積層１／４波長板
【課題】光学的一軸性結晶材料の第１及び第２波長板を光学軸が互いに９０°の角度で交差するように配置した積層１／４波長板において、高い楕円率の偏光状態を実現する。
【解決手段】積層１／４波長板１は、第１波長板２の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、第２波長板３の位相差をΓ２＝Γ１−９０°又は２７０°とし、出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように、第１波長板の位相差の許容偏差γを決定する。
【解決手段】積層１／４波長板１は、第１波長板２の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、第２波長板３の位相差をΓ２＝Γ１−９０°又は２７０°とし、出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように、第１波長板の位相差の許容偏差γを決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ピックアップ装置、液晶プロジェクタ、光学ローパスフィルタ等の光学装置に使用される１／４波長板に関し、特に水晶のような複屈折性を有する無機結晶材料からなる２枚の波長板を重ねて配置した積層１／４波長板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線偏光と円偏光との間で偏光状態を変換するために入射光の位相を１／４波長ずらす位相板即ち１／４波長板が、様々な光学的用途に使用されている。一般に１／４波長板は、延伸処理により複屈折性をもたせたポリカーボネート等の有機系材料からなる樹脂フィルム、高分子液晶層を透明基板で挟持した位相差板、水晶等の複屈折性を有する無機結晶材料の結晶板で作られる。特に光ディスク装置の記録再生に使用する光ピックアップ装置は、記録の高密度化大容量化を図るために非常に短波長で高出力の青紫色レーザを採用している。上述した樹脂フィルムや液晶材料が青紫色レーザ光を吸収して発熱し易く、材質自体が劣化して波長板の機能を損なう虞があるのに対し、水晶等の無機結晶材料は耐光性が極めて高いので、水晶波長板は青紫色レーザを使用するような光学系に特に有利である。
【０００３】
水晶波長板の板厚ｔは、周知の位相差Γとの関係式Γ＝（３６０／λ）・（ｎe−ｎo）ｔ、（但し、ｎo：常光屈折率、ｎe：異常光屈折率）に従って決定される。そのため、光の入射面（又は出射面）に立てた法線と水晶の結晶光学軸即ちＺ軸とが直交するように切り出した所謂Ｙカット（又はＸカット）の水晶板でシングルモード（零次モード）の１／４波長板を形成すると、用いる水晶板の板厚が使用波長によって１０〜２６μｍ程度まで薄くなり、強度が著しく低下し、製造上取り扱いが非常に困難になる。そこで、２枚又はそれ以上の水晶波長板を貼り合わせた積層１／４波長板が使用されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【０００４】
特許文献１記載の組み合わせ波長板は、水晶等の光学的一軸性結晶から光軸Ｚと平行に、即ち該光軸Ｚを光の入射面（又は出射面）に立てた法線に対して垂直に切り出した２枚の結晶板を、それらの光軸Ｚが互いに垂直になるように組み合わせ、それら１対の結晶板を通過する光の光路差ΔｄがΔｎ（結晶板の常光線と異常光線との屈折率の差）×Δｔ（両結晶板の板厚の差）で表されるようにしたものである。これにより、板厚が薄くなる問題と共に、光学的一軸性結晶材料が有する旋光性や入射角度依存性の問題を解決している。
【０００５】
特許文献２記載の組み合わせ波長板は、板面法線即ち光の入射面（又は出射面）に立てた放線と光学軸とが０°＜β＜９０°の角度βをなすように加工した２枚の結晶板を貼り合わせたものである。これらの結晶板は、それらの光学軸が互いに貼合せ面に関して対称でありかつ板面の法線方向から見て互いに平行であるように貼り合わせる。これにより、ビーム入射角の変動によるリタデーションの変化をキャンセルすることができる。
【０００６】
また、２枚の光学的異方性結晶を互いの遅相軸が略直交するように貼り合わせた１／４波長板が知られている（例えば、特許文献３を参照）。この１／４波長板は、かかる構成によって、ポリカーボネート等の樹脂フィルムを用いた場合に温度変化による熱収縮で生じる歪みを解消し、かつ光学的異方性結晶における入射光線角度に対するリタデーション値の依存性を解消して高コントラストを実現するものである。
【０００７】
同様に２枚の光学結晶板を貼り合わせた積層１／４波長板において、光路より若干傾斜させて配置した場合にも、それに生じる両結晶板の光学軸のずれを見越して予めそれらの光学軸をずらして積層することにより、１／４波長板として所望の機能を発揮するようにした構造が知られている（例えば、特許文献４を参照）。
【０００８】
また、積層１／４波長板は、より広帯域で１／４波長板としての機能を発揮させるためにも使用されている。例えば、旋光能を有する光学材料からなる２つの波長板を互いに光軸を交差するように重ね合わせて積層し、ポアンカレ球を用いた近似式により求めた両波長板の位相差、光学軸方位角度、旋光能、及び回転軸と中性軸のなす角が所定の関係式を満足するように構成することにより、旋光能による影響を低減しつつ、広帯域での特性を良くした１／４波長板が提案されている（例えば、特許文献５を参照）。
【０００９】
更に広帯域で１／４波長板として機能するように、３枚の波長板を積層した偏光解消板が知られている（例えば、特許文献６を参照）。この１／４波長板では、各波長板の位相差、面内方位角がポアンカレ球を用いて最適値に設計される。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５８−１８９６０５号公報
【特許文献２】特公平３−６１９２１号公報
【特許文献３】特開２００３−２２２７２４号公報
【特許文献４】特開２００６−４０３５９号公報
【特許文献５】特開２００５−１５８１２１号公報
【特許文献６】特開２００６−１１３１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の積層１／４波長板の典型例を図１８に示す。この積層１／４波長板１１は、光の入射方向Ｌiから出射方向Ｌoに順に、Ｙカット（又はＸカット）水晶板のような光学的一軸性結晶材料からなる第１及び第２波長板１２，１３を有する。第１波長板１２は、位相差Γ１＝１８０°＋ｎ１×３６０°（但し、ｎ１：非負整数）、光学軸方位角θ１＝４５°に設計する。第２波長板１３は、位相差Γ２＝９０°（又は２７０°）＋ｎ２×３６０°（但し、ｎ２：非負整数）、光学軸方位角θ２＝１３５°に設計する。前記第１及び第２波長板は、それらの結晶光学軸１４，１５が互いに９０°の角度で交差するように貼り合わせる。これら第１及び第２波長板の位相差の差Γ＝｜Γ１−Γ２｜＝９０°（又は２７０°）が積層１／４波長板１１の位相差となる。ここで、光学軸方位角θ１は、前記積層１／４波長板に入射する光の直線偏光の偏光面と第１波長板１２の結晶光学軸１４とがなす角度であり、光学軸方位角θ２は、前記直線偏光の偏光面と第２波長板１３の結晶光学軸１５とがなす角度である。
【００１２】
この積層１／４波長板の偏光状態を図１９のポアンカレ球を用いて説明する。入射光の基準点をＰ０＝（１，０，０）として、第１波長板１２の回転軸Ｒ１をＳ1軸から２θ１＝９０°回転した位置に設定し、第２波長板１３の回転軸Ｒ２をＳ1軸から２θ２＝２７０°回転した位置に設定する。先ず、回転軸Ｒ１を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ１＝（−１，０，０）が前記第１波長板の出射光の位置となる。次に、回転軸Ｒ２を中心に点Ｐ１を位相差Γ２だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ２＝（０，０，１）が前記第２波長板の出射光の位置、即ち積層１／４波長板１１の出射光の位置となる。
【００１３】
しかしながら、実際に製造される積層１／４波長板において、図１９のように理想的な偏光状態を実現することは困難である。先ず、第１及び第２波長板１２，１３の光学軸方位角θ１、θ２は、前記第１及び第２波長板を形成する母基板の水晶板を光学軸に対して機械的に切断する角度によって決定されるので、通常±０．５°前後の製造誤差が生じる。更に、切り出した母基板から波長板を個片化する際にも、光学軸方位角θ１、θ２に通常±０．５°前後の製造誤差が生じる。また更に、個片化した前記第１及び第２波長板をそれらの光学軸が９０°で交差するように貼り合わせる際に、組立誤差が生じる。これら光学軸の切出し工程及び個片化工程での製造誤差並びに貼合せ工程での組立誤差は、合計すると±３．０°前後の誤差になるので、積層１／４波長板の出射光の偏光状態に直接悪影響を及ぼす虞がある。
【００１４】
第１及び第２波長板１２，１３の各光学軸方位角にそれぞれ誤差±Δθ１，±Δθ２が生じた場合に、それが積層１／４波長板１１の出射光の偏光状態に及ぼす影響を図２０を用いて説明する。同図は、ポアンカレ球をＳ3即ち北極の方向から見たものである。入射光の基準点をＰ０＝（１，０，０）として、光軸Ｓ1から２θ１＝９０°±Δθ１回転した位置に、それぞれ第１波長板１２の回転軸Ｒ１＋、Ｒ１−を設定する。同様に、第２波長板１３の回転軸Ｒ２＋、Ｒ２−を光軸Ｓ1から２θ２＝２７０°±Δθ２回転した位置に設定する。
【００１５】
先ず、回転軸Ｒ１＋を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させると、球上における前記第１波長板の出射光の位置Ｐ１＋は、図１７の点Ｐ１＝（−１，０，０）よりも左側に更に２Δθ１回転した位置にくる。次に、回転軸Ｒ２＋又はＲ２−を中心に点Ｐ１＋を位相差Γ２だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ２＋＋又はＰ２＋−がそれぞれ前記第２波長板の出射光の位置、即ち積層１／４波長板１１の出射光の位置となる。
【００１６】
また、回転軸Ｒ１−を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させると、球上における前記第１波長板の出射光の位置Ｐ１−は、図１９の点Ｐ１＝（−１，０，０）よりも右側に戻すように２Δθ１回転した位置にくる。次に、回転軸Ｒ２＋又はＲ２−を中心に点Ｐ１−を位相差Γ２だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ２−＋又はＰ２−−がそれぞれ前記記第２波長板の出射光の位置、即ち積層１／４波長板１１の出射光の位置となる。これら出射光の位置は、いずれも図１９のＰ２＝（０，０，１）即ち北極の位置から大きくずれており、その楕円率が１から大きく低下し得ることが分かる。
【００１７】
第二に、水晶板の位相差Γは、上述した板厚ｔとの関係式に基づき、板厚ｔをその発振周波数で制御することによって調整される。従って、板厚ｔの製造誤差は、そのまま位相差の誤差となる。例えば、Ｙカット水晶板で０．５μｍの誤差はリタデーションで約３°の誤差になる。２枚の水晶波長板の板厚を双方共に高精度に製造しかつ組み合わせて用いることは非常に困難であり、かつ高価格になる。
【００１８】
このように、第１，第２波長板の光学軸の製造誤差及び貼合せ工程の組立誤差と、各波長板の位相差の製造誤差とが加重的に作用することによって、積層１／４波長板の楕円率はより低下する。波長板同士の貼合せ誤差は、それらの光学軸の向きをＸ線装置等で確認しながら正確に行うことにより解消可能であるが、量産性に欠け、製造コストを増大させるという問題がある。
【００１９】
本願発明者らは、実際にこれらの誤差が積層１／４波長板の楕円率にどの程度の影響を及ぼすかについて、具体的にシミュレーションを行った。図２１は、市販のＤＶＤ規格の光ディスク記録再生装置に搭載する光ピックアップ装置で使用する波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝１８０°＋７×３６０°＝２７００°、光学軸方位角をθ１＝４５°−２°＝４３°、第２波長板の位相差をΓ２＝９０°＋７×３６０°＝２６１０°、光学軸方位角をθ２＝１３５°＋２°＝１３７°とした場合の楕円率の変化を、波長λ＝６２０〜７００ｎｍの範囲で示している。同図から、使用波長範囲λ＝６４０〜６８０ｎｍの大部分で楕円率が目標基準値の０．８５を下回っていることが分かる。
