JP2018004926A - 偏波分離素子、光学系及び光学機器 - Google Patents

偏波分離素子、光学系及び光学機器 Download PDF

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Abstract

【課題】構造複屈折層を必要とせず、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する偏波分離素子、光学系及び光学機器を提供すること。【解決手段】２枚の第１基材と第２基材の間に、相対的に低屈折率物質と高屈折率物質を交互に積層して成る多層膜を有する偏波分離素子であって、低屈折率物質層と低屈折率物質層に隣接する高屈折率物質層の２層をペアで１スタックとし、第１基材より順に、ｎ番目のスタックを第ｎスタックとし、第ｎスタックの低屈折率物質の光学膜厚をＬｎ、第ｎスタックの高屈折率物質の光学膜厚をＨｎとした場合、多層膜の半分以上のスタックが、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする偏波分離素子である。Ｈ１：Ｌ１＝Ｈｎ：Ｌｎ （１）【選択図】図１

Description

本発明は、偏波分離素子、光学系及び光学機器に関するものである。
従来、偏波分離素子は、誘電体多層膜を用いたものが知られている。そして、幅広い入射角度に対応し、誘電体多層膜を用いた構成は、例えば、特許文献１に提案されたものがある。
特開２０１０−１５２３９１号公報
しかしながら、従来の構成では、構造複屈折層を格子方向が直交するように複数層積層する技術である。このため、複雑な積層技術が要求されるという問題点がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構造複屈折層を必要とせず、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する偏波分離素子、光学系及び光学機器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る偏波分離素子は、２枚の第１基材と第２基材の間に、相対的に低屈折率物質と高屈折率物質を交互に積層して成る多層膜を有する偏波分離素子であって、低屈折率物質層と低屈折率物質層に隣接する高屈折率物質層の２層をペアで１スタックとし、第１基材より順に、ｎ番目のスタックを第ｎスタックとし、第ｎスタックの低屈折率物質の光学膜厚をＬｎ、第ｎスタックの高屈折率物質の光学膜厚をＨｎとした場合、多層膜の半分以上のスタックが、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
Ｈ１：Ｌ１＝Ｈｎ：Ｌｎ （１）
本発明は、構造複屈折層を必要とせず、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する偏波分離素子、光学系及び光学機器を提供することができるという効果を奏する。
実施例１に係る偏波分離素子の層構成を示す図である。 実施例１に係る偏波分離素子の透過率特性を示す図である。 実施例１に係る偏波分離素子の透過率特性を示す別の図である。 実施例２に係る偏波分離素子の層構成を示す図である。 実施例２に係る偏波分離素子の透過率特性を示す図である。 実施例２に係る偏波分離素子の透過率特性を示す別の図である。 実施例３に係る偏波分離素子の層構成を示す図である。 実施例３に係る偏波分離素子の透過率特性を示す図である。 実施例３に係る偏波分離素子の透過率特性を示す別の図である。 実施例４に係る偏波分離素子の層構成を示す図である。 実施例４に係る偏波分離素子の透過率特性を示す図である。 実施例４に係る偏波分離素子の透過率特性を示す別の図である。 実施例５に係る偏波分離素子の層構成を示す図である。 実施例５に係る偏波分離素子の透過率特性を示す図である。 実施例５に係る偏波分離素子の透過率特性を示す別の図である。 各実施例に係る偏波分離素子を有するプリズム素子の構成を示す図である。 実施例６に係る光学系の構成を示す図である。 実施例７に係る光学機器の構成を示す図である。 実施例７に係る光学機器の構成を示す別の図である。
以下に、実施形態に係る偏波分離素子、光学系、光学機器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により、この発明が限定されるものではない。
実施形態に係る偏波分離素子は、２枚の第１基材と第２基材の間に、相対的に低屈折率物質と高屈折率物質を交互に積層して成る多層膜を有する偏波分離素子であって、
低屈折率物質層と低屈折率物質層に隣接する高屈折率物質層の２層をペアで１スタックとし、第１基材より順に、ｎ番目のスタックを第ｎスタックとし、第ｎスタックの低屈折率物質の光学膜厚をＬｎ、第ｎスタックの高屈折率物質の光学膜厚をＨｎとした場合、多層膜の半分以上のスタックが、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
Ｈ１：Ｌ１＝Ｈｎ：Ｌｎ （１）
なお、第１基材、第２基材は透光性基材である事が好ましい。例えば、透光性を有する平行平板である。また、第１基材、第２基材は、平板に限られず、反射型プリズム、透過型プリズムなども含まれる。
また、以下適宜、多層膜を積層膜という。
条件式（１）は、半分以上のスタックにおいてＨｎとＬｎの比が一定であることを示している。これにより、スタック単位での振幅の大きさを揃えることができる。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、更に以下の条件式（２ａ）、（２ｂ）を満足する多層膜の複数のスタックを有することが望ましい。
Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ） （２ａ）
Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ） （２ｂ）
但し、
定数ａは１．１〜１．３、
定数ｂは０．３〜０．６、
である。
条件式（２ａ）、（２ｂ）により、条件式（１）による振幅の周期をずらす一つのパターンであり、各特性の波を打ち消し全体の特性を平坦にする意味がある。
特に、後述する実施例の第２、３、４スタックに対応させることが望ましい。実施例では、ａ＝１．２３ 、ｂ＝０．４である。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、更に以下の条件式（３ａ）、（３ｂ）を満足するスタックを有することが望ましい。
Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｃ１ （３ａ）
Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｃ２ （３ｂ）
但し、
定数ｃ１、ｃ２は０．８〜１、
である。
定数ａ、ｂの意義、範囲は上述と同様であるため省略する。
条件式（３ａ）、（３ｂ）は、条件式（１）による振幅の周期をずらす条件式（２ａ）、（２ｂ）とは異なる一つのパターンであり、各特性の波を打ち消し全体の特性を平坦にする意味がある。
