JP2007304572A - 積層１／２波長板、偏光変換子、偏光照明装置、及び光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３波長対応光ピックアップ装置用の積層１／２波長板を構成する手段を得る。
【解決手段】複屈折を有する結晶を用いた第１及び第２の波長板を光学軸が交差するよう
に貼り合わせ、全体として１／２波長板として機能する積層波長板であって、所定の波長
λに対し、常光線及び異常光線に対する第１及び第２の波長板の位相差をΓ１、Γ２、高
次モードの次数を自然数ｎとし、Γ１＝１８０°＋３６０°×ｎ、Γ２＝１８０°＋３６
０°×ｎを満足するように高次モード積層１／２波長板を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層波長板に関し、特に変換効率を改善した高次モードの積層波長板と、こ
れを用いた偏光変換子と、該偏光変換子を用いた偏光照明装置ｂと、高次モードの積層波
長板を用いたピックアップ装置に関する。

光学用の波長板は、従来から光ディスク装置、液晶ディスプレイ、液晶プロジェクタ等
に用いられてきたが、使用される光の波長帯で波長板としての機能、例えば１／２波長板
であれば、使用される波長帯に亘って位相が１８０°推移する等の機能を備えていること
が必要である。水晶等の複屈折を用いて１／２波長板を１枚の水晶板で作る場合、水晶の
常光線屈折率、異常光線屈折率を夫々ｎｏ、ｎｅとし、水晶板の厚さをｔとすると、波長
λの光が１／２波長板を透過したときの、常光線と異常光線との位相差Γは、Γ＝２π／
λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔで与えられ、位相差Γは波長λに依存することになる。

所望の波長帯で位相差がほぼ一定となる広帯域波長板が、特許文献１に開示されている
。図１２（ａ）に示す１／４波長板４０は、１／２波長板４１と、接着剤４２と、１／４
波長板４３とから構成される。図１２（ｂ）に示すように、１／４波長板４０に入射する
直線偏光の偏光方向に対して１／２波長板４１の延伸軸は−１５°、１／４波長板４３の
延伸軸は−７５°の方向に配置されている。尚、前記延伸軸の角度はｙｚ平面内でｙ軸か
ら右向きを正とした角度で記載されている。この１／２波長板４１や１／４波長板４３は
、ポリカーボネイトを材料とした高分子フィルムを延伸処理したもので、１／４波長板４
０は可視光の範囲（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）において、波長に依存しないほぼ完全な１
／４波長板として機能することが開示され、１／４波長板４０の作用を、ポアンカレ球を
用いて説明している。

また、複数の水晶板を積層して１／２波長板としての機能を持たせた積層波長板が特許
文献２に開示されている。図１３（ａ）は１／２波長板４４の構成を示す斜視図であって
、水晶板４５と４６とを貼り合わせて構成されている。図１３（ｂ）は１／２波長板４４
の分解斜視図であって、波長４２０ｎｍに対し位相差Γ１が１９０°、光学軸方位角θ１
が１９°の水晶板４５と、同様に波長４２０ｎｍに対し位相差Γ２が２００°、光学軸方
位角θ２が６４°の水晶板４６と、を夫々の光学軸４９、５０が４５°の角度で交差する
ように貼り合わせて、全体として波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの高帯域で１／２波長板と
して機能するように構成したと開示されている。図１３（ａ）に示すように、１／２波長
板４４にＰ偏光４７が入射すると、出射面では位相が１８０°ずれるので、入射光の偏光
面は９０°回転し、Ｓ偏光に変換する機能を有していることが開示されている。
尚、光学軸方位角θ１とθ２の関係が、θ２＝θ１＋４５°、０°＜θ１＜４５°であ
ることが開示されている。

１／２波長板４４の作用はポアンカレ球を用いて説明されるが、詳細な解析は水晶板４
５、４６の夫々のミューラ行列Ａ１、Ａ２と、入射及び出射偏光状態を示す夫々のストー
クスベクトルＴ、Ｓとすると、ストークスベクトルＳは次式で表される。
Ｓ＝Ａ２・Ａ１・Ｔ・・・（１）
ストークスベクトルＳの成分から１／２波長板４４の位相差を求めることができる。

特開平１０−６８８１６号公報 特開２００４−１７０８５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の１／４波長板を応用して、１／２波長板を製作し、
液晶プロジェクタ等に使用してみると、熱の影響による黄変が生じるという問題があった
。また、特許文献２に記載の１／２波長板はシングルモードの波長板で構成されており、
２枚の水晶板の夫々の位相差を概ね１８０°程度となるように加工する必要がある。実際
に水晶板を製造する場合、研磨のし易さ、歩留まり等を勘案すると水晶板の厚さを１００
μｍ以上に設定することが望ましい。しかるに水晶の常光、異常光の屈折率差から位相差
１８０°程度の水晶板を製作すると、その厚さは数十μｍとなり、歩留まりが悪いのと、
加工に時間を要するという問題があった。

この厚さの問題を解決する手段として、水晶板の光学軸が水晶板の主面における法線方
向から斜め方向になるように水晶板を切断することで、上記屈折率差を小さくし、水晶板
の厚さを厚くすることは可能である。そこで、特許文献２においては、使用する水晶板の
厚みの加工性を考慮して、水晶板の切断角度は、水晶板の主面における法線方向に対して
光学軸が２７°となる角度、所謂、カットアングルを２７°Ｚとすることが開示している
。しかし、水晶板の切断角度を２７°Ｚとすると、入射角度に対する１／２波長板の位相
差の変化が、大きくなるという問題が生ずる。液晶プロジェクタ又は光ピックアップの光
学系で波長板を使用する場合、光源やレンズ系の配置の関係で波長板は、光が円錐状に収
束（発散）する経路に配置されることがある。この場合、光線の中心付近は波長板に垂直
に入射するが、円錐状の端では入射角が生じる。このため、入射角に対して位相差の変動
が大きくなる１／２波長板を用いると光量のロスが生ずるという問題が生じる。

