阅读说明：本技术 光学元件以及投影透镜 (Optical element and projection lens ) 是由 中野喜博 高原浩滋 寺本美雪 于 2018-03-09 设计创作，主要内容包括：光学元件在光学元件基板上具有防反射膜。防反射膜具有从空气侧起依次交替地层叠八层以上的由SiO<Sub>2</Sub>构成的低折射率膜和由TiO<Sub>2</Sub>、Nb<Sub>2</Sub>O<Sub>5</Sub>或者Ta<Sub>2</Sub>O<Sub>5</Sub>构成的一种以上的高折射率膜而成的构造。在防反射膜中,若将设计主波长设为550nm,则从空气侧起数而得的第一层～第六层的1/4波长光学膜厚为：在第一层的低折射率膜中为0.94±0.05,在第二层的高折射率膜中为1.29±0.25,在第三层的低折射率膜中为0.08±0.05,在第四层的高折射率膜中为0.45±0.20,在第五层的低折射率膜中为2.05±0.20,在第六层的高折射率膜中为0.45±0.20。(The optical element has an antireflection film on an optical element substrate. The antireflection film has eight or more layers of SiO alternately laminated in this order from the air side 2 Low refractive index film composed of TiO 2 、Nb 2 O 5 Or Ta 2 O 5 And one or more high refractive index films. In the antireflection film, when the design dominant wavelength is 550nm, the 1/4-wavelength optical film thicknesses of the first to sixth layers counted from the air side are: 0.94 + -0.05 in the low refractive index film of the first layer, 1.29 + -0.25 in the high refractive index film of the second layer, and0.08 + -0.05 in the low refractive index film of the third layer, 0.45 + -0.20 in the high refractive index film of the fourth layer, 2.05 + -0.20 in the low refractive index film of the fifth layer, and 0.45 + -0.20 in the high refractive index film of the sixth layer.)

光学元件以及投影透镜

技术领域

本发明涉及光学元件以及投影透镜，更详细而言，涉及具有防反射膜的光学元件、和具备该光学元件的投影仪用投影透镜。

背景技术

伴随着投影仪用的投影透镜的高精度化，作为投影透镜用的透镜材料，使用各种折射率且较低色散的光学玻璃或较高色散的光学玻璃。然而，在各光学玻璃制造商提供的产品中，若利用以往的防反射膜的制造方法进行加热，则玻璃内部的光的吸收损失增加。例如，在HOYA公司提供的FD225、OHARA公司提供的S－NPH1W这样的光学玻璃中，若通过以往的制造方法的300℃加热来实施涂布，则在波长430nm下产生约1.5％的光的吸收损失的增加。因此，若1万流明以上的大光量的光透过光学玻璃，则即使是微量的吸收率也产生发热，起因于此的光学玻璃的折射率变化会给投影性能带来影响。

为了避免玻璃基板内部的光的吸收损失的增加，需要以低温条件实施涂布。因此，从强度等可靠性的方面来看，不能使用以往经常使用的MgF₂。因此，需要不使用MgF₂的防反射膜。作为不使用MgF₂的防反射膜，例如列举专利文献1所记载的防反射膜。专利文献1所记载的防反射膜通过Nb₂O₅等高折射率膜和由SiO₂构成的低折射率膜的十三层交替层构成，可见光波长带域中的反射率被抑制在3％以下。

专利文献1：日本特开2010－217445号公报

然而，在专利文献1所记载的具有防反射膜的光学元件中，膜层数较多反而防反射性能较低，另外，不能在整个可见光波长带域中获得稳定的防反射性能。

发明内容

本发明是鉴于这样的状况而完成的，其目的在于提供具有即使膜层数较少，防反射性能也较高，并且在整个可见光波长带域中防反射性能稳定的防反射膜，并且光学元件基板内部的光的吸收损失较小的光学元件、和具备该光学元件的投影透镜。

