JP2011095679A - １／２波長板、光ピックアップ装置、偏光変換素子及び投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複屈折性及び旋光性を有する無機材料からなる単一の結晶板で形成された１／２波長板の変換効率を向上させる。
【解決手段】入射面から入射する直線偏光の偏光面を回転させて出射面から出射する水晶板からなる１／２波長板において、その位相差をΓ＝１８０°＋補正量Γaとし、入射面に対する法線と光学軸とがなす水晶板の切断角度βを５°≦β≦３０°に設定したとき、補正量Γaが、光学軸を入射面に投影した光学軸投影線と該入射面に入射する直線偏光の偏光面とがなす光学軸方位角θと、切断角度βとを変数とする所定の多項式に従って決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に水晶のような複屈折性及び旋光性を有する無機結晶材料からなる１／２波長板に関する。更に本発明は、この１／２波長板を用いた光ピックアップ装置、偏光変換素子及び投写型表示装置に関する。

従来、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、偏光変換素子、液晶プロジェクター等の投写型表示装置のような光学装置に、入射光の直線偏光の偏光面を所定の角度、例えば９０°回転させた直線偏光の出射光として出射する１／２波長板が使用されている。一般に波長板の材質は、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が使用されている（例えば、特許文献１乃至４を参照）。

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ーを採用している。ところが、上述した有機系材料の樹脂フィルムや液晶材料は、青色から紫外域の光を吸収し易い物性を有する。そのため、青紫色レーザー光を吸収して発熱し、材質自体が劣化して波長板の機能を損なう虞がある。

更に、ブルーレイ規格の光ディスク記録再生装置では、光ピックアップ装置のレーザー光源近傍に１／２波長板が配置され、極めて高温の環境下に長時間に亘って晒される。液晶プロジェクタにおいても、１／２波長板は白色光源の直近に配置され、同様に長時間に亘って高温環境下に晒される。そのため、いずれの場合も、１／２波長板には、高い耐光性と長期信頼性とが要求される。この点において、水晶等の無機結晶材料は耐光性が極めて高く、特に水晶波長板は、青紫色レーザを使用するような光学系に有利である。

また、水晶は、複屈折性だけでなく、結晶光学軸の方向に対して旋光性を有する。この旋光性が、水晶板の切断角度によって波長板の性能に影響を及ぼし得ることはよく知られている。この旋光性の影響を解消するために、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、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し、広帯域における特性を良くした波長板が提案されている（例えば、特許文献５を参照）。

特開２００５−２０８５８８号公報 特開２００６−４０３４３号公報 特公昭５２−４９４８号公報 特公平３−５８０８１号公報 特開２００５−１５８１２１号公報

しかしながら、水晶単板の１／２波長板において、複屈折性に起因した位相差による偏光状態の変化分に加えて、旋光性に起因した偏光面の回転による偏光状態の変化分をも考慮した設計方法は、少なくとも本願発明者が知る限り、現在まで報告されていない。そのため、水晶１／２波長板の設計位相差を１８０°に設定すると、その変換効率は、水晶板の切断角度によって必ずしも１００％にならないという問題があった。

水晶単板の１／２波長板について、その偏光状態を図１１のポアンカレ球を用いて説明する。直線偏光の入射光の基準点をＳ１軸上の点Ｐ_０＝（１，０，０）とすると、回転軸Ｒ_１は、Ｓ１軸から角度２θ1（θ：水晶板の光学軸方位角）回転させ、更にＳ１・Ｓ２平面に対して角度２ρ（ρ：水晶板の旋光角）だけ北極（Ｓ３）方向に傾けた位置に設定する。回転軸Ｒ_１を中心に、点Ｐ_０を右方向に位相差Γ＝１８０°回転させると、その点Ｐ_１が出射光の位置となる。

図１１において、光学軸方位角θ_１＝４５°の場合、回転軸Ｒ_１はＳ２・Ｓ３平面上にあるので、これを中心に点Ｐ_０を１８０°右方向に回転させると、出射光の位置は常にポアンカレ球の赤道上の点Ｐ_１＝（−１，０，０）にくる。このとき、水晶波長板の変換効率は１である。しかしながら、光学軸方位角θ_２≠４５°の場合、回転軸Ｒ_２はＳ２・Ｓ３平面上にこないので、ポアンカレ球の赤道上にない点Ｐ_２が出射光の位置となる。従って、水晶波長板の変換効率は低下する。

水晶板の旋光能は、水晶の光学軸方向で最大となる。従って、水晶板の切断角度、即ちその光学軸とその主面に対する法線とがなす角度を大きくすればするほど、旋光性の影響は小さくなる。図１２は、設計位相差１８０°の水晶１／２波長板において、光学軸方位角θ＝５°，１０°，１５°，２０°，２５°，３５°，４０°，４５°について、切断角度に関する変換効率Ｔの変化をシミュレーションした結果を示している。同図から、切断角度が３０°以下では、変換効率が著しく低下することが分かる。

従って、切断角度を３０°より大きく設定すれば、１に近い高い変換効率が得られる。しかしながら、切断角度が３０〜９０°の範囲では、水晶板の厚さが１０〜２６μｍ程度まで薄くなってしまう。そのため、水晶板の強度が著しく低下し、脆弱で割れ易くなるので、製造上及び実際の使用上の取り扱いが非常に困難である。

また、青紫色レーザーは、使用時に高熱を発生して膨張すると、発振レーザーの波長がドリフト（変化）するという問題を生じる。そのため、光ピックアップ装置の光源に使用した場合、１／２波長板には、入射するレーザー光の波長ドリフトによって直線偏光の変換効率が劣化するという問題が発生する。特に、高次モードの１／２波長板は厚さが大きいので、位相差が大きくなるに連れてその変化量も大きくなり、変換効率がより大きく劣化する。