特に、後述する実施例の第５スタックに対応させることが望ましい。実施例では、ｃ１、ｃ２＝０．９の場合と、ｃ１＝０．８、ｃ２＝１の場合と、ｃ１＝１、ｃ２＝１の場合である。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、更に以下の条件式（４ａ）、（４ｂ）を満足するスタックを有することが望ましい。
Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｄ１ （４ａ）
Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｄ２ （４ｂ）
但し、
定数ｄ１、ｄ２は０．７以上１．２より小さく、ｄ１≠ｄ２、１．８＜ｄ１＋ｄ２＜２．２、
である。
定数ａ、ｂの意義、範囲は上述と同様であるため省略する。
条件式（４ａ）、（４ｂ）は、条件式（１）による振幅の周期をずらす条件式（２ａ）、（２ｂ）、（３ａ）、（３ｂ）とは異なる一つのパターンであり、各特性の波を打ち消し全体の特性を平坦にする意味がある。
特に、実施例の第６、７スタックに対応させることが望ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、更に以下の条件式（５）を満足するスタックを有することが望ましい。
Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−１）×ｂ） （５）
定数ａ、ｂの意義、範囲は上述と同様であるため省略する。
条件式（５）は、条件式（１）による振幅の周期をずらす条件式（２ａ）、（２ｂ）、（３ａ）、（３ｂ）、（４ａ）、（４ｂ）とは異なる一つのパターンであり、各特性の波を打ち消し全体の特性を平坦にする意味がある。
特に、実施例の第８スタックに対応させることが望ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、多層膜は、第１基材から順に、第１スタック、第２スタック、第３スタック、第４スタック、第５スタック、第６スタック、第７スタック、第８スタックの８つのスタックを有し、
第２スタック、第３スタック、第４スタック、第５スタック、第８スタックは条件式（１）の式を満足し、
第２スタック、第３スタック、第４スタックは以下の条件式（２ａ）、（２ｂ）の式を満足し、
Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ） （２ａ）
Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ） （２ｂ）
但し、ａは１．１〜１．３、ｂは０．３〜０．６であり、
第５スタックは以下の条件式（３ａ）、（３ｂ）の式を満足し、
Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｃ１ （３ａ）
Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｃ２ （３ｂ）
但し、ｃ１、ｃ２は０．８〜１であり、
第６スタック、前記第７スタックは以下の条件式（４ａ）、（４ｂ）の式を満足し、
Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｄ１ （４ａ）
Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｄ２ （４ｂ）
但し、ｄ１、ｄ２は０．7以上１．２より小さく、ｄ１≠ｄ２、１．８＜ｄ１＋ｄ２＜２．２であり、
第８スタックは以下の条件式（５）の式を満足することが望ましい。
Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−１）×ｂ） （５）
これにより、８つのスタックを有する偏波分離素子を得ることができる。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、定数ａは、１．２３であることが望ましい。これにより、より適切な偏波分離素子を得られる。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、第１基材、第２基材と接する層、及び高屈折率物質と低屈折率物質の２種類の誘電体が積層する多層膜構造内に関して、上述の各条件式で規定した比率とは異なる膜厚を有することが望ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、第１基材、第２基材と接する層、及び高屈折率物質と低屈折率物質の２種類の誘電体が積層する多層膜構造内に関して、多層膜構造を形成する２種類の高屈折率物質と低屈折率物質とは異なる別の屈折率を有する他の高屈折率物質と他の低屈折率物質の層を有することが望ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、１対の第１基材、第２基材の間に、高屈折率物質と低屈折率物質の２種類の誘電体が積層する多層膜構造を有し、多層膜構造は、３５〜６０度の入射角度でＰ偏光成分の透過率ＴｐとＳ偏光成分の透過率ＴｓがＴｐ＞Ｔｓの関係で、かつ透過率Ｔｐと透過率Ｔｓの差が３０％以上となることが望ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、１対の第１基材、第２基材の間に、高屈折率物質と低屈折率物質の２種類の誘電体が積層する多層膜構造を有し、多層膜構造は、３５〜６０度の入射角度でＰ偏光成分の透過率ＴｐとＳ偏光成分の透過率ＴｓがＴｐ＞Ｔｓの関係で、かつ透過率Ｔｐと透過率Ｔｓの差が３０％以上となり、さらに透過率Ｔｓ及び透過率Ｔｐそれぞれにおいて、１００ｎｍの波長範囲内における透過率の高低差が３５％以内となる波長範囲が連続して２００ｎｍ以上有することが望ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、１対の第１基材、第２基材の間に、高屈折率物質と低屈折率物質との、２種類以上の誘電体が積層する多層膜構造を有し、１対の第１基材、第２基材のどちらか一方の面と多層膜構造の間に、接合剤を有することが望ましい。
ここで、接合剤は、使用する波長の光を透過するものであれば、紫外線硬化型、熱硬化型の接着剤を使用できる。また、接着剤によらず、いわゆるＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＮＴＡＣＴ（真空接着）による接合でも良い。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、対象光に対し透明な第１基材、第２基材は、光学ガラス、半導体基材、合成樹脂などから選択することが望ましい。例えば無アルカリガラスやホウケイ酸ガラス、石英ガラスや水晶、ＢＳＬ７（商品名、オハラ社製）、Ｔｅｍｐａｘ（商品名、ショット社製）等、その他にサファイア等の結晶材料である。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、高屈折率物質と低屈折率物質の誘電体の材質は、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、あるいはこれらの混合材料の中から、少なくとも２種類以上を選択することが望ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、高屈折率物質と低屈折率物質との、２種類以上の誘電体が積層する方法は、真空蒸着やスパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法（物理膜厚気相成長法）、例えば抵抗加熱蒸着、電子ビーム（ＥＢ）加熱蒸着、高周波加熱蒸着、レーザービーム加熱蒸着、イオン化スパッタ、イオンビームスパッタ、プラズマスパッタ、イオンアシスト、ラジカルアシストスパッタの何れかであることが望ましい。