为了实现上述目的，本发明的光学元件是在光学元件基板上具有防反射膜的光学元件，其特征在于，

上述防反射膜具有从空气侧起依次交替地层叠八层以上的由SiO₂构成的低折射率膜和由TiO₂、Nb₂O₅或者Ta₂O₅构成的一种以上的高折射率膜而成的构造，

在上述防反射膜中，若将设计主波长设为550nm，则从空气侧起数而得的第一层～第六层的1/4波长光学膜厚为：

在第一层的低折射率膜中为0.94±0.05，

在第二层的高折射率膜中为1.29±0.25，

在第三层的低折射率膜中为0.08±0.05，

在第四层的高折射率膜中为0.45±0.20，

在第五层的低折射率膜中为2.05±0.20，

在第六层的高折射率膜中为0.45±0.20。

本发明的投影仪用投影透镜的特征在于，具有本发明的光学元件作为透镜元件。

根据本发明，层叠成八层以上的防反射膜在第一层～第六层具有特征性的膜结构，所以即使是较少的膜层数，也能够获得较高的防反射性能，并且在整个可见光波长带域中能够获得稳定的防反射性能。例如，能够在由十层构成的防反射膜中实现反射率0.2％以下的防反射性能。另外，由于由能在低温条件下进行涂布的材料构成防反射膜，所以能够减小光学元件基板内部的光的吸收损失，并且由于能够使用各种折射率的光学元件基板，所以能够获得高的通用性。因此，能够实现具有即使膜层数较少，防反射性能也较高，并且在整个可见光波长带域中防反射性能稳定的防反射膜，并且光学元件基板内部的光的吸收损失较小的光学元件、和具备该光学元件的投影透镜。

附图说明

图1是示意性地表示具有防反射膜的光学元件的一个实施方式的剖视图。

图2是表示具有图1的光学元件作为透镜元件的投影透镜的一个实施方式的光学构成图。

图3是用分光反射率表示实施例1的防反射特性的图表。

图4是用分光反射率表示实施例2的防反射特性的图表。

图5是用分光反射率表示实施例3的防反射特性的图表。

图6是用分光反射率表示实施例4的防反射特性的图表。

图7是用分光反射率表示实施例5的防反射特性的图表。

图8是用分光反射率表示实施例6的防反射特性的图表。

图9是用分光反射率表示实施例7的防反射特性的图表。

图10是用分光反射率表示比较例1的防反射特性的图表。

图11是用分光反射率表示比较例2的防反射特性的图表。

图12是用光的吸收损失增加量表示实施例6和比较例2的分光特性的图表。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式所涉及的光学元件、投影透镜等进行说明。在图1中，针对具有防反射膜的光学元件的一个实施方式，用光学剖面示意性地表示该防反射膜AR的层叠构造。

图1所示的光学元件DS在光学元件基板SU上具有防反射膜AR，该防反射膜AR具有从空气(Air)侧起依次交替地层叠八层以上的由SiO₂构成的低折射率膜和由TiO₂、Nb₂O₅或者Ta₂O₅构成的一种以上的高折射率膜而成的构造。若将从空气侧起数而得的第i个(i＝1、2、3、…、n)层设为第i层Ci，则第一层C1、第三层C3、第五层C5、第七层C7等第奇数层是由SiO₂构成的低折射率膜，第二层C2、第四层C4、第六层C6、第八层C8等第偶数层是由TiO₂、Nb₂O₅或者Ta₂O₅构成的高折射率膜。因此，一个防反射膜AR所包含的膜中的低折射率膜为一种，但高折射率膜可以为两种或者三种。

在防反射膜AR中，若将设计主波长λ₀设为550nm，则从空气侧起数而得的第一层C1～第六层C6的1/4波长光学膜厚(QWOT：Quarter Wave Optical Thickness)为：

在第一层C1的低折射率膜中为0.94±0.05，

在第二层C2的高折射率膜中为1.29±0.25，

在第三层C3的低折射率膜中为0.08±0.05，

在第四层C4的高折射率膜中为0.45±0.20，

在第五层C5的低折射率膜中为2.05±0.20，

在第六层C6的高折射率膜中为0.45±0.20。此外，1/4波长光学膜厚由公式：QWOT＝4·n·d/λ₀表示(公式中，d：物理膜厚，n：折射率，λ₀：设计主波长。)。

