CN110892298B - 偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备 - Google Patents

Abstract

提供通过简单的多层膜(层叠膜)来应对宽度较宽的入射角度而不需要双折射层构造的偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备。偏振分离元件(101e)形成于一对透光性基板之间，且在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围内，使P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差B％以上，其特征在于，其中，针对设计波长λ(nm)，A1＝λ×0.86A2＝λ×1.7B(％)＝22.5偏振分离元件(101e)具有电介质交替层叠构造，电介质交替层叠构造至少具有宽带偏振分离膜结构、第1窄带偏振分离膜结构和第2窄带偏振分离膜结构。

Description

偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备

技术领域

本发明涉及偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备。

背景技术

以往，关于偏振分离元件，公知有使用电介质多层膜的元件。而且，例如在专利文献1中提出了对应于宽度较宽的入射角度而使用电介质多层膜的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-152391号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在现有结构中，是将双折射层构造以栅格方向垂直的方式层叠多层的技术。因此，存在要求复杂的层叠技术这样的问题。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供通过简单的多层膜(层叠膜)来应对宽度较宽的入射角度而不需要双折射层构造的偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题并实现目的，本发明的至少若干个实施方式的偏振分离元件形成于一对透光性基板之间，且在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围内，使P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差B％以上，其特征在于，

其中，

针对设计波长λ，

A1＝λ×0.86

A2＝λ×1.7

B＝22.5

偏振分离元件具有电介质交替层叠构造，该电介质交替层叠构造是交替层叠具有第1折射率的第1电介质和具有比第1折射率低的第2折射率的第2电介质而得到的，

电介质交替层叠构造至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/4的波长区间范围内具有宽带偏振分离膜结构，该宽带偏振分离膜结构呈P偏振光的透射率的透射率高低差和S偏振光的透射率的透射率高低差分别至少为15％以内的分光特性，

并且，电介质交替层叠构造在波长区间全部范围的波长范围内包含的、比波长范围窄的第1波长范围内具有第1窄带偏振分离膜结构，该第1窄带偏振分离膜结构至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差30％以上的分光特性，

并且，电介质交替层叠构造在波长区间全部范围的波长范围内包含的、比波长范围窄且不与第1波长范围重合的第2波长范围内至少具有第2窄带偏振分离膜结构，该第2窄带偏振分离膜结构至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差30％以上的分光特性。

此外，本发明的至少若干个实施方式的偏振分离元件设计方法设计构成于一对透光性基板之间且在规定的波长范围内对P偏振光和S偏振光进行分离的偏振分离元件，其特征在于，偏振分离元件设计方法至少具有以下步骤：

设计宽带偏振分离膜结构的宽带偏振分离膜结构设计步骤，该宽带偏振分离膜结构在规定的波长范围内包含的第1波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差规定值以上的分光特性；

设计第1窄带偏振分离膜结构的第1窄带偏振分离膜结构设计步骤，该第1窄带偏振分离膜结构在第1波长范围内包含的、比第1波长范围窄的第2波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差规定值以上的分光特性；以及

设计第2窄带偏振分离膜结构的第2窄带偏振分离膜结构设计步骤，该第2窄带偏振分离膜结构在第1波长范围内包含的、比第1波长范围窄且不与第2波长范围重合的第3波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差规定值以上的分光特性。

此外，本发明的至少若干个实施方式的光学系统的特征在于，光学系统具有上述偏振分离元件。

此外，本发明的至少若干个实施方式的光学设备的特征在于，所述光学设备具有上述光学系统。

发明效果

本发明发挥如下效果：提供通过简单的多层膜(层叠膜)来应对宽度较宽的入射角度而不需要双折射层构造的偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备。

附图说明

图1是示出实施例1的偏振分离元件的层结构的图。

图2是示出实施例1的偏振分离元件的透射率特性的图。

图3是示出实施例1的偏振分离元件的透射率特性的另一图。

图4是示出实施例1的偏振分离元件的透射率特性的又一图。

图5是示出实施例1的偏振分离元件的透射率特性的再一图。

图6是示出实施例1的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图7是示出实施例2的偏振分离元件的层结构的图。

图8是示出实施例2的偏振分离元件的透射率特性的图。

图9是示出实施例2的偏振分离元件的透射率特性的另一图。

图10是示出实施例2的偏振分离元件的透射率特性的又一图。

图11是示出实施例2的偏振分离元件的透射率特性的再一图。

图12是示出实施例2的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图13是示出实施例3的偏振分离元件的层结构的图。

图14是示出实施例3的偏振分离元件的透射率特性的图。

图15是示出实施例3的偏振分离元件的透射率特性的另一图。

图16是示出实施例3的偏振分离元件的透射率特性的又一图。

图17是示出实施例3的偏振分离元件的透射率特性的再一图。

图18是示出实施例3的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图19是示出实施例4的偏振分离元件的层结构的图。

图20是示出实施例4的偏振分离元件的透射率特性的图。

图21是示出实施例4的偏振分离元件的透射率特性的另一图。

图22是示出实施例4的偏振分离元件的透射率特性的又一图。

图23是示出实施例4的偏振分离元件的透射率特性的再一图。

图24是示出实施例4的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图25是示出实施例5的偏振分离元件的层结构的图。

图26是示出实施例5的偏振分离元件的透射率特性的图。

图27是示出实施例5的偏振分离元件的透射率特性的另一图。

图28是示出实施例5的偏振分离元件的透射率特性的又一图。

图29是示出实施例5的偏振分离元件的透射率特性的再一图。

图30是示出实施例5的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图31是示出实施例6的偏振分离元件的层结构的图。

图32是示出实施例6的偏振分离元件的透射率特性的图。

图33是示出实施例6的偏振分离元件的透射率特性的另一图。

图34是示出实施例6的偏振分离元件的透射率特性的又一图。

图35是示出实施例6的偏振分离元件的透射率特性的再一图。

图36是示出实施例6的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图37是示出实施例7的偏振分离元件的层结构的图。

图38是示出实施例7的偏振分离元件的透射率特性的图。

图39是示出实施例7的偏振分离元件的透射率特性的另一图。

图40是示出实施例7的偏振分离元件的透射率特性的又一图。

图41是示出实施例7的偏振分离元件的透射率特性的再一图。

图42是示出实施例7的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图43是示出实施例7的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图44是示出实施例8的偏振分离元件的层结构的图。

图45是示出实施例8的偏振分离元件的透射率特性的图。

图46是示出实施例8的偏振分离元件的透射率特性的另一图。

图47是示出实施例8的偏振分离元件的透射率特性的又一图。

图48是示出实施例8的偏振分离元件的透射率特性的再一图。

图49是示出实施例8的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图50是示出实施例8的偏振分离元件的透射率特性的又再一图。

图51是示出各实施例的透光性基板侧4层的平均折射率的图。

图52是示出具有各实施例的偏振分离元件的棱镜元件的结构的图。

图53是示出实施例9的光学系统的结构的图。

图54是示出实施例10的光学设备的结构的图。

图55是示出实施例10的光学设备的结构的另一图。

具体实施方式

下面，根据附图对实施方式的偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备进行详细说明。另外，本发明不被该实施方式限定。

对实施方式的偏振分离元件进行说明。偏振分离元件在一对透光性基板之间具有电介质交替层叠构造，该电介质交替层叠构造交替层叠具有第1折射率的第1电介质和具有比第1折射率低的第2折射率的第2电介质而成。

而且，偏振分离元件形成于一对透光性基板之间，在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围内，P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差B％以上。

其中，

在设计波长λ(nm)中，

A1＝λ×0.86

A2＝λ×1.7

B＝22.5

电介质交替层叠构造至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/4的波长区间范围内具有宽带偏振分离膜结构，该宽带偏振分离膜结构呈P偏振光的透射率的透射率高低差和S偏振光的透射率的透射率高低差分别至少为15％以内的分光特性。

进而，电介质交替层叠构造在波长区间全部范围的波长范围内包含的、比波长范围窄的第1波长范围内具有第1窄带偏振分离膜结构，该第1窄带偏振分离膜结构至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差30％以上的分光特性。