【００２０】
図２２は、同じくＤＶＤ規格の光ピックアップ装置に使用される波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の光学軸方位角をθ１＝４５°−２°＝４３°、第２波長板の光学軸方位角をθ２＝１３５°＋２°＝１３７°とし、第１波長板の位相差をΓ１＝１８０°＋７×３６０°＝２７００°を中心に±１８０°の範囲で変化させた場合の楕円率の変化を、波長λ＝６２０〜７００ｎｍの範囲で示している。尚、第２波長板の位相差はΓ２＝Γ１−９０°である。同図から、第１波長板の位相差Γ１に拘わらず、使用波長範囲λ＝６４０〜６８０ｎｍで楕円率が不安定で、目標基準値の０．８５を下回る範囲が常に存在することが分かる。
【００２１】
図２３は、市販のブルーレイ規格の光ディスク記録再生装置に搭載する光ピックアップ装置で使用する波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝１８０°＋９×３６０°＝３４２０°、光学軸方位角をθ１＝４５°−２°＝４３°、第２波長板の位相差をΓ２＝９０°＋９×３６０°＝３３３０°、光学軸方位角をθ２＝１３５°＋２°＝１３７°とした場合の楕円率の変化を、波長λ＝３７５〜４３５ｎｍの範囲で示している。同図から、使用波長範囲λ＝３９５〜４１５ｎｍの大部分で楕円率が目標基準値の０．９を下回っていることが分かる。
【００２２】
図２４は、同じくブルーレイ規格の光ピックアップ装置に使用される波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の光学軸方位角をθ１＝４５°−２°＝４３°、第２波長板の光学軸方位角をθ２＝１３５°＋２°＝１３７°とし、第１波長板の位相差をΓ１＝１８０°＋９×３６０°＝３４２０°を中心に±１８０°の範囲で変化させた場合の楕円率の変化を、波長λ＝３７５〜４３５ｎｍの範囲で示している。尚、第２波長板の位相差はΓ２＝Γ１−９０°である。同図から、第１波長板の位相差Γ１に拘わらず、使用波長範囲λ＝３９５〜４１５ｎｍで楕円率が不安定で、目標基準値の０．９を下回る範囲が常に存在することが分かる。
【００２３】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学的一軸性結晶材料からなる第１波長板と第２波長板とを、それらの光学軸が互いに９０°の角度で交差するように配置した積層１／４波長板において、各波長板の位相差及び光学軸の製造誤差と２枚の波長板の貼合せ誤差とによる楕円率の加重的な劣化を改善して、高い楕円率の偏光状態を実現すると共に、製造コストの低減化及び量産性の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述したように、水晶波長板の光学軸方位角において、製造上±３°程度の誤差は避けられない公差と考えられる。これに対し、水晶波長板の位相差は、上述したようにその板厚で決定されるから、比較的高い精度で制御することが可能である。そこで、本願発明者らは、第１及び／又は第２波長板の位相差を適当に設定することによって、積層１／４波長板の楕円率を改善できないかを検討した。
【００２５】
本願発明者らは、積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋ｎ×３６０°（但し、ｎ：非負整数）とし、かつ第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°（又は２７０°）とすることにより、第１波長板の光学軸方位角θ１の製造誤差即ちずれを解消し得ることを見い出した。これを図１のポアンカレ球を用いて説明する。同図は、ポアンカレ球をＳ3軸即ち北極の方向から見たものである。
【００２６】
図２０の場合と同様に、第１及び第２波長板の光学軸方位角θ１、θ２にそれぞれ誤差±Δθ１，±Δθ２が生じた場合を考える。入射光の基準点をＰ０＝（１，０，０）として、Ｓ1軸から２θ１＝９０°±２Δθ１回転した位置に、それぞれ第１波長板の回転軸Ｒ１＋、Ｒ１−を設定する。同様に、第２波長板の回転軸Ｒ２＋、Ｒ２−をＳ1軸から２θ２＝２７０°±２Δθ２回転した位置に設定する。
【００２７】
先ず、回転軸Ｒ１＋を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させると、球上における前記第１波長板の出射光の位置Ｐ１は、必ず元の基準点Ｐ０の位置に戻る。同様に、回転軸Ｒ１−を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させる場合にも、球上における前記第１波長板の出射光の位置Ｐ１は、必ず元の基準点Ｐ０の位置に戻る。次に、回転軸Ｒ２＋又はＲ２−を中心に点Ｐ１を位相差Γ２だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ２＋又はＰ２−がそれぞれ前記第２波長板の出射光の位置、即ち積層１／４波長板の出射光の位置となる。点Ｐ２＋、Ｐ２−は、位置Ｐ１を通って回転軸Ｒ２＋、Ｒ２−に直交する直線と回転軸Ｒ２＋、Ｒ２−との交点である。従って、積層１／４波長板の出射光の偏光状態即ち楕円率は、第１波長板の光学軸方位角のずれ量に拘わらず、第２波長板の光学軸方位角の精度によって決定されることが分かる。
【００２８】
実際には、前記第１波長板の位相差Γ１にも製造誤差が生じるから、その大きさに対応して点Ｐ１の位置が、図１において基準点Ｐ０を通って回転軸Ｒ１＋、Ｒ１−に直交する直線上を移動する。この移動による偏光状態の変化は、実際の位相差Γ１の値に対応して前記第２波長板の位相差Γ２をその差が常に９０°を維持するように設定することによって、解消し得ると考えられる。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００２９】
本発明によれば、上記目的を達成するために、光学的一軸性結晶材料からなる第１波長板と第２波長板とを有し、それら第１、第２波長板を光の入射方向から順にかつそれらの光学軸が互いに９０°の角度で交差するように配置した積層１／４波長板であって、第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°又は２７０°とし、かつ第１波長板の光学軸の方位角をθ１＝４５°＋ｋ１、第２波長板の光学軸の方位角をθ２＝１３５°＋ｋ２として、出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように、第１波長板の位相差の許容偏差γ、第１及び第２波長板の光学軸方位角の許容偏差ｋ１、ｋ２を決定した積層１／４波長板が提供される。
【００３０】
第１波長板は、その光学軸方位角の製造誤差が積層１／４波長板の楕円率に全く影響しないので、比較的低い精度で安価に製造することができる。そのようにした場合も、前記積層１／４波長板は、第２波長板の光学軸方位角θ２及び位相差Γ２の精度を高いレベルに確保することによって、従来よりも容易に所望の高い楕円率を実現できる。しかも、第１及び第２波長板を従来と同様に機械的な手法でかつ従来と同程度の位置決め精度で配置することができるので、製造コストの低減及び量産性の向上を図ることができる。尚、出射光の偏光状態は、第２波長板の位相差がΓ２＝Γ１−９０°の場合にポアンカレ球上で北極の位置にくるが、Γ２＝Γ１−２７０°の場合にはポアンカレ球上で南極の位置にくることになる。
【００３１】
或る実施例では、前記積層１／４波長板の中心波長が、一般にＤＶＤ規格の光ピックアップ装置に使用される６６０ｎｍ帯であり、第１波長板及び第２波長板の光学軸方位角をそれぞれ４５°±４°、１３５°±４°の範囲に設定することにより、０．８５以上の高い楕円率を達成することができる。
【００３２】
別の実施例では、前記積層１／４波長板の中心波長が、一般にブルーレイ規格の光ピックアップ装置に使用される４０５ｎｍ帯であり、第１波長板及び第２波長板の光学軸方位角をそれぞれ４５°±２．５°、１３５°±２．５°の範囲に設定することにより、０．９以上の高い楕円率を達成することができる。
【００３３】
更に別の実施例によれば、第１及び第２波長板が例えば従来から多用されているＹカット又はＸカットの水晶板により形成され、水晶の旋光能の影響を受けないので、積層１／４波長板の楕円率を制御することが比較的容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図２に示すように、本実施例の積層１／４波長板１は、Ｙカット（又はＸカット）水晶板のような光学的一軸性結晶材料からなる第１波長板２と第２波長板３とを有する。第１波長板２と第２波長板３とは、光の入射方向Ｌiから出射方向Ｌoに順に、かつそれらの結晶光学軸４，５が互いに９０°の角度で交差するように貼り合わせる。
【００３５】
第１波長板２は、位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、光学軸方位角をθ１＝４５°＋ｋ１に設計する。第２波長板３は、位相差をΓ２＝Γ１−９０°、光学軸方位角をθ２＝１３５°＋ｋ２に設計する。ここで、γは第１波長板の位相差の許容偏差、ｋ１及びｋ２はそれぞれ第１及び第２波長板２，３の光学軸方位角の許容偏差である。γ、ｋ１及びｋ２は、積層１／４波長板１の出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように決定する。ここで、光学軸方位角θ１は、前記積層１／４波長板に入射する光の直線偏光の偏光面と第１波長板の結晶光学軸４とがなす角度であり、光学軸方位角θ２は、前記直線偏光の偏光面と前記第２波長板３の結晶光学軸５とがなす角度である。
【００３６】
図１のポアンカレ球において、楕円率１の点Ｓ3を中心に所望の楕円率η0を半径とする円を描いたとき、その円内に出射光の位置Ｐ２＋及びＰ２−が常にあるように、γ、ｋ１及びｋ２を設定する。位相差Γ１の許容偏差γが０の場合、点Ｐ１の位置は基準点Ｐ０に一致する。このとき、基準点Ｐ０を通ってη0を半径とする前記円に外接する直線とＳ1軸との間に画定される角度が２ｋ２である。この光学軸方位角θ２の許容偏差ｋ２の範囲内で、位置Ｐ２＋及びＰ２−は確実にη0を半径とする前記円内に存在し、所望の楕円率η0を満足する。
【００３７】
点Ｐ１の位置は、位相差Γ１の許容偏差γに対応して、基準点Ｐ０を通って回転軸Ｒ１＋又はＲ１−に直交する直線上を移動する。このとき、基準点Ｐ０から移動した点Ｐ１を通ってη0を半径とする前記円に外接する直線に直交する回転軸Ｒ２＋又はＲ２−とＳ2軸との間に画定される角度が２ｋ２である。位相差Γ１に製造誤差がある場合にも、この光学軸方位角θ２の許容偏差ｋ２の範囲内で、位置Ｐ２＋及びＰ２−は確実にη0を半径とする前記円内に存在し、所望の楕円率η0を満足する。許容偏差ｋ２が小さいほど、許容偏差γを大きくとれることが分かる。
【００３８】
このように本発明の積層１／４波長板１は、第１波長板２の光学軸方位角θ１にずれがあっても、それが出射光の偏光状態即ち楕円率に直接影響することはなく、第２波長板３の光学軸方位角θ２及び位相差Γ２の精度を高レベルで確保することによって、第１波長板２の板厚即ち位相差に或る程度の幅即ち許容偏差を持たせながら、所望の高い楕円率を容易に実現することができる。従って、第１波長板２は、従来よりも比較的低い精度で安価に製造され、従来と同様に機械的な手法で第２波長板３と位置決めして貼り合わせることができるので、製造コストを低減することができる。
【００３９】
本実施例の積層１／４波長板１は、その中心波長を６６０ｎｍとして、市販のＤＶＤ規格の光ピックアップ装置に使用することができる。この場合、第１波長板２及び第２波長板３の各光学軸方位角θ１、θ２の許容偏差ｋ１、ｋ２を±４°に設定することにより、所望の０．８５以上の高い楕円率が得られる。以下に、具体的なシミュレーション結果を示して説明する。
【００４０】