図１４は、切断角度が２７°Ｚ板を用い、波長４２０ｎｍに対し位相差Γ１が１９０°
、光学軸方位角θ１が１９°の水晶板４５と、同様に波長４２０ｎｍに対し位相差Γ２が
２００°、光学軸方位角θ２が６４°の水晶板４６と、を夫々の光学軸４９、５０が４５
°の角度で交差するように貼り合わせて構成したシングルモードの１／２波長板の、入射
角を−５°、０°、５°と変化させ、３５０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長に対する変換効率を
示した図である。
ここで、変換効率とはＰ偏光をＳ偏光に変換する割合を表し、変換効率が１のとき、Ｐ
偏光が全てＳ偏光に変換されることを表している。この変換効率はできるだけ高いことが
望ましいが、一般的には０．９３程度は必要であると言われている。図１４から明らかな
ように入射角５°では、波長が５２５ｎｍ以上で変換効率０．９を割り込むという問題が
あった。
本発明は、上記の黄変、加工上の歩留まり、入射角の問題等を解決する高次モード積層
波長板を提供することにある。

本発明の積層波長板は、波長λに対して位相差Γ１の第１の波長板と位相差Γ２の第２
の波長板とを光軸が交差するよう貼り合わせて、全体として１／２波長板として機能する
積層波長板であって、前記第１の波長板の面内方位角をθ１とし、前記第２の波長板の面
内方位角をθ２とし、前記積層波長板に入射する直線偏光の偏光方向と、前記積層波長板
から出射する直線偏光の偏光方向とのなす角度をθとしたときに、下式（１）〜（３）を
満足するよう構成したことを特徴とする積層波長板。
Γ１＝１８０°＋３６０°×ｎ、Γ２＝１８０°＋３６０°×ｎ、θ２＝θ１＋θ／２
、但し、ｎは１からはじまる自然数、を満足するように構成した。
このような積層波長板によれば、ｎを適切に設定することにより、積層波長板を構成す
る２つの波長板の厚さを加工し易い厚さとすることができるという効果がある。

また本発明の積層波長板は、ｎ＝４、θ１＝２２．５°、θ２＝６７．５°とした。こ
のように構成することにより、液晶プロジェクタで用いる青、緑、赤の波長帯４００ｎｍ
帯、５００ｎｍ帯、６７５ｎｍ帯において積層波長板の波長−変換効率特がほぼ１にでき
るという効果がある。

また本発明の積層波長板は、ｎ＝５、θ１＝２２．５°、θ２＝６７．５°とした。こ
のように構成することにより、３波長対応光ピックアップ用の波長板として要求される波
長帯４０５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７８５ｎｍ帯において積層波長板の波長−変換効率特
がほぼ１にできるという効果がある。

また本発明の積層波長板は、波長λに対して位相差Γ１１の第１の波長板と位相差Γ２
２の第２の波長板とを光軸が交差するよう貼り合わせて、全体として１／２波長板として
機能する積層波長板であって、前記第１の波長板の面内方位角をθ３とし、前記第２の波
長板の面内方位角をθ４とし、前記第２の波長板の波長λ１に対する位相差をΓ２１１、
波長λ２（λ１＜λ２）に対する位相差をΓ２２２としたとき、Γ１１＝３６０°＋３６
０°×２×ｎ、Γ２２＝１８０°＋３６０°×ｎ、ｃｏｓ２θ３＝１−（１−ｃｏｓΔΓ
２）／２（１−ｃｏｓ２ΔΓ２）、θ４＝４５°±１０°、但し、ｎは１からはじまる自
然数、ΔΓ２＝（Γ２２２−Γ２１１）／２、を満足するよう構成した。このような積層
波長板によれば、次数ｎ１、ｎ２を適切に設定することにより、積層波長板を構成する２
つの波長板の厚さを加工し易い厚さとすることができるという効果がある。

また本発明の積層波長板は、ｎ＝４、θ３＝−１６°若しくは−２１°とした。このよ
うに構成することにより、液晶プロジェクタで用いる青、緑、赤の波長帯４００ｎｍ帯、
５００ｎｍ帯、６７５ｎｍ帯において積層１／２波長板の波長−変換効率特が０．９４以
上にできるという効果がある。

また本発明の積層波長板は、ｎ＝５、θ３＝−１６°若しくは−２１°とした。このよ
うに構成することにより、３波長対応光ピックアップ用の波長板として要求される波長帯
４０５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７８５ｎｍ帯において積層波長板の波長−変換効率特がほ
ぼ０．９４以上にできるという効果がある。
偏光ビームスプリッタアレイのＰ偏光出斜面に、上記の積層波長板を貼り付けて偏光変
換子を構成することを特徴する。
このように、上記の積層波長板を用いて偏光変換子を構成することにより、偏光変換子
から出射する直線偏光（Ｓ偏光）の強度を強めることができるという効果がある。

また本発明の偏光照明装置は、本発明の積層波長板を備えて構成される。このように本
発明の積層波長板を用いて照明装置を構成することにより、照明装置から出射する直線偏
光（Ｓ偏光）の強度を強めることができるという効果がある。