进而，电介质交替层叠构造在波长区间全部范围的波长范围内包含的、比波长范围窄且不与第1波长范围重合的第2波长范围内至少具有第2窄带偏振分离膜结构，该第2窄带偏振分离膜结构至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差30％以上的分光特性。

根据上述膜结构，通过简单的多层膜(层叠膜)来应对宽度较宽的入射角度而不需要双折射层构造，能够得到波纹(ripole)较少的偏振分离元件。

下面，在式(1)和以下全部说明中，标号“H”表示第1电介质的膜厚(高折射率材料层)，“L”表示第2电介质的膜厚(低折射率材料层)。

优选在偏振分离元件中，宽带偏振分离膜结构在第1宽带偏振分离膜结构和第2宽带偏振分离膜结构这2个宽带偏振分离膜结构以内构成为：从透光性基板起依次为第1电介质、第2电介质、第1电介质、第2电介质，第1电介质的膜厚H和第2电介质的膜厚L满足以下的式(1)。

H(0.24±a1)×d

L(0.8±a2)×e

H(0.45±a3)×f

L(3.3±a4)×g (1)

其中，

系数a1＝0.15

系数a2＝0.2

系数a3＝0.2

系数a4＝0.6

关于第1宽带偏振分离膜结构，系数d＝1，关于第2宽带偏振分离膜结构，系数d＝1.2～1.5，

关于第1宽带偏振分离膜结构，系数e＝1，关于第2宽带偏振分离膜结构，系数e＝0.9～1.2，

关于第1宽带偏振分离膜结构，系数f＝1，关于第2宽带偏振分离膜结构，系数f＝0.4～0.8，

关于第1宽带偏振分离膜结构，系数g＝1，关于第2宽带偏振分离膜结构，系数g＝0.6～0.95。

此外，在第2宽带偏振分离膜结构以后的宽带偏振分离膜结构中，不是d＝e＝f＝g。

在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。

此外，根据本实施方式的优选方式，第1窄带偏振分离膜结构和第2窄带偏振分离膜结构分别具有如下结构：从透光性基板侧起依次层叠有第1电介质、第2电介质、第1电介质、第2电介质、第1电介质、或者从透光性基板侧起依次层叠有第2电介质、第1电介质、第2电介质、第1电介质、第2电介质。

优选第1电介质的膜厚H和第2电介质的膜厚L满足以下的式(2-1)和(2-2)中的任意一方。

H(1.975±b1)×h

L(1.975±b2)×i

H(1.825±b3)×j

L(1.675±b4)×k

H(1.675±b5)×l (2-1)

其中，

系数b1＝0.4

系数b2＝0.4

系数b3＝0.3

系数b4＝0.3

系数b5＝0.3

以及

L(1.975±b1)×h

H(1.975±b2)×i

L(1.825±b3)×j

H(1.675±b4)×k

L(1.675±b5)×l (2-2)

其中，

系数b1＝0.4

系数b2＝0.4

系数b3＝0.3

系数b4＝0.3

系数b5＝0.3。

关于第1窄带偏振分离膜结构，系数h＝1，关于第2窄带偏振分离膜结构，系数h＝0.37±0.05，

关于第1窄带偏振分离膜结构，系数i＝1，关于第2窄带偏振分离膜结构，系数i＝0.46±0.11，

关于第1窄带偏振分离膜结构，系数j＝1，关于第2窄带偏振分离膜结构，系数j＝0.46±0.2，

关于第1窄带偏振分离膜结构，系数k＝1，关于第2窄带偏振分离膜结构，系数k＝0.42±0.16，

关于第1窄带偏振分离膜结构，系数l＝1，关于第2窄带偏振分离膜结构，系数l＝0.28±0.1。

如上所述，计算值是光学膜厚(QWOT)。

在第2宽带偏振分离膜结构以后的窄带偏振分离膜结构中，不会成为h＝i＝j＝k＝l。

此外，根据本实施方式的优选方式，优选具有与第1窄带偏振分离膜结构和第2窄带偏振分离膜结构不同的第3窄带偏振分离膜结构。

此外，根据本实施方式的优选方式，优选与配置于电介质交替层叠构造的两端的一对透光性基板相接的偏振分离膜结构中的、分别从透光性基板侧起4层的平均折射率相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

此外，根据本实施方式的优选方式，宽带偏振分离膜结构针对要使用的入射角度范围的最大值，至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/2的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率Tp与S偏振光的透射率Ts之差为10％以上的波长范围，

进而在要使用的入射角度范围中，至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/4的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率高低差TTp和S偏振光的透射率高低差TTs分别为15％以内的分光特性，

至少任意窄带偏振分离膜结构在要使用的入射角度范围内，P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts满足以下的关系。

P偏振光的透射率Tp>S偏振光的透射率Ts

并且，优选至少在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内，具有呈现P偏振光的透射率Tp与S偏振光的透射率Ts之差为30％以上的分光特性的波长范围。

此外，根据本实施方式的优选方式，优选与透光性基板相接的层、宽带偏振分离膜结构与任意窄带偏振分离膜结构之间的层、至少第1窄带偏振分离膜结构与第2窄带偏振分离膜结构彼此之间的层取得匹配。

这里，在匹配时，还能够使用与基于上述比率和计算方法的值不同的其他值的膜厚。

此外，根据本实施方式的优选方式，优选透光性基板从无碱玻璃、硼硅酸玻璃、石英玻璃、水晶、BK7(商品名)、Tempax(商品名)等光学玻璃、晶体材料、半导体基板、合成树脂中选择。

此外，根据本实施方式的优选方式，优选第1电介质的材料(高折射率材料)和第2电介质的材料(低折射率材料)分别是TiO、TiO₂、Y₂O₃、Ta₂O₅、ZrO、ZrO₂、Si、SiO₂、HfO₂、Ge、Nb₂O₅、Nb₂O₆、CeO₂、Cef₃、ZnS、ZnO、Fe₂O₃、MgF₂、AlF₃、CaF₂、LiF、Na₃AlF₆、Na₅AL₃F₁₄、Al₂O₃、MgO、LaF、PbF₂、NdF₃、或从它们的混合材料中选择至少2种。

此外，根据本实施方式的优选方式，优选第1电介质的材料(高折射率材料)和第2电介质的材料(低折射率材料)的2种以上的电介质层叠的方法采用真空蒸镀、溅射、离子镀的物理膜厚气相生长法、电阻加热蒸镀、电子束加热蒸镀、高频加热蒸镀、激光束加热蒸镀、离子化溅射、离子束溅射、等离子体溅射、离子辅助、自由基辅助溅射中的任意方法。

此外，根据本实施方式的优选方式，优选在一对透光性基板之间具有包含高折射率材料和低折射率材料且2种以上的电介质层叠的电介质交替层叠构造(偏振分离膜结构)，偏振分离元件在最大35～60度的入射角度呈现偏振分离特性。

此外，根据本实施方式的优选方式，优选在一对透光性基板之间具有如下的电介质交替层叠构造(偏振分离膜结构)：包含第1电介质的材料和第2电介质的材料在内的2种以上的电介质层叠，在一对透光性基板的某一个面与电介质交替层叠结构之间具有包含粘接剂的粘接层。

根据实施方式的设计偏振分离元件的方法，设计构成于一对透光性基板之间且在规定的波长范围内对P偏振光和S偏振光进行分离的偏振分离元件，其特征在于，偏振分离元件设计方法至少具有以下步骤：

设计宽带偏振分离膜结构的宽带偏振分离膜结构设计步骤，该宽带偏振分离膜结构在规定的波长范围内包含的第1波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差规定值以上的分光特性；

设计第1窄带偏振分离膜结构的第1窄带偏振分离膜结构设计步骤，该第1窄带偏振分离膜结构在第1波长范围内包含的、比第1波长范围窄的第2波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差规定值以上的分光特性；以及

设计第2窄带偏振分离膜结构的第2窄带偏振分离膜结构设计步骤，该第2窄带偏振分离膜结构在第1波长范围内包含的、比第1波长范围窄且不与第2波长范围重合的第3波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差规定值以上的分光特性。