図３は、中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋７×３６０°＝２８８０°＋γ、第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°＝２７９０°＋γとした場合に、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量＝±０°〜±６°について位相差Γ１の許容偏差γに対する楕円率の変化を示している。同図から、光学軸方位角θ１，θ２の許容偏差ｋ１、ｋ２を±４°にかつ位相差Γ１の許容偏差γ＝±９０°に設定すると、常に目標基準値０．８５以上の楕円率を実現し得ることが確認された。
【００４１】
図４（Ａ）は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２°，＋２°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±２０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。この場合、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて常に目標基準値０．８５以上の楕円率を実現し得ることが分かる。更に（Ｂ）図は、位相差Γ１が−側に２８８０°−６４°〜−５５°まで大きく振れた場合の楕円率の変化を、（Ｃ）図は、位相差Γ１が＋側に２８８０°＋５３°〜＋６２°まで大きく振れた場合の楕円率の変化をそれぞれ詳細に示している。これらの図から、目標基準値０．８５以上の楕円率を達成し得る限界となる位相差Γ１の許容偏差γが判断される。
【００４２】
図５（Ａ）は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−３°，＋３°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±４０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。この場合にも、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて常に目標基準値０．８５以上の楕円率を実現し得ることが分かる。更に（Ｂ）図は、位相差Γ１の−側即ち２８８０°−４０°〜−３５°における楕円率の変化を、（Ｃ）図は位相差Γ１が上記範囲から＋側に２８８０°＋４０°〜＋４５°まで振れた場合の楕円率の変化をそれぞれ詳細に示している。これらの図から、目標基準値０．８５以上の楕円率を達成し得る限界となる位相差Γ１の許容偏差γが判断される。
【００４３】
図６は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−４°，＋４°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±４０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合にも、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて常に目標基準値０．８５以上の楕円率を実現し得ることが分かる。
【００４４】
図７は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−５°，＋５°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±４０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合には、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて、楕円率が目標基準値０．８５を下回る範囲が常に存在することが分かる。
【００４５】
図８は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±２０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合にも、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍを含む広範な範囲において、常に目標基準値０．８５を大きく上回る高い楕円率を実現し得ることが分かる。
【００４６】
これらのシミュレーション結果を総合すると、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量±１°〜±５°に関して使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて目標基準値０．８５以上の楕円率を達成し得る位相差Γ１の範囲、即ちその許容偏差γを以下の表１にまとめることができる。同表において、θずれ量は光学軸方位角θ１、θ２のずれ量である。
【００４７】
【表１】
【００４８】
また、本実施例の積層１／４波長板１は、その中心波長を４０５ｎｍとして、市販のブルーレイ規格の光ピックアップ装置に使用することができる。この場合、第１波長板２及び第２波長板３の各光学軸方位角θ１、θ２の許容偏差ｋ１、ｋ２を±２．５°に設定することにより、所望の０．９以上の高い楕円率が得られる。同様に、具体的なシミュレーション結果を示して説明する。
【００４９】
図９は、中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋９×３６０°＝３６００°＋γ、第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°＝３５１０°＋γとした場合に、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量＝±０°〜±５°について位相差Γ１の許容偏差γに対する楕円率の変化を示している。同図から、光学軸方位角θ１，θ２の許容偏差ｋ１、ｋ２を±３°にかつ位相差Γ１の許容偏差γ＝±９０°に設定すると、常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが確認された。
【００５０】
図１０（Ａ）は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−１°，＋１°とした場合に、位相差Γ１が３６００°−７９°〜−７０°まで−側に大きく振れた場合の楕円率の変化を示している。図１０（Ｂ）は、位相差Γ１が３６００°＋６１°〜＋７０°まで＋側に大きく振れた場合の楕円率の変化を示している。同図から、この場合には、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが分かる。
【００５１】
図１１は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−１．５°，＋１．５°とした場合に位相差Γ１＝３６００°±４０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが分かる。
【００５２】
図１２（Ａ）は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２°，＋２°とした場合に位相差Γ１＝３６００°±２０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。この場合にも、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが分かる。更に（Ｂ）図は、位相差Γ１の−側即ち３６００°−１６°〜−１０°における楕円率の変化を、（Ｃ）図は位相差Γ１の＋側即ち３６００°＋５°〜＋１２°における楕円率の変化をそれぞれ詳細に示している。これらの図から、目標基準値０．９以上の楕円率を達成し得る限界となる位相差Γ１の許容偏差γが判断される。
【００５３】
図１３は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２．５°，＋２．５°とした場合に位相差Γ１＝３６００°−２０°〜＋１０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合にも、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが分かる。
【００５４】
図１４は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−３°，＋３°とした場合に位相差Γ１＝３６００°±１０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合には、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ないことが確認された。
【００５５】
図１５は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２°とした場合に位相差Γ１＝３６００°±１０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合にも、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍを含む広範な範囲において、常に目標基準値０．９を大きく上回る高い楕円率を実現し得ることが分かる。
【００５６】
これらのシミュレーション結果を総合すると、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量±１°〜±３°に関して使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて目標基準値０．９以上の楕円率を達成し得る位相差Γ１の範囲、即ちその許容偏差γを以下の表２にまとめることができる。
【００５７】
【表２】
【００５８】
図１６は、本発明の積層１／４波長板を適用した光ピックアップ装置の実施例を示している。この光ピックアップ装置２０は、例えばBlu-ray Disc（商標）等の光ディスク装置の記録再生に使用するためのもので、例えば波長４０５ｎｍの青紫色光であるレーザ光を放射するレーザダイオードからなる光源２１を有する。光ピックアップ装置２０は、光源２１からのレーザ光を回折して３ビーム化する回折格子２２と、該回折格子を透過したレーザ光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離して透過又は反射する偏光ビームスプリッタ２３と、該偏光ビームスプリッタに反射されたレーザ光を平行光にするコリメートレンズ２４と、該コリメートレンズを透過したレーザ光を光ディスク２５に向けて反射するミラー２６と、該ミラーにより反射された直線偏光のレーザ光を円偏光に変換する１／４波長板２７と、該１／４波長板を透過したレーザ光を集光する対物レンズ２８と、光ディスク２５から反射したレーザ光を検出する光検出器２９とを備える。更に光ピックアップ装置２０は、光源２１から出射して偏光ビームスプリッタ２３を透過したレーザ光を検出するモニタ用光検出器３０を有する。
【００５９】
光ピックアップ装置２０の動作を以下に説明する。光源２１から出射した直線偏光のレーザ光は、３ビーム法によるトラッキング制御のために回折格子２２により３ビームに分離された後、Ｓ偏光成分が偏光ビームスプリッタ２３で反射され、コリメートレンズ２４により平行光となる。平行光のレーザ光はミラー２６で全反射され、１／４波長板２７により直線偏光から円偏光に変換され、対物レンズ２８で集光されて、光ディスク２５に形成した信号記録層のピットに照射される。該ピットで反射されたレーザ光は前記対物レンズを透過し、１／４波長板２７により円偏光から直線偏光に変換され、ミラー２６で全反射されてコリメートレンズ２４及び偏光ビームスプリッタ２３を透過し、光検出器２９に入射して検出される。これにより、前記光ディスクに記録されている信号の読み取り動作が行われる。また、光源２１から出射したレーザ光のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２３を透過してモニタ用光検出器３０に入射して検出される。この検出出力によって、前記レーザーダイオードから出射するレーザ光の出力を制御する。
【００６０】