また本発明の光ピックアップ装置は、本発明の積層波長板を備えて構成される。このよ
うに本発明の積層波長板を用いて３波長対応光ピックアップ装置を構成すると、従来３つ
必要であった１／２波長板を１つの積層波長板で実現することができる。
また、本発明の積層波長板と、３つの波長のレーザを出射するレーザダイオードとによ
り３波長対応の光ピックアップ装置を構成すると、光学部品を大幅に削減することが可能
となり、光ピックアップ装置のコストを低減することができるという効果がある。

以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は高次モ
ード積層１／２波長板（以下、積層１／２波長板と称す）１の構成を示す斜視図であって
、水晶を用いた第１の波長板２と、第２の波長板３とを夫々の光学軸が交差するように貼
り合わせた構成を備え、全体として１／２波長板として機能するように構成する。図１（
ｂ）は１／２波長板１の分解斜視図であって、第１の波長板２の光学軸方位角をθ１、第
２の波長板３の光学軸方位角をθ２とする。所定の波長λ、例えば４００ｎｍに対する第
１の波長板２の位相差をΓ１、第２の波長板３の位相差をΓ２とし、
Γ１＝１８０°＋３６０°×ｎ・・・（２）
Γ２＝１８０°＋３６０°×ｎ・・・（３）
を満足するように第１及び第２の波長板２、３の厚さを設定する。ここで、ｎは高次モ
ードの次数で、１からはじまる自然数とする。

第１及び第２の波長板２、３に高次モードの波長板を用い、全体として１／２波長板１
を構成する場合、波長３５０ｎｍから７５０ｎｍの全波長帯に亘って位相差を１８０°と
することは困難である。
そこで、所望する複数の波長帯で位相差を１８０°とするために、積層１／２波長板１
の構成パラメータである第１及び第２の波長板２、３の夫々の高次モード次数ｎ１、ｎ２
、所定の波長での夫々の位相差Γ１、Γ２、夫々の光学軸方位角θ１、θ２を、種々変化
させて、積層１／２波長板１の出射光のストークスベクトルを算出し、これから位相差、
変換効率等を求める手法をとった。

はじめに、本発明に係る積層１／２波長板の実施例を見つけ出した計算手法を簡単に説
明する。直線偏光が２枚の波長板を透過した後の偏光状態は、ミューラ行列、又はジョン
ズ行列を用いて表すことができる。

Ｅ＝Ｒ₂・Ｒ₁・Ｉ （４）

ここで、Ｉは入射光の偏光状態、Ｅは出射光の偏光状態を表すベクトルである。Ｒ₁は
積層１／２波長板１における第１の波長板２のミューラ行列、Ｒ₂は第２の波長板３のミ
ューラ行列で、夫々次式で表される。

第１及び第２の波長板２、３の高次モード次数ｎを決め、夫々の位相差Γ１、Γ２、光
学軸方位角度θ１、θ２を設定して、式（５）、（６）よりミューラ行列Ｒ₁、Ｒ₂を求め
る。そして、入射光の偏光状態Ｉを設定すると、式（４）より出射光の偏光状態Ｅを算出
することができる。
行列としてミューラ行列を用いた場合について説明すると、出射光の偏光状態Ｅは次式
で表される。

Ｅの行列要素Ｓ₀₁、Ｓ₁₁、Ｓ₂₁、Ｓ₃₁はストークスパラメータと呼ばれ、偏光状態を表
している。このストークスパラメータを用いて、波長板の位相差Γは次式のように表され
る。

このように、式（８）を用いて位相差を算出することができる。

図１に示すように、本発明に係る積層１／２波長板１は、直線偏光の偏光面を所定の角
度θだけ回転させる機能を有している。例えば、垂直方向の振動面を持つ直線偏光４を入
力光として、積層１／２波長板１を透過させ、偏光面をθ＝９０°だけ回転（位相変調）
させて水平方向の振動面を持つ直線偏光５として出射させる場合を、図２（ａ）に示すポ
アンカレ球用いて考える。この位相変調（９０°回転）はポアンカレ球で考えると、入射
偏光状態Ｐ０からＰ２へ変調させることであり、このとき必要な位相差は１８０°である
。しかし、Ｐ０からＰａへ、Ｐ０からＰｂへ変調させた場合も、位相差は同じく１８０°
となる。即ち、位相差を用いて評価した場合、必要な偏光状態に変調されているかを判断
することができない。ポアンカレ球上（赤道上）のＰ２と、異なるＰａ、Ｐｂの点は偏光
面の方位である。これを検出するため、出射光の偏光状態を表す行列Ｅと、偏光子の行列
Ｐとの積を計算し、得られた光量を評価値とすれば、偏光状態を正確に判定することがで
きる。これを変換効率と定義する。

具体的には、偏光子の行列Ｐの透過軸を９０°に設定し、行列Ｐと出射光偏光状態を表
す行列Ｅとの積から得られる行列Ｔのストークスパラメータより、９０°方向の偏光面成
分の光量を算出することができる。出射光偏光状態を表す行列Ｅと、偏光子の行列Ｐとの
積は次式のようになる。

Ｔ＝Ｐ・Ｅ （９）

ここで、行列Ｔは変換効率を表し、その要素のストークスパラメータで表すと次式のよ
うに表される。

ここで、ベクトルＴのストークスパラメータのＳ₀₂が光量を表している。入射光量を１
に設定すればＳ₀₂が変換効率となる。位相差、変換効率とも積層１／２波長板を透過した
後の偏光状態を表す行列Ｅから求めることができる。

