JP4329508B2 - 旋光能補正広帯域１／４波長板及びこれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光学材料の複屈折性を利用した波長板に関し、特に、水晶等の旋光能を有する光学材料を用いた旋光能補正広帯域１／４波長板及びこれを用いた光ピックアップ装置に関する。
音楽や映像関連などの大容量情報の光学記録媒体としてＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が普及し、更に高密度大容量な光学記録媒体も開発されつつある。これらＣＤやＤＶＤ等の光学記録媒体は、直線偏光や円偏光等のレーザー光を利用して再生或いは記録を行うものであり、再生／記録を行う光ディスク装置が用いられる。近年、ＣＤとＤＶＤのコンパチブル（共用）性と共に光ディスク装置自体の小型化の要求が高まっている。
ＤＶＤはＣＤに比べ記録密度が高く、例えば２時間以上の映像及び音声の情報を１枚のディスクに収容できるようになった。これに伴いＤＶＤの再生波長は、ＣＤの７８０ｎｍ帯に対して６５０ｎｍ帯と波長も短くなっており、ＤＶＤとＣＤのコンパチブルを可能とする光ピックアップ装置では必然的にこれら２種類の波長に対応する必要が生じる。
光ディスク装置内では、それぞれの波長光を発生するレーザー光源に応じて、２系統の光ピックアップ装置を設けて構成していたが、近年の小型化の要求により、特に、光学系部品点数の削減等の簡素化を図るべく光ピックアップ装置を１系統で構成する試みが種々なされている。
ＤＶＤはＣＤに比べ記録密度が高く、例えば２時間以上の映像及び音声の情報を１枚のディスクに収容できるようになった。これに伴いＤＶＤの再生波長は、ＣＤの７８０ｎｍ帯に対して６５０ｎｍ帯と波長も短くなっており、ＤＶＤとＣＤのコンパチブルを可能とする光ピックアップ装置では必然的にこれら２種類の波長に対応する必要が生じる。
光ディスク装置内では、それぞれの波長光を発生するレーザー光源に応じて、２系統の光ピックアップ装置を設けて構成していたが、近年の小型化の要求により、特に、光学系部品点数の削減等の簡素化を図るべく光ピックアップ装置を１系統で構成する試みが種々なされている。
ここで、光ピックアップ装置の中で行われる光の偏光について説明する。光を波としてとらえると、光の進行方向と磁場を含む面を偏光面といい、一方、光の進行方向と電場を含む面を振動面という。そして、偏光面の方向が揃っている場合の光が偏光であり、偏光面が一つの平面に限られるような偏光を直線偏光と呼ぶ。直線偏光には、入射光線と入射面の法線とを含む平面に対して、水平に振動する成分のＰ偏光と、垂直に振動する成分のＳ偏光とがある。また、ある位置でみた電場ベクトルが、時間とともに回転するような偏光を一般に楕円偏光といい、特に、光の進行方向に垂直な平面上に電場ベクトルの先端を投影したとき、その軌跡が円となるものを円偏光という。
波長板（位相レターデーションプレートとも呼ばれる）は、光学材料の複屈折性を利用し光の位相変調を行う光学素子である。中でも、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板は、上述の光ディスク装置や、ディジタルカメラなどに使用するＯＬＰＦ（Optical Low Pass Filter）の偏光解消板として用いられている。
波長板の位相差は波長の関数であるため、使用する波長が変わると位相差も変化してしまう特性がある。即ち、これは複数の波長を使用するＣＤ／ＤＶＤ互換タイプや、或いは、可視光帯域の複数点の波長を選択的／可変的に用いるようなタイプの光ピックアップ装置の場合、波長板を経由する夫々の波長により位相差が変化してしまうため、位相差を１／４波長に維持することができないという問題が生じる。
波長板の位相差は波長の関数であるため、使用する波長が変わると位相差も変化してしまう特性がある。即ち、これは複数の波長を使用するＣＤ／ＤＶＤ互換タイプや、或いは、可視光帯域の複数点の波長を選択的／可変的に用いるようなタイプの光ピックアップ装置の場合、波長板を経由する夫々の波長により位相差が変化してしまうため、位相差を１／４波長に維持することができないという問題が生じる。
このような問題を解決するものとして、例えば、特開平１０−０６８８１６号公報に示されるように、複屈折光の位相差が１／４波長である波長板と、複屈折光の位相差が１／２波長である波長板とを同一材料にて作製し、この二つの波長板を光軸が交差するよう張り合わせることが提案されている。これによれば、ある波長範囲にて、ほぼ１／４波長の位相差で機能する波長板となる。