そこで本発明は、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、複屈折性及び旋光性を有する無機材料からなり、製造上加工可能で比較的取扱い容易な厚さを有する単一の結晶板で形成した１／２波長板において、その変換効率及び光の利用効率を向上させることにある。

本発明の別の目的は、かかる変換効率の高い１／２波長板を用いることにより、波長ドリフト等による波長変動の影響を受け難く、従来よりも広帯域の波長範囲で安定して良好な性能を発揮し得る、より高記録密度の光ディスク装置に適した光ピックアップ装置、光エネルギーをより効率良く利用できる偏光変換素子、及び、従来よりも光の利用効率を高めた反射型液晶表示装置を実現することにある。

本願発明者は、水晶１／２波長板について位相差と変換効率との関係を検証した。図１は、切断角度５°で切り出した単一の水晶板からなる１／２波長板において、光学軸方位角θ＝５°，１０°，１５°，２０°，２５°，３５°，４０°，４５°について、位相差に関する変換効率Ｔの変化をシミュレーションした結果を示している。同図から、光学軸方位角θによって変換効率が変化すること、θがいずれの場合も、１又はそれに近い高い変換効率を得られる位相差の範囲が存在することが分かる。従って、変換効率は、設計位相差Γ＝１８０°では低下しても、位相差に適当な補正量を加えて調整することによって、向上させることができる。

次に、水晶１／２波長板について位相差と変換効率との関係を検証した。図２は、同じ切断角度５°の単板の水晶板からなる１／２波長板において、光学軸方位角θ＝５°，１０°，１５°，２０°，２５°，３５°，４０°，４５°について、位相差の補正量に関する変換効率向上比Ｒ_Ｔの変化をシミュレーションした結果を示している。ここで、変換効率向上比Ｒ_Ｔは、設計位相差Γ＝１８０°の場合の変換効率Ｔ0と補正後の変換効率Ｔ1の比、Ｔ1／Ｔ0をいう。

同図は、Ｒ_Ｔ＞１の範囲で変換効率が設計位相差Γ＝１８０°の場合よりも改善されること、及び光学軸方位角θによって、変換効率の改善に必要な位相差補正量が異なることを示している。更に同図から、Ｒ_Ｔ＞１となる位相差補正量には、最大値、最初値が存在し、それらにより画定される範囲において変換効率を改善し得ることが分かった。他方、θ＝２５°ではＲ_Ｔ＞１となる範囲が無く、設計位相差Γ＝１８０°を調整する必要がなかった。

これらのシミュレーション結果から、本願発明者は、水晶板の切断角度βと光学軸方位角θとを変数とする位相差補正量を、従来の複屈折性による位相の変化量である１８０°に加えて設計位相差とすることによって、旋光性による偏光状態の変化分を補正し、１／２波長板の変換効率を１又は極めて１に近い値に改善し得ることを見出した。そこで、本願発明者は更に、水晶板の切断角度βをパラメータとして種々シミュレーション及び実験を行い、切断角度βに対応した最適な設計位相差と光学軸方位角との関係を検証した。

図３は、位相差Γ＝１８０°に対して変換効率向上比Ｒ_Ｔが１より大きくなる位相差補正量Γaの最小値Γa_ｍｉｎ及び最大値Γa_ｍａｘと光学軸方位角θとの関係を示している。同図において、位相差補正量Γaが、Γa_ｍｉｎを表す曲線とΓa_ｍａｘを表す曲線との間にあるとき、即ちΓa_ｍｉｎ＜Γa＜Γa_ｍａｘの範囲内にあるとき、変換効率は向上する。

図４は、切断角度β＝５°，１０°，２０°，３０°の場合に、光学軸方位角θと位相差補正量最小値Γa_ｍｉｎとの関係を示している。同図から、補正量最小値Γa_ｍｉｎは、切断角度β及び光学軸方位角θに依存し、それらの値によって決定されることが分かった。

図５は、切断角度β＝５°，１０°，２０°，３０°の場合に、光学軸方位角θと位相差補正量最大値Γa_ｍａｘとの関係を示している。同図から、同様に補正量最大値Γa_ｍａｘは、切断角度β及び光学軸方位角θに依存し、それらの値によって決定されることが分かった。

そこで、これらの関係から、位相差Γ＝１８０°に対して変換効率向上比Ｒ_Ｔが１より大きくなる位相差補正量Γaと、切断角度β及び光学軸方位角θとの関係を次の関係式で表すことができると仮定し、各項の定数Ａ0〜Ａ15を回帰計算によって算出した。

Γa＝Ａ_０＋Ａ_１θ＋Ａ_２β＋Ａ_３θβ＋Ａ_４θ^２＋Ａ_５β^２＋Ａ_６θ^２β＋Ａ_７θβ^２＋Ａ_８θ^２β^２＋Ａ_９θ^３＋Ａ_１０β^３＋Ａ_１１θβ^３＋Ａ_１２θ^２β^３＋Ａ_１３θ^３β＋Ａ_１４θ^３β^２＋Ａ_１５θ^３β^３
その結果、相関係数は０．９９以上で、実測値との良好な相関が得られた。本発明は、上記目的を達成するために、かかる知見に基づいてなされたものである。