上記の変換効率を評価基準とし、積層１／２波長板の諸パラメータである第１及び第２
の波長板２、３の高次モード次数ｎ、所定の波長（例えば波長４００ｎｍ）での夫々の位
相差Γ１、Γ２、夫々の光学軸方位角θ１、θ２を種々変化させ、計算機を用いてシミュ
レーションした。シミュレーションを繰り返し行い、所望の複数の波長帯において、変換
効率が良い場合の上記パラメータを選び出した。高次モード次数ｎが大き過ぎると、変換
効率が１に近い波長帯域幅が狭くなり、積層１／２波長板としても使いづらくなるので、
製造し易さ等を含めて上記パラメータを選定した。その結果を以下に説明する。

図１に示す積層１／２波長板１の第１及び第２の波長板２、３の切断角度が夫々９０°
Ｚ（水晶板の主面における法線方向と光学軸（ｚ軸）との交差角度が９０°）、高次モー
ドの次数ｎが４で、波長λを４００ｎｍとしたとき、第１の波長板の位相差Γ１、光学軸
方位角θ１が夫々１６２０°（＝１８０°＋３６０°×４）、２２．５°、第２の波長板
の位相差Γ２、光学軸方位角θ２が夫々１６２０°（＝１８０°＋３６０°×４）、６７
．５°に設定した場合に、積層１／２波長板１の変換効率をシミュレーションにより求め
た結果、良好な波長−変換効率が得られた。図３は波長３５０ｎｍから７５０ｎｍに対す
る積層１／２波長板１の変換効率を示す図である。

積層１／２波長板１への入射角度を０°とした場合の変換効率を実線で示し、入射角度
を夫々−５°、＋５°としたときの変換効率を、菱形、三角の印を付けて表示してあるが
、ほぼ重なった曲線となっている。液晶プロジェクタで用いる青、緑、赤の波長は夫々４
００ｎｍ帯、５００ｎｍ帯、６７５ｎｍ帯であるので、上記パラメータの積層１／２波長
板１の変換効率はほぼ１となることが判明した。

また、積層１／２波長板１の第１及び第２の波長板２、３の切断角度が夫々９０°Ｚ（
水晶板の主面における法線方向と光学軸（ｚ軸）との交差角度が９０°）、高次モードの
次数ｎが５で、波長λを４００ｎｍとしたとき、第１の波長板の位相差Γ１、光学軸方位
角θ１が夫々１９８０°（＝１８０°＋３６０°×５）、２２．５°、第２の波長板の位
相差Γ２、光学軸方位角θ２が夫々１９８０°（＝１８０°＋３６０°×５）、６７．５
°に設定した場合に、良好な変換効率が得られた。図４は３５０ｎｍから７５０ｎｍの波
長に対する積層１／２波長板１の変換効率を示す図である。積層１／２波長板１への入射
角度を０°とした場合の変換効率を実線で、−５°、＋５°としたときの変換効率を、菱
形、三角の印を付けて表示してあるが、ほぼ重なった曲線となっている。上記のパラメー
タを用いた積層１／２波長板１の場合、３波長対応光ピックアップ用の波長板として要求
される４０５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７８５ｎｍ帯の波長で、変換効率がほぼ１となるこ
とが分かった。

ここで、第１の波長板２の光学軸方位角θ１と第２の波長板３の光学軸方位角θ２との
関係について、図２に示すポアンカレ球を用いて説明する。図２（ａ）は１／２波長板１
に入射した直線偏光のポアンカレ球上での軌道の推移を説明するための図である。赤道上
の所定の位置Ｐ０から偏光方向が赤道に対して垂直な方向となる直線偏光４として光線が
入射すると、第１の波長板２によって光軸Ｒ１を中心にして１８０°回転しＰ１（赤道上
）へ移され、さらに第２の波長板３によって光軸Ｒ２を中心にして１８０°回転しＰ２（
赤道上）に到達し、直線偏光４に対してθ＝９０°だけ回転した直線偏光５となって１／
２波長板１を出射することが分かる。

次に、図２（ｂ）を用いて、θ１とθ２との関係について検討する。
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したポアンカレ球において１／２波長板１に入射した光
線の偏光状態の軌跡をＳ３軸方向から見た図（Ｓ１Ｓ２平面に投影した図）を示す。第１
の波長板２の光学軸方位角θ１、第２の波長板３の光学軸方位角θ２、及び直線偏光４（
入射光）に対する直線偏光５（出射光）の回転角θの関係は、ポアンカレ球上では図２（
ｂ）のように表すことができる。
点Ｏ、Ｐ０、Ｐ１を結んでなる三角形ＯＰ０Ｐ１は点Ｏを頂点とする二等辺三角形であ
り光軸Ｒ１は三角形ＯＰ０Ｐ１の二等分線となり、辺ＯＰ０と光軸Ｒ１とのなす角及び辺
ＯＰ１と光軸Ｒ１とのなす角は２θ１となる。点Ｏ、Ｐ１、Ｐ２を結んでなる三角形ＯＰ
１Ｐ２は点Ｏを頂点とする二等辺三角形であり光軸Ｒ２は三角形ＯＰ１Ｐ２の二等分線と
なる。ここで、辺ＯＰ１と光軸Ｒ２とのなす角α及び辺ＯＰ２と光軸Ｒ２とのなす角αは
以下のように求められる。
２θ＝２×２θ１＋２α
α＝θ−２θ１
従って、辺ＯＰ０と光軸Ｒ２とのなす角２θ２は、以下のように表すことができる。
２θ２＝α＋２×２θ１＝θ−２θ１＋２×２θ１＝θ＋２θ１
従って、θ２は、
θ２＝θ１＋θ／２ ・・・（１１）
と表すことができる。