前記光ピックアップ装置は、１／４波長板２７に本発明の積層１／４波長板を使用する。これによって、直線偏光のレーザ光を、水晶の旋光能の影響を受けることなく、高い楕円率の実質的な円偏光に変換することができる。その結果、より高記録密度の光ディスク記録再生装置に適した光ピックアップ装置を実現することができる。
【００６１】
図１７は、本発明の積層１／４波長板を適用した反射型液晶表示装置の一例として、ＬＣＯＳ型液晶プロジェクタの実施例を示している。この液晶プロジェクタ４０は、光源４１と、第１及び第２のインテグレータレンズ４２ａ、４２ｂと、偏光変換素子４３と、コールドミラー４４と、色分解光学系を構成する第１及び第２のダイクロイックミラー４５ａ、４５ｂと、折り返しミラー４６とを備える。更に前記プロジェクタは、赤色用、緑色用及び青色用の偏光ビームスプリッタ４７ａ、４７ｂ、４７ｃと、赤色用、緑色用及び青色用の１／４波長板４８ａ、４８ｂ、４８ｃと、赤色用、緑色用及び青色用のＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）からなる反射型液晶表示素子４９ａ、４９ｂ、４９ｃと、色合成光学系を構成するクロスプリズム５０と、投写レンズ５１と、スクリーン５２とを備える。
【００６２】
液晶プロジェクタ４０の動作を以下に説明する。光源４１から出射したランダム光は、第１のインテグレータレンズ４２ａにより平行光となり、ＰＳ変換素子４３によりＰ偏光成分がＳ偏光に変換されかつＳ偏光はそのまま透過し、更に第２のインテグレータレンズ４２ｂにより平行光となり、コールドミラー４４に入射する。該コールドミラーで反射された光は、緑色光及び青色光が第１のダイクロイックミラー４５ａにより反射され、赤色光はこれを透過して、折り返しミラー４６で反射される。前記赤色光はＳ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ４７ａの偏光膜で反射され、１／４波長板４８ａを透過し、ＬＣＯＳ４９ａに入射して反射される。このとき前記赤色光は変調され、再度１／４波長板４８ａを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４７ａの偏光膜を透過してクロスプリズム５０に入射する。
【００６３】
前記第１のダイクロイックミラーで反射された緑色光は、第２のダイクロイックミラー４５ｂで反射され、Ｓ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ４７ｂの偏光膜で反射され、１／４波長板４８ｂを透過し、ＬＣＯＳ４９ｂに入射して反射される。このとき前記緑色光は変調され、再度１／４波長板４８ｂを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４７ｂの偏光膜を透過してクロスプリズム５０に入射する。同様に前記第１のダイクロイックミラーで反射された青色光は、第２のダイクロイックミラー４５ｂを透過し、Ｓ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ４７で反射され、１／４波長板４８ｃを透過し、ＬＣＯＳ４９ｃに入射して反射される。このとき前記青色光は変調され、再度１／４波長板４８ｃを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４７ｃを透過して、クロスプリズム５０に入射する。
【００６４】
クロスプリズム５０は、入射した赤色光と青色光とを反射され、緑色光を透過させるように構成されている。従って、前記クロスプリズムに入射した赤色光、緑色光及び青色光は色合成され、投写レンズ５１を介してスクリーン５２上に投影され、カラー映像が得られる。
【００６５】
前記液晶プロジェクタは、赤緑青各色用の１／４波長板４８ａ、４８ｂ、４８ｃにそれぞれ本発明の積層１／４波長板を使用する。これによって、直線偏光のレーザ光を、水晶の旋光能の影響を受けることなく、高い楕円率の実質的な円偏光に変換することがでる。その結果、従来よりもコントラストを改善した反射型液晶表示装置を実現することができる。
【００６６】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、第２波長板３の位相差をΓ２＝Γ１−２７０°に設定することができる。この場合、積層１／４波長板の出射光は、ポアンカレ球上で南極の位置になり、その位相差は波長依存性を有するので、波長に関する楕円率の変化は傾きが上記実施例の場合よりも大きくなる。また、本発明は、第１及び第２波長板を例えば方解石のような水晶以外の光学的一軸性結晶材料で形成することができ、その場合にも同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による積層１／４波長板の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２】本発明による積層１／４波長板の実施例を光の出射方向から見た斜視図。
【図３】中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、θ１，θ２のずれ量＝±０°〜±６°について位相差Γ１の許容偏差γに対する楕円率の変化を示す線図。
【図４】（Ａ）図は積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２°，＋２°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図、（Ｂ）図は位相差Γ１が−側に大きく振れた範囲で楕円率の変化を示す線図、（Ｃ）図は位相差Γ１が＋側に大きく振れた範囲で楕円率の変化を示す線図。
【図５】（Ａ）図は積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−３°，＋３°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図、（Ｂ）図は位相差Γ１の−側での楕円率の変化を示す線図、（Ｃ）図は位相差Γ１が＋側に振れた範囲で楕円率の変化を示す線図。
【図６】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−４°，＋４°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図７】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−５°，＋５°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図８】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図９】中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、θ１，θ２のずれ量＝±０°〜±５°について位相差Γ１の許容偏差γに対する積層１／４波長板の楕円率の変化を示す線図。
【図１０】（Ａ）図は積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−１°，＋１°の場合に位相差Γ１の−側の範囲で波長に対する楕円率の変化を示す線図、（Ｂ）図は位相差Γ１の＋側の範囲で楕円率の変化を示す線図。
【図１１】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−１．５°，＋１．５°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図１２】（Ａ）図は積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２°，＋２°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図、（Ｂ）図は位相差Γ１の−側での楕円率の変化を示す線図、（Ｃ）図は位相差Γ１の＋側での楕円率の変化を示す線図。
【図１３】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２．５°，＋２．５°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図１４】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−３°，＋３°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図１５】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図１６】本発明の１／４波長板を用いた光ピックアップ装置の実施例の構成を示す概略図。
【図１７】本発明の１／４波長板を用いたＬＣＯＳ型液晶プロジェクタの実施例の構成を示す概略図。
【図１８】従来例の積層１／４波長板を光の出射方向から見た斜視図。
【図１９】従来の理想的な積層１／４波長板の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２０】従来の積層１／４波長板の光学軸方位角に誤差がある場合の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２１】従来の波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角の誤差による楕円率の変化を示す線図。
【図２２】従来の波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角の誤差による楕円率の変化を第１波長板の位相差の変動に関連して示す線図。
【図２３】従来の波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角の誤差による楕円率の変化を示す線図。
【図２４】従来の波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角の誤差による楕円率の変化を第１波長板の位相差の変動に関連して示す線図。
【符号の説明】
【００６８】
１，１１…積層１／４波長板、２，１２…第１波長板、３，１３…第２波長板、４，５，１４，１５…光学軸、２７，４８ａ，４８ｂ，４８ｃ…１／４波長板、２０…光ピックアップ装置、２１，４１…光源、２２…回折格子、２３，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ…偏光ビームスプリッタ、２４…コリメートレンズ、２５…光ディスク、２６…ミラー、２８…対物レンズ、２９…光検出器、３０…モニタ用光検出器、４０…液晶プロジェクタ、４２ａ，４２ｂ…インテグレータレンズ、４３…偏光変換素子、４４…コールドミラー、４５ａ，４５ｂ…ダイクロイックミラー、４６…折り返しミラー、４９ａ，４９ｂ，４９ｃ…反射型液晶表示素子、５０…クロスプリズム、５１…投写レンズ、５２…スクリーン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ピックアップ装置、液晶プロジェクタ、光学ローパスフィルタ等の光学装置に使用される１／４波長板に関し、特に水晶のような複屈折性を有する無機結晶材料からなる２枚の波長板を重ねて配置した積層１／４波長板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線偏光と円偏光との間で偏光状態を変換するために入射光の位相を１／４波長ずらす位相板即ち１／４波長板が、様々な光学的用途に使用されている。一般に１／４波長板は、延伸処理により複屈折性をもたせたポリカーボネート等の有機系材料からなる樹脂フィルム、高分子液晶層を透明基板で挟持した位相差板、水晶等の複屈折性を有する無機結晶材料の結晶板で作られる。特に光ディスク装置の記録再生に使用する光ピックアップ装置は、記録の高密度化大容量化を図るために非常に短波長で高出力の青紫色レーザを採用している。上述した樹脂フィルムや液晶材料が青紫色レーザ光を吸収して発熱し易く、材質自体が劣化して波長板の機能を損なう虞があるのに対し、水晶等の無機結晶材料は耐光性が極めて高いので、水晶波長板は青紫色レーザを使用するような光学系に特に有利である。
【０００３】