本発明は、例えば水晶である複屈折性及び旋光性を有する無機材料からなる単一の結晶板で形成され、該結晶板の入射面から入射する直線偏光の偏光面を回転させて結晶板の出射面から出射する１／２波長板であって、
１／２波長板の位相差をΓ、その補正量をΓaとし、結晶板の光学軸を入射面に投影した光学軸投影線と入射面に入射する直線偏光の偏光面とがなす光学軸方位角をθとし、結晶板の入射面に対する法線と結晶板の光学軸とがなす角度βを５°≦β≦３０°の範囲に設定したとき、以下の式
Γ＝１８０°＋Γa
Γa_ｍｉｎ＜Γa＜Γa_ｍａｘ
Γa_ｍｉｎ＝Ａ_０＋Ａ_１θ＋Ａ_２β＋Ａ_３θβ＋Ａ_４θ^２＋Ａ_５β^２＋Ａ_６θ^２β＋Ａ_７θβ^２＋Ａ_８θ^２β^２＋Ａ_９θ^３＋Ａ_１０β^３＋Ａ_１１θβ^３＋Ａ_１２θ^２β^３＋Ａ_１３θ^３β＋Ａ_１４θ^３β^２＋Ａ_１５θ^３β^３
但し、
Ａ_０＝−５８．９２８６
Ａ_１＝１２．３５９３８
Ａ_２＝１２．８８６９
Ａ_３＝−２．７５６５４
Ａ_４＝−０．５７１
Ａ_５＝−０．７６２９
Ａ_６＝０．１３４０７６
Ａ_７＝０．１６４４８２
Ａ_８＝−０．００８１６
Ａ_９＝０．００４９４９
Ａ_１０＝０．０１３２９４
Ａ_１１＝−０．００２８８
Ａ_１２＝０．０００１４４
Ａ_１３＝−０．００１４
Ａ_１４＝０．００００９０７
Ａ_１５＝−０．０００００１６
Γa_ｍａｘ＝Ｂ_０＋Ｂ_１θ＋Ｂ_２β＋Ｂ_３θβ＋Ｂ_４θ^２＋Ｂ_５β^２＋Ｂ_６θ^２β＋Ｂ_７θβ^２＋Ｂ_８θ^２β^２＋Ｂ_９θ^３＋Ｂ_１０β^３＋Ｂ_１１θβ^３＋Ｂ_１２θ^２β^３＋Ｂ_１３θ^３β＋Ｂ_１４θ^３β^２＋Ｂ_１５θ^３β^３
但し、
Ｂ_０＝１２８．７９３７
Ｂ_１＝−２０．７４３５
Ｂ_２＝１５．２４６３
Ｂ_３＝３．１３４５５９
Ｂ_４＝０．６７９５０９
Ｂ_５＝−０．９０９２９
Ｂ_６＝−０．１６４６５
Ｂ_７＝−０．２４２０１
Ｂ_８＝０．０１２９０４
Ｂ_９＝−０．００６１７
Ｂ_１０＝０．０１１４９７
Ｂ_１１＝０．００５０９２
Ｂ_１２＝−０．０００２６
Ｂ_１３＝０．００１９３１
Ｂ_１４＝−０．０００１６
Ｂ_１５＝０．０００００３２３
を満足することを特徴とする。

このように位相差補正量の最大値と最小値とを決定し、その範囲内で位相差補正量を決定することによって、製造上加工可能で比較的取扱い容易な厚さの結晶板を用いて、その切断角度β及び光学軸方位角θにおける変換効率を１又は１に近い値に向上させることができる。従って、或る程度の入射光の波長変動に対しても、安定して光の利用効率が非常に高い１／２波長板を簡単に設計することができる。

本発明の別の側面によれば、例えば水晶である複屈折性及び旋光性を有する無機材料からなる単一の結晶板で形成され、該結晶板の入射面から入射する直線偏光の偏光面を回転させて結晶板の出射面から出射する１／２波長板であって、
１／２波長板の位相差をΓ、その補正量をΓaとし、結晶板の光学軸を入射面に投影した光学軸投影線と入射面に入射する直線偏光の偏光面とがなす光学軸方位角をθとし、結晶板の入射面に対する法線と結晶板の光学軸とがなす角度βを５°≦β≦３０°の範囲に設定したとき、以下の式
Γ＝１８０°＋Γa
Γa＝Ａ_０＋Ａ_１θ＋Ａ_２β＋Ａ_３θβ＋Ａ_４θ^２＋Ａ_５β^２＋Ａ_６θ^２β＋Ａ_７θβ^２＋Ａ_８θ^２β^２＋Ａ_９θ^３＋Ａ_１０β^３＋Ａ_１１θβ^３＋Ａ_１２θ^２β^３＋Ａ_１３θ^３β＋Ａ_１４θ^３β^２＋Ａ_１５θ^３β^３
但し、
Ａ_０＝−６３．６３５
Ａ_１＝６．９６６
Ａ_２＝４７．０３８
Ａ_３＝−０．３２５
Ａ_４＝−３．０３８
Ａ_５＝−３．５５９
Ａ_６＝０．１１３
Ａ_７＝０．２１３
Ａ_８＝−０．００６
Ａ_９＝−０．００４
Ａ_１０＝０．０００
Ａ_１１＝−０．００１
Ａ_１２＝０．０００
Ａ_１３＝０．０００
Ａ_１４＝０．００３
Ａ_１５＝０．０５３
を満足する１／２波長板が提供される。

このように位相差補正量の最適値を決定することによって、製造上加工可能で比較的取扱い容易な厚さの結晶板を用いて、その切断角度β及び光学軸方位角θにおいて最大となる変換効率を実現することができる。従って、最も光の利用効率が高い１／２波長板を簡単に設計することができる。

