JP6795031B2

JP6795031B2 - 投影レンズ

Info

Publication number: JP6795031B2
Application number: JP2018519513A
Authority: JP
Inventors: 喜博中野; 浩滋高原; みゆき寺本
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2037-05-19
Also published as: WO2017204127A1; EP3467549A1; EP3467549B1; US10942294B2; EP3467549A4; JPWO2017204127A1; US20200319376A1; CN109154679B; CN109154679A

Description

本発明は、投影レンズに関する。

近年、投影レンズは投影する映像の高画素化に伴って要求される結像性能が高まっており、構成レンズの枚数が増加する傾向にある。この傾向に関して、例えば屈折率１．５２のレンズ基板の表面に対して従来の４層の反射防止膜を形成したレンズ１５枚構成の投影レンズの場合、投影レンズ全体において可視光波長域の平均で約５％の光の反射損失が生じる。さらに、レンズ３０枚構成の投影レンズの場合、約１０％の光の反射損失が生じ、被投影面に投影する映像の明るさが大幅に低下することが懸念された。したがって、構成レンズ枚数の増加に対応して投影レンズの全系透過率の低下を抑えるために、レンズ基板に対してより低反射率で光の損失の少ない反射防止膜が必要である。この課題の解決に関連する従来技術の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載された反射防止膜は基板側から数えて第１層目は基板と比べて屈折率が小さい材料を、第２、４、６、８層目に高屈折率材料を、第３、５、７、９層目に低屈折率材料を形成し、各層の光学的膜厚を個別に設計波長に係る所定値に設定している。これにより、紫外域から赤外域までの広い波長帯域での反射を防止している。

特開２００２−２６７８０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では可視光波長域（例えば４２０ｎｍ〜６９０ｎｍ）の最大反射率が最も低い実施形態でも約０．５％であり、比較的高くなっている。これにより、昨今の映像の高画素化に対して投影レンズに適用するには不十分であることが課題であった。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、全系透過率の低下を効果的に抑制することができ、構成レンズ枚数の増加に対応することが可能な投影レンズを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は映像を被投影面に投影する投影レンズにおいて、レンズ基板と、前記レンズ基板の表面に形成された少なくとも８層で構成される反射防止膜を有し、前記反射防止膜は、空気側から数えて第１層の材料がＭｇＦ₂であり、第２層、第４層、第６層及び第８層の屈折率が２．０〜２．３であり、第３層、第５層及び第７層の材料がＳｉＯ₂であり、設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおける前記レンズ基板の屈折率ｎ_sに対する前記第１層〜前記第８層の１／４波長光学膜厚Ｑ₁〜Ｑ₈が下記式（１）〜式（８）を満たすことを特徴としている。
式（１）Ｑ₁＝０．０５×ｎ_s＋Ａ１（０．７９≦Ａ１≦０．９１）
式（２）Ｑ₂＝０．０９×ｎ_s＋Ａ２（１．６４≦Ａ２≦１．７９）
式（３）Ｑ₃＝０．１０×ｎ_s＋Ａ３（１．６５≦Ａ３≦１．９０）
式（４）Ｑ₄＝−０．３１×ｎ_s＋Ａ４（１．０１≦Ａ４≦１．２３）
式（５）Ｑ₅＝Ａ５（０．１０≦Ａ５≦０．３５）
式（６）Ｑ₆＝０．７９×ｎ_s＋Ａ６（−１．６４≦Ａ６≦０．０１）
式（７）Ｑ₇＝−０．６４×ｎ_s＋Ａ７（１．２６≦Ａ７≦１．５５）
式（８）Ｑ₈＝０．３２×ｎ_s＋Ａ８（−０．３８≦Ａ８≦０．１９）

また、上記構成の投影レンズにおいて、前記第２層、前記第４層、前記第６層及び前記第８層の材料が、Ｔａ₂Ｏ₅、ＬａＴｉＯ₃、Ｔｉ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂との混合物、ＺｒＴｉＯ₄とＺｒＯ₂との混合物、のいずれかであることを特徴としている。

また、上記構成の投影レンズにおいて、前記反射防止膜は、４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの波長域の光の最大反射率が０．２％以下であることを特徴としている。

また、上記構成の投影レンズにおいて、屈折率ｎ_sに関する下記式（９）〜式（１３）を満たす５種類に分類される硝材のうち３種類以上の硝材が、前記レンズ基板として使用されることを特徴としている。
式（９）１．４５≦ｎ_s＜１．５５
式（１０）１．５５≦ｎ_s＜１．６５
式（１１）１．６５≦ｎ_s＜１．７５
式（１２）１．７５≦ｎ_s＜１．８５
式（１３）１．８５≦ｎ_s＜１．９５