また、他の実施形態に係る光学系は、上述の偏波分離素子を有することが望ましい。
また、別の実施形態に係る光学機器は、上述の光学系を有することが望ましい。
本実施形態に係る偏波分離素子は、内視鏡用の対物光学系に用いることが好ましい。これに限られず、例えば、顕微鏡用の対物レンズ、カメラ、眼鏡、望遠鏡等のレンズ、プリズム、フィルタにも適用することが出来る。本実施形態に係る光学機器は、例えば、これらの光学機器であり、本実施形態に係る光学系は、例えば、これらの光学機器が有する光学系である。
ここで、上記各条件式を正確に満足する必要はなく、偏波分離素子に要求される性能と製造誤差を鑑み、本発明の実施者は適宜許容誤差を設定できるのは言うまでも無い。例えば、発明者の試算によれば、５％の誤差でも実用可能であり、３％の誤差なら良好な特性が得られた。しかしながら、特に精密性を要求される場合には、１％以内の誤差が好ましい。
（実施例１）
図１は、実施例１に係る偏波分離素子の層構成を示す表である。光学膜厚は、参照波長をλとしたとき、λ／４＝１．０（ＱＷＯＴ）として表している。図２、３は、実施例１に係る偏波分離素子の透過率特性を示す図である。以下、透過率特性の図は、横軸に波長、縦軸に透過率を示す。
図１は、各層の光学膜厚を示している。図２は、本実施例において、基板の屈折率ｎｉが１．５２である場合、入射角度３５°、４０°、４５°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
図３は、本実施例において、入射角度５０°、５５°、６０°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
本実施例の偏波分離素子は、図１に示すように、基板上に、低屈折率物質としてのＳｉＯ２（屈折率ｎＬ＝１．４７）と、高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５（屈折率ｎＨ＝２．２４）と、を交互に積層して成る多層膜を有し、交互に積層させた１６層の積層体である。
高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５は、図１に示す上側の基板側から順に、第２、第４、第６、第８、第１０、第１２、第１４及び第１６層に配置されている。低屈折率物質としてのＳｉＯ２は、第１、第３、第５、第７、第９、第１１、第１３及び第１５層に配置されている。
基板より順に、第１層と第２層とで第１スタックを構成する。第３層と第４層とで第２スタックを構成する。第５層と第６層とで第３タックを構成する。第７層と第８層とで第４スタックを構成する。第９層と第１０層とで第５スタックを構成する。第１１層と第１２層とで第６スタックを構成する。第１３層と第１４層とで第７スタックを構成する。第１５層と第１６層とで第８スタックを構成する。本実施例は、８つのスタックを有する。
ｎ番目（ｎ＝１から８の整数）のスタックを第ｎスタックとし、第ｎスタックの低屈折率物質の光学膜厚をＬｎ、第ｎスタックの高屈折率物質の光学膜厚をＨｎとする。多層膜の半分以上のスタックが、以下の条件式（１）を満足する。
Ｈ１：Ｌ１＝Ｈｎ：Ｌｎ （１）
ここで、第１スタック目のＨＬ比は、０．８５である。
偏波分離素子を設計するときは、まず、最初のパラメータとして、Ｈ１、Ｌ１と、各定数ａ、ｂ、ｃ１、ｃ２、ｄ１、ｄ２を設定する。すると、第２、３、４スタックは条件式（２ａ）、（２ｂ）に基づいて算出される。第５スタックは条件式（３ａ）、（３ｂ）に基づいて算出される。第６、７スタックは条件式（４ａ）、（４ｂ）に基づいて算出される。第８スタックは条件式（５）に基づいて算出される。
このように、初期パラメータとして、Ｈ１、Ｌ１と各係数を定めるだけで、構造複屈折層を必要とせず、第１６層目までの膜設計を行うことが容易にできる。そして、図２、３に示すように、波長領域４００ｎｍから９００ｎｍにおいて、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する良好な特性を得られるという効果を奏する。
本実施例において説明した偏波分離素子の各層の計算手順は、実施例２から５においても同じである。このため、重複する説明は省略する。
（実施例２）
次に、実施例２に関して説明する。図４は、各層の光学膜厚を示している。図５は、本実施例において、基板の屈折率ｎｉが１．５６である場合、入射角度３５°、４０°、４５°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
図６は、本実施例において、入射角度５０°、５５°、６０°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
本実施例の偏波分離素子は、図４に示すように、基板上に、低屈折率物質としてのＳｉＯ２（屈折率ｎＬ＝１．４７）と、高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５（屈折率ｎＨ＝２．２４）と、を交互に積層して成る多層膜を有し、交互に積層させた１６層の積層体である。
高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５は、図４に示す上側の基板側から順に、第２、第４、第６、第８、第１０、第１２、第１４及び第１６層に配置されている。低屈折率物質としてのＳｉＯ２は、第１、第３、第５、第７、第９、第１１、第１３及び第１５層に配置されている。
基板より順に、第１層と第２層とで第１スタックを構成する。第３層と第４層とで第２スタックを構成する。第５層と第６層とで第３タックを構成する。第７層と第８層とで第４スタックを構成する。第９層と第１０層とで第５スタックを構成する。第１１層と第１２層とで第６スタックを構成する。第１３層と第１４層とで第７スタックを構成する。第１５層と第１６層とで第８スタックを構成する。本実施例は、８つのスタックを有する。
ここで、第１スタック目のＨＬ比は、０．８５である。
このように、初期パラメータとして、Ｌ１と各係数を定めるだけで、構造複屈折層を必要とせず、第１６層目までの膜設計を行うことが容易にできる。そして、図５、６に示すように、波長領域４００ｎｍから９００ｎｍにおいて、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する良好な特性を得られるという効果を奏する。
（実施例３）
次に、実施例３に関して説明する。図７は、各層の光学膜厚を示している。図８は、本実施例において、基板の屈折率ｎｉが１．５２である場合、入射角度３５°、４０°、４５°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
図９は、本実施例において、入射角度５０°、５５°、６０°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