次に、図５は本発明に係る第２の実施例の高次モード積層１／２波長板（以下、積層１
／２波長板と称す）１'の分解斜視図であって、第１の波長板２'と第２の波長板３'とを
夫々の光学軸が交差するように貼り合わせた構成を備え、全体として１／２波長板として
機能させる。第１及び第２の波長板２'、３'の高次モードの次数をｎ１、ｎ２とし、第１
及び第２の波長板２'、３'の夫々の位相差をΓ１１、Γ２２、光学軸方位角を夫々θ３、
θ４とする。位相差を決める波長λは４００ｎｍとし、次数ｎは１からはじまる自然数と
する。第２の実施例の積層１／２波長板１'の構成条件を次式のように設定した。
Γ１１＝３６０°＋３６０°×２×ｎ・・・（１２）
Γ２２＝１８０°＋３６０°×ｎ・・・（１３）

第１及び第２の波長板２'、３'を構成する諸パラメータｎ、Γ１１、Γ２２、θ３、θ
４を式（１２）、（１３）を満足するように設定して、積層１／２波長板１'構成する。
上記のパラメータを種々変えてシミュレーションを行い、変換効率が良好なパラメータの
組み合わせを求めた。その結果、第１及び第２の波長板２'、３'の切断角度が夫々９０°
Ｚ（水晶板の主面における法線方向と光学軸（ｚ軸）との交差角度が９０°）、高次モー
ドの次数ｎが４、波長λを４００ｎｍとしたときの第３及び４の波長板２'、３'の位相差
Γ１１、Γ２２が夫々３２４０°（＝３６０°＋３６０°×２×４）、１６２０°（＝１
８０°＋３６０°×４）、光学軸方位角θ３、θ４が−１６°、４５°の場合に、波長−
変換効率特性が良好となった。

図６（ａ）は波長３５０ｎｍから７５０ｎｍに対する積層１／２波長板１'の変換効率
特性を示す図である。入射角度を０°とした場合の積層１／２波長板１'の変換効率を実
線で示し、入射角度を夫々−５°、＋５°としたときの変換効率を、菱形、三角の印を付
けて表示してあるが、ほぼ重なった曲線となっている。液晶プロジェクタで用いる青、緑
、赤の波長は夫々４００ｎｍ帯、５００ｎｍ帯、６７５ｎｍ帯であるので、夫々の波長帯
における積層１／２波長板１'の変換効率は０．９４以上となることが判明した。更に、
θ３及びθ４について最適化を試みたところ、図６（ａ）に示した波長−変換効率特性に
比べて、図６（ｂ）に示すように波長−変換効率特性は、４００ｎｍ帯、５００ｎｍ帯、
６７５ｎｍ帯の帯域幅を夫々広げることができた。尚、最適化を行った後の各光学軸方位
角の値は、θ３＝−２１°、θ４＝３７．５°である。

図７は、第２の実施例における他のパラメータの例で、第１及び第２の波長板２'、３'
の切断角度が夫々９０°Ｚ、高次モードの次数ｎが５、波長λを４００ｎｍとしたときの
第３及び４の波長板２'、３'の位相差Γ１１、Γ２２が夫々３９６０°、１９８０°、光
学軸方位角θ３、θ４が−１６°、４５°と設定したの場合に変換効率が良好となった。
図７（ａ）は波長３５０ｎｍから７５０ｎｍに対する積層１／２波長板１'の変換効率
を示す図である。積層１／２波長板１'への入射角度を０°とした場合の変換効率を実線
で、−５°、＋５°としたときの変換効率を、菱形、三角の印を付けて表示してあるが、
ほぼ重なった曲線となっている。この実施例の場合、３波長対応光ピックアップ用の４０
５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７８５ｎｍ帯で１／２波長板に要求される変換効率０．９３を
クリアして０．９４以上の値が得られた。更に、θ３及びθ４について最適化を試みたと
ころ、図７（ａ）に示した波長−変換効率特性に比べて、図７（ｂ）に示すように波長−
変換効率特性は、４０５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７８５ｎｍ帯の帯域幅を夫々広げること
ができた。尚、最適化を行った後の各光学軸方位角の値は、θ３＝−２１°、θ４＝３７
．５°である。

ここで、図５に示した積層１／２波長板１'を構成する第１の波長板２'と第２の波長板
３'の光学的な作用について図８を用いて説明する。図８（ａ）は、積層１／２波長板１'
に入射した直線偏光４のポアンカレ球上での軌道の推移を説明するための図である。図８
（ｂ）は、図８（ａ）に示したポアンカレ球において積層１／２波長板１'に入射した光
線の偏光状態の軌跡をＳ２軸方向から見た図（Ｓ１Ｓ３平面に投影した図）である。図８
（ｃ）は、本発明に係る積層１／２波長板１'の第１の波長板２'の機能について説明する
ために、前記偏光状態の軌跡をＳ１軸方向から見た図（Ｓ２Ｓ３平面に投影した図）であ
る。図８（ｂ）、（ｃ）において、直線偏光４の光線がポアンカレ球の赤道上の所定の位
置Ｐ０に入射すると、第１の波長板２'によって光軸Ｒ１を中心にして３６０°回転しＰ
１に到達し（Ｐ０＝Ｐ１）、さらに第２の波長板３'によって光軸Ｒ２を中心にして１８
０°回転しＰ２（赤道）に到達することによって、積層１／２波長板１'を出射する光線
が直線偏光４（入射光）に対してθ＝９０°だけ回転した直線偏光５となって積層１／２
波長板１'を出射することが分かる。