本発明によると、多様な屈折率のレンズ基板に対応して低反射率で光の損失の少ない反射防止膜を形成することができる。すなわち、従来使用が比較的困難であった高屈折率材料を用いて反射防止膜を形成することができ、投影レンズの構成の自由度を拡げることが可能である。そして、投影レンズの全系透過率の低下を効果的に抑制することができ、構成レンズ枚数の増加に柔軟に対応することが可能になる。

本発明の実施形態に係る投影レンズの光学構成図である。本発明の実施形態に係る投影レンズのレンズ単体の反射防止膜の層構成図である。本発明の実施形態に対する比較例のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。本発明の実施形態に係る投影レンズの実施例１のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。本発明の実施形態に係る投影レンズの実施例２のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。本発明の実施形態に係る投影レンズの実施例３のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。本発明の実施形態に係る投影レンズの実施例４のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。本発明の実施形態に係る投影レンズの実施例５のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。本発明の実施形態に係る投影レンズの実施例６のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態の例について図面に基づき説明する。

最初に、本発明の実施形態に係る投影レンズの構成について、図１を用いて説明する。図１は投影レンズの光学構成図であり、投影レンズＬＮのレンズ断面形状、レンズ配置等を広角端（Ｗ）及び望遠端（Ｔ）の各々について光学断面で示した。図１の右側が投影レンズＬＮの縮小側であり、図１の左側が投影レンズＬＮの拡大側である。なお、投影レンズＬＮの縮小側にはプリズムＰＲ（例えば、ＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズム、色分解合成プリズム等）及び画像表示素子のカバーガラスＣＧを図示した。

投影レンズＬＮは、例えば図１に示した全体で３０枚のレンズ成分で構成され、中間像面ＩＭ１を挟んで拡大側から順に第１光学系ＬＮ１、第２光学系ＬＮ２を備える。第２光学系ＬＮ２は画像表示素子の画像表示面ＩＭ２に表示される画像の中間像を中間像面ＩＭ１に形成する。第１光学系ＬＮ１は中間像を拡大投影する。なお、開口絞りＳＴが第２光学系ＬＮ２の光軸方向の中央付近に位置する。広い画角と優れた投影性能の両立を目的としてリレーレンズを用いているため構成レンズ枚数が多くなっている。

続いて、投影レンズＬＮに用いられるレンズ単体の詳細な構成について、図２を用いて説明する。図２はレンズ単体の反射防止膜の層構成図である。

投影レンズＬＮに用いられるレンズ１は、図２に示すレンズ基板１０及び反射防止膜２０を備える。レンズ基板１０は例えばガラス（硝材）で構成された透明な基板から成る。レンズ基板１０の表面には８層で構成される反射防止膜２０が形成される。

反射防止膜２０は空気側から数えて第１層２１、第２層２２、第３層２３、第４層２４、第５層２５、第６層２６、第７層２７、第８層２８から成る。第１層２１は材料がＭｇＦ₂で構成される。第２層２２、第４層２４、第６層２６及び第８層２８は屈折率が２．０〜２．３である所謂高屈折率材料で構成される。第３層２３、第５層２５及び第７層２７は材料がＳｉＯ₂で構成される。

そして、設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおけるレンズ基板１０の屈折率ｎ_sに対する第１層２１〜第８層２８の１／４波長光学膜厚（ＱＷＯＴ：Quarter Wave Optical Thickness）Ｑ₁〜Ｑ₈が下記式（１）〜式（８）を満たす。
式（１）Ｑ₁＝０．０５×ｎ_s＋Ａ１（０．７９≦Ａ１≦０．９１）
式（２）Ｑ₂＝０．０９×ｎ_s＋Ａ２（１．６４≦Ａ２≦１．７９）
式（３）Ｑ₃＝０．１０×ｎ_s＋Ａ３（１．６５≦Ａ３≦１．９０）
式（４）Ｑ₄＝−０．３１×ｎ_s＋Ａ４（１．０１≦Ａ４≦１．２３）
式（５）Ｑ₅＝Ａ５（０．１０≦Ａ５≦０．３５）
式（６）Ｑ₆＝０．７９×ｎ_s＋Ａ６（−１．６４≦Ａ６≦０．０１）
式（７）Ｑ₇＝−０．６４×ｎ_s＋Ａ７（１．２６≦Ａ７≦１．５５）
式（８）Ｑ₈＝０．３２×ｎ_s＋Ａ８（−０．３８≦Ａ８≦０．１９）