或る実施例では、１／２波長板の入射面及び出射面の少なくともいずれか一方に形成された回折格子パターンを有することにより、１つの光学デバイスで１／２波長板と回折格子の２つの機能を発揮することができ、部品点数の削減、小型化、コスト低減を図ることができる。

また、本発明の別の側面によれば、光源と、該光源から出射される光を記録媒体上に集光する対物レンズと、記録媒体により反射された光を検出する検出器と、光源と対物レンズ間の光路中に配置した上記本発明の１／２波長板とを備える光ピックアップ装置が提供される。上述したように変換効率を向上させた１／２波長板を用いることによって、使用時に発振レーザーの温度ドリフト等による波長変動の影響を受け難く、従来よりも広帯域の波長範囲で安定して良好な性能を発揮し得る光ピックアップ装置を実現することができる。

本発明の更に別の側面によれば、第１の主面を光入斜面としかつ第２の主面を光出射面とする平板状の透光性基材と、該基材中に設けられた第１及び第２の光学薄膜と、波長板とを備え、第１及び第２の光学薄膜が、第１及び第２の主面に対して傾斜させて、交互にかつ互いに間隔をおいて平行に配置され、第１の光学薄膜が、第１の主面側から入射した光を互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離して、第１の直線偏光を透過させかつ第２の直線偏光を反射し、第２の光学薄膜が、第１の光学薄膜により反射された第２の直線偏光を反射して第２の主面から出射させ、波長板が、第１の光学薄膜により分離された第１又は第２の直線偏光を透過させる位置に配置された上記本発明の１／２波長板である偏光変換素子が提供される。

この偏光変換素子において、或る実施例では、１／２波長板が、第１の光学薄膜を透過した第１の直線偏光を出射させる第２の主面の部分、又は第２の光学薄膜により反射された第２の直線偏光を出射させる第２の主面の部分に配置される。別の実施例では、１／２波長板が、透光性基材中に設けられ、第１の光学薄膜の第１の直線偏光の出射面に積層して配置される。いずれの場合も、同様に上述したように変換効率を向上させた１／２波長板を用いることによって、従来よりも広帯域で光の利用効率が非常に高い偏光変換素子を実現することができる。

また、本発明の更に別の側面によれば、光源と、該光源からの光を第２の直線偏光に変換して出射する上記本発明の偏光変換素子と、該偏光変換素子からの出射光を、投写しようとする画像情報に応じて変調する、例えば液晶パネルである変調手段と、該変調手段により変調された光を投写する投写光学系とを有する投写型表示装置が提供される。同様に、上述したように従来よりも変換効率を向上させた１／２波長板を用いることによって、同じ出力の光源でより明るい映像を得ることができ、又は光源を低出力化しても同程度に明るい映像が得られるので、消費電力を低減することができる。

切断角度５°の水晶１／２波長板において、異なる光学軸方位角θ毎に位相差に関する変換効率Ｔの変化を示す線図。 切断角度５°の水晶１／２波長板において、異なる光学軸方位角θ毎に位相差補正量に関する変換効率向上比Ｒ_Ｔの変化を示す線図。 Ｒ_Ｔ＞１となる位相差補正量の最小値Γa_ｍｉｎ及び最大値Γa_ｍａｘと光学軸方位角θとの関係を示す線図。 光学軸方位角θと位相差補正量最小値Γa_ｍｉｎとの関係を示す線図。 光学軸方位角θと位相差補正量最大値Γa_ｍａｘとの関係を示す線図。 （Ａ）図は本発明による１／２波長板の実施例を光の出射方向から見た斜視図、（Ｂ）図はその側面図、（Ｃ）図は水晶板の切断角度の説明図。 （Ａ）図は本発明による１／２波長板の別の実施例を示す斜視図、（Ｂ）図はその部分拡大断面図。 本発明の１／２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。 本発明の１／２波長板を用いた偏光変換素子の実施例の構成を示す概略図。 本発明の１／２波長板を用いた投写型表示装置の実施例の構成を示す概略図。 従来の水晶１／２波長板の偏光状態を示すポアンカレ球。 従来の水晶１／２波長板の切断角度に関する変換効率Ｔを表す線図。

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６（Ａ）、（Ｂ）は、本発明による１／２波長板の実施例を概略的に示している。本実施例の１／２波長板１は、厚さ一定の単一の水晶波長板で形成されている。この水晶波長板は、図６（Ｃ）に示すように、その入射面１ａ（又は出射面１ｂ）に立てた法線と水晶の結晶光学軸（Ｚ軸）とにより画定される切断角度βが５°≦β≦３０°の範囲にある水晶板に切り出される。特に、この範囲に切断角度を設定することによって、単板の１／２波長板として製造上加工や取扱いが困難とならない十分な強度を有する厚さの水晶波長板を加工することができる。

１／２波長板１の位相差Γは、標準位相差を１８０°とし、それに対する位相差補正量をΓaとして、Γ＝１８０°＋Γaで表される。位相差補正量Γaは、その補正量最小値をΓa_ｍｉｎとし、補正量最大値をΓa_ｍａｘとして、１／２波長板１の切断角度β及び光学軸方位角θを変数とする以下の関係式を用いて決定する。