作为构成光学元件基板SU的材料，例如列举对d线的折射率nd为1.80809±0.001，阿贝数νd为22.76±0.36的玻璃基板。在这样的玻璃基板中，如先前所述那样，由于成膜时的加热，导致光的吸收损失增加。换句话说，关于此处所假设的光学元件基板SU，若在300℃以上放置一小时以上并被实施防反射膜AR的涂布，则在波长430nm下产生1％以上的光的吸收损失的增加。为了避免该吸收损失的增加，需要在低温下进行成膜。因此，在本实施方式中，为了在低温下进行成膜，而构成为防反射膜AR满足上述条件。

根据上述结构，由于层叠成八层以上的防反射膜AR在第一层C1～第六层C6具有特征性的膜结构，所以即使膜层数较少，也能够获得较高的防反射性能，并且在整个可见光波长带域中能够获得稳定的防反射性能。例如，能够用由十层构成的防反射膜AR实现反射率0.2％以下的防反射性能。另外，由于由能在低温条件下进行涂布的材料构成防反射膜AR，所以能够减小光学元件基板SU内部的光的吸收损失，并且由于能够使用各种折射率的光学元件基板SU，所以能够获得较高的通用性。因此，能够实现具有即使膜层数较少，防反射性能也较高，并且在整个可见光波长带域中防反射性能稳定的防反射膜AR，并且光学元件基板SU内部的光的吸收损失较小的光学元件DS。

对于第七层C7及其之后的膜厚，在防反射膜AR中，如果根据上述条件限定第一层C1～第六层C6，则通过使用了光学薄膜设计软件等的最优化计算能够容易地获得。而且，通过第七层C7及其之后的膜结构，能够平衡性良好地获得上述效果，并且能够获得更良好的防反射性能等。

例如，优选：在总膜层数为十层的防反射膜AR中，若将设计主波长λ₀设为550nm，则从空气侧起数而得的第七层C7～第十层C10的1/4波长光学膜厚为：

在第七层C7的低折射率膜中为0.19±0.10，

在第八层C8的高折射率膜中为1.03±0.35，

在第九层C9的低折射率膜中为0.24±0.15，

在第十层C10的高折射率膜中为0.30±0.10，

波长420～680nm下的最大反射率为0.2％以下。

例如，优选：在总膜层数为十三层的防反射膜AR中，若将设计主波长λ₀设为550nm，则从空气侧起数而得的第七层C7～第十三层C13的1/4波长光学膜厚为：

在第七层C7的低折射率膜中为0.11±0.10，

在第八层C8的高折射率膜中为1.32±0.10，

在第九层C9的低折射率膜中为0.42±0.10，

在第十层C10的高折射率膜中为0.31±0.10，

在第十一层C11的低折射率膜中为1.05±0.35，

在第十二层C12的高折射率膜中为0.21±0.15，

在第十三层C13的低折射率膜中为0.38±0.10，

波长420～780nm下的最大反射率为0.4％以下。

防反射膜AR的各层例如利用150℃以下的加热下的真空蒸镀法形成，优选利用使用了离子辅助的真空蒸镀法形成。通过利用离子辅助蒸镀，从而能够减少由真空蒸镀法中的真空度的变动等引起的防反射膜AR的膜密度的变化、膜表面的粗糙度等。由此，能够抑制由膜密度的变化(换句话说，膜的折射率的变化)引起的颜色不均的产生、特性再现性的恶化。另外，若对防反射膜AR的形成利用离子辅助蒸镀，则能够对构成防反射膜AR的层使用以往较难使用的高折射率材料。

例如，在投影仪用投影透镜中，由于大光量的光透过构成投影透镜的透镜元件，所以即使透镜元件内部的光的吸收损失微量，也产生发热。若透镜元件的折射率因该发热而变化，则投影透镜的光学性能有可能降低。因此，如果在作为光学元件基板SU的透镜基板上设置具有上述结构的防反射膜AR，则能够获得透镜基板内部的光的吸收损失较小、防反射性能良好的透镜元件。而且，如果对投影透镜使用具有那样的防反射膜AR的透镜元件，则能够稳定且较高可靠性地获得高的光学性能以及防反射效果，因而能够实现搭载有该透镜元件的投影仪的高画质化。以下，对作为具有防反射膜AR的透镜元件而应用上述光学元件DS的投影仪用投影透镜的实施方式进行说明。