反射防止膜２０は各層が、例えば３００℃の加熱下における真空蒸着法で形成される。特に、第２層２２〜第８層２８はイオンアシストを用いた真空蒸着法で形成される。真空蒸着法における真空度の変動等に起因する反射防止膜２０の膜密度の変化や膜表面の粗さなどの低減のために、イオンアシスト蒸着を利用することが望ましい。これにより、膜密度の変化、すなわち膜の屈折率が変化することに起因する色ムラの発生や特性再現性の悪化を抑制することができる。そして、反射防止膜２０の形成にイオンアシスト蒸着を利用すると、反射防止膜２０を構成する層に対して従来使用が比較的困難であった高屈折率材料を用いることが可能になる。

上記構成により、反射防止膜２０は４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの波長域の光の最大反射率が０．２％以下である。

なお、反射防止膜２０の第２層２２、第４層２４、第６層２６及び第８層２８は、それらを構成する材料がＴａ₂Ｏ₅、ＬａＴｉＯ₃、Ｔｉ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂との混合物、ＺｒＴｉＯ₄とＺｒＯ₂との混合物、のいずれかであることが好ましい。

また、投影レンズＬＮは３０枚のレンズ各々においては、屈折率ｎ_sが異なる３種類以上の硝材がレンズ基板１０として使用される。具体的に言えば、屈折率ｎ_sに関する下記式（９）〜式（１３）を満たす５種類に分類される硝材のうち３種類以上の硝材が、レンズ基板１０として使用される。
式（９）１．４５≦ｎ_s＜１．５５
式（１０）１．５５≦ｎ_s＜１．６５
式（１１）１．６５≦ｎ_s＜１．７５
式（１２）１．７５≦ｎ_s＜１．８５
式（１３）１．８５≦ｎ_s＜１．９５

続いて、本実施形態に関して、実施例のレンズ基板及び反射防止膜と、比較例のレンズ基板及び反射防止膜と、の光の反射率の評価について、図３〜図９を用いて説明する。図３は比較例のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。図４〜図９は実施例１〜実施例６のレンズ基板の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。なお、図３〜図９は縦軸が反射率を表し、横軸が光の波長を表す。

比較例のガラス基板及び反射防止膜の条件を表１に示した。比較例では設計主波長λ₀＝５５０ｎｍとし、屈折率ｎ_s＝１．５２のガラスのレンズ基板の表面に一般的な４層構成の反射防止膜を形成した。反射防止膜は各層を３００℃の加熱下における真空蒸着法で形成した。

比較例のレンズ基板及び反射防止膜の分光反射率特性を示す図３によれば、可視光波長域４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの最大反射率は０．２６％であった。比較例は最大反射率が比較的高いことが分かる。

実施例１のガラス基板１０及び反射防止膜２０の条件を表２に示した。実施例１では設計主波長λ₀＝５５０ｎｍとし、屈折率ｎ_s＝１．５２のガラスのレンズ基板１０の表面に８層構成の反射防止膜２０を形成した。設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおけるレンズ基板１０の屈折率ｎ_s＝１．５２に対する第１層２１〜第８層２８の１／４波長光学膜厚（ＱＷＯＴ）Ｑ₁〜Ｑ₈は前記式（１）〜式（８）を満たす。反射防止膜２０は各層を３００℃の加熱下における真空蒸着法で形成した。特に、第２層２２〜第８層２８はイオンアシストを利用した真空蒸着法で形成した。

実施例１のレンズ基板１０及び反射防止膜２０の分光反射率特性を示す図４によれば、可視光波長域４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの最大反射率は０．０４％であった。比較例に対して、実施例１では最大反射率が非常に低い値に抑制されていることが分かる。

実施例２のガラス基板１０及び反射防止膜２０の条件を表３に示した。実施例２では設計主波長λ₀＝５５０ｎｍとし、屈折率ｎ_s＝１．６２のガラスのレンズ基板１０の表面に８層構成の反射防止膜２０を形成した。設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおけるレンズ基板１０の屈折率ｎ_s＝１．６２に対する第１層２１〜第８層２８の１／４波長光学膜厚（ＱＷＯＴ）Ｑ₁〜Ｑ₈は前記式（１）〜式（８）を満たす。反射防止膜２０は各層を３００℃の加熱下における真空蒸着法で形成した。特に、第２層２２〜第８層２８はイオンアシストを利用した真空蒸着法で形成した。