Γa_ｍｉｎ＜Γa＜Γa_ｍａｘ
Γa_ｍｉｎ＝Ａ_０＋Ａ_１θ＋Ａ_２β＋Ａ_３θβ＋Ａ_４θ^２＋Ａ_５β^２＋Ａ_６θ^２β＋Ａ_７θβ^２＋Ａ_８θ^２β^２＋Ａ_９θ^３＋Ａ_１０β^３＋Ａ_１１θβ^３＋Ａ_１２θ^２β^３＋Ａ_１３θ^３β＋Ａ_１４θ^３β^２＋Ａ_１５θ^３β^３
但し、
Ａ_０＝−５８．９２８６
Ａ_１＝１２．３５９３８
Ａ_２＝１２．８８６９
Ａ_３＝−２．７５６５４
Ａ_４＝−０．５７１
Ａ_５＝−０．７６２９
Ａ_６＝０．１３４０７６
Ａ_７＝０．１６４４８２
Ａ_８＝−０．００８１６
Ａ_９＝０．００４９４９
Ａ_１０＝０．０１３２９４
Ａ_１１＝−０．００２８８
Ａ_１２＝０．０００１４４
Ａ_１３＝−０．００１４
Ａ_１４＝０．００００９０７
Ａ_１５＝−０．０００００１６
Γa_ｍａｘ＝Ｂ_０＋Ｂ_１θ＋Ｂ_２β＋Ｂ_３θβ＋Ｂ_４θ^２＋Ｂ_５β^２＋Ｂ_６θ^２β＋Ｂ_７θβ^２＋Ｂ_８θ^２β^２＋Ｂ_９θ^３＋Ｂ_１０β^３＋Ｂ_１１θβ^３＋Ｂ_１２θ^２β^３＋Ｂ_１３θ^３β＋Ｂ_１４θ^３β^２＋Ｂ_１５θ^３β^３
但し、
Ｂ_０＝１２８．７９３７
Ｂ_１＝−２０．７４３５
Ｂ_２＝１５．２４６３
Ｂ_３＝３．１３４５５９
Ｂ_４＝０．６７９５０９
Ｂ_５＝−０．９０９２９
Ｂ_６＝−０．１６４６５
Ｂ_７＝−０．２４２０１
Ｂ_８＝０．０１２９０４
Ｂ_９＝−０．００６１７
Ｂ_１０＝０．０１１４９７
Ｂ_１１＝０．００５０９２
Ｂ_１２＝−０．０００２６
Ｂ_１３＝０．００１９３１
Ｂ_１４＝−０．０００１６
Ｂ_１５＝０．０００００３２３

図６（Ａ）に示すように、１／２波長板１の入射面１ａから入射した直線偏光には、水晶の複屈折性による位相差と旋光性による偏光面の回転とが作用している。しかし、１／２波長板１の設計位相差Γは、その切断角度β及び光学軸方位角θの２変数で決定される位相差補正量の最大値と最小値との間で、位相差補正量Γaを適当に選択するので、旋光性による偏光状態の変化分が補正される。その結果、変換効率が１又は１に近い値に向上し、入射光の直線偏光は、その波長が或る程度変動しても、実質的に直線偏光として出射面１ｂから出射する。

従って、本実施例の１／２波長板を、ブルーレイ規格の光ディスク記録再生用の光ピックアップ装置や投写型表示装置に使用すると、単に優れた耐光性、長期信頼性が得られるだけでなく、安定して光の利用効率が非常に高いので、高効率の光ピックアップ装置や光学エンジンを実現できる。また、それにより、消費電力の低減を図ることができるので、非常に有利である。

また、本実施例において、１／２波長板１の位相差Γは、標準位相差を１８０°とし、それに対する位相差補正量をΓaとして、Γ＝１８０°＋Γaで表したとき、その切断角度β及び光学軸方位角θを変数とする以下の関係式を用いて、位相差補正量の最適値を決定することができる。

Γa＝Ａ_０＋Ａ_１θ＋Ａ_２β＋Ａ_３θβ＋Ａ_４θ^２＋Ａ_５β^２＋Ａ_６θ^２β＋Ａ_７θβ^２＋Ａ_８θ^２β^２＋Ａ_９θ^３＋Ａ_１０β^３＋Ａ_１１θβ^３＋Ａ_１２θ^２β^３＋Ａ_１３θ^３β＋Ａ_１４θ^３β^２＋Ａ_１５θ^３β^３
但し、
Ａ_０＝−６３．６３５
Ａ_１＝６．９６６
Ａ_２＝４７．０３８
Ａ_３＝−０．３２５
Ａ_４＝−３．０３８
Ａ_５＝−３．５５９
Ａ_６＝０．１１３
Ａ_７＝０．２１３
Ａ_８＝−０．００６
Ａ_９＝−０．００４
Ａ_１０＝０．０００
Ａ_１１＝−０．００１
Ａ_１２＝０．０００
Ａ_１３＝０．０００
Ａ_１４＝０．００３
Ａ_１５＝０．０５３

このように位相差補正量の最適値を決定することによって、使用する水晶結晶板の切断角度β及び光学軸方位角θにおいて最大となる変換効率を実現できる。従って、入射光の直線偏光は、略直線偏光として出射面１ｂから出射する。その結果、最も光の利用効率が高い１／２波長板が得られるので、非常に高効率の光ピックアップ装置や光学エンジンが実現される。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明による１／２波長板の別の実施例を示している。本実施例の１／２波長板１１は、図６に示す１／２波長板１の出射面に形成された回折格子パターン１２を有する。回折格子パターン１２は、水晶板の表面に、例えばＳiＯ_２等の蒸着膜を格子状にパターニングすることによって形成される。別の実施例では、前記水晶板の表面を、エッチング等により格子状の溝を加工することによって形成することもできる。

