、システムの効率が破壊される可能性があります。高度に湾曲したレンズ (急な半径) のコーティングを指定すると、AOI はレンズの中心から端まで連続的に変化します。エンジニアは、この範囲の角度に耐えられるようにコーティングを設計する必要があり、多くの場合、エッジで許容可能なパフォーマンスを維持するために、中心での絶対的なピークパフォーマンスが犠牲になります。
高出力レーザー システムでは、通常、コーティングが最も弱い部分になります。レーザー誘起損傷しきい値 (LIDT) は、致命的な物理的破損 (溶融、アブレーション、または層間剥離) が発生する前にコーティングが耐えることができる最大光出力密度を定義します。 LIDT の評価は非常に必要です。
LIDT を最大化するには、高純度の材料と低い欠陥密度を使用したコーティングを指定する必要があります。蒸着中にコーティング内に捕捉された微細な塵粒子でさえも吸収中心として作用し、レーザー損傷を引き起こす可能性があります。
コンピューター上で完璧な理論的設計を達成するのは簡単です。何千もの部品にわたって一貫して製造することは困難です。バッチ間の再現性は、選択した薄膜堆積技術に大きく依存します。
電子ビーム物理蒸着 (EBPVD) は一般的でコスト効率が高いですが、水分を吸収してスペクトル性能が変化する可能性のある多孔質コーティングを生成します。イオンアシスト蒸着 (IAD) は、成長中に層を圧縮し、より高密度で安定したコーティングを作成します。マグネトロン スパッタリングとイオン ビーム スパッタリング (IBS) は、最高の密度で欠陥の少ないコーティングを極めて高い精度で生成しますが、コストが大幅に高く、サイクル タイムが長くなります。大量生産では非常に厳しいスペクトル許容値（たとえば、R < 0.05%）が要求されるため、メーカーはより低速でより高価な堆積方法を使用する必要があります。エンジニアは、プロジェクトの予算とリードタイムの制約に対して、必要な光学性能のバランスを取る必要があります。
産業用および軍事用の光学機器はクリーンルームでは動作しません。吹き付ける砂、塩水噴霧、極度の湿気、乱暴な取り扱いに直面します。を保証するには、厳格な業界標準に対するテストが必要です。 光学コーティングは 展開に耐えます。最も一般的な規格には、MIL-C-675、MIL-PRF-13830B、ISO 9211 などがあります。
最高の光学性能の達成と物理的耐久性の維持の間には、本質的にトレードオフがあります。特定の設計に最適な屈折率を提供する材料は、物理的に柔らかいか、湿気を吸収しやすい可能性があります。多くの場合、エンジニアは摩耗要件を満たすために保護キャッピング層 (硬質 SiO2 の薄層など) を追加する必要がありますが、これにより光学性能がわずかに変化します。
| 試験タイプ | 標準参照 | 試験方法 | 合否基準 |
|---|---|---|---|
| 密着性（テープテスト） | MIL-C-675C | セロハンテープをコーティングに貼り、通常の角度で急速に引っ張ります。 | 基材からのコーティング材料の目に見える除去はありません。 |
| 中程度の摩耗 | MIL-C-675C | 標準寒冷紗パッドを使用して、1 ポンドの力でコーティングを 50 ストロークこすります。 | 目に見える劣化、傷、コーティングの剥がれはありません。 |
| ひどい磨耗 | MIL-C-675C | 標準の消しゴムを使用して、2 ～ 2.5 ポンドの力でコーティングを 20 ストロークこすります。 | 目に見える劣化やコーティングの剥がれはありません。 |
| 湿度 | MIL-C-675C | 120°F (49°C)、相対湿度 95 ～ 100% の環境に 24 時間放置します。 | 剥離、剥離、ひび割れ、または水膨れの形跡はありません。 |
| 塩の溶解度 | MIL-C-675C | 塩水溶液に24時間浸します。 | コーティングの除去や劣化の形跡はありません。 |
航空宇宙、高真空、極低温環境で使用される光学機器は、極端な熱サイクルに直面します。室温で設計されたコーティングは、-40°C または +85°C では機能しなくなる可能性があります。温度が変化すると、コーティング層の物理的な厚さが膨張または収縮し、材料の屈折率がわずかに変化します。これにより、スペクトル性能曲線がドリフトします。エンジニアは、この熱シフトをモデル化し、動作温度範囲全体にわたって必要な透過窓が目標波長を維持できるようにコーティングを設計する必要があります。