実施例２のレンズ基板１０及び反射防止膜２０の分光反射率特性を示す図５によれば、可視光波長域４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの最大反射率は０．０４％であった。比較例に対して、実施例２では最大反射率が非常に低い値に抑制されていることが分かる。

実施例３のガラス基板１０及び反射防止膜２０の条件を表４に示した。実施例３では設計主波長λ₀＝５５０ｎｍとし、屈折率ｎ_s＝１．７２のガラスのレンズ基板１０の表面に８層構成の反射防止膜２０を形成した。設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおけるレンズ基板１０の屈折率ｎ_s＝１．７２に対する第１層２１〜第８層２８の１／４波長光学膜厚（ＱＷＯＴ）Ｑ₁〜Ｑ₈は前記式（１）〜式（８）を満たす。反射防止膜２０は各層を３００℃の加熱下における真空蒸着法で形成した。特に、第２層２２〜第８層２８はイオンアシストを利用した真空蒸着法で形成した。

実施例３のレンズ基板１０及び反射防止膜２０の分光反射率特性を示す図６によれば、可視光波長域４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの最大反射率は０．０４％であった。比較例に対して、実施例３では最大反射率が非常に低い値に抑制されていることが分かる。

実施例４のガラス基板１０及び反射防止膜２０の条件を表５に示した。実施例４では設計主波長λ₀＝５５０ｎｍとし、屈折率ｎ_s＝１．８２のガラスのレンズ基板１０の表面に８層構成の反射防止膜２０を形成した。設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおけるレンズ基板１０の屈折率ｎ_s＝１．８２に対する第１層２１〜第８層２８の１／４波長光学膜厚（ＱＷＯＴ）Ｑ₁〜Ｑ₈は前記式（１）〜式（８）を満たす。反射防止膜２０は各層を３００℃の加熱下における真空蒸着法で形成した。特に、第２層２２〜第８層２８はイオンアシストを利用した真空蒸着法で形成した。

実施例４のレンズ基板１０及び反射防止膜２０の分光反射率特性を示す図７によれば、可視光波長域４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの最大反射率は０．０５％であった。比較例に対して、実施例４では最大反射率が非常に低い値に抑制されていることが分かる。

実施例５のガラス基板１０及び反射防止膜２０の条件を表６に示した。実施例５では設計主波長λ₀＝５５０ｎｍとし、屈折率ｎ_s＝１．９２のガラスのレンズ基板１０の表面に８層構成の反射防止膜２０を形成した。設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおけるレンズ基板１０の屈折率ｎ_s＝１．９２に対する第１層２１〜第８層２８の１／４波長光学膜厚（ＱＷＯＴ）Ｑ₁〜Ｑ₈は前記式（１）〜式（８）を満たす。反射防止膜２０は各層を３００℃の加熱下における真空蒸着法で形成した。特に、第２層２２〜第８層２８はイオンアシストを利用した真空蒸着法で形成した。

実施例５のレンズ基板１０及び反射防止膜２０の分光反射率特性を示す図８によれば、可視光波長域４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの最大反射率は０．０６％であった。比較例に対して、実施例５では最大反射率が非常に低い値に抑制されていることが分かる。

実施例６のガラス基板１０及び反射防止膜２０の条件を表７に示した。実施例６では設計主波長λ₀＝５５０ｎｍとし、屈折率ｎ_s＝１．６２のガラスのレンズ基板１０の表面に９層構成の反射防止膜２０を形成した。設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおけるレンズ基板１０の屈折率ｎ_s＝１．６２に対する第１層２１〜第８層２８の１／４波長光学膜厚（ＱＷＯＴ）Ｑ₁〜Ｑ₈は前記式（１）〜式（８）を満たす。反射防止膜２０は各層を３００℃の加熱下における真空蒸着法で形成した。特に、第２層２２〜第８層２８はイオンアシストを利用した真空蒸着法で形成した。

実施例６のレンズ基板１０及び反射防止膜２０の分光反射率特性を示す図９によれば、可視光波長域４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの最大反射率は０．０４％であった。比較例に対して、実施例６では最大反射率が非常に低い値に抑制されていることが分かる。

