光学コーティング

光の盗賊たち

1610 年にガリレオが最初の望遠鏡を発明して以来、光学ユーザーを悩ませてきたのは吸収と反射であり、観察者の目に届く使用可能な光の量が大幅に減少します。各光学要素 (個々のレンズ、プリズム、またはミラー) は、それを通過する光の一部を必然的に吸収します。しかし、はるかに重要なのは、光のわずかな割合が空気とガラスの各表面から反射されるという事実です。コーティングされていない光学部品の場合、この「反射損失」は表面ごとに 4% ～ 6% の間で変化しますが、最新の光学機器にはそのような表面が 10 ～ 16 個あることを理解するまでは、これはそれほど悪いことではないようです。最終的には 50% もの光の損失が生じる可能性があり、これは低光量条件下では特に問題となります。

しかし、より深刻なのは、反射光が単に消えるわけではなく、暗い画像が残るという事実です。代わりに、光は機器内で表面から表面へと跳ね返り続け、これらの 2 回目、3 回目、4 回目の反射からの光の一部は、最終的に機器の射出瞳を通って出てきて、観察者の目に入ります。このような散乱光は「フレア」と呼ばれ、「光学系を透過する集光または拡散した非結像光」と定義されます。その結果、ベールに覆われたぎらつきや曇りが生じ、画像の詳細が不明瞭になり、コントラストが低下します。極端な場合には、ゴーストイメージが発生することもあります。極端な例としては、明るい太陽光が上部から器具の対物レンズに差し込んでいる、低い尾根の日陰でグラスゲームをしようとしている場合が考えられます。 (光学装置の有無にかかわらず、目に深刻な損傷を引き起こす可能性があるため、太陽を直接見ないでください。)

単層反射防止コーティング

反射光損失の問題に対する待望の解決策は、カールツァイスのエンジニアであるアレクサンダースマクラが「ツァイス無反射レンズコーティングシステム」（現在は反射防止コーティングまたは AR コーティングと呼ばれています）を開発し、特許を取得した 1930 年代半ばに実現されました。「光学科学における今世紀で最も重要な発展」として歓迎されました。その後間もなく、第二次世界大戦の軍事的必要性によりコーティングの開発が加速され、連合国軍と枢軸国軍の両方で野眼鏡 (双眼鏡) から爆撃照準器に至るまでの光学機器に使用されました。

AR コーティングの背後にある理論 (以下の図を参照) は、非常に複雑な科学的概念です。応用では、分子衝突によってきれいなガラス表面に蒸着された、通常は光の波長の 4 分の 1 (約 600 万分の 1 インチ) の厚さのフッ化マグネシウム MgF2 からなる透明なフィルムで構成されます。真空チャンバー内でこのような微細な薄膜を塗布する方法の開発は、大きな技術的勝利でした。この単層反射防止コーティングは、反射光の損失をコーティングなしの表面の 4 ～ 6 ％からコーティングされた表面の約 1.5 ～ 2 ％に低減し、完全にコーティングされた機器の全体の光透過率を約 70 パーセント増加させます。それに伴う画像劣化の原因となるフレアの低減を考慮すると、顕著な改善でした。

多層反射防止コーティング

現在でも広く使用されている単層コーティングの主な欠点は、コーティングの厚さが波長の 4 分の 1 に等しい光の特定の波長 (色) に対してのみ完全に機能することです。この欠陥は最終的に、広範囲の波長にわたって反射光損失を効率的に低減できる多層広帯域コーティングの開発につながりました。現在の最高の多層コーティングは、空気とガラスの各表面での反射光損失を 1% の 20 分の 2 に抑えることができます。