此外，本实施方式的光学系统的特征在于，具有上述偏振分离元件。

此外，本实施方式的光学设备的特征在于，具有上述光学系统。

本实施方式的偏振分离元件优选用于内窥镜用的物镜光学系统。不限于此，例如还能够应用于显微镜用的物镜、照相机、眼镜、望远镜等的透镜、棱镜、滤光片。本实施方式的光学设备例如是这些光学设备，本实施方式的光学系统例如是这些光学设备所具有的光学系统。

这里，不需要准确地满足上述各式，鉴于偏振分离元件所要求的性能和制造误差，本发明的实施者当然能够适当设定容许误差。例如，根据发明者的验算，即使是5％的误差也能够实用，如果是3％的误差，则得到良好的特性。但是，特别是在要求精密性的情况下，优选1％以内的误差。

(实施例1)

图1是示出实施例1的偏振分离元件的层结构的表。在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。如图1所示，本实施例的偏振分离元件在透光性基板上具有交替层叠作为低折射率物质的SiO₂(折射率nL＝1.47)和作为高折射率物质的Ta₂O₅(折射率nH＝2.24)而成的多层膜，是交替层叠的19层的偏振分离膜结构。

作为高折射率物质的Ta₂O₅从图1所示的上侧的透光性基板侧起依次被配置于第1、第3、第5、第7、第9、第11、第13、第15层、第17和第19层。作为低折射率物质的SiO₂被配置于第2、第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16层和第18层。

图2是示出实施例1的偏振分离元件的透射率特性的图。

图3是示出实施例1的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图4是示出实施例1的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图5是示出实施例1的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

图6是示出实施例1的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(3)的透射率特性的图。下面，在全部透射率特性的图中，横轴示出波长(nm)，纵轴示出透射率(％)。

在实施例1中，关于宽带偏振分离结构的各结构，

在波长400nm～850nm的1/2的波长范围即225nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上，

在波长400nm～850nm的1/4的波长范围即112.5nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现透射率高低差为15％以内。

此外，2个窄带偏振分离结构(1)和窄带偏振分离结构(2)在波长400nm～850nm的1/8的波长范围即56.25nm的波长范围内，实现第1窄带偏振分离和第2窄带偏振分离。

进而，窄带偏振分离在波长400nm～850nm的1/8的波长范围即52nm以上(56.25nm)的波长范围内，实现P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts为Tp>Ts、且Tp与Ts之差为30％以上的偏振分离特性。

进而，以组合19层的多层膜而得到的结构，呈现图1的入射角35°～53°的分光特性。这样，在波长400nm～850nm的波长范围内，在35°～53°的宽角度中得到偏振分离特性。

此外，图51中示出与一对两侧的透光性基板相接的多层膜构造中的分别从透光性基板侧起4层的平均折射率。在本实施例中，可知相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

此外，作为透光性基板的材质，例如能够使用无碱玻璃、硼硅酸玻璃、石英玻璃、水晶、BK7(商品名)、Tempax(商品名)等光学玻璃、以及蓝宝石等晶体材料、半导体基板、合成树脂等。

进而，第1电介质(高折射率层)的材料H和第2电介质(低折射率层)的材料L例如能够使用从TiO、TiO₂、Y₂O₃、Ta₂O₅、ZrO、ZrO₂、Si、SiO₂、HfO₂、Ge、Nb₂O₅、Nb₂O₆、CeO₂、Cef₃、ZnS、ZnO、Fe₂O₃、MgF₂、AlF₃、CaF₂、LiF、Na₃AlF₆、Na₅AL₃F₁₄、Al₂O₃、MgO、LaF、PbF₂、NdF₃或它们的混合材料中选择至少2种的材料。

此外，优选第1电介质的材料和第2电介质的材料的2种以上的电介质层叠的方法采用真空蒸镀、溅射、离子镀的物理膜厚气相生长法、电阻加热蒸镀、电子束加热蒸镀、高频加热蒸镀、激光束加热蒸镀、离子化溅射、离子束溅射、等离子体溅射、离子辅助、自由基辅助溅射中的任意方法。

(实施例2)

接着，对实施例2进行说明。与上述实施例1重复的部分省略说明。

图7是示出实施例2的偏振分离元件的层结构的表。在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。如图7所示，本实施例的偏振分离元件在透光性基板上具有交替层叠作为低折射率物质的SiO₂(折射率nL＝1.47)和作为高折射率物质的Ta₂O₅(折射率nH＝2.24)而成的多层膜，是交替层叠的19层的偏振分离膜结构。

作为高折射率物质的Ta₂O₅从图7所示的上侧的透光性基板侧起依次被配置于第1、第3、第5、第7、第9、第11、第13、第15层、第17和第19层。作为低折射率物质的SiO₂被配置于第2、第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16层和第18层。

图8是示出实施例2的偏振分离元件的透射率特性的图。

图9是示出实施例2的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图10是示出实施例2的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图11是示出实施例2的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

图12是示出实施例2的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(3)的透射率特性的图。

在实施例2中，关于宽带偏振分离结构的各结构，

在波长400nm～850nm的1/2的波长范围即225nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上，

在波长400nm～850nm的1/4的波长范围即112.5nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现透射率高低差为15％以内。

此外，2个窄带偏振分离结构(1)和窄带偏振分离结构(2)在波长400nm～850nm的1/8的波长范围即56.25nm的波长范围内，实现第1窄带偏振分离和第2窄带偏振分离。

进而，窄带偏振分离在波长400nm～850nm的1/8的波长范围即52nm以上(56.25nm)的波长范围内，实现P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts为Tp>Ts、且Tp与Ts之差为30％以上的偏振分离特性。

进而，以组合19层的多层膜而得结构，呈现图8的入射角35°～60°的分光特性。这样，在波长400nm～850nm的波长范围内，在35°～60°的宽角度中得到偏振分离特性。

此外，图51中示出与一对两侧的透光性基板相接的多层膜构造中的分别从透光性基板侧起4层的平均折射率。在本实施例中，可知相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

(实施例3)

接着，对实施例3进行说明。与上述各实施例重复的部分省略说明。

图13是示出实施例3的偏振分离元件的层结构的表。在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。如图13所示，本实施例的偏振分离元件在透光性基板上具有交替层叠作为低折射率物质的SiO₂(折射率nL＝1.47)和作为高折射率物质的Ta₂O₅(折射率nH＝2.24)而成的多层膜，是交替层叠的19层的偏振分离膜结构。

作为高折射率物质的Ta₂O₅从图13所示的上侧的透光性基板侧起依次被配置于第1、第3、第5、第7、第9、第11、第13、第15层、第17和第19层。作为低折射率物质的SiO₂被配置于第2、第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16层和第18层。

图14是示出实施例3的偏振分离元件的透射率特性的图。

图15是示出实施例3的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图16是示出实施例3的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图17是示出实施例3的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

图18是示出实施例3的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(3)的透射率特性的图。

在实施例3中，关于宽带偏振分离结构的各结构，

在波长430nm～850nm的1/2的波长范围即210nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上，

在波长430nm～850nm的1/4的波长范围即105nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现透射率高低差为15％以内。

此外，2个窄带偏振分离结构(1)和窄带偏振分离结构(2)在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52.5nm的波长范围内，实现第1窄带偏振分离和第2窄带偏振分离。

进而，窄带偏振分离在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52nm以上(52.5nm)的波长范围内，实现P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts为Tp>Ts、且Tp与Ts之差为30％以上的偏振分离特性。

进而，以组合19层的多层膜而得到的结构，呈现图14的入射角35°～60°的分光特性。这样，在波长430nm～850nm的波长范围内，在35°～60°的宽角度中得到偏振分离特性。

此外，图51中示出与一对两侧的透光性基板相接的多层膜构造中的分别从透光性基板侧起4层的平均折射率。在本实施例中，可知相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

(实施例4)

接着，对实施例4进行说明。与上述各实施例重复的部分省略说明。

图19是示出实施例4的偏振分离元件的层结构的表。在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。如图19所示，本实施例的偏振分离元件在透光性基板上具有交替层叠作为低折射率物质的SiO₂(折射率nL＝1.47)和作为高折射率物质的Ta₂O₅(折射率nH＝2.24)而成的多层膜，是交替层叠的19层的偏振分离膜结构。