水晶波長板の板厚ｔは、周知の位相差Γとの関係式Γ＝（３６０／λ）・（ｎe−ｎo）ｔ、（但し、ｎo：常光屈折率、ｎe：異常光屈折率）に従って決定される。そのため、光の入射面（又は出射面）に立てた法線と水晶の結晶光学軸即ちＺ軸とが直交するように切り出した所謂Ｙカット（又はＸカット）の水晶板でシングルモード（零次モード）の１／４波長板を形成すると、用いる水晶板の板厚が使用波長によって１０〜２６μｍ程度まで薄くなり、強度が著しく低下し、製造上取り扱いが非常に困難になる。そこで、２枚又はそれ以上の水晶波長板を貼り合わせた積層１／４波長板が使用されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【０００４】
特許文献１記載の組み合わせ波長板は、水晶等の光学的一軸性結晶から光軸Ｚと平行に、即ち該光軸Ｚを光の入射面（又は出射面）に立てた法線に対して垂直に切り出した２枚の結晶板を、それらの光軸Ｚが互いに垂直になるように組み合わせ、それら１対の結晶板を通過する光の光路差ΔｄがΔｎ（結晶板の常光線と異常光線との屈折率の差）×Δｔ（両結晶板の板厚の差）で表されるようにしたものである。これにより、板厚が薄くなる問題と共に、光学的一軸性結晶材料が有する旋光性や入射角度依存性の問題を解決している。
【０００５】
特許文献２記載の組み合わせ波長板は、板面法線即ち光の入射面（又は出射面）に立てた放線と光学軸とが０°＜β＜９０°の角度βをなすように加工した２枚の結晶板を貼り合わせたものである。これらの結晶板は、それらの光学軸が互いに貼合せ面に関して対称でありかつ板面の法線方向から見て互いに平行であるように貼り合わせる。これにより、ビーム入射角の変動によるリタデーションの変化をキャンセルすることができる。
【０００６】
また、２枚の光学的異方性結晶を互いの遅相軸が略直交するように貼り合わせた１／４波長板が知られている（例えば、特許文献３を参照）。この１／４波長板は、かかる構成によって、ポリカーボネート等の樹脂フィルムを用いた場合に温度変化による熱収縮で生じる歪みを解消し、かつ光学的異方性結晶における入射光線角度に対するリタデーション値の依存性を解消して高コントラストを実現するものである。
【０００７】
同様に２枚の光学結晶板を貼り合わせた積層１／４波長板において、光路より若干傾斜させて配置した場合にも、それに生じる両結晶板の光学軸のずれを見越して予めそれらの光学軸をずらして積層することにより、１／４波長板として所望の機能を発揮するようにした構造が知られている（例えば、特許文献４を参照）。
【０００８】
また、積層１／４波長板は、より広帯域で１／４波長板としての機能を発揮させるためにも使用されている。例えば、旋光能を有する光学材料からなる２つの波長板を互いに光軸を交差するように重ね合わせて積層し、ポアンカレ球を用いた近似式により求めた両波長板の位相差、光学軸方位角度、旋光能、及び回転軸と中性軸のなす角が所定の関係式を満足するように構成することにより、旋光能による影響を低減しつつ、広帯域での特性を良くした１／４波長板が提案されている（例えば、特許文献５を参照）。
【０００９】
更に広帯域で１／４波長板として機能するように、３枚の波長板を積層した偏光解消板が知られている（例えば、特許文献６を参照）。この１／４波長板では、各波長板の位相差、面内方位角がポアンカレ球を用いて最適値に設計される。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５８−１８９６０５号公報
【特許文献２】特公平３−６１９２１号公報
【特許文献３】特開２００３−２２２７２４号公報
【特許文献４】特開２００６−４０３５９号公報
【特許文献５】特開２００５−１５８１２１号公報
【特許文献６】特開２００６−１１３１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の積層１／４波長板の典型例を図１８に示す。この積層１／４波長板１１は、光の入射方向Ｌiから出射方向Ｌoに順に、Ｙカット（又はＸカット）水晶板のような光学的一軸性結晶材料からなる第１及び第２波長板１２，１３を有する。第１波長板１２は、位相差Γ１＝１８０°＋ｎ１×３６０°（但し、ｎ１：非負整数）、光学軸方位角θ１＝４５°に設計する。第２波長板１３は、位相差Γ２＝９０°（又は２７０°）＋ｎ２×３６０°（但し、ｎ２：非負整数）、光学軸方位角θ２＝１３５°に設計する。前記第１及び第２波長板は、それらの結晶光学軸１４，１５が互いに９０°の角度で交差するように貼り合わせる。これら第１及び第２波長板の位相差の差Γ＝｜Γ１−Γ２｜＝９０°（又は２７０°）が積層１／４波長板１１の位相差となる。ここで、光学軸方位角θ１は、前記積層１／４波長板に入射する光の直線偏光の偏光面と第１波長板１２の結晶光学軸１４とがなす角度であり、光学軸方位角θ２は、前記直線偏光の偏光面と第２波長板１３の結晶光学軸１５とがなす角度である。
【００１２】
この積層１／４波長板の偏光状態を図１９のポアンカレ球を用いて説明する。入射光の基準点をＰ０＝（１，０，０）として、第１波長板１２の回転軸Ｒ１をＳ1軸から２θ１＝９０°回転した位置に設定し、第２波長板１３の回転軸Ｒ２をＳ1軸から２θ２＝２７０°回転した位置に設定する。先ず、回転軸Ｒ１を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ１＝（−１，０，０）が前記第１波長板の出射光の位置となる。次に、回転軸Ｒ２を中心に点Ｐ１を位相差Γ２だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ２＝（０，０，１）が前記第２波長板の出射光の位置、即ち積層１／４波長板１１の出射光の位置となる。
【００１３】
しかしながら、実際に製造される積層１／４波長板において、図１９のように理想的な偏光状態を実現することは困難である。先ず、第１及び第２波長板１２，１３の光学軸方位角θ１、θ２は、前記第１及び第２波長板を形成する母基板の水晶板を光学軸に対して機械的に切断する角度によって決定されるので、通常±０．５°前後の製造誤差が生じる。更に、切り出した母基板から波長板を個片化する際にも、光学軸方位角θ１、θ２に通常±０．５°前後の製造誤差が生じる。また更に、個片化した前記第１及び第２波長板をそれらの光学軸が９０°で交差するように貼り合わせる際に、組立誤差が生じる。これら光学軸の切出し工程及び個片化工程での製造誤差並びに貼合せ工程での組立誤差は、合計すると±３．０°前後の誤差になるので、積層１／４波長板の出射光の偏光状態に直接悪影響を及ぼす虞がある。
【００１４】
第１及び第２波長板１２，１３の各光学軸方位角にそれぞれ誤差±Δθ１，±Δθ２が生じた場合に、それが積層１／４波長板１１の出射光の偏光状態に及ぼす影響を図２０を用いて説明する。同図は、ポアンカレ球をＳ3即ち北極の方向から見たものである。入射光の基準点をＰ０＝（１，０，０）として、光軸Ｓ1から２θ１＝９０°±Δθ１回転した位置に、それぞれ第１波長板１２の回転軸Ｒ１＋、Ｒ１−を設定する。同様に、第２波長板１３の回転軸Ｒ２＋、Ｒ２−を光軸Ｓ1から２θ２＝２７０°±Δθ２回転した位置に設定する。
【００１５】
先ず、回転軸Ｒ１＋を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させると、球上における前記第１波長板の出射光の位置Ｐ１＋は、図１７の点Ｐ１＝（−１，０，０）よりも左側に更に２Δθ１回転した位置にくる。次に、回転軸Ｒ２＋又はＲ２−を中心に点Ｐ１＋を位相差Γ２だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ２＋＋又はＰ２＋−がそれぞれ前記第２波長板の出射光の位置、即ち積層１／４波長板１１の出射光の位置となる。
【００１６】
また、回転軸Ｒ１−を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させると、球上における前記第１波長板の出射光の位置Ｐ１−は、図１９の点Ｐ１＝（−１，０，０）よりも右側に戻すように２Δθ１回転した位置にくる。次に、回転軸Ｒ２＋又はＲ２−を中心に点Ｐ１−を位相差Γ２だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ２−＋又はＰ２−−がそれぞれ前記記第２波長板の出射光の位置、即ち積層１／４波長板１１の出射光の位置となる。これら出射光の位置は、いずれも図１９のＰ２＝（０，０，１）即ち北極の位置から大きくずれており、その楕円率が１から大きく低下し得ることが分かる。
【００１７】
第二に、水晶板の位相差Γは、上述した板厚ｔとの関係式に基づき、板厚ｔをその発振周波数で制御することによって調整される。従って、板厚ｔの製造誤差は、そのまま位相差の誤差となる。例えば、Ｙカット水晶板で０．５μｍの誤差はリタデーションで約３°の誤差になる。２枚の水晶波長板の板厚を双方共に高精度に製造しかつ組み合わせて用いることは非常に困難であり、かつ高価格になる。
【００１８】
このように、第１，第２波長板の光学軸の製造誤差及び貼合せ工程の組立誤差と、各波長板の位相差の製造誤差とが加重的に作用することによって、積層１／４波長板の楕円率はより低下する。波長板同士の貼合せ誤差は、それらの光学軸の向きをＸ線装置等で確認しながら正確に行うことにより解消可能であるが、量産性に欠け、製造コストを増大させるという問題がある。
【００１９】
本願発明者らは、実際にこれらの誤差が積層１／４波長板の楕円率にどの程度の影響を及ぼすかについて、具体的にシミュレーションを行った。図２１は、市販のＤＶＤ規格の光ディスク記録再生装置に搭載する光ピックアップ装置で使用する波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝１８０°＋７×３６０°＝２７００°、光学軸方位角をθ１＝４５°−２°＝４３°、第２波長板の位相差をΓ２＝９０°＋７×３６０°＝２６１０°、光学軸方位角をθ２＝１３５°＋２°＝１３７°とした場合の楕円率の変化を、波長λ＝６２０〜７００ｎｍの範囲で示している。同図から、使用波長範囲λ＝６４０〜６８０ｎｍの大部分で楕円率が目標基準値の０．８５を下回っていることが分かる。
【００２０】
図２２は、同じくＤＶＤ規格の光ピックアップ装置に使用される波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の光学軸方位角をθ１＝４５°−２°＝４３°、第２波長板の光学軸方位角をθ２＝１３５°＋２°＝１３７°とし、第１波長板の位相差をΓ１＝１８０°＋７×３６０°＝２７００°を中心に±１８０°の範囲で変化させた場合の楕円率の変化を、波長λ＝６２０〜７００ｎｍの範囲で示している。尚、第２波長板の位相差はΓ２＝Γ１−９０°である。同図から、第１波長板の位相差Γ１に拘わらず、使用波長範囲λ＝６４０〜６８０ｎｍで楕円率が不安定で、目標基準値の０．８５を下回る範囲が常に存在することが分かる。
【００２１】
図２３は、市販のブルーレイ規格の光ディスク記録再生装置に搭載する光ピックアップ装置で使用する波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝１８０°＋９×３６０°＝３４２０°、光学軸方位角をθ１＝４５°−２°＝４３°、第２波長板の位相差をΓ２＝９０°＋９×３６０°＝３３３０°、光学軸方位角をθ２＝１３５°＋２°＝１３７°とした場合の楕円率の変化を、波長λ＝３７５〜４３５ｎｍの範囲で示している。同図から、使用波長範囲λ＝３９５〜４１５ｎｍの大部分で楕円率が目標基準値の０．９を下回っていることが分かる。
【００２２】
図２４は、同じくブルーレイ規格の光ピックアップ装置に使用される波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の光学軸方位角をθ１＝４５°−２°＝４３°、第２波長板の光学軸方位角をθ２＝１３５°＋２°＝１３７°とし、第１波長板の位相差をΓ１＝１８０°＋９×３６０°＝３４２０°を中心に±１８０°の範囲で変化させた場合の楕円率の変化を、波長λ＝３７５〜４３５ｎｍの範囲で示している。尚、第２波長板の位相差はΓ２＝Γ１−９０°である。同図から、第１波長板の位相差Γ１に拘わらず、使用波長範囲λ＝３９５〜４１５ｎｍで楕円率が不安定で、目標基準値の０．９を下回る範囲が常に存在することが分かる。