本実施例の偏波分離素子は、図７に示すように、基板上に、低屈折率物質としてのＳｉＯ２（屈折率ｎＬ＝１．４７）と、高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５（屈折率ｎＨ＝２．２４）と、を交互に積層して成る多層膜を有し、交互に積層させた１６層の積層体である。
高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５は、図７に示す上側の基板側から順に、第２、第４、第６、第８、第１０、第１２、第１４及び第１６層に配置されている。低屈折率物質としてのＳｉＯ２は、第１、第３、第５、第７、第９、第１１、第１３及び第１５層に配置されている。
基板より順に、第１層と第２層とで第１スタックを構成する。第３層と第４層とで第２スタックを構成する。第５層と第６層とで第３タックを構成する。第７層と第８層とで第４スタックを構成する。第９層と第１０層とで第５スタックを構成する。第１１層と第１２層とで第６スタックを構成する。第１３層と第１４層とで第７スタックを構成する。第１５層と第１６層とで第８スタックを構成する。本実施例は、８つのスタックを有する。
ここで、第１スタック目のＨＬ比は、０．８５である。
このように、初期パラメータとして、Ｌ１と各係数を定めるだけで、構造複屈折層を必要とせず、第１６層目までの膜設計を行うことが容易にできる。そして、図８、９に示すように、波長領域４００ｎｍから９００ｎｍにおいて、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する良好な特性を得られるという効果を奏する。
（実施例４）
次に、実施例４に関して説明する。図１０は、各層の光学膜厚を示している。図１１は、本実施例において、基板の屈折率ｎｉが１．５８である場合、入射角度３５°、４０°、４５°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
図１２は、本実施例において、入射角度５０°、５５°、６０°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
本実施例の偏波分離素子は、図１０に示すように、基板上に、低屈折率物質としてのＳｉＯ２（屈折率ｎＬ＝１．４７）と、高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５（屈折率ｎＨ＝２．２４）と、を交互に積層して成る多層膜を有し、交互に積層させた１６層の積層体である。
高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５は、図１０に示す上側の基板側から順に、第２、第４、第６、第８、第１０、第１２、第１４及び第１６層に配置されている。低屈折率物質としてのＳｉＯ２は、第１、第３、第５、第７、第９、第１１、第１３及び第１５層に配置されている。
基板より順に、第１層と第２層とで第１スタックを構成する。第３層と第４層とで第２スタックを構成する。第５層と第６層とで第３タックを構成する。第７層と第８層とで第４スタックを構成する。第９層と第１０層とで第５スタックを構成する。第１１層と第１２層とで第６スタックを構成する。第１３層と第１４層とで第７スタックを構成する。第１５層と第１６層とで第８スタックを構成する。本実施例は、８つのスタックを有する。
ここで、第１スタック目のＨＬ比は、０．８５である。
このように、初期パラメータとして、Ｌ１と各係数を定めるだけで、構造複屈折層を必要とせず、第１６層目までの膜設計を行うことが容易にできる。そして、図１１、１２に示すように、波長領域４００ｎｍから９００ｎｍにおいて、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する良好な特性を得られるという効果を奏する。
（実施例５）
次に、実施例５に関して説明する。図１３は、各層の光学膜厚を示している。図１４は、本実施例において、基板の屈折率ｎｉが１．６５である場合、入射角度３５°、４０°、４５°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
図１５は、本実施例において、入射角度５０°、５５°、６０°のＳ偏光光の透過率、Ｐ偏光光の透過率を示す。
本実施例の偏波分離素子は、図１３に示すように、基板上に、低屈折率物質としてのＳｉＯ２（屈折率ｎＬ＝１．４７）と、高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５（屈折率ｎＨ＝２．２４）と、を交互に積層して成る多層膜を有し、交互に積層させた１６層の積層体である。
高屈折率物質としてのＴａ２Ｏ５は、図１３に示す上側の基板側から順に、第２、第４、第６、第８、第１０、第１２、第１４及び第１６層に配置されている。低屈折率物質としてのＳｉＯ２は、第１、第３、第５、第７、第９、第１１、第１３及び第１５層に配置されている。
基板より順に、第１層と第２層とで第１スタックを構成する。第３層と第４層とで第２スタックを構成する。第５層と第６層とで第３タックを構成する。第７層と第８層とで第４スタックを構成する。第９層と第１０層とで第５スタックを構成する。第１１層と第１２層とで第６スタックを構成する。第１３層と第１４層とで第７スタックを構成する。第１５層と第１６層とで第８スタックを構成する。本実施例は、８つのスタックを有する。
ここで、第１スタック目のＨＬ比は、０．８５である。
このように、初期パラメータとして、Ｌ１と各係数を定めるだけで、構造複屈折層を必要とせず、第１６層目までの膜設計を行うことが容易にできる。そして、図１４、１５に示すように、波長領域５５０ｎｍから８５０ｎｍにおいて、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する良好な特性を得られるという効果を奏する。
（プリズム素子）
次に、上記各実施例に係る偏波分離素子を有するプリズム素子を説明する。図１６は、各実施例に係る偏波分離素子を有するプリズム素子１００の構成を示す図である。
プリズム素子１００は、プリズム部１０１と、λ／４板１０１ｃと、反射ミラー１０１ｂと、撮像素子１０２ａ、１０２ｂと、から構成される。プリズム部１０１は、さらにプリズム１０１ａと１０１ｄから構成されている。
ここで、プリズム１０１ａとプリズム１０１ｄとの間の斜面に、上記各実施例の偏波分離素子１０１ｅが形成されている。
図面左方からプリズム１０１ａへ入射する光のうち、Ｐ偏光光は、偏波分離素子１０１ｅを透過し、プリズム斜面で反射された後、撮像素子１０２ｂへ入射する。
これに対して、図面左方からプリズム１０１ａへ入射する光のうち、Ｓ偏光光は、偏波分離素子１０１ｅを反射ミラー１０１ｂの方向へ反射する。反射ミラー１０１ｂで反射された光は、λ／４板１０１ｃを往復２回透過して、偏光方向がＰ偏光へ変換される。Ｐ偏光光は偏波分離素子１０１ｅを透過して、撮像素子１０２ａへ入射する。
これにより、入射光を２光路に分割する素子において、広い波長領域において、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する良好な特性を得られるという効果を奏する。
（光学系）
次に、上記各実施例に係る偏波分離素子を有する光学系について説明する。図１７は、実施例６に係る光学系の構成を示す図である。本実施形態は、内視鏡用の光学系である。