ここで、第２の波長板３'の位相差Γ２２が入射光の波長の変化によりΔΓ２の位相変
化を生じた場合、この位相変化ΔΓ２を第１の波長板２'の波長による位相変化ΔΓ１で
相殺すれば、積層１／２波長板１'の波長依存性を抑圧し複数の波長帯で１／２波長板と
して機能できる。
更に、第２の波長板３'の波長による位相変化ΔΓ２は、基板材料の波長分散で決まる
一定の数値を有しており、第１の波長板２'の波長による位相変化ΔΓ１は、第１の波長
板２'の面内方位角θ３を調整することでその大きさを可変することが可能である。
そこで、第１の波長板２'と第２の波長板３'との関係式を以下に導出する。
入射光の波長が基準波長（設計波長）λ０から波長λ１〜λ２の間（λ１＜λ２）で変
化すると、波長板の有する波長依存性により第１の波長板２'及び第２の波長板３'の位相
差が夫々Γ１１及びΓ２２より変化する。
また、第２波長板の位相差において、
Γ２１１：波長λ１のときの位相差
Γ２２２：波長λ２のときの位相差
と定義すると、第２の波長板３'の波長による位相変化ΔΓ２は、以下の式を満足する
。
ΔΓ２＝（Γ２２２−Γ２１１）／２・・・・（１４）

図８（ｂ）において、第２の波長板３'に生じた位相変化ΔΓ２により、ポアンカレ球
上の座標Ｐ０（Ｐ１）がＰ１”に変化したものとし、このＰ０→Ｐ１”の距離を近似的に
直線ｘ２で表すと、ΔΓ２とｘ２は下式（１）の関係を満足する。
（ｘ２）²＝２ｋ²−２ｋ²ｃｏｓΔΓ２・・・・（１５）
但し、ｋは、ポアンカレ球の半径を示す。
次に同様に、図８（ｃ）において、第１の波長板２'に生じた位相変化ΔΓ１により、
ポアンカレ球上の座標Ｐ０（Ｐ１）がＰ１'に変化したものとし、このＰ０→Ｐ１'の距離
を近似的に直線ｘ１で表すと、ΔΓ１とｘ１は下式（１６）の関係を満足する。
（ｘ１）²＝２ｒ²−２ｒ²ｃｏｓΔΓ１・・・・（１６）
但し、ｒは、Ｒ１を回転軸としてΓ１１回転させる時の半径である。
又、ｒは、第１の波長板２'の面内方位角θ３を用いて下式（１７）により表すことが
できる。
ｒ²＝２ｋ²−２ｋ²ｃｏｓ２θ３・・・・（１７）

更に、式（１７）を式（１６）に代入すると、式（１８）が得られる。
（ｘ１）²＝４ｋ²（１−ｃｏｓ２θ３）（１−ｃｏｓΔΓ１）・・・・（１８）
そこで、第１の波長板２'と第２の波長板３'の位相変化がお互いに相殺しあうためには
、
ｘ１≒ｘ２
である必要があり、式（１５）と式（１８）より
（ｘ１）²＝（ｘ２）²
２ｋ²−２ｋ²ｃｏｓΔΓ２＝４ｋ²（１−ｃｏｓ２θ３）（１−ｃｏｓΔΓ１）の
関係が成立する。
そこで、ｋを正規化してまとめると式（１９）が得られる。
ｃｏｓ２θ３＝１−（１−ｃｏｓΔΓ２）／２（１−ｃｏｓΔΓ１）・・・（１９）
次に、第１の波長板２'と第２の波長板３'とが同じ分散の基板材料で構成されており、
Γ１１／Γ２２＝ｍ
とすると、式（２０）が得られる。
ΔΓ１＝ｍΔΓ２・・・・（２０）
そこで、式（２０）を式（１９）に代入すると式（２１）が得られる。
ｃｏｓ２θ３＝１−（１−ｃｏｓΔΓ２）／２（１−ｃｏｓｍΔΓ２）・・・（２１）
式（２１）は、第２の波長板３'により生ずる位相変化ΔΓ２により第１の波長板２'の
面内方位角θ３が決定されることを示している。

次に、上述した計算式を用いて積層１／２波長板１'を構成する第１の波長板２'と第２
の波長板３'の具体的なパラメータを算出する。
具体例として、波長３５０ｎｍ〜８５０ｎｍの帯域における複数の波長帯において１／
２波長板として機能する積層１／２波長板についてパラメータを算出する。
例えば、第１の波長板２'の位相差Γ１１＝３２４０°（＝３６０°＋３６０°×２×
４）、第２の波長板３の位相差Γ＝１６２０°（＝１８０°＋３６０°×４）とすると、
ｍ＝Γ１／Γ２＝２
となる。
次に、θ４については、第２の波長板３'に入射する直線偏光の偏光方向を９０°回転
した直線偏光として出射させるためにθ４の値を４５°とするが、前述のシミュレーショ
ンにより得られた解に対して最適化を図るため、可変範囲を±１０°と設定し、
θ４＝４５°±１０°・・・（２２）
とした。