特開平１０−０６８８１６号公報
しかしながら、上述した従来の１／４波長板においては、以下に示すような問題点があった。つまり、波長板の用途が液晶ディスプレイなどの変色防止を前提しているため、光学材料に高分子フィルム（例えば、ポリカーボネイト）を用いた例が上げられているが、これを光ピックアップ装置に適用した場合、近年の高倍速書込みに使用する高出力レーザは、その温度上昇によりピックアップ自体の温度が上昇し、高分子フィルムは線熱膨張係数が大きいため、膨張し熱歪みを生じる。結果、透過波面収差が劣化しレーザをディスク上に集光できなくなる。更に、近年の光学記録媒体にあっては高密度大容量化の傾向から使用される光線はブルーレーザー（４００ｎｍ帯波長）の領域へも進んできており、特に、ポリカーボネイト樹脂は、紫外線領域光を受けると化学変化を起こして「黄変劣化」してしまうという耐光性の低さから光ピックアップ装置への適用には不向きである。
そこで、耐光性の高い複屈折性光学材料として水晶などが有効であると考えられる。
そこで、耐光性の高い複屈折性光学材料として水晶などが有効であると考えられる。
ところが、水晶等の複屈折性光学材料の一部（主に単結晶からなる材料）は、旋光能を有するため光軸方向に伝搬する直線偏光の振動面が光の進行につれてねじれてしまう。そのため、水晶等を光学材料として特開平１０−０６８８１６号公報に開示されるように波長板を構成しても、ある波長範囲でほぼ１／４波長板として機能させることができないという問題点があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、水晶等の旋光能を有する複屈折光学材料を用いて１／４波長板を構成するにあたり、旋光能による影響を補正した広帯域な１／４波長板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明に係わる旋光能補正広帯域１／４波長板の請求項１の発明は、旋光能を有する同一の複屈折光学材料から形成した二つの波長板Ａ及びＢを、両者の光学軸が互いに交差するよう重ね合わせた旋光能補正広帯域１／４波長板であって、前記波長板Ａの位相差をΓ’ A 、光学軸方位角度をθ A 、旋光能を２ρ A とし、前記波長板Ｂの位相差をΓ’ B 、光学軸方位角度をθ B 、旋光能を２ρ B とし、波長板Ａの旋光子の行列ＴAK、位相子の行列ＲAKは下式（１２ａ）と（１３ａ）を満足し（但し、ｋ＝１，２，３，・・・，ｎ）、
・・・・（１２ａ）
・・・・（１３ａ）
波長板Ｂの旋光子の行列ＴBK、位相子の行列ＲBKは下式（１２ｂ）と（１３ｂ）を満足し（但し、ｋ＝１，２，３，・・・，ｎ）、
・・・・（１２ｂ）
・・・・（１３ｂ）
入射偏光の行列をＩとしたとき、 前記波長板Ａと波長板Ｂとの関係が下式（１）乃至（３）を満足するとともに、下式（４）又は（５）を満足する旋光能補正広帯域１／４波長板を特徴としている。
・・・・（１）
但し、Γ A ＝１８０（ｄｅｇ）、Γ B ＝９０（ｄｅｇ）
これによれば、旋光能による影響を低減することができ、広帯域において特性の良い１／４波長板を得ることができる。
また、シミュレーションに要する時間を大幅に短縮することができ、広帯域において特性の良い１／４波長板を得ることができる。
請求項２の発明は、請求項１に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板において、ｎ＝１０であることを特徴とする。
これによれば、ほぼ実測値と近い値が得られ、広帯域において特性の良い１／４波長板を得ることができる。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板において、前記光学材料が水晶であることを特徴とする。
これによれば、耐光性が高く、広帯域において特性の良い１／４波長板を得ることができる。
・・・・（１２ａ）
波長板Ｂの旋光子の行列ＴBK、位相子の行列ＲBKは下式（１２ｂ）と（１３ｂ）を満足し（但し、ｋ＝１，２，３，・・・，ｎ）、
・・・・（１２ｂ）
・・・・（１３ｂ）
入射偏光の行列をＩとしたとき、 前記波長板Ａと波長板Ｂとの関係が下式（１）乃至（３）を満足するとともに、下式（４）又は（５）を満足する旋光能補正広帯域１／４波長板を特徴としている。
但し、Γ A ＝１８０（ｄｅｇ）、Γ B ＝９０（ｄｅｇ）
これによれば、旋光能による影響を低減することができ、広帯域において特性の良い１／４波長板を得ることができる。