【００２３】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学的一軸性結晶材料からなる第１波長板と第２波長板とを、それらの光学軸が互いに９０°の角度で交差するように配置した積層１／４波長板において、各波長板の位相差及び光学軸の製造誤差と２枚の波長板の貼合せ誤差とによる楕円率の加重的な劣化を改善して、高い楕円率の偏光状態を実現すると共に、製造コストの低減化及び量産性の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述したように、水晶波長板の光学軸方位角において、製造上±３°程度の誤差は避けられない公差と考えられる。これに対し、水晶波長板の位相差は、上述したようにその板厚で決定されるから、比較的高い精度で制御することが可能である。そこで、本願発明者らは、第１及び／又は第２波長板の位相差を適当に設定することによって、積層１／４波長板の楕円率を改善できないかを検討した。
【００２５】
本願発明者らは、積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋ｎ×３６０°（但し、ｎ：非負整数）とし、かつ第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°（又は２７０°）とすることにより、第１波長板の光学軸方位角θ１の製造誤差即ちずれを解消し得ることを見い出した。これを図１のポアンカレ球を用いて説明する。同図は、ポアンカレ球をＳ3軸即ち北極の方向から見たものである。
【００２６】
図２０の場合と同様に、第１及び第２波長板の光学軸方位角θ１、θ２にそれぞれ誤差±Δθ１，±Δθ２が生じた場合を考える。入射光の基準点をＰ０＝（１，０，０）として、Ｓ1軸から２θ１＝９０°±２Δθ１回転した位置に、それぞれ第１波長板の回転軸Ｒ１＋、Ｒ１−を設定する。同様に、第２波長板の回転軸Ｒ２＋、Ｒ２−をＳ1軸から２θ２＝２７０°±２Δθ２回転した位置に設定する。
【００２７】
先ず、回転軸Ｒ１＋を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させると、球上における前記第１波長板の出射光の位置Ｐ１は、必ず元の基準点Ｐ０の位置に戻る。同様に、回転軸Ｒ１−を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右に回転させる場合にも、球上における前記第１波長板の出射光の位置Ｐ１は、必ず元の基準点Ｐ０の位置に戻る。次に、回転軸Ｒ２＋又はＲ２−を中心に点Ｐ１を位相差Γ２だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ２＋又はＰ２−がそれぞれ前記第２波長板の出射光の位置、即ち積層１／４波長板の出射光の位置となる。点Ｐ２＋、Ｐ２−は、位置Ｐ１を通って回転軸Ｒ２＋、Ｒ２−に直交する直線と回転軸Ｒ２＋、Ｒ２−との交点である。従って、積層１／４波長板の出射光の偏光状態即ち楕円率は、第１波長板の光学軸方位角のずれ量に拘わらず、第２波長板の光学軸方位角の精度によって決定されることが分かる。
【００２８】
実際には、前記第１波長板の位相差Γ１にも製造誤差が生じるから、その大きさに対応して点Ｐ１の位置が、図１において基準点Ｐ０を通って回転軸Ｒ１＋、Ｒ１−に直交する直線上を移動する。この移動による偏光状態の変化は、実際の位相差Γ１の値に対応して前記第２波長板の位相差Γ２をその差が常に９０°を維持するように設定することによって、解消し得ると考えられる。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００２９】
本発明によれば、上記目的を達成するために、光学的一軸性結晶材料からなる第１波長板と第２波長板とを有し、それら第１、第２波長板を光の入射方向から順にかつそれらの光学軸が互いに９０°の角度で交差するように配置した積層１／４波長板であって、第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°又は２７０°とし、かつ第１波長板の光学軸の方位角をθ１＝４５°＋ｋ１、第２波長板の光学軸の方位角をθ２＝１３５°＋ｋ２として、出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように、第１波長板の位相差の許容偏差γ、第１及び第２波長板の光学軸方位角の許容偏差ｋ１、ｋ２を決定した積層１／４波長板が提供される。
【００３０】
第１波長板は、その光学軸方位角の製造誤差が積層１／４波長板の楕円率に全く影響しないので、比較的低い精度で安価に製造することができる。そのようにした場合も、前記積層１／４波長板は、第２波長板の光学軸方位角θ２及び位相差Γ２の精度を高いレベルに確保することによって、従来よりも容易に所望の高い楕円率を実現できる。しかも、第１及び第２波長板を従来と同様に機械的な手法でかつ従来と同程度の位置決め精度で配置することができるので、製造コストの低減及び量産性の向上を図ることができる。尚、出射光の偏光状態は、第２波長板の位相差がΓ２＝Γ１−９０°の場合にポアンカレ球上で北極の位置にくるが、Γ２＝Γ１−２７０°の場合にはポアンカレ球上で南極の位置にくることになる。
【００３１】
或る実施例では、前記積層１／４波長板の中心波長が、一般にＤＶＤ規格の光ピックアップ装置に使用される６６０ｎｍ帯であり、第１波長板及び第２波長板の光学軸方位角をそれぞれ４５°±４°、１３５°±４°の範囲に設定することにより、０．８５以上の高い楕円率を達成することができる。
【００３２】
別の実施例では、前記積層１／４波長板の中心波長が、一般にブルーレイ規格の光ピックアップ装置に使用される４０５ｎｍ帯であり、第１波長板及び第２波長板の光学軸方位角をそれぞれ４５°±２．５°、１３５°±２．５°の範囲に設定することにより、０．９以上の高い楕円率を達成することができる。
【００３３】
更に別の実施例によれば、第１及び第２波長板が例えば従来から多用されているＹカット又はＸカットの水晶板により形成され、水晶の旋光能の影響を受けないので、積層１／４波長板の楕円率を制御することが比較的容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図２に示すように、本実施例の積層１／４波長板１は、Ｙカット（又はＸカット）水晶板のような光学的一軸性結晶材料からなる第１波長板２と第２波長板３とを有する。第１波長板２と第２波長板３とは、光の入射方向Ｌiから出射方向Ｌoに順に、かつそれらの結晶光学軸４，５が互いに９０°の角度で交差するように貼り合わせる。
【００３５】
第１波長板２は、位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、光学軸方位角をθ１＝４５°＋ｋ１に設計する。第２波長板３は、位相差をΓ２＝Γ１−９０°、光学軸方位角をθ２＝１３５°＋ｋ２に設計する。ここで、γは第１波長板の位相差の許容偏差、ｋ１及びｋ２はそれぞれ第１及び第２波長板２，３の光学軸方位角の許容偏差である。γ、ｋ１及びｋ２は、積層１／４波長板１の出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように決定する。ここで、光学軸方位角θ１は、前記積層１／４波長板に入射する光の直線偏光の偏光面と第１波長板の結晶光学軸４とがなす角度であり、光学軸方位角θ２は、前記直線偏光の偏光面と前記第２波長板３の結晶光学軸５とがなす角度である。
【００３６】
図１のポアンカレ球において、楕円率１の点Ｓ3を中心に所望の楕円率η0を半径とする円を描いたとき、その円内に出射光の位置Ｐ２＋及びＰ２−が常にあるように、γ、ｋ１及びｋ２を設定する。位相差Γ１の許容偏差γが０の場合、点Ｐ１の位置は基準点Ｐ０に一致する。このとき、基準点Ｐ０を通ってη0を半径とする前記円に外接する直線とＳ1軸との間に画定される角度が２ｋ２である。この光学軸方位角θ２の許容偏差ｋ２の範囲内で、位置Ｐ２＋及びＰ２−は確実にη0を半径とする前記円内に存在し、所望の楕円率η0を満足する。
【００３７】
点Ｐ１の位置は、位相差Γ１の許容偏差γに対応して、基準点Ｐ０を通って回転軸Ｒ１＋又はＲ１−に直交する直線上を移動する。このとき、基準点Ｐ０から移動した点Ｐ１を通ってη0を半径とする前記円に外接する直線に直交する回転軸Ｒ２＋又はＲ２−とＳ2軸との間に画定される角度が２ｋ２である。位相差Γ１に製造誤差がある場合にも、この光学軸方位角θ２の許容偏差ｋ２の範囲内で、位置Ｐ２＋及びＰ２−は確実にη0を半径とする前記円内に存在し、所望の楕円率η0を満足する。許容偏差ｋ２が小さいほど、許容偏差γを大きくとれることが分かる。
【００３８】
このように本発明の積層１／４波長板１は、第１波長板２の光学軸方位角θ１にずれがあっても、それが出射光の偏光状態即ち楕円率に直接影響することはなく、第２波長板３の光学軸方位角θ２及び位相差Γ２の精度を高レベルで確保することによって、第１波長板２の板厚即ち位相差に或る程度の幅即ち許容偏差を持たせながら、所望の高い楕円率を容易に実現することができる。従って、第１波長板２は、従来よりも比較的低い精度で安価に製造され、従来と同様に機械的な手法で第２波長板３と位置決めして貼り合わせることができるので、製造コストを低減することができる。
【００３９】
本実施例の積層１／４波長板１は、その中心波長を６６０ｎｍとして、市販のＤＶＤ規格の光ピックアップ装置に使用することができる。この場合、第１波長板２及び第２波長板３の各光学軸方位角θ１、θ２の許容偏差ｋ１、ｋ２を±４°に設定することにより、所望の０．８５以上の高い楕円率が得られる。以下に、具体的なシミュレーション結果を示して説明する。
【００４０】
図３は、中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋７×３６０°＝２８８０°＋γ、第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°＝２７９０°＋γとした場合に、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量＝±０°〜±６°について位相差Γ１の許容偏差γに対する楕円率の変化を示している。同図から、光学軸方位角θ１，θ２の許容偏差ｋ１、ｋ２を±４°にかつ位相差Γ１の許容偏差γ＝±９０°に設定すると、常に目標基準値０．８５以上の楕円率を実現し得ることが確認された。
【００４１】
図４（Ａ）は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２°，＋２°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±２０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。この場合、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて常に目標基準値０．８５以上の楕円率を実現し得ることが分かる。更に（Ｂ）図は、位相差Γ１が−側に２８８０°−６４°〜−５５°まで大きく振れた場合の楕円率の変化を、（Ｃ）図は、位相差Γ１が＋側に２８８０°＋５３°〜＋６２°まで大きく振れた場合の楕円率の変化をそれぞれ詳細に示している。これらの図から、目標基準値０．８５以上の楕円率を達成し得る限界となる位相差Γ１の許容偏差γが判断される。
【００４２】
図５（Ａ）は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−３°，＋３°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±４０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。この場合にも、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて常に目標基準値０．８５以上の楕円率を実現し得ることが分かる。更に（Ｂ）図は、位相差Γ１の−側即ち２８８０°−４０°〜−３５°における楕円率の変化を、（Ｃ）図は位相差Γ１が上記範囲から＋側に２８８０°＋４０°〜＋４５°まで振れた場合の楕円率の変化をそれぞれ詳細に示している。これらの図から、目標基準値０．８５以上の楕円率を達成し得る限界となる位相差Γ１の許容偏差γが判断される。