この１／２波長板１１は、例えば図中下側から上向きにレーザー光を通過させると、入射する直線偏光の偏光面を所定の角度回転させて直線偏光として出射する際に、回折格子パターン１２によって３つのレーザ光に、即ち１つのメインビームＬ0と２つのサイドビームＬ+1，Ｌ-1とに分ける。このように本実施例では、１つの光学デバイスで１／２波長板と回折格子の２つの機能を発揮する。従って、これを光学ヘッド等の光学装置に使用した場合、部品点数の削減、小型化、コスト低減を図ることができる。

図８は、本発明の１／２波長板を使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ー光を放射するレーザー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からのレーザー光を回折する回折格子２２と、該回折格子を透過したレーザー光を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ー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ー光を光ディスク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ー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ー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ー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を透過したレーザー光を検出するモニタ用光検出器３０を有する。

回折格子２２は、図７に関連して上述した本発明の１／２波長板１１から構成される。これによって、光ピックアップ装置２０の使用時に発振レーザーの温度ドリフトによりレーザー光の波長が変動しても、１／２波長板の変換効率が劣化せず又はその劣化を最小限に抑制し、常に十分な光量を確保することができる。その結果、使用するレーザー光の短波長化及び高出力化に対応して、従来よりも広帯域の波長範囲で安定して良好な性能を発揮し得る光ピックアップ装置を実現できる。

光ピックアップ装置２０は、以下のように動作する。光源２１から出射した直線偏光のレーザー光は、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。平行光のレーザー光はミラー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ー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ー光の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ー光の出力を制御する。

本発明の１／２波長板は、光の利用効率が非常に高いことから、例えば液晶プロジェクターのように、液晶パネルを備えた投写型表示装置等に使用するのに適している。特に、特定の偏光方向の光束（Ｓ偏光光またはＰ偏光光）を変調するタイプの液晶パネルを用いた投写型表示装置では、直線偏光をＰ偏光又はＳ偏光のいずれかに一方に統一して液晶パネルに入射させるように、光学系を設定するのが一般的である。そのために、投写型表示装置は、光源からのランダム偏光光をＰ偏光又はＳ偏光の光束に変換して光の利用効率を高める役目の偏光変換素子（ＰＳ変換素子）を搭載する。

図９（Ａ）〜（Ｃ）は、液晶プロジェクター等の投写型表示装置に使用するのに適した３つの異なる構成の偏光変換素子４０、４０’、４０”をそれぞれ示しており、そのいずれにも本発明の１／２波長板を使用することができる。これによって、各偏光変換素子４０、４０’、４０”は、従来よりも広帯域で変換効率の劣化を最小限に抑制できるので、光エネルギーをより効率良く利用することができる。

図９（Ａ）の偏光変換素子４０は、第１の主面４１ａを光入斜面としかつ第２の主面４１ｂを光出射面とする平板状の透光性基材からなるプリズムアレイ４１を備える。前記透光性基材中には、前記第１及び第２の主面に対して傾斜させた偏光分離膜４２と反射膜４３とが、交互にかつ所定の間隔をおいて平行に配置されている。

偏光分離膜４２は、第１の主面４１ａからプリズムアレイ４１に入射したランダム光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離し、Ｐ偏光成分を透過させかつＳ偏光成分を反射する。偏光分離膜４２を透過したＰ偏光成分は、そのまま第２の主面４１ｂを介してプリズムアレイ４１から出射する。前記偏光分離膜に反射されたＳ偏光成分は、反射膜４３により反射され、第２の主面４１ｂを介してプリズムアレイ４１から出射する。第２の主面４１ｂには、前記反射膜に反射されたＳ偏光成分が出射する部分に１／２波長板４４が配置されている。１／２波長板４４は、入射するＳ偏光の直線偏光をＰ偏光に変換して出力する。このように偏光変換素子４０は、入射した光がＰ偏光に揃えて出射され、Ｐ偏光光学系の投写型表示装置に搭載するのに適している。

図９（Ｂ）は、Ｓ偏光光学系の投写型表示装置に搭載するのに適した偏光変換素子４０’の構成を示している。この偏光変換素子４０’は、１／２波長板４４が、偏光分離膜４２を透過したＰ偏光成分が出射する第２の主面４１ｂの部分に配置されている。これにより、偏光分離膜４２を透過したＰ偏光の直線偏光はＳ偏光に変換して出射される。他方、前記偏光分離膜に反射されたＳ偏光成分は、反射膜４３により反射されて、Ｓ偏光のままプリズムアレイ４１から出射する。従って、偏光変換素子４０’に入射した光は、Ｓ偏光に揃えて出射される。

図９（Ｃ）は、１／２波長板４４をプリズムアレイ４１の前記透光性基材中に配置した構造の偏光変換素子４０”を示している。１／２波長板４４は偏光分離膜４２の出射面に積層され、反射膜４３とは所定の間隔をおいてかつ交互に平行に配置されている。

偏光分離膜４２は、第１の主面４１ａから入射したランダム光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離し、Ｐ偏光成分を透過させかつＳ偏光成分を反射する。偏光分離膜４２に反射されたＳ偏光成分は、反射膜４３により反射され、第２の主面４１ｂを介してプリズムアレイ４１から出射する。前記偏光分離膜を透過したＰ偏光成分は、直接１／２波長板４４に入射してＳ偏光に変換され、前記第２の主面を介してプリズムアレイ４１から出射する。このように、偏光変換素子４０''に入射した光はＳ偏光に揃えて出射される。