また、シミュレーションに要する時間を大幅に短縮することができ、広帯域において特性の良い１／４波長板を得ることができる。
請求項２の発明は、請求項１に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板において、ｎ＝１０であることを特徴とする。
これによれば、ほぼ実測値と近い値が得られ、広帯域において特性の良い１／４波長板を得ることができる。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板において、前記光学材料が水晶であることを特徴とする。
これによれば、耐光性が高く、広帯域において特性の良い１／４波長板を得ることができる。
また、本発明に係わる光ピックアップ装置の請求項４記載の発明は、光源から出射した第１の波長の第１直線偏光と第２の波長の第２直線偏光とが、波長板を通過するよう構成された光ピックアップ装置において、前記波長板が請求項１乃至３の何れか一項に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板であることを特徴とする。
つまり、請求項１乃至３の何れか一項に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板を光ピックアップ装置に適用することによって、高出力の光線や紫外線に近い領域の波長の光線を扱うことができるようになる。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の光ピックアップ装置において、前記第１の波長を６５０±２０ｎｍ、前記第２の波長を７８０±２０ｎｍとしたことを特徴とする。
これによれば、６５０±２０ｎｍ、および７８０±２０ｎｍの両帯域において楕円率０．９以上を確保することができ、ＤＶＤおよびＣＤ互換の極めて優れた光ピックアップ装置を実現できる。
つまり、請求項１乃至３の何れか一項に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板を光ピックアップ装置に適用することによって、高出力の光線や紫外線に近い領域の波長の光線を扱うことができるようになる。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の光ピックアップ装置において、前記第１の波長を６５０±２０ｎｍ、前記第２の波長を７８０±２０ｎｍとしたことを特徴とする。
これによれば、６５０±２０ｎｍ、および７８０±２０ｎｍの両帯域において楕円率０．９以上を確保することができ、ＤＶＤおよびＣＤ互換の極めて優れた光ピックアップ装置を実現できる。
本発明に係わる旋光能補正広帯域１／４波長板は、旋光能を有する同一の複屈折光学材料から形成した二つの波長板Ａ及びＢを、両者の光学軸が互いに交差するよう重ね合わせた旋光能補正広帯域１／４波長板として機能するように構成した構造とし、かつ、前記波長板Ａの位相差をΓ’ A 、光学軸方位角度をθ A 、旋光能を２ρ A とし、前記波長板Ｂの位相差をΓ’ B 、光学軸方位角度をθ B 、旋光能を２ρ B とし、波長板Ａの旋光子の行列Ｔ AK 、位相子の行列Ｒ AK は下式（１２ａ）と（１３ａ）を満足し（但し、ｋ＝１，２，３，・・・，ｎ）、
・・・・（１２ａ）
・・・・（１３ａ）
波長板Ｂの旋光子の行列Ｔ BK 、位相子の行列Ｒ BK は下式（１２ｂ）と（１３ｂ）を満足し（但し、ｋ＝１，２，３，・・・，ｎ）、
・・・・（１２ｂ）
・・・・（１３ｂ）
入射偏光の行列をＩとしたとき、前記波長板Ａと波長板Ｂとの関係が下式（１）乃至（３）を満足するとともに、下式（４）又は（５）を満足することにより、旋光能の影響を補正しつつ広帯域な光波長範囲にわたり高精度な１／４波長板を実現できる。また、この旋光補正広帯域１／４波長板を用いて光ピックアップ装置を構成すれば、高出力の光線や紫外線に広い領域の波長の光線を扱うディスク装置等にも対応することができるようになる。
・・・・（１）
但し、Γ A ＝１８０（ｄｅｇ）、Γ B ＝９０（ｄｅｇ）
・・・・（１２ａ）
・・・・（１３ａ）
波長板Ｂの旋光子の行列Ｔ BK 、位相子の行列Ｒ BK は下式（１２ｂ）と（１３ｂ）を満足し（但し、ｋ＝１，２，３，・・・，ｎ）、
・・・・（１２ｂ）
・・・・（１３ｂ）
入射偏光の行列をＩとしたとき、前記波長板Ａと波長板Ｂとの関係が下式（１）乃至（３）を満足するとともに、下式（４）又は（５）を満足することにより、旋光能の影響を補正しつつ広帯域な光波長範囲にわたり高精度な１／４波長板を実現できる。また、この旋光補正広帯域１／４波長板を用いて光ピックアップ装置を構成すれば、高出力の光線や紫外線に広い領域の波長の光線を扱うディスク装置等にも対応することができるようになる。