私が多層コーティングに出会ったのは、ペンタックスがカメラのレンズに「スーパーマルチコーティング」を使い始めた 1971 年でした。これにより、明るい逆光の被写体を撮影する際のフレアやゴースト画像がほぼ除去されました。スポーツ光学メーカーは時流に乗り出すのが少し遅れ、カールツァイスが「T*」マルチコーティングを導入したのは 1979 年になってからでした。これにより、ツァイス双眼鏡の光透過率が 90% をわずかに超えるまで向上し、同時に画像のコントラストも向上しました。最初の単層コーティングから今日の多層ブロードバンドコーティングに至るまでにこれほど長い時間がかかった理由は、後者が同じ科学原理に基づいているにもかかわらず、さまざまなフッ化物、酸化物、二酸化物、ご想像のとおり、コンピューターは、このようなコーティングの配合と塗布において主要な役割を果たします。

全体的な光透過率はわずかに改善し続けていますが、私が現在知っている最高レベルは双眼鏡で約 92 パーセント、ライフルスコープで 95 パーセントであり、このような機器の平均をはるかに上回っています。ライフルスコープの光透過率が双眼鏡よりわずかに優れている主な理由は、ライフルスコープが像の正立に複雑なプリズムではなく単純なエレクターレンズを使用しているためです。

同様に、ポロプリズム双眼鏡は、同様の光学品質のダハプリズム双眼鏡よりも光透過率が優れている傾向があります。注目すべき例外は、広く使用されているペカン型ダハプリズムの代わりにアッベケーニヒダハプリズムを使用するカールツァイス双眼鏡です。このダハプリズムは片面が鏡面 (通常はアルミめっきまたは銀めっき) されており、内部で利用できる光の 4 ～ 6 パーセントが失われます。反射。 (「全内部反射」と呼ばれるプロセスでは、ポロプリズムとアッベケーニッヒダハプリズムは、コーティングを施さずに、すべての内部表面で 100% の反射を実現します。) ペチャンプリズムの問題に対する一部の大手メーカーのソリューションは、特別なマルチプリズムです。鏡面で 99.5% の反射率を実現する反射コーティングを重ねます。

ここで注意しなければならないのは、光透過率をさらに数パーセント高めることを追求しすぎてはいけないということです。たとえば、高性能光学機器の光透過率の 5% の増加は、.300 マグナムライフルの初速の 150 fps 増加にほぼ等しいと考えてください。違いに気づくことは決してないでしょう。

スポーツ光学分野で 100% の光透過率が達成されることはあるのでしょうか? 「決して」とは決して言うべきではありませんが、物理法則を変更することを除けば、答えはほぼ確実に「ノー」です。

コーティングの色

AR コーティングの品質は、表面から反射される光の色によって決まると多くの人が考えています。おそらくですが、それを確実に行うにはかなりの専門知識が必要です。見られる色は、無色のコーティング材料自体の色ではなく、コーティングの効果が最も低い光の波長の反射色または反射色の組み合わせです。たとえば、赤と青の波長で最も効果的なコーティングは緑の反射を生成します。逆に、コーティングが緑色の波長で最も効果的である場合、反射はマゼンタなど、赤と青の組み合わせになります。フッ化マグネシウムの単層コーティングからの反射は、通常、淡い青から濃い紫までの範囲にあります。最新の多層コーティングから反射する色は虹のほぼすべての色であり、システム全体のさまざまな光学面にさまざまな色が表示されますが、明るい白 (無色) の反射は通常、コーティングされていない表面を示します。

非科学的ではありますが、AR コーティングを評価するための次のDIYテストは教育的で有益です。必要な唯一のツールは、小さな懐中電灯、または懐中電灯がない場合はオーバーヘッドライトです。コツは、光を機器の対物レンズに当て、ビームに沿って見ると、機器内のさまざまな空気とガラスの表面で反射する光の画像が見えるようにすることです。 (注: 反射はレンズとプリズムの手前側と奥側の両方から起こります。) さて、色に関する上記の情報に基づいて、使用されているコーティングの種類、そしてより重要なことに、コーティングが施されているかどうかについてある程度のアイデアが得られるでしょう。表面はコーティングされていません。