作为高折射率物质的Ta₂O₅从图19所示的上侧的透光性基板侧起依次被配置于第1、第3、第5、第7、第9、第11、第13、第15层、第17和第19层。作为低折射率物质的SiO₂被配置于第2、第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16层和第18层。

图20是示出实施例4的偏振分离元件的透射率特性的图。

图21是示出实施例4的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图22是示出实施例4的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图23是示出实施例4的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

图24是示出实施例4的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(3)的透射率特性的图。

在实施例4中，关于宽带偏振分离结构的各结构，

在波长430nm～850nm的1/2的波长范围即210nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上，

在波长430nm～850nm的1/4的波长范围即105nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现透射率高低差为15％以内。

此外，2个窄带偏振分离结构(1)和窄带偏振分离结构(2)在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52.5nm的波长范围，实现第1窄带偏振分离和第2窄带偏振分离。

进而，窄带偏振分离在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52nm以上(52.5nm)的波长范围，实现P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts为Tp>Ts、且Tp与Ts之差为30％以上的偏振分离特性。

进而，以组合19层的多层膜而得结构，呈现图20的入射角35°～55°的分光特性。这样，在波长430nm～850nm的波长范围内，在35°～55°的宽角度中得到偏振分离特性。

此外，图51中示出与一对两侧的透光性基板相接的多层膜构造中的分别从透光性基板侧起4层的平均折射率。在本实施例中，可知相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

(实施例5)

接着，对实施例5进行说明。与上述各实施例重复的部分省略说明。

图25是示出实施例5的偏振分离元件的层结构的表。在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。如图25所示，本实施例的偏振分离元件在透光性基板上具有交替层叠作为低折射率物质的SiO₂(折射率nL＝1.47)和作为高折射率物质的Ta₂O₅(折射率nH＝2.24)而成的多层膜，是交替层叠的19层的偏振分离膜结构。

作为高折射率物质的Ta₂O₅从图25所示的上侧的透光性基板侧起依次被配置于第1、第3、第5、第7、第9、第11、第13、第15层、第17和第19层。作为低折射率物质的SiO₂被配置于第2、第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16层和第18层。

图26是示出实施例5的偏振分离元件的透射率特性的图。

图27是示出实施例5的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图28是示出实施例5的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图29是示出实施例5的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

图30是示出实施例5的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(3)的透射率特性的图。

在实施例5中，关于宽带偏振分离结构的各结构，

在波长430nm～850nm的1/2的波长范围即210nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上，

在波长430nm～850nm的1/4的波长范围即105nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现透射率高低差为15％以内。

此外，2个窄带偏振分离结构(1)和窄带偏振分离结构(2)在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52.5nm的波长范围内，实现第1窄带偏振分离和第2窄带偏振分离。

进而，窄带偏振分离在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52nm以上(52.5nm)的波长范围内，实现P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts为Tp>Ts、且Tp与Ts之差为30％以上的偏振分离特性。

进而，以组合19层的多层膜而得结构，呈现图26的入射角35°～60°的分光特性。这样，在波长430nm～850nm的波长范围内，在35°～60°的宽角度中得到偏振分离特性。

此外，图51中示出与一对两侧的透光性基板相接的多层膜构造中的分别从透光性基板侧起4层的平均折射率。在本实施例中，可知相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

(实施例6)

接着，对实施例6进行说明。与上述各实施例重复的部分省略说明。

图31是示出实施例6的偏振分离元件的层结构的表。在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。如图31所示，本实施例的偏振分离元件在透光性基板上具有交替层叠作为低折射率物质的SiO₂(折射率nL＝1.47)和作为高折射率物质的TiO₂(折射率nH＝2.54)而成的多层膜，是交替层叠的19层的偏振分离膜结构。

作为高折射率物质的TiO₂从图31所示的上侧的透光性基板侧起依次被配置于第1、第3、第5、第7、第9、第11、第13、第15层、第17和第19层。作为低折射率物质的SiO₂被配置于第2、第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16层和第18层。

图32是示出实施例6的偏振分离元件的透射率特性的图。

图33是示出实施例6的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图34是示出实施例6的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图35是示出实施例6的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

图36是示出实施例6的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(3)的透射率特性的图。

在实施例6中，关于宽带偏振分离结构的各结构，

在波长430nm～850nm的1/2的波长范围即210nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上，

在波长430nm～850nm的1/4的波长范围即105nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现透射率高低差为15％以内。

此外，2个窄带偏振分离结构(1)和窄带偏振分离结构(2)在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52.5nm的波长范围内，实现第1窄带偏振分离和第2窄带偏振分离。

进而，窄带偏振分离在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52nm以上(52.5nm)的波长范围内，实现P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts为Tp>Ts、且Tp与Ts之差为30％以上的偏振分离特性。

进而，以组合19层的多层膜而得到的结构，呈现图32的入射角35°～60°的分光特性。这样，在波长430nm～850nm的波长范围内，在35°～60°的宽角度中得到偏振分离特性。

此外，图51中示出与一对两侧的透光性基板相接的多层膜构造中的分别从透光性基板侧起4层的平均折射率。在本实施例中，可知相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

(实施例7)

接着，对实施例7进行说明。与上述各实施例重复的部分省略说明。

图37是示出实施例7的偏振分离元件的层结构的表。在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。如图37所示，本实施例的偏振分离元件在透光性基板上具有交替层叠作为低折射率物质的SiO₂(折射率nL＝1.47)和作为高折射率物质的Ta₂O₅(折射率nH＝2.24)而成的多层膜，是交替层叠的23层的偏振分离膜结构。

作为高折射率物质的Ta₂O₅从图37所示的上侧的透光性基板侧起依次被配置于第1、第3、第5、第7、第9、第11、第13、第15层、第17、第19层、第21层和第23层。作为低折射率物质的SiO₂被配置于第2、第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16层、第18层、第20层和第22层。

图38是示出实施例7的偏振分离元件的透射率特性的图。

图39是示出实施例7的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图40是示出实施例7的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图41是示出实施例7的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

图42是示出实施例7的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(3)的透射率特性的图。

图43是示出实施例7的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

在实施例7中，关于宽带偏振分离结构的各结构，

在波长430nm～850nm的1/2的波长范围即210nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上，

在波长430nm～850nm的1/4的波长范围即105nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现透射率高低差为15％以内。

此外，2个窄带偏振分离结构(1)和窄带偏振分离结构(2)在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52.5nm的波长范围内，实现第1窄带偏振分离和第2窄带偏振分离。

进而，窄带偏振分离在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52nm以上(52.5nm)的波长范围内，实现P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts为Tp>Ts、且Tp与Ts之差为30％以上的偏振分离特性。

进而，以组合23层的多层膜而得到的结构，呈现图38的入射角35°～60°的分光特性。这样，在波长430nm～850nm的波长范围内，在35°～60°的宽角度中得到偏振分离特性。

此外，图51中示出与一对两侧的透光性基板相接的多层膜构造中的分别从透光性基板侧起4层的平均折射率。在本实施例中，可知相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

(实施例8)

接着，对实施例8进行说明。与上述各实施例重复的部分省略说明。

图44是示出实施例8的偏振分离元件的层结构的表。在设参照波长为λ时，光学膜厚表示为λ/4＝1.0(QWOT)。如图44所示，本实施例的偏振分离元件在透光性基板上具有交替层叠作为低折射率物质的SiO₂(折射率nL＝1.47)和作为高折射率物质的Ta₂O₅(折射率nH＝2.24)而成的多层膜，是交替层叠的23层的偏振分离膜结构。

作为高折射率物质的Ta₂O₅从图44所示的上侧的透光性基板侧起依次被配置于第1、第3、第5、第7、第9、第11、第13、第15层、第17、第19层、第21层和第23层。作为低折射率物质的SiO₂被配置于第2、第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16层、第18层、第20层和第22层。

图45是示出实施例8的偏振分离元件的透射率特性的图。

图46是示出实施例8的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图47是示出实施例8的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(1)的透射率特性的图。