图2是投影仪用投影透镜LN的光学构成图，针对广角端(W)和长焦端(T)分别用光学剖面示出作为变焦透镜的投影透镜LN的透镜剖面形状、透镜配置等。此外，在投影透镜LN的缩小侧配置有棱镜PR(例如，TIR(Total Internal Reflection：全内反射)棱镜、颜色分解合成棱镜等)、以及图像显示元件的盖玻璃CG。

投影透镜LN构成为：从放大侧起依次由第一光学系统LN1(从第一面到中间像面IM1之前为止)和第二光学系统LN2(从中间像面IM1之后到最终透镜面为止)构成，第二光学系统LN2形成显示于图像显示元件的图像显示面IM2上的图像(缩小侧像面)的中间像IM1，第一光学系统LN1对该中间像IM1进行放大投影。此外，孔径光阑ST位于第二光学系统LN2的中央附近(第2c透镜组Gr2c中的最靠放大侧)。

投影透镜LN是整体由30枚透镜成分构成的不包含非球面的球面透镜系统，放大侧17枚是进行中间像IM1的放大投影的第一光学系统LN1，缩小侧13枚是形成中间像IM1的第二光学系统LN2。第一光学系统LN1由整体为正的第1透镜组Gr1构成，第二光学系统LN2从放大侧起依次由正的第2a透镜组Gr2a、正的第2b透镜组Gr2b、正的第2c透镜组Gr2c以及正的第2d透镜组Gr2d构成，使缩放时的中间像IM1的位置固定而仅利用第二光学系统LN2进行变倍(正正正正正的5组变焦镜头结构)。

图2中的箭头m1、m2a、m2b、m2c、m2d分别示意性地示出从广角端(W)向长焦端(T)缩放时的第1透镜组Gr1、第2a～第2d透镜组Gr2a～Gr2d的移动或者固定。换句话说，构成为：第1透镜组Gr1以及第2d透镜组Gr2d成为固定组，第2a～第2c透镜组Gr2a～Gr2c成为移动组，通过使第2a～第2c透镜组Gr2a～Gr2c分别沿着光轴AX移动来进行缩放。在从其广角端(W)向长焦端(T)变倍时，第2a透镜组Gr2a以放大侧凸的轨迹移动(U形回转移动)，第2b透镜组Gr2B和第2c透镜组Gr2c分别向放大侧单调地移动。

投影透镜LN如上述那样构成为通过使移动组相对于图像显示面IM2相对地移动而使轴上的各组间隔变化，从而进行从广角端(W)到长焦端(T)的变倍(即缩放)。由于第1透镜组Gr1以及第2d透镜组Gr2d的变焦位置固定，所以没有变倍所引起的光学系统全长的变化，移动部件减少，因而能够使变倍机构简单化。此外，位于第2d透镜组Gr2d的缩小侧的棱镜PR以及盖玻璃CG的变焦位置也是固定的。

第二光学系统LN2形成的中间像IM1在投影透镜LN整体的中央附近，成为放大图像显示面IM2后的像。由此，能够提高中间像IM1附近的透镜中的轴外光线通过位置，能够不使用非球面而实现较高的光学性能。以与该中间像IM1的放大侧相邻的方式配置的从放大侧起第十七枚透镜元件L17是在中间像IM1侧具有凹的弯月形状的正透镜，在其至少一个面设置有前述的防反射膜AR(图1)。另外，作为透镜元件L17的基板材料，假设为如下那样的材料：对d线的折射率nd为1.80809±0.001，阿贝数νd为22.76±0.36，若在300℃以上放置一小时以上并被实施防反射膜AR的涂布，则在波长430nm下产生1％以上的光的吸收损失的增加。

在视场角较大的投影透镜LN中，若如图2所示减小透镜直径，则容易产生像面弯曲、倍率色差这样的轴外像差。然而，若对位于紧接轴外光线通过位置较高的中间像IM1之前的透镜元件L17，如上述那样采用折射率高且异常色散性大的基板材料，则能够高效地修正像面弯曲和倍率色差。另外，由于透镜元件L17的防反射膜AR由能在低温条件下进行涂布的材料构成，所以能够避免透镜元件L17内部的光的吸收损失的增大，并且能够获得良好的防反射性能。