図１０は、本発明の１／２波長板を使用した投写型表示装置の実施例を概略的に示している。この投写型表示装置５０は、照明光学系５１、ダイクロイックミラー５２，５３、反射ミラー５４〜５６、λ／２位相差板５７〜６１、液晶ライトバルブ６２〜６４、クロスダイクロイックプリズム６５、及び投写レンズ系６６を備える。照明光学系５０は、液晶ライトバルブ６２〜６４を照明するために光源、偏光変換素子６７、集光レンズ等を備える。偏光変換素子６７は、図９の偏光変換素子を用いることができ、前記光源からのランダム光をＳ偏光に変換して出射する。

照明光学系５１から出射されたＳ偏光の白色光は、赤色光成分がダイクロイックミラー５２を透過し、青色光成分と緑色光成分とが反射される。ダイクロイックミラー５２を透過した赤色光は反射ミラー５４で反射され、λ／２位相差板５７を通ってＰ偏光光に変換され、赤色光用の液晶ライトバルブ６２に入射する。ダイクロイックミラー５２で反射された緑色光は更にダイクロイックミラー５３により反射され、λ／２位相差板５８を通ってＰ偏光光に変換され、緑色光用の液晶ライトバルブ６３に入射する。ダイクロイックミラー５２で反射された青色光は、ダイクロイックミラー５３を透過して反射ミラー５５，５６に反射され、λ／２位相差板５９を通ってＰ偏光光に変換され、青色光用の液晶ライトバルブ６４に入射する。

液晶ライトバルブ６２〜６４は、それぞれ与えられた画像情報（画像信号）に従って各色の色光を変調して画像を形成する光変調手段である。クロスダイクロイックプリズム６５は、液晶ライトバルブ６２，６４から出射されたＳ偏光の赤色光及び青色光、液晶ライトバルブ６３から出射された後にＰ偏光に変換された緑色光の色光を合成してカラー画像を形成する色合成手段である。この合成光は、λ／２位相差板６１を通して投写レンズ系６６に出射される。投写レンズ系６６は、この合成光を投写スクリーン上に投写してカラー画像を表示する投写光学系である。

λ／２位相差板６１は、Ｓ偏光光（赤色光及び青色光）とＰ偏光光（緑色光）の偏光方向をそれぞれ約４５°変更するように、その光学軸の方向を決定すると、３色の光のＳ偏光光成分とＰ偏光光成分とが約１／２ずつになるので、偏光スクリーン上にカラー映像をきれいに投写することができる。また、λ／２位相差板６１に代えてλ／４位相差板を用いることができる。この場合には、赤、緑、青の３色の光をそれぞれ楕円偏光、好ましくは円偏光に変換することによって、投写スクリーンに偏光スクリーンを用いた場合にも、カラー映像をきれいに投写することができる。

λ／２位相差板５７〜６１には、本発明の１／２波長板を使用することができる。これによって、投写型表示装置５０は、各λ／２位相差板において従来よりも変換効率を高めて、光の利用効率をより高めることができる。その結果、同じ出力の光源でより明るいカラー映像を得ることができ、又は光源を低出力なものにしても同程度に明るいカラー映像が得られるので、消費電力を低減することができる。

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、本発明の波長板は、水晶板以外の光学的一軸性結晶材料により形成することができる。また、上記実施例とは異なる構成の光ピックアップ装置、偏光変換素子、投写型表示装置についても、または他の光学装置についても、本発明を同様に適用することができる。

１，１１…１／２波長板、１ａ…入射面、１ｂ…出射面、２…結晶光学軸、３…偏光面の向き、１２…回折格子パターン、１３…蒸着膜、２０…光ピックアップ装置、２１，４１…光源、２２…回折格子、２３…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、２７，４４…１／４波長板、２８…対物レンズ、２９…光検出器、３０…モニタ用光検出器、４０，６７…偏光変換素子、４１…プリズムアレイ、４１ａ…第１の主面、４１ｂ…第２の主面、４２…偏光分離膜、４３…反射膜、５０…投写型表示装置、５１…照明光学系、５２，５３…ダイクロイックミラー、５４〜５６…反射ミラー、５７〜６１…λ／２位相差板、６２〜６４…液晶ライトバルブ、６５…クロスダイクロイックプリズム、６６…投写レンズ系。

Claims (8)