图48是示出实施例8的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

图49是示出实施例8的偏振分离元件的窄带偏振分离结构(3)的透射率特性的图。

图49是示出实施例8的偏振分离元件的宽带偏振分离结构(2)的透射率特性的图。

在实施例8中，关于宽带偏振分离结构的各结构，

在波长430nm～850nm的1/2的波长范围即210nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上，

在波长430nm～850nm的1/4的波长范围即105nm的波长范围以上，宽带偏振分离结构实现透射率高低差为15％以内。

此外，2个窄带偏振分离结构(1)和窄带偏振分离结构(2)在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52.5nm的波长范围内，实现第1窄带偏振分离和第2窄带偏振分离。

进而，窄带偏振分离在波长430nm～850nm的1/8的波长范围即52nm以上(52.5nm)的波长范围内，实现P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts为Tp>Ts、且Tp与Ts之差为30％以上的偏振分离特性。

进而，以组合23层的多层膜而得到的结构，呈现图45的入射角35°～60°的分光特性。这样，在波长430nm～850nm的波长范围内，在35°～60°的宽角度中得到偏振分离特性。

此外，图51中示出与一对两侧的透光性基板相接的多层膜构造中的分别从透光性基板侧起4层的平均折射率。在本实施例中，可知相对于透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

另外，在实施例7、8中，在与2枚透光性基板(第1基材和第2基材)分别相接的位置构成宽带偏振分离膜结构。

下面，表1示出实施例1-8中的波段宽度。

表2是示出如下情况的数值例：电介质交替层叠构造至少在1/4的波长区间范围内具有宽带偏振分离膜结构，该宽带偏振分离膜结构呈P偏振光的透射率的透射率高低差TTp和S偏振光的透射率的透射率高低差TTs分别至少为15％以内的分光特性。

表3是示出如下情况的数值例：电介质交替层叠构造在波长区间全部范围的波长范围内包含的、比波长范围窄的第1波长范围内具有窄带偏振分离膜结构，该窄带偏振分离膜结构至少在波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率Tp和S偏振光的透射率Ts至少相差30％以上的分光特性。

表4是示出如下情况的数值例：电介质交替层叠构造具有宽带偏振分离膜结构，该宽带偏振分离膜结构至少在波长区间全部范围中的1/2的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率Tp与S偏振光的透射率Ts之差相差10％以上的分光特性。

[表1]

单位nm

这里，窄带(3)的“()”表记的部分是A1-A2的范围外。

[表2]

单位nm

每隔λ/4的最大最小差为“15％以内”的范围

[表3]

单位nm

各窄带波长范围内的“相差30％以上”的波长范围

[表4]

单位nm

各宽带波长范围内的“相差10％以上”的波长范围

(棱镜元件)

接着，对具有上述各实施例的偏振分离元件的棱镜元件进行说明。图52是示出具有各实施例的偏振分离元件的棱镜元件100的结构的图。

棱镜元件100由棱镜部101、λ/4板101c、反射用反射镜101b、摄像元件102a、102b构成。棱镜部101还由棱镜101a和101d构成。

这里，在棱镜101a与棱镜101d之间的斜面形成有上述各实施例的偏振分离元件101e。

从附图左方入射到棱镜101a的光中的P偏振光透射过偏振分离元件101e，在棱镜斜面反射后入射到摄像元件102b。

与此相对，从附图左方入射到棱镜101a的光中的S偏振光在偏振分离元件101e朝向反射用反射镜101b的方向反射。在反射用反射镜101b反射后的光往复2次透射过λ/4板101c，偏振方向被转换为P偏振。P偏振光透射过偏振分离元件101e，入射到摄像元件102a。

由此，发挥如下效果：在将入射光分割成2个光路的元件中，在较宽的波长区域中，得到通过简单的多层膜(层叠膜)来应对宽度较宽的入射角度的良好特性。

(光学系统)

接着，对具有上述各实施例的偏振分离元件的光学系统进行说明。图53是示出实施例9的光学系统的结构的图。本实施方式是内窥镜用的光学系统。

如图53所示，本实施方式的内窥镜201具有：物镜光学系统203，其配置于被插入到被检体内的插入部202内；光路分割部204，其将由物镜光学系统203会聚的光分割成2个光路；摄像元件205，其同时对由光路分割部204分割后的光进行摄像而取得2个图像；以及眩光光圈(遮蔽部)206，其切去摄像元件205上成像的2个光学像的一部分。

如图53所示，物镜光学系统203从物体侧起依次具有负透镜组207和正透镜组208，该负透镜组207具有平面朝向物体侧的平凹负透镜207a。从较宽的视野范围通过负透镜组207折射的光通过正透镜组208会聚后，朝向后级的光路分割部204而输出。

光路分割部204是组合大小2个三角棱镜209、210、反射镜211、λ/4板212而构成的。第1棱镜209具有与物镜光学系统203的光轴垂直的第1面209a、相对于光轴成45°的角度的第2面209b、以及与光轴平行的第3面209c。第2棱镜210具有相对于物镜光学系统203的光轴成45°的角度的第1面210a和第2面210b、以及与光轴平行的第3面210c。第2棱镜210的第1面210a和第2面210b相互垂直。

第1棱镜209的第1面209a构成使从物镜光学系统203入射的光束入射的入射面。第1棱镜209的第2面209b和第2棱镜210的第1面210a在中间夹着偏转分离膜(图示省略)以没有间隙的方式紧密贴合，由此构成偏振分离面。第2棱镜210的第2面210b构成使在光轴方向上行进的光在第2棱镜210内偏转90°的偏转面。

反射镜211被配置为在与第1棱镜209的第3面209c之间夹着λ/4板212。由此，从物镜光学系统203射出的光束从第1棱镜209的第1面209a入射到第1棱镜209内后，在配置有偏转分离膜的偏振分离面(209b、210a)分离成P偏振光(透射光)和S偏振光(反射光)。

偏振分离面(209b、210a)中的反射光从第1棱镜209的第3面209c透射过λ/4板212，在反射镜211以180°折返的方式偏转，再次透射过λ/4板212，由此使偏振方向旋转90°，本次透射过偏振分离膜而从第2棱镜210的第3面210c向外部射出。另一方面，偏振分离面(209b、210a)中的透射光在第2棱镜210内行进，在第2棱镜210的第2面210b偏转90°，从第2棱镜210的第3面210c向外部射出。

从第1棱镜209的第1面209a入射到第1棱镜209内之后到从第2棱镜210的第3面210c射出为止的、在分割后的2个光路中行进的光的光路长度具有些许的、例如数μm～数十μm程度的光路长度差d。由此，入射到与第2棱镜210的第3面210c对置配置的摄像元件205的2个光束形成的光学像的焦点位置稍微不同。

摄像元件205具有与第2棱镜210的第3面210c平行且隔开间隔对置的摄像面205a，使从第2棱镜210的第3面210c射出来的2个光束同时入射。即，摄像元件205在摄像元件205的全部像素区域中具有2个矩形状的受光区域(有效像素区域)，以同时对焦点位置不同的2个光学像进行摄像。

由此，发挥如下效果：在将内窥镜用的入射光分割成2个光路的光学系统中，在较宽的波长区域中，得到通过简单的多层膜(层叠膜)来应对宽度较宽的入射角度的良好特性。

(光学设备)

接着，对具有上述各实施例的偏振分离元件的光学设备进行说明。图54是示出实施例10的光学设备即内窥镜系统的结构的图。此外，图55是示出内窥镜系统的偏振分束器的图。本内窥镜系统具有上述内窥镜用的物镜光学系统。

如图54所示，本实施方式的内窥镜系统301具有被插入到被检体内的内窥镜302、向内窥镜302供给照明光的光源装置303、对由设置于内窥镜302的摄像元件取得的图像信号进行图像处理的处理器装置304、以及显示由处理器装置304进行规定的图像处理后的图像信号作为内窥镜图像的图像显示装置305。

内窥镜302具有被插入到被检体内的细长的插入部306、设置于插入部306的后端的操作部307、以及从操作部307延伸出的第1缆线308，在第1缆线308贯穿插入有传输照明光的光导309。