他の種類のコーティング

他のタイプの光学コーティングについて詳しく説明するスペースが不足しているため、以下に簡単な概要を示します。

位相補正 (P) コーティング:カールツァイス (他に誰が?) によって開発され、1988 年に「P コーティング」として導入された位相補正コーティングは、ダハプリズム機器では反射防止コーティングに次いで 2 番目に重要です。問題は (ポロプリズムには存在しません)、反対側のルーフ表面で反射する光波が楕円偏光になり、互いに位相が 1/2 波長ずれることです。これにより、破壊的な干渉が発生し、画質が低下します。 P コーティングは、破壊的な位相シフトを排除することで問題を修正します。

反射コーティング:これらの鏡のようなコーティングは、多くの場合、建設的な干渉によってその効果が発揮されますが、スポーツ用光学機器で思っているよりも頻繁に使用されています。例としては、ほとんどのレーザー距離計とビームスプリッターを使用する少数のライフルスコープが挙げられます。波長固有のコーティングがドットの像を射手の目に反射するために使用されるレッドドット照準器。そして、前述したように、ダハプリズムではペカンプリズムを備えた機器が使用されます。

疎水性 (撥水性) コーティング:撥水コーティングの原型は、水をはじいて外部の曇りを防ぐブッシュネルのレインガードコーティングです。私は、スコープの接眼レンズに不用意に息を吹きかけるとターゲットの視界が見えにくくなる寒冷地で、レインガードコーティングを徹底的にテストしました。その結果、対物レンズと接眼レンズの両方に故意に息を吹きかけてレンズを曇らせたり、霜を付けたりした場合でも、射撃するのに十分なターゲットが見えることがわかりました。

耐摩耗性コーティング:一部の反射防止コーティングの永続的な欠点は、コーティングが柔らかく、したがって傷がつきやすいことです。ありがたいことに、今日の「強靭な」コーティングは、まだ広く使用されているわけではありませんが、眼鏡からライフル銃に至るまで、屋外用光学機器の耐久性を大幅に向上させています。私がテストした中で最も丈夫なコーティングは、Burris の Black Diamond 30 mm チタンライフルスコープの T メッキ外部レンズ表面です。かみそりのような鋭いポケットナイフの刃を使っても、傷をつけることはできませんでした。後者は推奨されません。

コーティングの指定

次の用語は、光学機器メーカーが AR コーティングによって機器がどの程度保護されているかを説明するためによく使用されます。

コーティングされた光学部品 (C) は、1 つまたは複数のレンズの 1 つまたは複数の表面がコーティングされていることを意味します。

完全にコーティングされた (FC) とは、すべての空気とガラスの表面に少なくとも 1 層の反射防止コーティングが施されていることを意味します。これは良好です。

マルチコート (MC) とは、1 つまたは複数のレンズの 1 つまたは複数の表面に 2 つ以上の層からなる AR コーティングが施されていることを意味します。評判の良いメーカーが使用する場合、この指定は通常、レンズの外側表面の一方または両方がマルチコーティングされていて、内側表面がおそらく単層コーティングであることを意味します。

完全マルチコート (FMC) とは、すべての空気とガラスの表面に多層反射防止コーティングが施されていることが最適であることを意味します。

残念ながら、特定のタイプの AR コーティングがすべて同じように作られているわけではなく、一部は偽物である可能性もあります。見た目は美しいですが、私はいわゆる「ルビー」コーティングの価値については非常に懐疑的です。このコーティングはまばゆいばかりの赤い光を反射し、見たものを恐ろしい緑色に見せます。カールツァイス、ライカ、ニコン、スワロフスキーなどの大手メーカーがルビーやその他の風変わりなコーティングを使い始めたら、私はそれらを信じるようになります。粗悪な偽物のコーティングに対する防御の第一線は、誠実で実績のあるメーカーから購入することです。それは、最高の企業であっても独自のコーティングを誇大宣伝することを超えていると言っているわけではありません。たいてい、夢中になるのは広告担当者だ。