真空環境 (衛星や半導体製造装置など) では、ガスの放出は重大な故障モードです。コーティングが多孔質である場合 (標準的な EBPVD によって生成されるものなど)、空気中の水蒸気を吸収します。真空中に置かれると、この水蒸気がガスを放出し、システム内の他の敏感なコンポーネントに結露して損傷する可能性があります。真空アプリケーションでは、ガス放出のリスクを排除するために、IBS やスパッタリングなどの高密度で非多孔質の堆積方法が必要です。
ガラス基板に薄膜を塗布すると、機械的応力が生じます。コーティング材料とガラス基板の熱膨張係数 (CTE) は異なります。コーティングされた光学部品が蒸着後に冷えるとき、または現場で熱サイクルを受けるとき、これらの異なる膨張率により境界層に大きなせん断力が発生します。
応力が高すぎると、コーティングが破損します。圧縮応力により、コーティングが座屈し、層間剥離（剥がれ）が発生します。引張応力により、コーティングにひび割れが発生します（微細な亀裂のネットワークが発達します）。さらに、薄い基板に高応力コーティングを適用すると、ガラスが物理的に歪み、表面形状が損なわれ、光学収差が発生する可能性があります。コーティング材料を特定の基材指数 (例: 溶融シリカ、N-BK7、サファイア) に厳密に適合させることが必須です。エンジニアは、応力補償層を利用して正味ゼロ応力状態を達成し、多層スタック内の圧縮層と引張層のバランスをとることで応力を軽減します。
最も耐久性のあるものでも 反射防止 層は、不適切な取り扱い、環境汚染物質、または強力な洗浄溶剤によって劣化する可能性があります。指紋は油分や酸を残し、時間の経過とともに柔らかいコーティング材料をエッチングする可能性があります。最初に適切に吹き飛ばさないと、掃除中にほこりの粒子が表面に傷を付ける可能性があります。
これらの脆弱性を軽減するために、エンジニアは疎水性 (撥水性) および疎油性 (撥油性) トップコートの追加を指定しています。これらの極薄層 (多くの場合、厚さはわずか数ナノメートル) は、光学部品の表面エネルギーを減少させます。これにより、水や油が広がらずに玉状になり、光学部品の掃除が大幅に容易になり、汚れがつきにくくなり、埃がたまりにくくなります。帯電防止トップコートは、空気中の塵粒子を引き寄せる電荷が光学素子に蓄積するのを防ぐためにも使用されます。
反射防止コーティングは、高精度光学システムの実行可能性、コントラスト、光透過率を決定付ける、高度に設計された統合コンポーネントです。後付けでレンズに貼り付けられるような一般的な商品ではありません。薄膜干渉の物理学では、最終アセンブリが性能要件を満たしていることを確認するために、材料、蒸着技術、および環境テストの正確なマッチングが必要です。
A: AR コーティングは、特に破壊的な干渉を使用して表面反射を最小限に抑え、光透過を最大限に高めます。標準的な光学コーティングには、高反射ミラー、ビーム スプリッター、または特定の光帯域を遮断し、他の光帯域を通過させる特定の波長フィルターなど、幅広い機能が含まれています。
A: コーティングは、反射光波に位相シフトを生み出す薄膜層で構成されています。これらの層の厚さを正確に制御することにより、位相のずれた反射波が弱め合う干渉によって互いに打ち消し合い、光エネルギーが反射せずに基板を通過するようになります。
A: AR コーティングは多くの材料に適用できますが、特定の薄膜設計は基板の屈折率と熱膨張係数に適合する必要があります。適合しない基材に一般的なコーティングを適用すると、光学性能が低下し、機械的ストレスが大きくなり、最終的には層間剥離が発生します。
A: AOI を変更すると、光がコーティング層を通過する物理的な距離が変わります。これにより、弱め合う干渉が発生する実効波長がシフトし、スペクトル曲線に「ブルーシフト」が発生し、コーティングがその特定の角度に合わせて設計されていない場合、潜在的に性能が低下する可能性があります。
A: V コートは、特定の波長でほぼゼロの反射を実現するように設計された狭帯域コーティングです。広帯域コーティングはレーザーエネルギーを吸収する可能性のある不要な層を導入するため、最大透過率と高いレーザー損傷閾値が重要な単一波長レーザー用途に適しています。
A: 前面コーティングは主に外部のグレアを軽減し、システムへの全体的な光のスループットを高めます。裏面コーティングは、すでにシステムに入った光が前面に向かって跳ね返るのを防ぎ、内部のゴーストイメージや深刻なフレアを排除するために非常に重要です。
A: AR コーティングは内部反射と迷光を排除することで、意図した結像光のみがセンサーに到達するようにします。これにより、コントラストが最大化され、背景ノイズが低減され、低照度条件下での微弱な信号がイメージング システムによって明確に分解されるようになります。