在内窥镜302的插入部306的前端部306a设置有对从光导309射出的照明光进行扩散的照明透镜315、取得被摄体像的物镜光学系统316、对被摄体像进行摄像的摄像单元319a。第1缆线308的端部的光导连接器308a以拆装自如的方式与光源装置303连接，以使得贯穿插入于第1缆线308中的光导309的后端部成为照明光的入射端。

光源装置303例如内置有氙灯等灯311作为光源。另外，作为光源，不限于氙灯等灯311，也可以使用发光二极管(简记为LED)。

由灯311产生的白色光在被光圈312调整通过光量后，通过聚光透镜313会聚，入射(供给)到光导309的入射端面。另外，关于光圈312，通过光圈驱动部314使光圈312的开口量可变。

光导309将从光源装置303入射到入射端(后端侧)的照明光引导至插入部306的前端部306a侧。被引导至前端部306a的照明光通过配置于前端部306a的前端面的照明透镜315从光导309的出射端(前端侧)扩散，经由照明窗315a射出，对被检体内部的观察对象部位进行照明。

被照明的观察对象部位通过安装于观察窗320的物镜光学系统316，在配置于其后方侧的摄像元件317(图55)形成被摄体像，该观察窗320与前端部306a的照明窗315a相邻设置。

物镜光学系统316具有由多个光学元件构成的光学元件组316a、使焦距或焦点选择性地对准远方观察和接近观察这2个观察区域的作为焦点切换机构的对焦透镜321、以及驱动对焦透镜321的致动器322。

摄像单元319a具有设置于物镜光学系统316的插入部306的后端部侧且将被摄体像分割成焦点不同的2个光学像的偏振分束器319、以及对2个光学像进行摄像而取得2个图像的摄像元件317。

如图55所示，偏振分束器319具有第1棱镜318a、第2棱镜318b、反射镜318c和λ/4板318d。第1棱镜318a和第2棱镜318b均具有相对于光轴成45度斜度的分束面，在第1棱镜318a的分束面设置有偏振分离膜318e。而且，第1棱镜318a和第2棱镜318b使彼此的分束面隔着上述各实施例的偏振分离膜318e抵接，构成偏振分束器319。此外，反射镜318c隔着λ/4板318d设置于第1棱镜318a的端面附近，在第2棱镜318b的端面安装有摄像元件317。

来自物镜光学系统316的被摄体像被第1棱镜318a中设置于分束面的偏振分离膜318e分离成P偏振分量(透射光)和S偏振分量(反射光)，被分离成反射光侧的光学像和透射光侧的光学像这2个光学像。

S偏振分量的光学像在偏振分离膜318e相对于摄像元件317向对面侧反射而通过A光路，透射过λ/4板318d后，在反射镜318c向摄像元件317侧折返。折返后的光学像再次透射过λ/4板318d，由此，偏振方向旋转90°，透射过偏振分离膜318e，在摄像元件317中成像。

P偏振分量的光学像透射过偏振分离膜318e而通过B光路，被反射镜面反射，在摄像元件317中成像，该反射镜设置于第2棱镜318b的与分束面相反的一侧，且使该光学像朝向摄像元件317垂直折返的。此时，在A光路和B光路中，例如设定棱镜玻璃路以产生数十μm程度的规定的光路差，使焦点不同的2个光学像形成在摄像元件317的受光面上。

即，将第1棱镜318a和第2棱镜318b配置成，相对于第1棱镜318a中的到达摄像元件317的透射光侧的光路长度(玻璃路长度)，反射光侧的光路长度较短(较小)，以能够将被摄体像分离成焦点位置不同的2个光学像。

关于摄像元件317，在摄像元件317的全部像素区域中设置有2个受光区域(有效像素区域)，以分别单独接收焦点位置不同的2个光学像的方式来进行摄像。2个受光区域被配置成与这些光学像的成像面分别一致，以对2个光学像进行摄像。而且，在摄像元件317中，一个受光区域的焦点位置相对于另一个受光区域的焦点位置相对地向近点侧移位(偏移)，另一个受光区域的焦点位置相对于一个受光区域的焦点位置相对地向远点侧移位。由此，使焦点不同的2个光学像在摄像元件317的受光面上成像。

另外，通过使第1棱镜318a和第2棱镜318b这两者的折射率不同，也可以改变到达摄像元件317为止的光路长度，使针对2个受光区域的焦点位置相对偏移。

此外，在摄像元件317的受光区域的周围设置有用于对分割成2个的光学像的几何学偏差进行校正的校正像素区域。在校正像素区域内抑制制造上的误差，利用后述图像校正处理部332进行基于图像处理的校正，由此消除上述光学像的几何学偏差。

对焦透镜321能够在光轴方向上的2个位置移动，通过致动器322进行驱动，以使得在2个位置之间从一个位置向另一个位置移动，从另一个位置向一个位置移动。在将对焦透镜321设定在前方侧(物体侧)的位置的状态下，设定成焦点对准进行远方观察时的观察区域的被摄体，在将对焦透镜321设定在后方侧的位置的状态下，设定成焦点对准进行接近观察时的观察区域的被摄体。

另外，致动器322与被贯穿插入到插入部306内的信号线323连接，该信号线323还贯穿插入到从操作部307延伸出的第2缆线324内。该第2缆线324的端部的信号连接器324a以拆装自如的方式与处理器装置304连接，上述信号线323与设置于处理器装置304内的致动器控制部325连接。

该致动器控制部325例如还被输入来自切换操作开关326的切换操作信号，该切换操作开关326设置于内窥镜302的操作部307。致动器控制部325根据切换操作开关326的操作施加以电气方式驱动致动器322的驱动信号，移动对焦透镜321。

另外，产生切换操作信号的切换操作部不限于切换操作开关326，也可以是切换操作杆等。通过上述对焦透镜321、致动器322、致动器控制部325形成焦点切换机构。但是，本实施方式中的对焦部不限于使对焦透镜在所述光轴方向上移动的单元。例如，也可以是相对于物镜光学系统插拔透镜或滤光片来切换对焦的单元。

摄像元件317与被贯穿插入到插入部306、操作部307、第2缆线324内的信号线327a连接，信号连接器324a与处理器装置304连接，由此与设置于处理器装置304内的作为图像处理部的图像处理器330连接。

图像处理器330具有：图像读出部331，其分别读出由摄像元件317进行摄像而得到的焦点位置不同的2个光学像的图像的；图像校正处理部332，其对由图像读出部331读出的2个图像进行图像校正；以及图像合成处理部333，其进行对校正后的2个图像进行合成的图像合成处理。

图像校正处理部332对摄像元件317的2个受光区域中分别成像的2个光学像的图像进行校正，以使得彼此的焦点以外的差异大致相同。即，对2个图像进行校正，以使得2个图像的各光学像中的相对位置、角度和倍率大致相同。

在将被摄体像分离成2个而在摄像元件317中分别成像的情况下，有时产生几何学差异。即，在摄像元件317的2个受光区域中分别成像的各个光学像有时相对地产生倍率偏差、位置偏差、角度即旋转方向的偏差等。在制造时等很难完全消除这些差异，但是，当它们的偏差量较大时，合成图像成为双重图像，或者产生不自然的明亮度不均等。因此，利用图像校正处理部332对上述几何学差异、明亮度差异进行校正。

图像合成处理部333在由图像校正处理部332校正后的2个图像之间的对应的规定区域中，选择对比度相对较高的图像而生成合成图像。即，对2个图像中的空间上相同的像素区域各自的对比度进行比较，选择对比度相对较高的像素区域，生成作为根据2个图像合成后的一个图像的合成图像。另外，在2个图像的相同像素区域中的对比度差较小或对比度大致相同的情况下，通过对该像素区域进行规定的加权相加的合成图像处理，生成合成图像。

此外，图像处理器330具有：后级图像处理部334，其对由图像合成处理部333合成后的一个图像进行颜色矩阵处理、轮廓强调、伽马校正等后级图像处理；以及图像输出部335，其输出进行后级图像处理后的图像，从图像输出部335输出的图像被输出到图像显示装置305。

