レンズコーティングはなぜ反射を抑え、透過率が上がるのか?

Nikkor lens

フォトマスター検定の予想問題です。合格目指してさっそく問題です!フォトマスター検定勉強法も掲載しています。参考にして頂ければと思います。

難易度:1級レベル

問:レンズの反射を防止しフレアやゴーストを軽減するために施す反射防止コーティングに、ARコート(Anti Reflection Coating)がありますが、フッ化マグネシウム(MgF2)などを使った一般的なARコーティングなどの場合、なぜ表面反射が減り透過率が上がるのか?最も近いと思われる理由を次の中から選べ。

①コーティングによってレンズ表面の平滑性が上がり、乱反射を抑えるため
②コーティングは空気とレンズの中間の屈折率を持っており、レンズへの入射光を緩やかに曲げながら導く効果があるため
③コーティングはレンズ面とは逆位相の光の反射を起こすことで反射を打ち消すため

正解はこのあとすぐ!



■正解は③(コーティングはレンズ面とは逆位相の光の反射を起こすことで反射を打ち消すため)


反射防止コーティングがないとどうなる?

まずレンズコーティングの基本的な効果をご説明させて頂くと、レンズはコーティングをしていない状態だと反射により1面(レンズの片面)に付き4%程度透過率が落ちます。言い換えると96%程度の光が透過していきます。

1枚のレンズには裏表で2面空気との境界面があるため、1枚のレンズを透過する間に光は2回の反射を起こし、0.96 × 0.96=0.92となり、約92%が透過していきます。

これが仮に5枚のレンズを使用した写真用レンズがあるとすると、0.96^10=0.666、つまり約66.6%の光がレンズを透過していくという訳です。わずか5枚のレンズでも元の光の1/3程度が目減りしてしまうというわけです。

反射防止コーティングを行うとどのくらい反射を抑えられる?

反射防止コーティングを行うと、単層コーティングの場合で1面当たり98.5%程度、多層膜コーティングで99.5%程度まで透過率を上げることが可能です。

レンズ1面当たりの透過率 レンズ1枚(2面)当たりの透過率 レンズ5枚(10面)当たりの透過率
コーティングなし 約96.0% 約92.0% 約66.6%
単層コーティング 約98.5% 約97.0% 約86.0%
多層膜コーティング 約99.5% 約99.0% 約95.1%

レンズが増えるほどコーティングがあるかどうかの差は顕著になっていくというわけです。

 

■なぜ反射防止コーティングは反射を防げるのか?


逆位相の波長の光を当てる反射防止コーティング

レンズ表面にコーティングの薄い膜が増えると、光はコーティングの膜表面で一度反射し、コーティングを透過した光はレンズ表面でもう一度反射します。

レンズコーティングは膜の厚さが光の波長の1/4になっており、レンズ表面で反射する光と逆位相の波となるように作られています。

ヘッドホンなどで、「ノイズキャンセリング」という機能を聞かれたことがあるかと思います。ある音の波に逆位相の音の波をぶつけるとその音を消すことが出来るというもので、周囲の騒音などを消すことができます。

レンズコーティングも同じような原理を利用しており、レンズから反射する光に逆位相の光を当てると、お互いの波長が干渉することで打ち消しあい反射光が消すことが出来るのです。

つまりレンズコーティングによる反射除去は「レンズの反射に対して、逆位相であるレンズコーティングからの反射をぶつけることで互いに光を打ち消し合う」という仕組みになっています。まさに「毒をもって毒を制す」というわけです。

レンズコーティングによって反射が抑えられる仕組み

モノコートとマルチコート

また1層の単層コーティング(モノコートとも呼ばれる)では、すべての波長の反射を抑えることはできません。そのためさまざまの波長の光の反射をおさえるに、複数層のコーティングが必要になってきます。

より幅広い波長の光に対応した複数層のコーティングを施したものが多層膜コーティング(マルチコートとも呼ばれる)というわけです。この多層膜コーティングによって反射をかなりの部分軽減することが可能になります。

 

■なぜ反射する光を消すと透過する光が増えるのか?


なぜ透過率は上がるのか?

しかしここで一つ疑問が生まれます。

レンズの反射が打ち消し合うことで消えるとしても、なぜコーティングを施すことでレンズの透過率が上がるのでしょう。

打ち消し合うことでレンズからの反射が減ったとしても、その分の光は消えてしまうのなら、レンズを透過していく光の量が増える(透過率が上がる)のは不思議ではないですか?

エネルギー保存の法則

実は打ち消しあった光は消えてしまうわけではありません。光は電磁波の一種であり、エネルギーを持っています。ここで学生時代に習った「エネルギー保存の法則」が出てきます。

仮にもともとは全体で100であった光がコーティングとレンズの面の反射で打ち消し合い完全に消えてしまうとするなら、その打ち消しあったエネルギーは宇宙から消失してしまったことになります。

これはエネルギー保存の法則からありえません。反射+透過の光(エネルギー)は元どおり100にならなければなりません。

反射光を本来の方向に流す

ということは、反射光が消えるならその光(エネルギー)は消失されるのではなく反対方向、つまりレンズ方向へと流れるというわけです。そのため結果的にレンズを透過する光の量が増えるというわけですね。

簡単な考え方をするなら「反射するはずだった光が反射出来ないのでレンズ側に逆流している」というイメージを持っていただければ良いかと思います。

紆余曲折あり、こうして「反射防止コーティングによって反射率は下がり、透過率は上がる」というわけです。

 

■ナノ粒子膜コーティングの原理


選択肢②の解説

ちなみに選択肢の②は、NikonのナノクリスタルコートやCanonのSWC、SONYのナノARコーティングなどに代表されるコーティングの原理の解説ですが、問題文にある「フッ化マグネシウム(MgF2)などを使った一般的なARコーティング」とはその原理が違いますので不正解です。

革新的発想から生まれたナノ粒子膜コーティング

では次に現代の最新反射防止コーティングテクノロジー、ナノ粒子膜コーティングの原理をご説明します。

光は違う性質のものにぶつかったときに曲ります。その曲る角度は「屈折率差」で決まります。屈折率が大きく異なるほど曲がる角度は大きく、その際に強い反射が起こります。

逆に屈折率差が近いものであれば反射も小さいということになります。

ナノクリスタルコートの原理

粒子の間に空気を含んでいるナノ粒子膜は、空気と膜を構成する物質との中間的な性質を示します。

空気と混合した状態をつくることで、実際の膜の素材としての屈折率ではなく、見掛け上の屈折率を下げることができるのです。

例えばコンタクトレンズは空気中ではキラキラと反射するため目に見えますが、水中に漬けると殆ど見えなくなります。これは水とコンタクトレンズの屈折率が近いために起こる現象です。

ナノ粒子膜のコーティングもこれと同じ発想で作られており、空気とレンズの中間の屈折率を持っているため光を緩やかに曲げるために反射を抑える効果があるというわけです。

ちなみにナノ粒子膜を使用した写真用レンズのコーティングには、以下のようなものがあります(※記事執筆時)。

  • Nikon:ナノクリスタルコート
  • Canon:SWC
  • SONY:ナノARコーティング
  • OLYMPUS:Z Coating Nano
  • Panasonic:ナノサーフェスコーティング
  • RICOH:エアロ・ブライト・コーティングII

 

画像:ケータイWatch

Reported by 山﨑将方