1. 複屈折性及び旋光性を有する無機材料からなる単一の結晶板で形成され、前記結晶板の入射面から入射する直線偏光の偏光面を回転させて前記結晶板の出射面から出射する１／２波長板であって、
   前記１／２波長板の位相差をΓ、その補正量をΓaとし、前記結晶板の前記光学軸を前記入射面に投影した光学軸投影線と前記入射面に入射する前記直線偏光の偏光面とがなす光学軸方位角をθとし、前記結晶板の前記入射面に対する法線と前記結晶板の光学軸とがなす角度βを５°≦β≦３０°の範囲に設定したとき、以下の式
   Γ＝１８０°＋Γa
   Γa_ｍｉｎ＜Γa＜Γa_ｍａｘ
   Γa_ｍｉｎ＝Ａ_０＋Ａ_１θ＋Ａ_２β＋Ａ_３θβ＋Ａ_４θ^２＋Ａ_５β^２＋Ａ_６θ^２β＋Ａ_７θβ^２＋Ａ_８θ^２β^２＋Ａ_９θ^３＋Ａ_１０β^３＋Ａ_１１θβ^３＋Ａ_１２θ^２β^３＋Ａ_１３θ^３β＋Ａ_１４θ^３β^２＋Ａ_１５θ^３β^３
   但し、
   Ａ_０＝−５８．９２８６
   Ａ_１＝１２．３５９３８
   Ａ_２＝１２．８８６９
   Ａ_３＝−２．７５６５４
   Ａ_４＝−０．５７１
   Ａ_５＝−０．７６２９
   Ａ_６＝０．１３４０７６
   Ａ_７＝０．１６４４８２
   Ａ_８＝−０．００８１６
   Ａ_９＝０．００４９４９
   Ａ_１０＝０．０１３２９４
   Ａ_１１＝−０．００２８８
   Ａ_１２＝０．０００１４４
   Ａ_１３＝−０．００１４
   Ａ_１４＝０．００００９０７
   Ａ_１５＝−０．０００００１６
   Γa_ｍａｘ＝Ｂ_０＋Ｂ_１θ＋Ｂ_２β＋Ｂ_３θβ＋Ｂ_４θ^２＋Ｂ_５β^２＋Ｂ_６θ^２β＋Ｂ_７θβ^２＋Ｂ_８θ^２β^２＋Ｂ_９θ^３＋Ｂ_１０β^３＋Ｂ_１１θβ^３＋Ｂ_１２θ^２β^３＋Ｂ_１３θ^３β＋Ｂ_１４θ^３β^２＋Ｂ_１５θ^３β^３
   但し、
   Ｂ_０＝１２８．７９３７
   Ｂ_１＝−２０．７４３５
   Ｂ_２＝１５．２４６３
   Ｂ_３＝３．１３４５５９
   Ｂ_４＝０．６７９５０９
   Ｂ_５＝−０．９０９２９
   Ｂ_６＝−０．１６４６５
   Ｂ_７＝−０．２４２０１
   Ｂ_８＝０．０１２９０４
   Ｂ_９＝−０．００６１７
   Ｂ_１０＝０．０１１４９７
   Ｂ_１１＝０．００５０９２
   Ｂ_１２＝−０．０００２６
   Ｂ_１３＝０．００１９３１
   Ｂ_１４＝−０．０００１６
   Ｂ_１５＝０．０００００３２３
   を満足することを特徴とする１／２波長板。
2. 複屈折性及び旋光性を有する無機材料からなる単一の結晶板で形成され、前記結晶板の入射面から入射する直線偏光の偏光面を回転させて前記結晶板の出射面から出射する１／２波長板であって、
   前記１／２波長板の位相差をΓ、その補正量をΓaとし、前記結晶板の前記光学軸を前記入射面に投影した光学軸投影線と前記入射面に入射する前記直線偏光の偏光面とがなす光学軸方位角をθとし、前記結晶板の前記入射面に対する法線と前記結晶板の光学軸とがなす角度βを５°≦β≦３０°の範囲に設定したとき、以下の式
   Γ＝１８０°＋Γa
   Γa＝Ａ_０＋Ａ_１θ＋Ａ_２β＋Ａ_３θβ＋Ａ_４θ^２＋Ａ_５β^２＋Ａ_６θ^２β＋Ａ_７θβ^２＋Ａ_８θ^２β^２＋Ａ_９θ^３＋Ａ_１０β^３＋Ａ_１１θβ^３＋Ａ_１２θ^２β^３＋Ａ_１３θ^３β＋Ａ_１４θ^３β^２＋Ａ_１５θ^３β^３
   但し、
   Ａ_０＝−６３．６３５
   Ａ_１＝６．９６６
   Ａ_２＝４７．０３８
   Ａ_３＝−０．３２５
   Ａ_４＝−３．０３８
   Ａ_５＝−３．５５９
   Ａ_６＝０．１１３
   Ａ_７＝０．２１３
   Ａ_８＝−０．００６
   Ａ_９＝−０．００４
   Ａ_１０＝０．０００
   Ａ_１１＝−０．００１
   Ａ_１２＝０．０００
   Ａ_１３＝０．０００
   Ａ_１４＝０．００３
   Ａ_１５＝０．０５３
   を満足することを特徴とする１／２波長板。
3. 前記入射面及び前記出射面の少なくともいずれか一方に形成された回折格子パターンを有することを特徴とする請求項１又は２記載の１／２波長板。
4. 前記結晶板が水晶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１／２波長板。
5. 光源と、前記光源から出射される光を記録媒体上に集光する対物レンズと、前記記録媒体により反射された光を検出する検出器と、前記光源と前記対物レンズ間の光路中に配置した請求項１乃至４のいずれか記載の１／２波長板とを備えることを特徴とする光ピックアップ装置。
6. 第１の主面を光入斜面としかつ第２の主面を光出射面とする平板状の透光性基材と、前記基材中に設けられた第１及び第２の光学薄膜と、波長板とを備え、
   前記第１及び第２の光学薄膜が、前記第１及び第２の主面に対して傾斜させて、交互にかつ互いに間隔をおいて平行に配置され、
   前記第１の光学薄膜が、前記第１の主面側から入射した光を互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離して、前記第１の直線偏光を透過させかつ第２の直線偏光を反射し、
   前記第２の光学薄膜が、前記第１の光学薄膜により反射された第２の直線偏光を反射して前記第２の主面から出射させ、
   前記波長板が、前記第１の光学薄膜により分離された前記第１又は第２の直線偏光を透過させる位置に配置された請求項１乃至４のいずれか記載の１／２波長板であることを特徴とする偏光変換素子。
7. 光源と、前記光源からの光を前記第２の直線偏光に変換して出射する請求項６記載の偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの出射光を、投写しようとする画像情報に応じて変調する変調手段と、前記変調手段により変調された光を投写する投写光学系とを有することを特徴とする投写型表示装置。
8. 前記変調手段が液晶パネルであることを特徴とする請求項７記載の投写型表示装置。

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