このようにして、上記実施形態の構成によれば、多様な屈折率のレンズ基板１０に対応して低反射率で光の損失の少ない反射防止膜２０を形成することができる。すなわち、従来使用が比較的困難であった高屈折率材料を用いて反射防止膜２０を形成することができ、投影レンズＬＮの構成の自由度を拡げることが可能である。そして、投影レンズＬＮの全系透過率の低下を効果的に抑制することができ、構成レンズ枚数の増加に柔軟に対応することが可能になる。

また、反射防止膜２０は第２層２２、第４層２４、第６層２６及び第８層２８の材料がＴａ₂Ｏ₅、ＬａＴｉＯ₃、Ｔｉ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂との混合物、ＺｒＴｉＯ₄とＺｒＯ₂との混合物、のいずれかであるので、例えば３００℃といった比較的高温の環境下において、真空蒸着法で光の損失の少ない反射防止膜２０を形成することができる。第１層２１で用いるＭｇＦ₂を低温環境下で形成した場合に実用上の強度が低くなる虞があるので、本実施形態の構成によれば、第１層２１の高強度化を図ることが可能になる。

また、反射防止膜２０は４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの波長域の光の最大反射率が０．２％以下であることが望ましい。これにより、投影レンズＬＮにおいて、昨今の映像の高画素化に対応して適用するに十分な反射防止膜２０を得ることが可能になる。

また、屈折率ｎ_sに関する前記式（９）〜式（１３）を満たす５種類に分類される硝材のうち３種類以上の硝材が、レンズ基板１０として使用されるので、３０枚のレンズに関して様々な硝材で構成されるレンズ基板１０を組み合わせた投影レンズＬＮであっても、低反射率で光の損失の少ない反射防止膜２０を形成することができる。これにより、投影レンズＬＮの構成の自由度をより一層拡げることが可能になる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は、投影レンズにおいて利用可能である。

１ガラス
１０ガラス基板
２０反射防止膜
２１第１層
２２第２層
２３第３層
２４第４層
２５第５層
２６第６層
２７第７層
２８第８層
ＬＮ投影レンズ

Claims

映像を被投影面に投影する投影レンズにおいて、
レンズ基板と、
前記レンズ基板の表面に形成された少なくとも８層で構成される反射防止膜を有し、
前記反射防止膜は、空気側から数えて第１層の材料がＭｇＦ₂であり、第２層、第４層、第６層及び第８層の屈折率が２．０〜２．３であり、第３層、第５層及び第７層の材料がＳｉＯ₂であり、設計主波長λ₀＝５５０ｎｍにおける前記レンズ基板の屈折率ｎ_sに対する前記第１層〜前記第８層の１／４波長光学膜厚Ｑ₁〜Ｑ₈が下記式（１）〜式（８）を満たすことを特徴とする投影レンズ。
式（１）Ｑ₁＝０．０５×ｎ_s＋Ａ１（０．７９≦Ａ１≦０．９１）
式（２）Ｑ₂＝０．０９×ｎ_s＋Ａ２（１．６４≦Ａ２≦１．７９）
式（３）Ｑ₃＝０．１０×ｎ_s＋Ａ３（１．６５≦Ａ３≦１．９０）
式（４）Ｑ₄＝−０．３１×ｎ_s＋Ａ４（１．０１≦Ａ４≦１．２３）
式（５）Ｑ₅＝Ａ５（０．１０≦Ａ５≦０．３５）
式（６）Ｑ₆＝０．７９×ｎ_s＋Ａ６（−１．６４≦Ａ６≦０．０１）
式（７）Ｑ₇＝−０．６４×ｎ_s＋Ａ７（１．２６≦Ａ７≦１．５５）
式（８）Ｑ₈＝０．３２×ｎ_s＋Ａ８（−０．３８≦Ａ８≦０．１９）
前記第２層、前記第４層、前記第６層及び前記第８層の材料が、Ｔａ₂Ｏ₅、ＬａＴｉＯ₃、Ｔｉ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂との混合物、ＺｒＴｉＯ₄とＺｒＯ₂との混合物、のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。
前記反射防止膜は、４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの波長域の光の最大反射率が０．２％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投影レンズ。
屈折率ｎ_sに関する下記式（９）〜式（１３）を満たす５種類に分類される硝材のうち３種類以上の硝材が、前記レンズ基板として使用されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の投影レンズ。
式（９）１．４５≦ｎ_s＜１．５５
式（１０）１．５５≦ｎ_s＜１．６５
式（１１）１．６５≦ｎ_s＜１．７５
式（１２）１．７５≦ｎ_s＜１．８５
式（１３）１．８５≦ｎ_s＜１．９５