从以上的说明可知，上述的实施方式、后述的实施例包括以下的特征性的结构(#1)～(#6)等。

(#1)：一种光学元件，是在光学元件基板上具有防反射膜的光学元件，其特征在于，

上述防反射膜具有从空气侧起依次交替地层叠八层以上的由SiO₂构成的低折射率膜和由TiO₂、Nb₂O₅或者Ta₂O₅构成的一种以上的高折射率膜而成的构造，

在上述防反射膜中，若将设计主波长设为550nm，则从空气侧起数而得的第一层～第六层的1/4波长光学膜厚为：

在第一层的低折射率膜中为0.94±0.05，

在第二层的高折射率膜中为1.29±0.25，

在第三层的低折射率膜中为0.08±0.05，

在第四层的高折射率膜中为0.45±0.20，

在第五层的低折射率膜中为2.05±0.20，

在第六层的高折射率膜中为0.45±0.20。

(#2)：根据(#1)所述的光学元件，其特征在于，

上述防反射膜的总膜层数是十层，

在上述防反射膜中，若将设计主波长设为550nm，则从空气侧起数而得的第七层～第十层的1/4波长光学膜厚为：

在第七层的低折射率膜中为0.19±0.10，

在第八层的高折射率膜中为1.03±0.35，

在第九层的低折射率膜中为0.24±0.15，

在第十层的高折射率膜中为0.30±0.10，

波长420～680nm下的最大反射率为0.2％以下。

(#3)：根据(#1)所述的光学元件，其特征在于，

上述防反射膜的总膜层数是十三层，

在上述防反射膜中，若将设计主波长设为550nm，则从空气侧起数而得的第七层～第十三层的1/4波长光学膜厚为：

在第七层的低折射率膜中为0.11±0.10，

在第八层的高折射率膜中为1.32±0.10，

在第九层的低折射率膜中为0.42±0.10，

在第十层的高折射率膜中为0.31±0.10，

在第十一层的低折射率膜中为1.05±0.35，

在第十二层的高折射率膜中为0.21±0.15，

在第十三层的低折射率膜中为0.38±0.10，

波长420～780nm下的最大反射率为0.4％以下。

(#4)：根据(#1)～(#3)中的任意一项所述的光学元件，其特征在于，

上述光学元件基板若在300℃以上放置一小时以上并被实施上述防反射膜的涂布，则在波长430nm下产生1％以上的光的吸收损失的增加。

(#5)：根据(#1)～(#4)中的任意一项所述的光学元件，其特征在于，

在上述光学元件基板中，对d线的折射率为1.80809±0.001，阿贝数为22.76±0.36。

(#6)：一种投影仪用投影透镜，其特征在于，

具有(#1)～(#5)中的任意一项所述的光学元件作为透镜元件。

实施例

以下，列举实施例1～7以及比较例1、2，更具体地对实施了本发明的光学元件的结构等进行说明。

表1～表9表示光学元件DS的实施例1～7以及比较例1、2的结构。在表1～表9中，针对构成防反射膜AR的各层Ci(i＝1、2、3、…、n)，示出成膜材料、1/4波长光学膜厚(QWOT)以及对d线(波长587.6nm)的折射率nd，针对由玻璃构成的光学元件基板SU，示出折射率nd以及阿贝数νd。此外，1/4波长光学膜厚由公式：QWOT＝4·n·d/λ₀表示(公式中，d：物理膜厚，n：折射率，λ₀：设计主波长。)，阿贝数由公式：νd＝(nd－1)/(nF－nC)表示(公式中，ng、nd、nF、nC：对g线、d线、F线、C线的折射率。)。

实施例1～7以及比较例1、2中的各成膜材料的折射率nd为：SiO₂时为1.44～1.48，Ta₂O₅时为2.2～2.3，Nb₂O₅时为2.3～2.4，TiO₂时为2.4～2.5，MgF₂时为1.38～1.386，Al₂O₃时为1.58～1.65，LaTiO₃时为2.0～2.1。

图3～图11的图表表示实施例1～7以及比较例1、2的分光反射率特性。在图3～图11中，纵轴表示反射率(％)，横轴表示波长(nm)。

在实施例1中，如表1所示，光学元件基板SU(nd＝1.81)上的防反射膜AR为Ta₂O₅和SiO₂的八层膜结构。该防反射膜AR是通过150℃以下的加热下的真空蒸镀法并使用离子辅助而成膜的。另外，如图3所示，波长420～680nm下的最大反射率为0.3％以下，平均反射率为0.18％。