进而，该图像处理器330具有调光部336，该调光部336根据由图像读出部331读出的图像生成用于调光成基准明亮度的调光信号，该图像处理器330将由调光部336生成的调光信号输出到光源装置303的光圈驱动部314。光圈驱动部314按照调光信号对光圈312的开口量进行调整，以维持基准明亮度。

此外，在本实施方式中，在图像校正处理部332中设置有校正参数存储部337，该校正参数存储部337存储有对图像进行校正时使用的校正参数(的信息)。

在内窥镜302中具有ID存储器338，该ID存储器338存储有该内窥镜302固有的内窥镜识别信息(内窥镜ID)，并且，在该内窥镜302中存在应该校正的固有的校正参数的情况下，设置有校正参数存储部337，该校正参数存储部337存储有与该内窥镜302对应的校正参数。

这里，关于校正参数，例如，由于光路分割元件和摄像元件的遮蔽特性、λ/4板的波长特性，有时在2个光学像的图像中产生上述几何学差异、明亮度的差异或颜色的差异。当2个图像之间存在这种差异时，在合成图像中产生不自然的明亮度不均或颜色不均，因此，为了对其进行校正，考虑光路分割元件、摄像元件、λ/4板的特性来决定校正参数。

另外，图像校正处理部332也可以从校正参数存储部337接受预先设定的校正参数来进行校正。例如，能够设为在工厂出厂时，预先在校正参数存储部337中设定其偏差量，在内窥镜302与图像处理器330连接时，识别到连接了内窥镜302，而从校正参数存储部337调出对应的校正参数来进行校正。

另外，在不存在应该校正的固有的校正参数的情况下，不需要设置校正参数存储部337。此外，不限于将校正参数存储部337设置于ID存储器338的内部的情况，也可以设置于与ID存储器338不同的存储器中。

然后，图像处理器330的控制部339利用设置于内窥镜302侧的内窥镜ID识别有无校正，在存在校正的情况下，从内窥镜302侧存储的ID存储器338内的校正参数存储部337读取校正参数，将该校正参数送到图像校正处理部332。

图像校正处理部332根据从控制部339转送的校正参数，进行与搭载于各内窥镜302的摄像单元319a对应的图像校正。

此外，图像校正处理部332使用校正参数，将2个像或图像中的一方作为基准像或基准图像进行上述倍率的差异的校正、位置的差异的校正等图像的校正。例如，在2个图像中产生倍率偏差的情况下，有时是由于物镜光学系统316的规格而引起的。

在要使物镜光学系统316的尺寸比较小的情况下，有时破坏远心性而进行使针对摄像元件317的光线倾斜入射这样的设计。例如，进行如下设计：将与光轴所成的角作为入射角，当设顺时针为正、逆时针为负时，成为负的入射角。

当在这种破坏了远心性的物镜光学系统中使焦点位置偏移时，在2个图像之间将产生倍率偏差。

如果是这种设计上的规格，则设为预先在校正参数存储部337中存储其偏差量，在对象的内窥镜302与处理器装置304连接的情况下，识别该内窥镜302，而从校正参数存储部337调出对应的校正参数来进行校正。

在摄像单元319a的组装时，有时2个图像的相对像素位置微小地偏差。该情况下，设为将制造时的偏差量存储在校正参数存储部337中，利用图像校正处理部332进行该偏差校正。在位置的偏差校正中，例如进行如下处理：对2个图像的读出位置进行修正，以使得摄像元件317的一个受光区域中进行摄像而得到的图像和另一个受光区域中进行摄像而得到的图像的相对位置一致，在对位置偏差进行校正后，将其输出到图像合成处理部333。

另外，可以代替本实施方式中的基于预先设定的校正参数进行校正，而在内窥镜使用时，通过额外准备的调整用基准图表进行校正。例如，也可以设为将基准图表配置于内窥镜302的前端部306a的期望位置，利用图像校正处理部332读取2个图像相对于基准图表的偏差，进行该偏差校正。

由此，发挥如下效果：在内窥镜系统中，在较宽的波长区域中，得到通过简单的多层膜(层叠膜)来应对宽度较宽的入射角度的良好特性的2个图像，对这2个图像进行合成，能够取得景深较大的图像。

另外，上述偏振分离元件也可以同时满足多个结构。这在得到良好的偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备的方面是优选的。

以上说明了本发明的各种实施方式，但是，本发明不限于这些实施方式，在不脱离其主旨的范围内适当组合这些实施方式的结构而构成的实施方式也成为本发明的范畴。

产业上的可利用性

如上所述，本发明在通过简单的多层膜(层叠膜)来应对宽度较宽的入射角度而不需要双折射层构造的偏振分离元件、偏振分离元件设计方法、光学系统和光学设备中是有用的。

标号说明

100：棱镜元件；101：棱镜部；101c：λ/4板；101b：反射用反射镜；102a、102b：摄像元件；101a、101d：棱镜；101e：偏振分离元件；201：内窥镜；202：插入部；203：物镜光学系统；204：光路分割部；205：摄像元件；205a：摄像面；206：眩光光圈(遮蔽部)；207：负透镜组；208：正透镜组；209b：第2面(偏振分离面)；210a：第1面(偏振分离面)；210b：第2面(偏转面)；211：反射镜；212：λ/4板；301：内窥镜系统；302：内窥镜；303：光源装置；304：处理器装置；305：图像显示装置；306：插入部；316：物镜光学系统；317：摄像元件；318a：第1棱镜；318b：第2棱镜；318c：反射镜；318d：λ/4板；318e：偏振分离膜；319：偏振分束器；319a：摄像单元；330：图像处理部(图像处理器)；332：图像校正处理部；333：图像合成处理部。

Claims (15)

1.一种偏振分离元件，其形成于一对透光性基板之间，且在波长A1(nm)～波长A2(nm)的波长区间全部范围内，使P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差B％以上，其特征在于，

其中，针对设计波长λ(nm)，

A1＝λ×0.86

A2＝λ×1.7

B(％)＝22.5

所述偏振分离元件具有电介质交替层叠构造，该电介质交替层叠构造是交替层叠具有第1折射率的第1电介质和具有比所述第1折射率低的第2折射率的第2电介质而得到的，

所述电介质交替层叠构造至少在所述波长A1(nm)～所述波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/4的波长区间范围内具有宽带偏振分离膜结构，该宽带偏振分离膜结构呈P偏振光的透射率的透射率高低差和S偏振光的透射率的透射率高低差分别最大为15％以内的分光特性，

并且，所述电介质交替层叠构造在所述波长区间全部范围的波长范围内包含的、比所述波长范围窄的第1波长范围内具有第1窄带偏振分离膜结构，该第1窄带偏振分离膜结构至少在所述波长A1(nm)～所述波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差30％以上的分光特性，

并且，所述电介质交替层叠构造在所述波长区间全部范围的波长范围内包含的、比所述波长范围窄且不与所述第1波长范围重合的第2波长范围内，至少具有第2窄带偏振分离膜结构，该第2窄带偏振分离膜结构至少在所述波长A1(nm)～所述波长A2(nm)的所述波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差30％以上的分光特性。

2.根据权利要求1所述的偏振分离元件，其特征在于，

在所述偏振分离元件中，所述宽带偏振分离膜结构在第1宽带偏振分离膜结构和第2宽带偏振分离膜结构这2个宽带偏振分离膜结构以内构成为：从所述透光性基板起依次为所述第1电介质、所述第2电介质、所述第1电介质、所述第2电介质，所述第1电介质的膜厚和所述第2电介质的膜厚满足以下的式(1)，

所述第1电介质的膜厚(0.24±a1)×d

所述第2电介质的膜厚(0.8±a2)×e

所述第1电介质的膜厚(0.45±a3)×f

所述第2电介质的膜厚(3.3±a4)×g (1)