本実施形態に係る内視鏡２０１は、図１７に示されるように、被検体内に挿入される挿入部２０２内に配置される対物光学系２０３と、対物光学系２０３により集光された光を２つの光路に分割する光路分割部２０４と、光路分割部２０４により分割された光を同時に撮像して２つの画像を取得する撮像素子２０５と、撮像素子２０５上に結像される２つの光学像を部分的に切り欠くフレア絞り（遮蔽部）２０６と、を備えている。
対物光学系２０３は、図１７に示されるように、物体側から順に、物体側に平面を向けた平凹負レンズ２０７ａを有する負レンズ群２０７と正レンズ群２０８とを備えている。広い視野範囲から負レンズ群２０７によって屈折した光は、正レンズ群２０８によって集光された後に、後段の光路分割部２０４に向けて出力されるようになっている。
光路分割部２０４は、大小２つの三角プリズム２０９、２１０と、ミラー２１１と、λ／４板２１２とを組み合わせて構成されている。第１プリズム２０９は、対物光学系２０３の光軸に直交する第１面２０９ａと光軸に対して４５°の角度をなした第２面２０９ｂと、光軸に平行な第３面２０９ｃとを備えている。第２プリズム２１０は、対物光学系２０３の光軸に対して４５°の角度をなした第１面２１０ａおよび第２面２１０ｂと、光軸に平行な第３面２１０ｃとを備えている。第２プリズム２１０の第１面２１０ａと第２面２１０ｂとは相互に直交している。
第１プリズム２０９の第１面２０９ａは、対物光学系２０３から入射されてくる光束を入射させる入射面を構成している。第１プリズム２０９の第２面２０９ｂと第２プリズム２１０の第１面２１０ａとは間に偏向分離膜（図示略）を挟んで隙間無く密着させられることにより、偏光分離面を構成している。第２プリズム２１０の第２面２１０ｂは、第２プリズム２１０内を光軸方向に進行してきた光を９０°偏向する偏向面を構成している。
ミラー２１１は第１プリズム２０９の第３面２０９ｃとの間にλ／４板２１２を挟んで配置されている。これにより、対物光学系２０３から射出された光束は、第１プリズム２０９の第１面２０９ａから第１プリズム２０９内に入射した後に、偏向分離膜が配置された偏光分離面（２０９ｂ、２１０ａ）においてＰ偏光成分（透過光）と、Ｓ偏光成分（反射光）とに分離される。
偏光分離面における反射光は、第１プリズム２０９の第３面２０９ｃからλ／４板２１２を透過させられ、ミラー２１１で１８０°折り返されるように偏向され、λ／４板２１２を再度透過させられることで、偏光方向を９０°回転させられ、今度は偏光分離膜を透過して第２プリズム２１０の第３面２１０ｃから外部に射出されるようになっている。一方、偏光分離面における透過光は、第２プリズム２１０内を進行して第２プリズム２１０の第２面２１０ｂにおいて９０°偏向され、第２プリズム２１０の第３面２１０ｃから外部に射出されるようになっている。
第１プリズム２０９の第１面２０９ａから第１プリズム２０９内に入射した後、第２プリズム２１０の第３面２１０ｃから射出されるまでの、分割された２つの光路を進行する光の光路長は若干、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度の光路長差ｄを有している。これにより、第２プリズム２１０の第３面２１０ｃに対向して配置された撮像素子２０５に入射される２つの光束による光学像は、ピント位置が若干異なるようになっている。
撮像素子２０５は、第２プリズム２１０の第３面２１０ｃに平行間隔をあけて対向させられる撮像面２０５ａを有し、第２プリズム２１０の第３面２１０ｃから射出されてくる２つの光束を同時に入射させるようになっている。すなわち、撮像素子２０５は、ピント位置が異なる２つの光学像を同時に撮像するために、撮像素子２０５の全画素領域の中に、２つの矩形状の受光領域（有効画素領域）を備えている。
これにより、内視鏡用の入射光を２光路に分割する光学系において、広い波長領域において、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する良好な特性を得られるという効果を奏する。
（光学機器）
次に、上記各実施例に係る偏波分離素子を有する光学機器について説明する。図１８は、実施例７に係る光学機器である内視鏡システムの構成を示す図である。また、図１９は、内視鏡システムの偏光ビームスプリッタを示す図である。本内視鏡システムは、上述の内視鏡用の対物光学系を有している。
図１８に示すように本実施形態の内視鏡システム３０１は、被検体内に挿入される内視鏡３０２と、内視鏡３０２に照明光を供給する光源装置３０３と、内視鏡３０２に設けられた撮像素子により取得された画像信号に対する画像処理を行うプロセッサ装置３０４と、プロセッサ装置３０４により所定の画像処理がなされた画像信号を内視鏡画像として表示する画像表示装置３０５とを有する。
内視鏡３０２は、被検体内に挿入される細長の挿入部３０６と、挿入部３０６の後端に設けられた操作部３０７と、操作部３０７から延出する第１ケーブル３０８とを有し、第１ケーブル３０８には、照明光を伝送するライトガイド３０９が挿通されている。
内視鏡３０２の挿入部３０６の先端部３０６ａには、ライトガイド３０９から出射された照明光を拡散する照明レンズ３１５、被写体像を取得する対物光学系３１６、被写体像を撮像する撮像ユニット３１９ａが設けられている。第１ケーブル３０８の端部のライトガイドコネクタ３０８ａは、第１ケーブル３０８に挿通されたライトガイド３０９の後端部が照明光の入射端となるように光源装置３０３に着脱自在に接続されている。
光源装置３０３は、光源として例えばキセノンランプ等のランプ３１１を内蔵する。なお、光源として、キセノンランプ等のランプ３１１に限定されるものでなく、発光ダイオード（ＬＥＤと略記）を用いても良い。
ランプ３１１により発生した白色光は絞り３１２により通過光量が調整された後、コンデンサレンズ３１３により集光されてライトガイド３０９の入射端面に入射（供給）される。なお、絞り３１２は、絞り駆動部３１４により、絞り３１２の開口量が可変される。
ライトガイド３０９は、光源装置３０３から入射端（後端側）に入射された照明光を挿入部３０６の先端部３０６ａ側に導光する。先端部３０６ａに導光された照明光は、ライトガイド３０９の出射端（先端側）から先端部３０６ａの先端面に配置された照明レンズ３１５により拡散されて照明窓３１５ａを介して出射され、被検体内部の観察対象部位を照明する。
照明された観察対象部位は、先端部３０６ａの照明窓３１５ａに隣接して設けられた観察窓３２０に取り付けられた対物光学系３１６により、その後方側に配置した撮像素子３１７（図１９）に被写体像を結像する。
対物光学系３１６は、複数の光学素子からなる光学素子群３１６ａ、遠方観察と近接観察の２つの観察領域にピント又は焦点を選択的に合わせられるように焦点切替機構としてのフォーカスレンズ３２１及びフォーカスレンズ３２１を駆動するアクチュエータ３２２を備えている。
撮像ユニット３１９ａは、対物光学系３１６の挿入部３０６の後端部側に設けられ、被写体像をピントの異なる２つの光学像に分割する偏光ビームスプリッタ３１９と、２つの光学像を撮像して２つの画像を取得する撮像素子３１７を備えている。