図９は本発明に係る偏光変換子の実施例を示すで構成図であって、偏光ビームスプリッ
タアレイ（偏光分離素子）１０のＰ偏光が出射する面に、本発明に係る上記の積層１／２
波長板１１を貼り付けて偏光変換子を構成する。周知のように、偏光ビームスプリッタア
レイ１０の構成は、図９に示すように光学ガラス等を用いて形成した平行六面体透明部材
を、複数個互いの側面同士を接合して構成する。平行四辺形状のプリズムを複数個、斜面
同士を貼り合わせ、接合したプリズムの一方の斜面に偏光分離部１３を形成し、他方の斜
面には反射膜１４を形成する。偏光変換子の作用は、光（ランダム光）１２が偏光ビーム
スプリッタアレイ１０の入射面に入射すると、ランダム光のうち、Ｐ偏光は偏光分離部１
３を透過し、偏光ビームスプリッタアレイ１０の出射面に貼り付けられた積層１／２波長
板１１によりＳ偏光に変換されて出射する。一方、ランダム光のうちのＳ偏光は偏光分離
部１３により反射され、さらに反射膜１４で反射されて、偏光変換子を出射する。本発明
の偏光変換子の特徴はＰ偏光からＳ偏光への変換効率がよく、強い偏光光を作り出せるこ
とである。

図１０は本発明に係る偏光照明装置の実施例を示すで構成図あって、発光光源１５と、
レンズアレイ１８と、上記に説明した本発明の積層１／２波長板１９と、を備えている。
発光光源１５は超高圧水銀ランプやキセノンランプ等のランプ１６と反射鏡１７、例えば
放物面反射鏡とからなり、ランプ１６から出射される光は放物面反射鏡１７の光軸に略平
行光となる。そして、ランプ１６から発せられる光は自然光（ランダム光）であり、強度
の等しい直交する２つの直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）の和で表せる。ランダム光は積層１
／２波長板１９を透過すると、Ｓ偏光のみに変換される偏光照明装置である。

図１１（ａ）は本発明に係る３波長対応光ピックアップ２０の実施例を示すブロック図
である。ＣＤに対応した７８５ｎｍ帯の波長のレーザ光を出射するレーザダイオード（以
下、ＬＤと称する）２１と、ＤＶＤに対応した６６０ｎｍ帯の波長のレーザ光を出射する
ＬＤ２２と、前記ＬＤ２１の出射する直線偏光であるレーザ光を反射すると共に、前記Ｌ
Ｄ２２が出射する直線偏光のレーザ光を透過するダイクロイックプリズム２３と、ＢＤ（
４０５ｎｍ帯の青紫色レーザを用いたブルーレイディスクや、ＨＤ−ＤＶＤに代表される
ブルーレーザディスク）に対応した４０５ｎｍ帯の波長のレーザ光を出射するＬＤ２４と
、ＬＤ２４が出射する直線偏光のレーザ光を反射すると共に、前記ダイクロイックプリズ
ム２３を反射、及び透過したレーザ光を透過する波長分離素子２５と、該波長分離素子２
５を反射、及び透過したレーザ光の位相を１８０°変換して出射する積層１／２波長板２
６と、該積層１／２波長板２６を出射するレーザ光を所定の比率で反射、及び透過するミ
ラー２７と、ミラー２７を透過したレーザ光をモニターするフロントモニター（ＦＭ）２
８と、ミラー２７を反射したレーザ光を平行光とするコリメートレンズ２９と、コリメー
トレンズ２９を透過した直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板３０と、光ディスク３
１に形成されたピット３２にレーザ光を集光する集光レンズ３３と、ピット３２にて反射
したレーザ光を、前記集光レンズ３３と、１／４波長板３０と、コリメートレンズ２９と
、ミラー２７と、を経由して検出する光検出素子ＰＤ３４とにより構成する。光ピックア
ップでは１／２波長板をファーフィールドパターンと偏光面の相対角度を変える目的で使
用している。

以上のように、本発明の積層１／２波長板を用いて３波長対応光ピックアップ装置を構
成することにより、従来の構成では１／２波長板を３個必要としたが、本発明に係る積層
１／２波長板を用いることにより、積層１／２波長板を１個のみで、３波長対応光ピック
アップ装置を構成することができるという効果がある。

更に、最近開発された三波長発光レーザダイオードと、本発明の積層１／２波長板を用
いることにより、新たな３波長対応光ピックアップ装置を構成することができる。図１１
（ａ）と同じ光学デバイスには同じ符号を用いることにする。図１１（ｂ）は本発明に係
る他の３波長対応光ピックアップ３５の実施例を示すブロック図である。ＣＤ、ＤＶＤ及
びＢＤに夫々対応した７８５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯及び４０５ｎｍ帯の波長を出射するＬ
Ｄ３６ａ、３６ｂ及び３６ｃを備えた複合ＬＤ３６と、該複合ＬＤ３６が出射する７８５
ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、４０５ｎｍ帯のいずれか１つのレーザ光の位相を１８０°変換し
て出射する積層１／２波長板２６と、該積層１／２波長板２６を出射するレーザ光を所定
の比率で反射、及び透過するミラー２７と、ミラー２７を透過したレーザ光をモニターす
るフロントモニター（ＦＭ）２８と、ミラー２７を反射したレーザ光を平行光とするコリ
メートレンズ２９と、コリメートレンズ２９を透過した直線偏光を円偏光に変換する１／
４波長板３０と、光ディスク３１に形成されたピット３２にレーザ光を集光する集光レン
ズ３３と、ピット３２にて反射したレーザ光を、前記集光レンズ３３と、１／４波長板３
０と、コリメートレンズ２９と、ミラー２７と、を経由して検出する光検出素子ＰＤ３４
とにより構成する。

以上のように、本発明の積層１／２波長板を用いて３波長対応光ピックアップ装置を構
成することにより、光学部品を大幅に削減することが可能となり、光ピックアップ装置の
製造コストを大きく低減することができるという効果がある。