其中，

系数a1＝0.15

系数a2＝0.2

系数a3＝0.2

系数a4＝0.6

关于所述第1宽带偏振分离膜结构，系数d＝1，关于所述第2宽带偏振分离膜结构，系数d＝1.2～1.5，

关于所述第1宽带偏振分离膜结构，系数e＝1，关于所述第2宽带偏振分离膜结构，系数e＝0.9～1.2，

关于所述第1宽带偏振分离膜结构，系数f＝1，关于所述第2宽带偏振分离膜结构，系数f＝0.4～0.8，

关于所述第1宽带偏振分离膜结构，系数g＝1，关于所述第2宽带偏振分离膜结构，系数g＝0.6～0.95，

此外，在所述第2宽带偏振分离膜结构以后的所述宽带偏振分离膜结构中，不会成为d＝e＝f＝g，

计算值是光学膜厚(QWOT)。

3.根据权利要求1所述的偏振分离元件，其特征在于，

所述第1窄带偏振分离膜结构和所述第2窄带偏振分离膜结构分别具有如下结构：从所述透光性基板侧起依次层叠有所述第1电介质、所述第2电介质、所述第1电介质、所述第2电介质、所述第1电介质；或者从所述透光性基板侧起依次层叠有所述第2电介质、所述第1电介质、所述第2电介质、所述第1电介质、所述第2电介质，

所述第1电介质的膜厚和所述第2电介质的膜厚满足以下的式(2-1)或(2-2)，

所述第1电介质的膜厚(1.975±b1)×h

所述第2电介质的膜厚(1.975±b2)×i

所述第1电介质的膜厚(1.825±b3)×j

所述第2电介质的膜厚(1.675±b4)×k

所述第1电介质的膜厚(1.675±b5)×l………(2-1)

其中，

系数b1＝0.4

系数b2＝0.4

系数b3＝0.3

系数b4＝0.3

系数b5＝0.3

以及

所述第2电介质的膜厚(1.975±b1)×h

所述第1电介质的膜厚(1.975±b2)×i

所述第2电介质的膜厚(1.825±b3)×j

所述第1电介质的膜厚(1.675±b4)×k

所述第2电介质的膜厚(1.675±b5)×l………(2-2)

其中，

系数b1＝0.4

系数b2＝0.4

系数b3＝0.3

系数b4＝0.3

系数b5＝0.3

关于所述第1窄带偏振分离膜结构，系数h＝1，关于所述第2窄带偏振分离膜结构，系数h＝0.37±0.05，

关于所述第1窄带偏振分离膜结构，系数i＝1，关于所述第2窄带偏振分离膜结构，系数i＝0.46±0.11，

关于所述第1窄带偏振分离膜结构，系数j＝1，关于所述第2窄带偏振分离膜结构，系数j＝0.46±0.2，

关于所述第1窄带偏振分离膜结构，系数k＝1，关于所述第2窄带偏振分离膜结构，系数k＝0.42±0.16，

关于所述第1窄带偏振分离膜结构，系数l＝1，关于所述第2窄带偏振分离膜结构，系数l＝0.28±0.1，

计算值是光学膜厚(QWOT)，

在所述第2宽带偏振分离膜结构以后的所述窄带偏振分离膜结构中，不会成为h＝i＝j＝k＝l。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的偏振分离元件，其特征在于，

所述偏振分离元件具有与所述第1窄带偏振分离膜结构和所述第2窄带偏振分离膜结构不同的第3窄带偏振分离膜结构。

5.根据权利要求1所述的偏振分离元件，其特征在于，

与配置于所述电介质交替层叠构造的两端的一对所述透光性基板相接的偏振分离膜结构中的、分别从所述透光性基板侧起4层的平均折射率相对于所述透光性基板的折射率进入±0.2的范围。

6.根据权利要求1或2所述的偏振分离元件，其特征在于，

所述宽带偏振分离膜结构针对要使用的入射角度范围的最大值，至少在所述波长A1(nm)～所述波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/2的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为10％以上的波长范围，

并且，所述宽带偏振分离膜结构在要使用的入射角度范围中，至少在所述波长A1(nm)～所述波长A2(nm)的波长区间全部范围中的1/4的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率高低差和S偏振光的透射率高低差为15％以内的分光特性，

至少任意的所述窄带偏振分离膜结构在要使用的所述入射角度范围内满足P偏振光的透射率>S偏振光的透射率的关系，

并且，至少在所述波长A1(nm)～所述波长A2(nm)的所述波长区间全部范围中的1/8的波长区间范围内，具有呈现P偏振光的透射率与S偏振光的透射率之差为30％以上的分光特性的波长范围。

7.根据权利要求1～3中的任意一项所述的偏振分离元件，其特征在于，

与所述透光性基板相接的层、所述宽带偏振分离膜结构与任意的所述窄带偏振分离膜结构之间的层、至少所述第1窄带偏振分离膜结构与所述第2窄带偏振分离膜结构彼此之间的层取得匹配。

8.根据权利要求1～3中的任意一项所述的偏振分离元件，其特征在于，

所述透光性基板从无碱玻璃、硼硅酸玻璃、石英玻璃、水晶、晶体材料、半导体基板、合成树脂中选择。

9.根据权利要求1～3中的任意一项所述的偏振分离元件，其特征在于，

所述第1电介质的材料和所述第2电介质的材料分别是TiO、TiO₂、Y₂O₃、Ta₂O₅、ZrO、ZrO₂、Si、SiO₂、HfO₂、Ge、Nb₂O₅、Nb₂O₆、CeO₂、Cef₃、ZnS、ZnO、Fe₂O₃、MgF₂、AlF₃、CaF₂、LiF、Na₃AlF₆、Na₅AL₃F₁₄、Al₂O₃、MgO、LaF、PbF₂、NdF₃、或从它们的混合材料中选择至少2种。

10.根据权利要求1～3中的任意一项所述的偏振分离元件，其特征在于，

所述第1电介质的材料和所述第2电介质的材料的2种以上的电介质层叠的方法采用真空蒸镀、溅射、离子镀的物理膜厚气相生长法、电阻加热蒸镀、电子束加热蒸镀、高频加热蒸镀、激光束加热蒸镀、离子化溅射、离子束溅射、等离子体溅射、离子辅助、自由基辅助溅射中的任意方法。

11.根据权利要求1～3中的任意一项所述的偏振分离元件，其特征在于，

在一对所述透光性基板之间具有如下的所述电介质交替层叠构造，所述电介质交替层叠构造包含所述第1电介质的材料和所述第2电介质的材料且2种以上的电介质层叠，

所述偏振分离元件在最大35～60度的入射角度呈现偏振分离特性。

12.根据权利要求1～3中的任意一项所述的偏振分离元件，其特征在于，

在一对所述透光性基板之间具有如下的所述电介质交替层叠构造，所述电介质交替层叠构造中包含所述第1电介质的材料和所述第2电介质的材料在内的2种以上的电介质层叠，

在一对所述透光性基板的某一个面与所述电介质交替层叠构造之间具有包含粘接剂的粘接层。

13.一种偏振分离元件设计方法，其设计构成于一对透光性基板之间且在规定的波长范围内对P偏振光和S偏振光进行分离的偏振分离元件，其特征在于，所述偏振分离元件设计方法至少具有以下步骤：

设计宽带偏振分离膜结构的宽带偏振分离膜结构设计步骤，该宽带偏振分离膜结构在所述规定的波长范围内包含的第1波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差规定值以上的分光特性；

设计第1窄带偏振分离膜结构的第1窄带偏振分离膜结构设计步骤，该第1窄带偏振分离膜结构在所述第1波长范围内包含的、比所述第1波长范围窄的第2波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差所述规定值以上的分光特性；以及

设计第2窄带偏振分离膜结构的第2窄带偏振分离膜结构设计步骤，该第2窄带偏振分离膜结构在所述第1波长范围内包含的、比所述第1波长范围窄且不与所述第2波长范围重合的第3波长范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差所述规定值以上的分光特性，

其中，所述宽带偏振分离膜结构在至少所述规定的波长范围中的1/2的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率相差10％以上的分光特性，

并且，所述第1窄带偏振分离膜结构在至少所述规定的波长范围中的1/8的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差30％以上的分光特性，

并且，所述第2窄带偏振分离膜结构在至少所述规定的波长范围中的1/8的波长区间范围内，具有P偏振光的透射率和S偏振光的透射率至少相差30％以上的分光特性。

14.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统具有权利要求1～12中的任意一项所述的偏振分离元件。

15.一种光学设备，其特征在于，所述光学设备具有权利要求14所述的光学系统。

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