偏光ビームスプリッタ３１９は、図１９に示すように、第１プリズム３１８ａ、第２プリズム３１８ｂ、ミラー３１８ｃ、及びλ／４板３１８ｄを備えている。第１プリズム３１８ａ及び第２プリズム３１８ｂは共に光軸に対して４５度の斜度であるビームスプリット面を有し、第１プリズム３１８ａのビームスプリット面には偏光分離膜３１８ｅが設けられている。そして、第１プリズム３１８ａ及び第２プリズム３１８ｂは、互いのビームスプリット面を上記各実施例の偏光分離膜３１８ｅを介して当節させて偏光ビームスプリッタ３１９を構成している。また、ミラー３１８ｃは、第１プリズム３１８ａの端面近傍にλ／４板３１８ｄを介して設けられ、第２プリズム３１８ｂの端面には撮像素子３１７が取り付けられている。
対物光学系３１６からの被写体像は、第１プリズム３１８ａにおいてビームスプリット面に設けられた偏光分離膜３１８ｅによりＰ偏光成分（透過光）とＳ偏光成分（反射光）とに分離され、反射光側の光学像と透過光側の光学像との２つの光学像に分離される。
Ｓ偏光成分の光学像は、偏光分離膜３１８ｅで撮像素子３１７に対して対面側に反射されＡ光路を通り、λ／４板３１８ｄを透過後、ミラー３１８ｃで撮像素子３１７側に折り返される。折り返された光学像はλ／４板３１８ｄを再び透過する事で偏光方向が９０°回転し、偏光分離膜３１８ｅを透過して撮像素子３１７に結像される。
Ｐ偏光成分の光学像は、偏光分離膜３１８ｅを透過してＢ光路を通り、撮像素子３１７に向かって垂直に折り返す第２プリズム３１８ｂのビームスプリット面と反対側に設けられたミラー面によって反射され、撮像素子３１７に結像される。この際、Ａ光路とＢ光路で、例えば、数十μｍ程度の所定の光路差を生じさせるようにプリズム硝路を設定しておき、ピントが異なる２つの光学像を撮像素子３１７の受光面に結像させる。
すなわち、第１プリズム３１８ａ及び第２プリズム３１８ｂを、被写体像をピント位置が異なる２つの光学像に分離できるように、第１プリズム３１８ａにおける撮像素子３１７に至る透過光側の光路長（硝路長）に対して反射光側の光路長が短く（小さく）なるように配置する。
撮像素子３１７は、ピント位置が異なる２つの光学像を夫々個別に受光して撮像するために、撮像素子３１７の全画素領域の中に、２つの受光領域（有効画素領域）が設けられている。２つの受光領域は、２つの光学像を撮像するために、これらの光学像の結像面と夫々一致するように配置されている。そして、撮像素子３１７において、一方の受光領域は、他方の受光領域に対してそのピント位置が相対的に近点側にシフトしており（ずれており）、他方の受光領域は一方の受光領域に対してそのピント位置が相対的に遠点側にシフトしている。これにより、ピントが異なる２つの光学像を撮像素子３１７の受光面に結像させるようになっている。
なお、第１プリズム３１８ａと第２プリズム３１８ｂにおける両者の屈折率を異ならせることにより、撮像素子３１７に至る光路長を変えて２つの受光領域に対するピント位置を相対的にずらすようにしても良い。
また、撮像素子３１７の受光領域の周囲には、２つに分割された光学像の幾何的なズレを補正するための補正画素領域が設けられている。補正画素領域内において製造上の誤差を抑え、後述する画像補正処理部３３２にて画像処理による補正を行なうことで、上記した光学像の幾何学的なズレを解消するようになっている。
フォーカスレンズ３２１は、光軸の方向における２つの位置に移動可能となっており、アクチュエータ３２２により２つの位置間で一方の位置から他方の位置、他方の位置から一方の位置に移動するように駆動される。フォーカスレンズ３２１を前方側（物体側）の位置に設定した状態においては遠方観察する場合の観察領域の被写体にピントが合うように設定され、フォーカスレンズ３２１を後方側の位置に設定した状態においては近接観察する場合の観察領域の被写体にピントが合うように設定されている。
なお、アクチュエータ３２２は、挿入部３０６内を挿通された信号線３２３と接続され、この信号線３２３はさらに操作部３０７から延出された第２のケーブル３２４内を挿通される。この第２のケーブル３２４の端部の信号コネクタ３２４ａは、プロセッサ装置３０４に着脱自在に接続され、上記信号線３２３は、プロセッサ装置３０４内に設けたアクチュエータ制御部３２５に接続される。
このアクチュエータ制御部３２５は、例えば内視鏡３０２の操作部３０７に設けた切替操作スイッチ３２６からの切替操作信号も入力される。アクチュエータ制御部３２５は、切替操作スイッチ３２６の操作に応じてアクチュエータ３２２を電気的に駆動する駆動信号を印加して、フォーカスレンズ３２１を移動する。
なお、切替操作信号を発生する切替操作部は、切替操作スイッチ３２６に限らず、切替操作レバー等でも良い。上記フォーカスレンズ３２１と、アクチュエータ３２２と、アクチュエータ制御部３２５とにより、焦点切替機構が形成される。ところで、本実施形態におけるフォーカス部は、前述の光軸方向にフォーカスレンズを移動させる手段に限定するものではない。例えば、レンズやフィルターを対物光学系に挿脱してフォーカスを切替える手段でも構わない。
撮像素子３１７は挿入部３０６、操作部３０７、第２のケーブル３２４内を挿通された信号線３２７ａと接続され、信号コネクタ３２４ａがプロセッサ装置３０４に接続されることにより、プロセッサ装置３０４内に設けた画像処理部としての画像プロセッサ３３０と接続される。
画像プロセッサ３３０は、撮像素子３１７により撮像されたピント位置が異なる２つの光学像に係る画像を夫々読み出す画像読出部３３１と、画像読出部３３１により読み出された２つの画像に対する画像補正を行う画像補正処理部３３２と、補正された２つの画像を合成する画像合成処理を行う画像合成処理部３３３とを有する。
画像補正処理部３３２は、撮像素子３１７の２つの受光領域にそれぞれ結像される２つの光学像に係る画像に対し、互いのピント以外の差異が略同一となるように補正する。すなわち、２つの画像の各光学像における相対的な位置、角度及び倍率が略同一となるように２つの画像に対して補正を行う。
被写体像を２つに分離して撮像素子３１７に夫々結像させる場合、幾何的な差異が生じる場合がある。すなわち、撮像素子３１７の２つの受光領域にそれぞれ結像される夫々の光学像は、相対的に倍率ズレ、位置ズレ、角度すなわち回転方向のズレ等が発生する場合がある。これらの差異を製造時などにおいて、完全に解消することは困難であるが、それらのズレ量が大きくなると、合成画像が２重画像となったり、不自然な明るさムラ等を生じたりする。このため、画像補正処理部３３２にて上述した幾何的な差異、明るさ差異を補正する。
画像合成処理部３３３は、画像補正処理部３３２により補正された２つの画像間の対応する所定領域において、相対的にコントラストが高い画像を選択して合成画像を生成する。つまり、２つの画像における空間的に同一の画素領域それぞれにおけるコントラストを比較し、相対的にコントラストが高い方の画素領域を選択することにより、２つの画像から合成された１つの画像としての合成画像を生成する。なお、２つの画像の同一の画素領域におけるコントラスト差が小さい又は略同一である場合は、その画素領域に所定の重み付けして加算する合成画像処理により、合成画像を生成する。
また、画像プロセッサ３３０は、画像合成処理部３３３により合成された１つの画像に対して、色マトリクス処理、輪郭強調、ガンマ補正等の後段画像処理を行う後段画像処理部３３４と、後段画像処理された画像を出力する画像出力部３３５とを有し、画像出力部３３５から出力される画像は画像表示装置３０５に出力される。