（ａ）は本発明に係る高次モードの積層１／２波長板の構成を示した概略斜視図、（ｂ）は分解斜視図。 （ａ）は本発明を説明するためのポアンカレ球の斜視図、（ｂ）はポアンカレ球のＳ１Ｓ２平面への透視図。 本発明に係る積層１／２波長板の波長−変換効率特性図。 本発明に係る他の積層１／２波長板の波長−変換効率特性図。 第２の実施例の積層１／２波長板の分解斜視図。 （ａ）は第２の実施例の積層１／２波長板の波長−変換効率特性図、（ｂ）は最適化後の波長−変換効率特性図。 （ａ）は第２の実施例の他の積層１／２波長板の波長−変換効率特性図、（ｂ）は最適化後の波長−変換効率特性図。 （ａ）は本発明を説明するためのポアンカレ球の斜視図、（ｂ）はポアンカレ球のＳ１Ｓ３平面への透視図、（ｃ）はポアンカレ球のＳ２Ｓ３平面への透視図。 本発明に係る偏光変換子の構成を示す概略図。 本発明に係る偏光照明装置の構成を示す概略図。 （ａ）は本発明に係る光ピックアップ装置のブロック構成図、（ｂ）は本発明に係る他の光ピックアップ装置のブロック構成図。 （ａ）は従来の１／４波長板の構成を示す斜視図、（ｂ）は夫々の波長板の延伸軸方向を示す図。 （ａ）は従来のシングルモードの積層１／２波長板の構成を示した概略斜視図、（ｂ）は分解斜視図。 従来のシングルモードの積層１／２波長板の波長−変換効率特性図。

符号の説明

１，１'，１９，２４…積層１／２波長板、２，２'，３，３'…波長板、４，５直線偏
光，６，６'，７，７'…光学軸、θ１，θ２，θ３，θ４…光学軸の方位角、１０…偏光
変換子、１１…ビームスプリッタアレイ、１２…光軸、１３…偏光分離部、１４…反射膜
、１５…発光光源、１６…ランプ、１７…反射鏡、１８…レンズアレイ、２０，３５…光
ピックアップ装置、２１，２２，２４，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ…レーザダイオード（Ｌ
Ｄ）、２３…ダイクロイックプリズム、２５…波長分離素子、２６…積層１／２波長板、
２７…ミラー、２８…フロントモニター、２９…コリメートレンズ、３０…１／４波長板
、３３…集光レンズ、３４…光検出素子（ＰＤ）、３６…複合レーザダイオード（ＬＤ）
。

Claims (9)

1. 波長λに対して位相差Γ１の第１の波長板と位相差Γ２の第２の波長板とを光軸が交差
   するよう貼り合わせて、全体として１／２波長板として機能する積層波長板であって、
   前記第１の波長板の面内方位角をθ１とし、
   前記第２の波長板の面内方位角をθ２とし、
   前記積層波長板に入射する直線偏光の偏光方向と、前記積層波長板から出射する直線偏
   光の偏光方向とのなす角度をθとしたとき、
   下式（１）〜（３）を満足するよう構成したことを特徴とする積層波長板。
   Γ１＝１８０°＋３６０°×ｎ ・・・（１）
   Γ２＝１８０°＋３６０°×ｎ ・・・（２）
   θ２＝θ１＋θ／２ ・・・（３）
   但し、ｎは１からはじまる自然数
2. 請求項１において、
   ｎ＝４、
   θ１＝２２．５°
   θ２＝６７．５°
   であることを特徴とする積層波長板。
3. 請求項１において、
   ｎ＝５、
   θ１＝２２．５°
   θ２＝６７．５°
   であることを特徴とする積層波長板。
4. 波長λに対して位相差Γ１１の第１の波長板と位相差Γ２２の第２の波長板とを光軸が
   交差するよう貼り合わせて、全体として１／２波長板として機能する積層波長板であって
   、
   前記第１の波長板の面内方位角をθ３とし、
   前記第２の波長板の面内方位角をθ４とし、
   前記第２の波長板の波長λ１に対する位相差をΓ２１１、波長λ２（λ１＜λ２）に対
   する位相差をΓ２２２としたとき、
   下式（４）〜（７）を満足するよう構成したことを特徴とする積層波長板。
   Γ１１＝３６０°＋３６０°×２×ｎ ・・・・（４）
   Γ２２＝１８０°＋３６０°×ｎ ・・・・（５）
   ｃｏｓ２θ３＝１−（１−ｃｏｓΔΓ２）／２（１−ｃｏｓ２ΔΓ２）・・・・（６）
   θ４＝４５°±１０° ・・・・（７）
   但し、ｎは１からはじまる自然数、ΔΓ２＝（Γ２２２−Γ２１１）／２
5. 請求項４において、
   ｎ＝４、
   θ３＝−１６°若しくは−２１°
   であることを特徴とする積層波長板。
6. 請求項４において、
   ｎ＝５、
   θ３＝−１６°若しくは−２１°
   であることを特徴とする積層波長板。
7. 複数の透光性部材と、該複数の透光性部材の間に交互に配置された偏光分離部と反射膜
   とを備えた偏光分離素子と、
   １／２波長板とから構成される偏光分離素子であって、
   前記１／２波長板が請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の積層波長板であるこ
   とを特徴する偏光変換子。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の積層波長板を備えていることを特徴する
   偏光照明装置。
9. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の積層波長板を備えていることを特徴とす
   る光ピックアップ装置。

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