【００４３】
図６は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−４°，＋４°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±４０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合にも、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて常に目標基準値０．８５以上の楕円率を実現し得ることが分かる。
【００４４】
図７は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−５°，＋５°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±４０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合には、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて、楕円率が目標基準値０．８５を下回る範囲が常に存在することが分かる。
【００４５】
図８は、同じく中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２°とした場合に位相差Γ１＝２８８０°±２０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合にも、使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍを含む広範な範囲において、常に目標基準値０．８５を大きく上回る高い楕円率を実現し得ることが分かる。
【００４６】
これらのシミュレーション結果を総合すると、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量±１°〜±５°に関して使用波長範囲λ＝６６０±１５ｎｍにおいて目標基準値０．８５以上の楕円率を達成し得る位相差Γ１の範囲、即ちその許容偏差γを以下の表１にまとめることができる。同表において、θずれ量は光学軸方位角θ１、θ２のずれ量である。
【００４７】
【表１】
【００４８】
また、本実施例の積層１／４波長板１は、その中心波長を４０５ｎｍとして、市販のブルーレイ規格の光ピックアップ装置に使用することができる。この場合、第１波長板２及び第２波長板３の各光学軸方位角θ１、θ２の許容偏差ｋ１、ｋ２を±２．５°に設定することにより、所望の０．９以上の高い楕円率が得られる。同様に、具体的なシミュレーション結果を示して説明する。
【００４９】
図９は、中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋９×３６０°＝３６００°＋γ、第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°＝３５１０°＋γとした場合に、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量＝±０°〜±５°について位相差Γ１の許容偏差γに対する楕円率の変化を示している。同図から、光学軸方位角θ１，θ２の許容偏差ｋ１、ｋ２を±３°にかつ位相差Γ１の許容偏差γ＝±９０°に設定すると、常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが確認された。
【００５０】
図１０（Ａ）は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−１°，＋１°とした場合に、位相差Γ１が３６００°−７９°〜−７０°まで−側に大きく振れた場合の楕円率の変化を示している。図１０（Ｂ）は、位相差Γ１が３６００°＋６１°〜＋７０°まで＋側に大きく振れた場合の楕円率の変化を示している。同図から、この場合には、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが分かる。
【００５１】
図１１は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−１．５°，＋１．５°とした場合に位相差Γ１＝３６００°±４０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが分かる。
【００５２】
図１２（Ａ）は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２°，＋２°とした場合に位相差Γ１＝３６００°±２０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。この場合にも、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが分かる。更に（Ｂ）図は、位相差Γ１の−側即ち３６００°−１６°〜−１０°における楕円率の変化を、（Ｃ）図は位相差Γ１の＋側即ち３６００°＋５°〜＋１２°における楕円率の変化をそれぞれ詳細に示している。これらの図から、目標基準値０．９以上の楕円率を達成し得る限界となる位相差Γ１の許容偏差γが判断される。
【００５３】
図１３は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２．５°，＋２．５°とした場合に位相差Γ１＝３６００°−２０°〜＋１０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合にも、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて常に目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ることが分かる。
【００５４】
図１４は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−３°，＋３°とした場合に位相差Γ１＝３６００°±１０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合には、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて目標基準値０．９以上の楕円率を実現し得ないことが確認された。
【００５５】
図１５は、同じく中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量をそれぞれ−２°とした場合に位相差Γ１＝３６００°±１０°の範囲で波長に対する楕円率の変化を示している。同図から、この場合にも、使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍを含む広範な範囲において、常に目標基準値０．９を大きく上回る高い楕円率を実現し得ることが分かる。
【００５６】
これらのシミュレーション結果を総合すると、光学軸方位角θ１，θ２のずれ量±１°〜±３°に関して使用波長範囲λ＝４０５±８ｎｍにおいて目標基準値０．９以上の楕円率を達成し得る位相差Γ１の範囲、即ちその許容偏差γを以下の表２にまとめることができる。
【００５７】
【表２】
【００５８】
図１６は、本発明の積層１／４波長板を適用した光ピックアップ装置の実施例を示している。この光ピックアップ装置２０は、例えばBlu-ray Disc（商標）等の光ディスク装置の記録再生に使用するためのもので、例えば波長４０５ｎｍの青紫色光であるレーザ光を放射するレーザダイオードからなる光源２１を有する。光ピックアップ装置２０は、光源２１からのレーザ光を回折して３ビーム化する回折格子２２と、該回折格子を透過したレーザ光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離して透過又は反射する偏光ビームスプリッタ２３と、該偏光ビームスプリッタに反射されたレーザ光を平行光にするコリメートレンズ２４と、該コリメートレンズを透過したレーザ光を光ディスク２５に向けて反射するミラー２６と、該ミラーにより反射された直線偏光のレーザ光を円偏光に変換する１／４波長板２７と、該１／４波長板を透過したレーザ光を集光する対物レンズ２８と、光ディスク２５から反射したレーザ光を検出する光検出器２９とを備える。更に光ピックアップ装置２０は、光源２１から出射して偏光ビームスプリッタ２３を透過したレーザ光を検出するモニタ用光検出器３０を有する。
【００５９】
光ピックアップ装置２０の動作を以下に説明する。光源２１から出射した直線偏光のレーザ光は、３ビーム法によるトラッキング制御のために回折格子２２により３ビームに分離された後、Ｓ偏光成分が偏光ビームスプリッタ２３で反射され、コリメートレンズ２４により平行光となる。平行光のレーザ光はミラー２６で全反射され、１／４波長板２７により直線偏光から円偏光に変換され、対物レンズ２８で集光されて、光ディスク２５に形成した信号記録層のピットに照射される。該ピットで反射されたレーザ光は前記対物レンズを透過し、１／４波長板２７により円偏光から直線偏光に変換され、ミラー２６で全反射されてコリメートレンズ２４及び偏光ビームスプリッタ２３を透過し、光検出器２９に入射して検出される。これにより、前記光ディスクに記録されている信号の読み取り動作が行われる。また、光源２１から出射したレーザ光のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２３を透過してモニタ用光検出器３０に入射して検出される。この検出出力によって、前記レーザーダイオードから出射するレーザ光の出力を制御する。
【００６０】
前記光ピックアップ装置は、１／４波長板２７に本発明の積層１／４波長板を使用する。これによって、直線偏光のレーザ光を、水晶の旋光能の影響を受けることなく、高い楕円率の実質的な円偏光に変換することができる。その結果、より高記録密度の光ディスク記録再生装置に適した光ピックアップ装置を実現することができる。
【００６１】
図１７は、本発明の積層１／４波長板を適用した反射型液晶表示装置の一例として、ＬＣＯＳ型液晶プロジェクタの実施例を示している。この液晶プロジェクタ４０は、光源４１と、第１及び第２のインテグレータレンズ４２ａ、４２ｂと、偏光変換素子４３と、コールドミラー４４と、色分解光学系を構成する第１及び第２のダイクロイックミラー４５ａ、４５ｂと、折り返しミラー４６とを備える。更に前記プロジェクタは、赤色用、緑色用及び青色用の偏光ビームスプリッタ４７ａ、４７ｂ、４７ｃと、赤色用、緑色用及び青色用の１／４波長板４８ａ、４８ｂ、４８ｃと、赤色用、緑色用及び青色用のＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）からなる反射型液晶表示素子４９ａ、４９ｂ、４９ｃと、色合成光学系を構成するクロスプリズム５０と、投写レンズ５１と、スクリーン５２とを備える。
【００６２】
液晶プロジェクタ４０の動作を以下に説明する。光源４１から出射したランダム光は、第１のインテグレータレンズ４２ａにより平行光となり、ＰＳ変換素子４３によりＰ偏光成分がＳ偏光に変換されかつＳ偏光はそのまま透過し、更に第２のインテグレータレンズ４２ｂにより平行光となり、コールドミラー４４に入射する。該コールドミラーで反射された光は、緑色光及び青色光が第１のダイクロイックミラー４５ａにより反射され、赤色光はこれを透過して、折り返しミラー４６で反射される。前記赤色光はＳ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ４７ａの偏光膜で反射され、１／４波長板４８ａを透過し、ＬＣＯＳ４９ａに入射して反射される。このとき前記赤色光は変調され、再度１／４波長板４８ａを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４７ａの偏光膜を透過してクロスプリズム５０に入射する。
【００６３】