在实施例2中，如表2所示，光学元件基板SU(nd＝1.70)上的防反射膜AR为TiO₂和SiO₂的十层膜结构。该防反射膜AR是通过150℃以下的加热下的真空蒸镀法并使用离子辅助而成膜的。另外，如图4所示，波长420～680nm下的最大反射率为0.2％以下，平均反射率为0.10％。

在实施例3中，如表3所示，光学元件基板SU(nd＝1.81)上的防反射膜AR为TiO₂和SiO₂的十层膜结构。该防反射膜AR是通过150℃以下的加热下的真空蒸镀法并使用离子辅助而成膜的。另外，如图5所示，波长420～680nm下的最大反射率为0.2％以下，平均反射率为0.10％。

在实施例4中，如表4所示，光学元件基板SU(nd＝1.90)上的防反射膜AR为TiO₂和SiO₂的十层膜结构。该防反射膜AR是通过150℃以下的加热下的真空蒸镀法并使用离子辅助而成膜的。另外，如图6所示，波长420～680nm下的最大反射率为0.2％以下，平均反射率为0.10％。

在实施例5中，如表5所示，光学元件基板SU(nd＝1.81)上的防反射膜AR为Nb₂O₅和SiO₂的十层膜结构。该防反射膜AR是通过150℃以下的加热下的真空蒸镀法并使用离子辅助而成膜的。另外，如图7所示，波长420～680nm下的最大反射率为0.2％以下，平均反射率为0.12％。

在实施例6中，如表6所示，光学元件基板SU(nd＝1.81)上的防反射膜AR为Ta₂O₅和SiO₂的十层膜结构。该防反射膜AR是通过150℃以下的加热下的真空蒸镀法并使用离子辅助而成膜的。另外，如图8所示，波长420～730nm下的最大反射率为0.3％以下，平均反射率为0.22％。

在实施例7中，如表7所示，光学元件基板SU(nd＝1.81)上的防反射膜AR为Ta₂O₅和SiO₂的十三层膜结构。该防反射膜AR是通过150℃以下的加热下的真空蒸镀法并使用离子辅助而成膜的。另外，如图9所示，波长420～780nm下的最大反射率为0.4％以下，平均反射率为0.26％。

在比较例1中，如表8所示，光学元件基板SU(nd＝1.81)上的防反射膜AR为使用了MgF₂的通常的四层膜结构。该防反射膜AR是通过300℃的加热下的真空蒸镀法而成膜的。另外，如图10所示，波长420～680nm下的最大反射率为0.3％以下，平均反射率为0.11％。

在比较例2中，如表9所示，光学元件基板SU(nd＝1.81)上的防反射膜AR为使用了MgF₂的通常的六层膜结构。该防反射膜AR是通过300℃的加热下的真空蒸镀法而成膜的。另外，如图11所示，波长420～680nm下的最大反射率为0.2％以下，平均反射率为0.09％。

在图12的图表中，用光的吸收损失增加量表示实施例6和比较例2的分光特性。在图12中，纵轴是光的吸收损失增加量(％)，横轴是波长(nm)。从图12可知，在波长430nm下，比较例2的吸收损失增加了约1.5％，而实施例6的吸收损失没有增加。另外，若比较实施例3(图5)和比较例1、2(图10、图11)，则可知不使用MgF₂也能够实施具有良好的防反射性能的防反射膜AR。

[表1]

[表2]

[表3]

[表4]

[表5]

[表6]

[表7]

[表8]

[表9]

附图标记说明：DS…光学元件；AR…防反射膜；SU…光学元件基板；Ci…第i层(i＝1、2、…、n)；LN…投影透镜；LN1…第一光学系统；LN2…第二光学系统；Gr1…第1透镜组；Gr2a…第2a透镜组；Gr2b…第2b透镜组；Gr2c…第2c透镜组；Gr2d…第2d透镜组；ST…孔径光阑；IM1…中间像(中间像面)；IM2…图像显示面(缩小侧像面)；L17…透镜元件(光学元件)；AX…光轴。