さらに、この画像プロセッサ３３０は、画像読出部３３１により読み出された画像から基準の明るさに調光するための調光信号を生成する調光部３３６を有し、調光部３３６により生成した調光信号を光源装置３０３の絞り駆動部３１４に出力する。絞り駆動部３１４は、調光信号に従って、基準の明るさを維持するように絞り３１２の開口量を調整する。
また、本実施形態は、画像補正処理部３３２において、画像を補正する場合に使用する補正パラメータ（の情報）を格納した補正パラメータ格納部３３７を設けている。
内視鏡３０２にはその内視鏡３０２に固有の内視鏡識別情報（内視鏡ＩＤ）を格納したＩＤメモリ３３８を有すると共に、その内視鏡３０２において補正すべき固有の補正パラメータがある場合には、その内視鏡３０２に対応した補正パラメータを格納した補正パラメータ格納部３３７が設けてある。
ここで、補正パラメータとは、例えば、光路分割素子や撮像素子のシェーディング特性、λ/４板の波長特性によって２つの光学像にかかる画像には上述した幾何的な差異や明るさの差異、もしくは色の差異が生じることがある。２画像間にこのような差異があると、合成画像に不自然な明るさムラや色ムラが生じてしまうため、これを補正するために光路分割素子や撮像素子、λ/４板の特性を考慮して決定されたものである。
なお、画像補正処理部３３２は予め設定された補正パラメータを補正パラメータ格納部３３７から受け取り補正が行なわれるようにしても良い。例えば、工場出荷時に、予めそのズレ量を補正パラメータ格納部３３７に設定しておき、内視鏡３０２が画像プロセッサ３３０に接続された際に、内視鏡３０２が接続されたことを認識して補正パラメータ格納部３３７から対応する補正パラメータを呼び出して補正を行なうようにすることができる。
なお、補正すべき固有の補正パラメータがない場合には、補正パラメータ格納部３３７を設けることが不必要になる。また、補正パラメータ格納部３３７をＩＤメモリ３３８の内部に設ける場合に限定されるものでなく、ＩＤメモリ３３８と別のメモリに設けるようにしても良い。
そして、画像プロセッサ３３０の制御部３３９は補正の有無を内視鏡３０２側に設けた内視鏡ＩＤで識別して、補正有りの場合には内視鏡３０２側に格納されているＩＤメモリ３３８内の補正パラメータ格納部３３７から補正パラメータを読み取り、この補正パラメータを画像補正処理部３３２に送る。
画像補正処理部３３２は、制御部３３９から転送された補正パラメータに基いて各内視鏡３０２に搭載された撮像ユニット３１９ａに対応した画像補正を行う。
また、画像補正処理部３３２は、補正パラメータを用いて、２つの像または画像における１つを基準像または基準画像として上述した倍率の差異の補正、位置の差異の補正等、画像の補正を行う。例えば、２つの画像で倍率ズレが生じる場合は、対物光学系３１６の仕様による場合がある。
対物光学系３１６のサイズを比較的小さくしようとした場合、テレセントリック性を崩して撮像素子３１７への光線が斜めに入射するような設計が行なわれる場合がある。例えば、光軸とのなす角を入射角として、時計回りをプラス、反時計回りをマイナスとすると、マイナスの入射角となるような設計が行なわれる。
このようなテレセントリック性が崩れた対物光学系でピント位置をずらすと２つの画像間で倍率ズレが生じる事になる。
このような設計上の仕様であれば、予めそのズレ量を補正パラメータ格納部３３７に格納しておき、対象の内視鏡３０２がプロセッサ装置３０４に接続された場合、その内視鏡３０２を認識して補正パラメータ格納部３３７から対応する補正パラメータを呼び出して補正を行なうようにする。
撮像ユニット３１９ａの組立て時に２つの画像の相対的な画素の位置が微小にズレる場合がある。この場合、製造時のズレ量を補正パラメータ格納部３３７に格納しておき、画像補正処理部３３２にてそのズレ補正を行なうようにする。位置のズレ補正は例えば撮像素子３１７の一方の受光領域で撮像された画像と他方の受光領域で撮像された画像との相対的な位置が合致するように２つの画像の読出し位置を修正するような処理が行なわれ、位置ズレが補正された後、画像合成処理部３３３に出力される。
なお、本実施形態における予め設定された補正パラメータによる補正を行う代わりに、内視鏡使用時に、別途用意されるアジャスト用基準チャートによって補正を行なっても良い。例えば基準チャートを内視鏡３０２の先端部３０６ａに所望の位置に配置するようにし、基準チャートに対する２つの画像のズレを画像補正処理部３３２にて読み取り、そのズレ補正するようにしても良い。
これにより、内視鏡システムにおいて、広い波長領域において、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する良好な特性の２つ画像を得られ、この２つの画像を合成して被写界深度が大きい画像を取得できるという効果を奏する。
なお、上述の偏波分離素子は、複数の構成を同時に満足してもよい。このようにすることが、良好な偏波分離素子、光学系、及び光学機器を得る上で好ましい。また、好ましい構成の組み合わせは任意である。また、各条件式について、より限定した条件式の数値範囲の上限値あるいは下限値のみを限定しても構わない。
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、これら実施形態の構成を適宜組合せて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
以上のように、本発明は、構造複屈折層を必要とせず、単純な多層膜（積層膜）により幅広い入射角度に対応する偏波分離素子、光学系及び光学機器に有用である。
１００ プリズム素子
１０１ プリズム部
１０１ｃ λ／４板
１０１ｂ 反射ミラー
１０２ａ、１０２ｂ 撮像素子
１０１ａ、１０１ｄ プリズム
１０１ｅ 偏波分離素子
２０１ 内視鏡
２０２ 挿入部
２０３ 対物光学系
２０４ 光路分割部
２０５ 撮像素子
２０５ａ 撮像面
２０６ フレア絞り（遮蔽部）
２０７ 負レンズ群
２０８ 正レンズ群
２０９ｂ 第２面（偏光分離面）
２１０ａ 第１面（偏光分離面）
２１０ｂ 第２面（偏向面）
２１１ ミラー
２１２ λ／４板
３０１ 内視鏡システム
３０２ 内視鏡
３０３ 光源装置
３０４ プロセッサ装置
３０５ 画像表示装置
３０６ 挿入部
３１６ 対物光学系
３１７ 撮像素子
３１８ａ 第１プリズム
３１８ｂ 第２プリズム
３１８ｃ ミラー
３１８ｄ λ／４板
３１８ｅ 偏光分離膜
３１９ 偏光ビームスプリッタ
３１９ａ 撮像ユニット
３３０ 画像処理部（画像プロセッサ）
３３２ 画像補正処理部
３３３ 画像合成処理部

Claims (15)

  1. ２枚の第１基材と第２基材の間に、相対的に低屈折率物質と高屈折率物質を交互に積層して成る多層膜を有する偏波分離素子であって、
    低屈折率物質層と前記低屈折率物質層に隣接する高屈折率物質層の２層をペアで１スタックとし、前記第１基材より順に、ｎ番目のスタックを第ｎスタックとし、前記第ｎスタックの前記低屈折率物質の光学膜厚をＬｎ、前記第ｎスタックの前記高屈折率物質の光学膜厚をＨｎとした場合、前記多層膜の半分以上のスタックが、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする偏波分離素子。
    Ｈ１：Ｌ１＝Ｈｎ：Ｌｎ （１）
  2. 更に以下の条件式（２ａ）、（２ｂ）を満足する前記多層膜の複数のスタックを有することを特徴とする請求項１に記載の偏波分離素子。
    Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ） （２ａ）
    Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ） （２ｂ）
    但し、
    定数ａは１．１〜１．３、
    定数ｂは０．３〜０．６、
    である。
  3. 更に以下の条件式（３ａ）、（３ｂ）を満足するスタックを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の偏波分離素子。
    Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｃ１ （３ａ）
    Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｃ２ （３ｂ）
    但し、
    定数ａは１．１〜１．３、
    定数ｂは０．３〜０．６、
    定数ｃ１、ｃ２は０．８〜１、
    である。
  4. 更に以下の条件式（４ａ）、（４ｂ）を満足するスタックを有することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の偏波分離素子。
    Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｄ１ （４ａ）
    Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｄ２ （４ｂ）
    但し、
    定数ａは１．１〜１．３、
    定数ｂは０．３〜０．６、
    定数ｄ１、ｄ２は０．７以上１．２より小さく、ｄ１≠ｄ２、１．８＜ｄ１＋ｄ２＜２．２、
    である。
  5. 更に以下の条件式（５）を満足するスタックを有することを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の偏波分離素子。
    Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−１）×ｂ） （５）
    但し、
    定数ａは１．１〜１．３、
    定数ｂは０．３〜０．６、
    である。
  6. 前記多層膜は、前記第１基材から順に、第１スタック、第２スタック、第３スタック、第４スタック、第５スタック、第６スタック、第７スタック、第８スタックの８つのスタックを有し、
    前記第２スタック、前記第３スタック、前記第４スタック、前記第５スタック、前記第８スタックは前記条件式（１）を満足し、
    前記第２スタック、前記第３スタック、前記第４スタックは以下の条件式（２ａ）、（２ｂ）を満足し、
    Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ） （２ａ）
    Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ） （２ｂ）
    但し、ａは１．１〜１．３、ｂは０．３〜０．６であり、
    前記第５スタックは以下の条件式（３ａ）、（３ｂ）を満足し、
    Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｃ１ （３ａ）
    Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｃ２ （３ｂ）
    但し、ｃ１、ｃ２は０．８〜１であり、
    前記第６スタック、前記第７スタックは以下の条件式（４ａ）、（４ｂ）を満足し、
    Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｄ１ （４ａ）
    Ｌｎ＝Ｌ１×（ａ＋（ｎ−２）×ｂ）×ｄ２ （４ｂ）
    但し、ｄ１、ｄ２は０．7以上１．２より小さく、ｄ１≠ｄ２、１．８＜ｄ１＋ｄ２＜２．２であり、
    前記第８スタックは以下の条件式（５）を満足する
    Ｈｎ＝Ｈ１×（ａ＋（ｎ−１）×ｂ） （５）
    ことを特徴とする請求項１に記載の偏波分離素子。
  7. 前記定数ａは、１．２３であることを特徴とする請求項６に記載の偏波分離素子。
  8. １対の前記第１基材、前記第２基材の間に、前記高屈折率物質と前記低屈折率物質の２種類の誘電体が積層する多層膜構造を有し、前記多層膜構造は、３５〜６０度の入射角度でＰ偏光成分の透過率ＴｐとＳ偏光成分の透過率ＴｓがＴｐ＞Ｔｓの関係で、かつ透過率Ｔｐと透過率Ｔｓの差が３０％以上となることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の偏波分離素子。
  9. １対の前記第１基材、前記第２基材の間に、前記高屈折率物質と前記低屈折率物質の２種類の誘電体が積層する多層膜構造を有し、前記多層膜構造は、３５〜６０度の入射角度でＰ偏光成分の透過率ＴｐとＳ偏光成分の透過率ＴｓがＴｐ＞Ｔｓの関係で、かつ透過率Ｔｐと透過率Ｔｓの差が３０％以上となり、さらに透過率Ｔｓ及び透過率Ｔｐそれぞれにおいて、１００ｎｍの波長範囲内における透過率の高低差が３５％以内となる波長範囲が連続して２００ｎｍ以上有することを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の偏波分離素子。
  10. １対の前記第１基材、前記第２基材の間に、前記高屈折率物質と前記低屈折率物質との、２種類以上の誘電体が積層する多層膜構造を有し、１対の前記第１基材、前記第２基材のどちらか一方の面と前記多層膜構造の間に、接合剤を有することを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の偏波分離素子。
  11. 対象光に対し透明な前記第１基材、前記第２基材は、光学ガラス、半導体基材、合成樹脂から選択することを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の偏波分離素子。
  12. 前記高屈折率物質と前記低屈折率物質の誘電体の材質は、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、あるいはこれらの混合材料の中から、少なくとも２種類以上を選択することを特徴とする請求項１から１１の何れか一項に記載の偏波分離素子。
  13. 前記高屈折率物質と前記低屈折率物質との、２種類以上の誘電体が積層する方法は、真空蒸着やスパッタリング、イオンプレーティングの物理膜厚気相成長法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム加熱蒸着、高周波加熱蒸着、レーザービーム加熱蒸着、イオン化スパッタ、イオンビームスパッタ、プラズマスパッタ、イオンアシスト、ラジカルアシストスパッタの何れかを採用することを特徴とする請求項１から１２の何れか一項に記載の偏波分離素子。
  14. 請求項１から１３の何れか一項に記載の偏波分離素子を有することを特徴とする光学系。
  15. 請求項１４に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。
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