反射防止コーティングのしくみ｜屈折率と多層膜の基本

解説：それは表面で反射した光です。ガラスは透明ですが、光がすべて通り抜けるわけではありません。空気からガラスに入る瞬間、屈折率が変わる境界面で、光の一部がはね返されます。屈折率は、光がその物質の中でどれだけ速度を落とすかを表す数値で、空気はほぼ1.00、一般的な光学ガラスはおよそ1.5前後です。

解説：キヤノンの技術解説では、レンズの表面反射によって約4%の光が失われるとされています。1枚のレンズには表と裏の2つの面があるので、1枚を通過するだけで光量はおよそ8%減ります。カメラレンズのように5枚から10枚のレンズを組み合わせた光学系では、コーティングをしていなければ透過率は半分以下まで落ち込みます。

解説：はい。垂直に光が入る場合の反射率は、境界の両側の屈折率だけで決まります。京都産業大学の光学講義資料では、垂直入射のときの振幅反射率を rs = (n1 − n2)/(n1 + n2) と表し、強度としての反射率はこの絶対値を2乗すれば求まる、と説明されています。n1が入射側（空気）、n2が出ていく側（ガラス）の屈折率です。ニコンの技術解説でも、光の干渉現象を利用して、膜に用いる材料の屈折率と厚さを設計することで反射を減らす、という考え方が示されています。

解説：塗る、というより「もう一つ反射面を足す」というのが近い表現です。ガラスの上に、屈折率も厚さも決まった薄い膜を1層のせると、反射する場所が2か所になります。1つは空気と膜の境界、もう1つは膜とガラスの境界です。この2つの反射光の位相をずらして重ねると、山と谷が打ち消し合って、反射光そのものが弱まります。

解説：PVEducationの解説では、膜の中を進む光の波長が、入ってくる光の波長のちょうど4分の1になるように膜厚を選ぶ、とされています。式で書くと d1 = λ0 / (4n1) です。λ0が空気中での波長、n1が膜の屈折率です。この厚さのとき、2つの反射光がちょうど逆位相になり、打ち消し合う量が最大になります。同じ解説では、これらの反射光が互いに打ち消し合い、反射エネルギーが正味ゼロになる、とも述べられています。

解説：そのとおりです。膜の屈折率が両側の媒質（空気とガラスなど）の屈折率の幾何平均になっているとき、反射がさらに小さくなるとされています。式にすると n1 = √(n0・n2) です。この条件と、先ほどの4分の1波長の厚さの条件が両方そろうと、2つの反射光の振幅までほぼ等しくなり、打ち消し合いがもっとも深くなります。

解説：実際に使われている膜の材料でもっとも標準的なのが、フッ化マグネシウム（MgF2）で、屈折率はおよそ1.38です。島津製作所の解説によると、屈折率1.46の石英ガラスの上に、このMgF2を4分の1波長の厚さ（波長550ナノメートルの場合）でコーティングすると、その波長での反射率は1.79%まで下がるとされています。無コーティングの約4%と比べると半分以下ですが、ゼロにはなっていません。

解説：そこがこの技術のおもしろいところです。石英ガラス（屈折率1.46）に対する理想の膜の屈折率は √(1×1.46) で、およそ1.21です。ところがMgF2の屈折率は1.38なので、理想値より高く、条件がぴったり合っていません。だから反射はゼロにならず、1.79%残ります。一方で同じ解説では、屈折率1.79のサファイアにMgF2をコーティングした場合、ほぼ0%まで反射率を下げられるとも述べられています。

解説：サファイアに対する理想の屈折率は √(1×1.79) で、およそ1.34です。MgF2の1.38はこれにかなり近いので、幾何平均の条件にほぼ合致します。同じMgF2という材料でも、下にあるガラスの種類によって、反射をどこまで減らせるかが変わるということです。

解説：できます。それが多層膜です。ニコンの技術解説では、カメラのように可視光の広い波長帯域を扱う場合、各波長で反射を防げるように、屈折率の異なる材料による多層膜を設計する、と説明されています。屈折率の高い膜と低い膜を交互に重ねることで、干渉が起きる場所を増やし、単層膜よりも広い波長範囲で反射を抑えられるようにする考え方です。

解説：島津製作所の解説によれば、コーティングを数層にすることで、石英ガラスのような基材でも、単一の波長に限れば反射率をほぼ0%にできるとされています。さらに層数を増やすことで、複数の波長、あるいは可視光全体のような広い帯域でも、反射率をほぼ0%に近づける設計が可能になるとも述べられています。

解説：層の数は「頑丈にするため」ではなく、「打ち消し合いをそろえたい波長の数を増やすため」に増えていきます。設計する側は、各層の屈折率・厚さの組み合わせを、対象にする波長域や入射角の範囲に合わせて計算で決めていきます。この仕組みが、実際のカメラレンズではどれくらいの差を生んでいるのか、次で見てみましょう。

解説：先ほど触れたとおり、無コーティングのレンズ1面ではおよそ4%の光が反射で失われます。キヤノンの技術解説では、5枚から10枚ものレンズを組み合わせた一般的なカメラレンズでは、コーティングなしだと全体の透過率が半分以下まで落ち込むとされています。レンズを通るたびに反射で少しずつ光が減っていくので、枚数が増えるほど影響が大きくなります。

解説：同じ解説によれば、多層膜コーティングを施したキヤノンの高級レンズでは、紫外線から近赤外線までの広い波長域にわたって、99.9%もの光透過率を実現しているとされています。さらに、同社が開発したSWC（Subwavelength Structure Coating）という技術では、反射光の発生をおよそ0.05%にまで抑えられるとも説明されています。

解説：関係します。反射で失われた光の一部は、レンズの中で迷光となり、ゴーストやフレアといった、写真に写り込む余計な光の原因にもなります。反射防止コーティングは、単に光を通しやすくするだけでなく、写りの質そのものにも関わる技術です。

解説：カメラのレンズや眼鏡だけでなく、太陽電池のパネル表面、ディスプレイの保護ガラス、スマートフォンのカメラモジュールなど、光を効率よく通したい場所には広く使われています。屈折率の差を計算し、膜厚を波長の4分の1に合わせるという基本の考え方は、どの用途でも共通しています。

解説：そのとおりです。屈折率の差が反射を生み、膜厚と屈折率をそろえることでその反射同士を打ち消す。この基本の考え方の上に、単層膜から多層膜へと、対応できる波長や角度の範囲を広げる工夫が積み重ねられてきました。Corporation NWは2006年に設立し、2018年から光学分野の事業を行っており、ゴースト抑制のコーティングGLC（屈折率フリー設計、Nd 1.15〜1.60）を取り扱っています。反射防止・ゴースト抑制まわりの部材に関心のある方は、製品・サービスのページもご覧ください。