ダイクロイックミラー（ギリシャ語のdikhroos、「2色の」に由来）は、デュアルバンドミラー、ダイクロイックビームスプリッター、または薄膜フィルターとも呼ばれ、特定の波長範囲の光を選択的に反射し、その他の波長を透過する光学部品です。
可視光全域を反射する一般的な金属ミラーや、不要な波長を吸収して光をフィルタリングする吸収型色ガラスとは異なり、ダイクロイックミラーは薄膜光学干渉の原理を利用して機能します。これにより、吸収を無視できるほど低く抑えながら極めて高い反射率と透過率を実現でき、高出力レーザー用途や精密光学システムに適しています。
動作原理
ダイクロイックミラーの動作は、光の強め合いと弱め合いの干渉を利用しています。このミラーには金属ではなく、透明な誘電体材料の微細な多層膜がコーティングされています。
光干渉
光が屈折率の異なる2つの材料の境界に入射すると、光の一部が反射され、残りが透過します。屈折率が交互に異なる複数の層を積層することで、ミラーは次のように機能するよう設計されます。
- 反射波長： 対象色の光波は境界面で「同位相」に揃い、建設的干渉が生じることで、ほぼ100%の効率で光が反射されます。
- 透過波長: その他の波長は反射方向で弱め合うように干渉し、反射が打ち消されて光が基板を透過します。
入射角（AOI）
ダイクロイックミラーは角度依存性があります。分光特性、つまり反射または透過する特定の色は、光が表面に当たる角度によってシフトします。標準的なダイクロイックミラーの多くは、入射角（AOI）45°向けに設計されており、光路に対してビームを90°偏向できます。
構造と材料
ダイクロイックミラーは、基板と誘電体コーティングの積層という2つの主要な光学要素で構成されています。
基板
基板はフィルターの機械的構造を形成します。散乱と波面歪みを最小限に抑えるため、光学的に平坦で透過率が高い必要があります。一般的な材料は次のとおりです。
- 光学ガラス（BK7）：可視光用途の標準材料。
- 溶融シリカ（UVグレード）: 熱膨張係数が低く（耐熱性が高い）、自家蛍光も少ないため、蛍光顕微鏡や高出力レーザーに適しています。
誘電体薄膜コーティング
機能的な「ミラー」表面は、真空蒸着またはイオンビームスパッタリングによって成膜された、数十層（場合によっては数百層）の誘電体交互層で構成されています。
- 高屈折率層: 二酸化チタン（TiO2）、五酸化タンタル（Ta2O5）。
- 低屈折率層：二酸化ケイ素（SiO2）、フッ化マグネシウム（MgF2）。
各層の厚さは通常、対象波長の4分の1（λ/4）になるよう制御されます。これは一般に四分の一波長スタックと呼ばれます。
種類と用語
ダイクロイックミラーは、スペクトルの分割方法によって分類されることがよくあります。
- ロングパスフィルター： カットオフ点より長い波長を透過し、短い波長を反射します。（例：赤色光を透過し、青色光を反射します。）
- ショートパスフィルター： カットオフ点より短い波長を透過し、長い波長を反射します。（例：青色を透過し、赤色を反射。）
- ホットミラー：可視光を透過しながら赤外線（熱）を反射します。熱の蓄積から部品を保護するため、投影システムで使用されます。
- コールドミラー： 可視光を反射し、赤外線（熱）を透過します。患者を熱することなく明るく照明するため、医療用および歯科用照明に使用されます。
用途
蛍光顕微鏡法
バイオイメージングでは、ダイクロイックミラー（多くの場合「フィルターキューブ」に収納されています）が、励起光と蛍光を分離する重要な部品です。
- 高エネルギーの励起光（例: 青色）を試料に向けて下方へ反射します。
- 試料から戻ってくる、より低エネルギーの蛍光発光（例: 緑色）を接眼レンズまたはカメラまで透過させます。
- この分離により、微弱な蛍光が強い励起光源に埋もれるのを防ぎます。
3LCDプロジェクター
高品質のプロジェクターでは、一連のダイクロイックミラーを使用して白色光源を赤、緑、青（RGB）の成分に分離します。
- 一方のミラーは赤色光を反射し、青色光／緑色光を透過します。
- 2枚目のミラーは緑色光を反射し、青色光を透過します。
- 分離された各光束は専用のLCDパネルを通過した後、プリズムで再合成され、フルカラー画像を投影します。
レーザー高調波の分離
レーザー物理学では、ダイクロイックミラーを使用してレーザーの高調波を分離します。例えば、Nd:YAG レーザーシステムでは、ダイクロイックミラーによって赤外基本波ビーム（1064 nm）と周波数倍増された緑色ビーム（532 nm）を分離できます。