前記第１のダイクロイックミラーで反射された緑色光は、第２のダイクロイックミラー４５ｂで反射され、Ｓ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ４７ｂの偏光膜で反射され、１／４波長板４８ｂを透過し、ＬＣＯＳ４９ｂに入射して反射される。このとき前記緑色光は変調され、再度１／４波長板４８ｂを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４７ｂの偏光膜を透過してクロスプリズム５０に入射する。同様に前記第１のダイクロイックミラーで反射された青色光は、第２のダイクロイックミラー４５ｂを透過し、Ｓ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ４７で反射され、１／４波長板４８ｃを透過し、ＬＣＯＳ４９ｃに入射して反射される。このとき前記青色光は変調され、再度１／４波長板４８ｃを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４７ｃを透過して、クロスプリズム５０に入射する。
【００６４】
クロスプリズム５０は、入射した赤色光と青色光とを反射され、緑色光を透過させるように構成されている。従って、前記クロスプリズムに入射した赤色光、緑色光及び青色光は色合成され、投写レンズ５１を介してスクリーン５２上に投影され、カラー映像が得られる。
【００６５】
前記液晶プロジェクタは、赤緑青各色用の１／４波長板４８ａ、４８ｂ、４８ｃにそれぞれ本発明の積層１／４波長板を使用する。これによって、直線偏光のレーザ光を、水晶の旋光能の影響を受けることなく、高い楕円率の実質的な円偏光に変換することがでる。その結果、従来よりもコントラストを改善した反射型液晶表示装置を実現することができる。
【００６６】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、第２波長板３の位相差をΓ２＝Γ１−２７０°に設定することができる。この場合、積層１／４波長板の出射光は、ポアンカレ球上で南極の位置になり、その位相差は波長依存性を有するので、波長に関する楕円率の変化は傾きが上記実施例の場合よりも大きくなる。また、本発明は、第１及び第２波長板を例えば方解石のような水晶以外の光学的一軸性結晶材料で形成することができ、その場合にも同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による積層１／４波長板の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２】本発明による積層１／４波長板の実施例を光の出射方向から見た斜視図。
【図３】中心波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、θ１，θ２のずれ量＝±０°〜±６°について位相差Γ１の許容偏差γに対する楕円率の変化を示す線図。
【図４】（Ａ）図は積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２°，＋２°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図、（Ｂ）図は位相差Γ１が−側に大きく振れた範囲で楕円率の変化を示す線図、（Ｃ）図は位相差Γ１が＋側に大きく振れた範囲で楕円率の変化を示す線図。
【図５】（Ａ）図は積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−３°，＋３°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図、（Ｂ）図は位相差Γ１の−側での楕円率の変化を示す線図、（Ｃ）図は位相差Γ１が＋側に振れた範囲で楕円率の変化を示す線図。
【図６】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−４°，＋４°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図７】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−５°，＋５°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図８】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図９】中心波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、θ１，θ２のずれ量＝±０°〜±５°について位相差Γ１の許容偏差γに対する積層１／４波長板の楕円率の変化を示す線図。
【図１０】（Ａ）図は積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−１°，＋１°の場合に位相差Γ１の−側の範囲で波長に対する楕円率の変化を示す線図、（Ｂ）図は位相差Γ１の＋側の範囲で楕円率の変化を示す線図。
【図１１】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−１．５°，＋１．５°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図１２】（Ａ）図は積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２°，＋２°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図、（Ｂ）図は位相差Γ１の−側での楕円率の変化を示す線図、（Ｃ）図は位相差Γ１の＋側での楕円率の変化を示す線図。
【図１３】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２．５°，＋２．５°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図１４】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−３°，＋３°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図１５】積層１／４波長板のθ１，θ２のずれ量が−２°の場合に波長に対する楕円率の変化を示す線図。
【図１６】本発明の１／４波長板を用いた光ピックアップ装置の実施例の構成を示す概略図。
【図１７】本発明の１／４波長板を用いたＬＣＯＳ型液晶プロジェクタの実施例の構成を示す概略図。
【図１８】従来例の積層１／４波長板を光の出射方向から見た斜視図。
【図１９】従来の理想的な積層１／４波長板の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２０】従来の積層１／４波長板の光学軸方位角に誤差がある場合の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２１】従来の波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角の誤差による楕円率の変化を示す線図。
【図２２】従来の波長６６０ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角の誤差による楕円率の変化を第１波長板の位相差の変動に関連して示す線図。
【図２３】従来の波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角の誤差による楕円率の変化を示す線図。
【図２４】従来の波長４０５ｎｍの積層１／４波長板において、光学軸方位角の誤差による楕円率の変化を第１波長板の位相差の変動に関連して示す線図。
【符号の説明】
【００６８】
１，１１…積層１／４波長板、２，１２…第１波長板、３，１３…第２波長板、４，５，１４，１５…光学軸、２７，４８ａ，４８ｂ，４８ｃ…１／４波長板、２０…光ピックアップ装置、２１，４１…光源、２２…回折格子、２３，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ…偏光ビームスプリッタ、２４…コリメートレンズ、２５…光ディスク、２６…ミラー、２８…対物レンズ、２９…光検出器、３０…モニタ用光検出器、４０…液晶プロジェクタ、４２ａ，４２ｂ…インテグレータレンズ、４３…偏光変換素子、４４…コールドミラー、４５ａ，４５ｂ…ダイクロイックミラー、４６…折り返しミラー、４９ａ，４９ｂ，４９ｃ…反射型液晶表示素子、５０…クロスプリズム、５１…投写レンズ、５２…スクリーン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的一軸性結晶材料からなる第１波長板と第２波長板とを有し、前記第１波長板と前記第２波長板とを光の入射方向から順にかつそれらの光学軸が互いに９０°の角度で交差するように配置した積層１／４波長板であって、
前記第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、前記第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°又は２７０°とし、かつ前記第１波長板の光学軸の方位角をθ１＝４５°＋ｋ１、前記第２波長板の光学軸の方位角をθ２＝１３５°＋ｋ２として、出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように、前記第１波長板の位相差の許容偏差γ、前記第１及び第２波長板の光学軸方位角の許容偏差ｋ１、ｋ２が決定されることを特徴とする積層１／４波長板。
【請求項２】
中心波長が６６０ｎｍであり、前記第１波長板及び前記第２波長板の各光学軸方位角の許容偏差ｋ１、ｋ２がそれぞれ±４°であることを特徴とする請求項１記載の積層１／４波長板。
【請求項３】
中心波長が４０５ｎｍであり、前記第１波長板及び前記第２波長板の各光学軸方位角の許容偏差ｋ１、ｋ２がそれぞれ±２．５°であることを特徴とする請求項１記載の積層１／４波長板。
【請求項４】
前記第１及び第２波長板が水晶板からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の積層１／４波長板。
【請求項１】
光学的一軸性結晶材料からなる第１波長板と第２波長板とを有し、前記第１波長板と前記第２波長板とを光の入射方向から順にかつそれらの光学軸が互いに９０°の角度で交差するように配置した積層１／４波長板であって、
前記第１波長板の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、前記第２波長板の位相差をΓ２＝Γ１−９０°又は２７０°とし、かつ前記第１波長板の光学軸の方位角をθ１＝４５°＋ｋ１、前記第２波長板の光学軸の方位角をθ２＝１３５°＋ｋ２として、出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように、前記第１波長板の位相差の許容偏差γ、前記第１及び第２波長板の光学軸方位角の許容偏差ｋ１、ｋ２が決定されることを特徴とする積層１／４波長板。
【請求項２】
中心波長が６６０ｎｍであり、前記第１波長板及び前記第２波長板の各光学軸方位角の許容偏差ｋ１、ｋ２がそれぞれ±４°であることを特徴とする請求項１記載の積層１／４波長板。
【請求項３】
中心波長が４０５ｎｍであり、前記第１波長板及び前記第２波長板の各光学軸方位角の許容偏差ｋ１、ｋ２がそれぞれ±２．５°であることを特徴とする請求項１記載の積層１／４波長板。
【請求項４】
前記第１及び第２波長板が水晶板からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の積層１／４波長板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１０−１０７９１２（Ｐ２０１０−１０７９１２Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８２５３１（Ｐ２００８−２８２５３１）
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
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