但し、Γ A ＝１８０（ｄｅｇ）、Γ B ＝９０（ｄｅｇ）
本発明に係る旋光能補正広帯域１／４波長板を説明する前に、まず、旋光能の影響と、旋光能を持たない光学材料を用いた広帯域波長板の例と、旋光能を持つ光学材料を用いた広帯域波長板において旋光能の影響を補正しない例と、について簡単に説明する。
《旋光能の影響》
水晶のような旋光能を持つ光学材料は、その中を光が進行する時、直線複屈折（位相差）と円複屈折（旋光性）の両方が作用する。これをポアンカレ球にて説明する。
図１は、水晶結晶の中を波長λの光が進行する時の作用例を示す図である。
この球を地球に見立てると、極軸上の北極において左回り円偏光（Ｒ）を示し、南極において右回り円偏光（Ｌ）を示し、赤道上において直線偏光を示している。
この図に示すように、中性軸方向ＣｆＣｓに直線複屈折から与えられる位相差Γと、極軸方向ＬＲに円複屈折から与えられる位相差２ρとのベクトルを取った時、その合成ベクトルΓ’がポアンカレ球と交差する点をＰａ及びＰとして、ＰａＰ回りの回転角として下式で表すことが出来る。
このときの中性軸Ｓ１と中性軸Ｓ２とを常に含む面と、ＰａＰの軸のなす角をβとすると、位相差ベクトルΓと位相差ベクトル２ρとを用いてβは下式（６）で表される。
ｔａｎβ＝２ρ／Γ ・・・・（６）
また、合成ベクトルΓ’は下式（７）で表される。
なお、ここで「ｎｅ’」は異常光線屈折率、「ｎｏ」は常光線屈折率、「ｎＲ」は右円偏光屈折率、「ｎＬ」は左円偏光屈折率、「ｄ」は結晶の厚さを表す。
つまり、合成ベクトルΓ’は直線複屈折性による位相差と円複屈折性による位相差を合成したもので、ポアンカレ球上でＰａＰを回転軸としてΓ’回転する挙動として取り扱うことが出来る。
《旋光能の影響》
水晶のような旋光能を持つ光学材料は、その中を光が進行する時、直線複屈折（位相差）と円複屈折（旋光性）の両方が作用する。これをポアンカレ球にて説明する。
図１は、水晶結晶の中を波長λの光が進行する時の作用例を示す図である。
この球を地球に見立てると、極軸上の北極において左回り円偏光（Ｒ）を示し、南極において右回り円偏光（Ｌ）を示し、赤道上において直線偏光を示している。
この図に示すように、中性軸方向ＣｆＣｓに直線複屈折から与えられる位相差Γと、極軸方向ＬＲに円複屈折から与えられる位相差２ρとのベクトルを取った時、その合成ベクトルΓ’がポアンカレ球と交差する点をＰａ及びＰとして、ＰａＰ回りの回転角として下式で表すことが出来る。
このときの中性軸Ｓ１と中性軸Ｓ２とを常に含む面と、ＰａＰの軸のなす角をβとすると、位相差ベクトルΓと位相差ベクトル２ρとを用いてβは下式（６）で表される。
ｔａｎβ＝２ρ／Γ ・・・・（６）
また、合成ベクトルΓ’は下式（７）で表される。
つまり、合成ベクトルΓ’は直線複屈折性による位相差と円複屈折性による位相差を合成したもので、ポアンカレ球上でＰａＰを回転軸としてΓ’回転する挙動として取り扱うことが出来る。
《旋光能を持たない光学材料を用いた広帯域波長板の例》
次に、旋光能の有無による相違点を明確にするために、旋光能を持たない材料を用いた広帯域波長板について、以下の如く定める波長板を用いた場合を例として、ポアンカレ球を用いて説明する。
波長λ１〜λ２の帯域において位相差が概ね９０ｄｅｇとなる広帯域波長板において、λ１〜λ２中のある波長λにおいて下記位相差となる２枚の波長板ＡとＢとを重ねて使用する。
波長板Ａ 位相差 １８０ｄｅｇ
光学軸方位 θＡ
波長板Ｂ 位相差 ９０ｄｅｇ
光学軸方位 θＢ
このときの偏光状態は、図２のに示すように考えることが出来る。
図２は、旋光能を持たない光学材料を用いた広帯域波長板の例を説明するための図である。
この図に示すように、点ＰＢがポアンカレ球の極（北極点または南極点）に到達すれば出射偏光は円偏光となる。
点ＰＢがポアンカレ球の極に到達するためには、夫々の波長板における光学軸方位θＡおよびθＢが、下式（８）の関係となることが望ましい。
θＢ＝２θＡ＋４５ ・・・・（８）
即ち、波長がλ１〜λ２間で変化すると、それに応じて波長板Ａ及びＢの位相差が夫々１８０ｄｅｇ、９０ｄｅｇから変化する。この変化量をΔΓＡ、ΔΓＢとする。
これら変化量が、ポアンカレ球上の点ＰＡと点ＰＡ’とを結ぶ球面上の同一の線分となる条件であるならば、常に点ＰＢは極に到達することができる。
ここで近似的に点ＰＡと点ＰＡ’とを直線で結び、余弦定理を用いて位相差変化量ΔΓＡ、位相差変化量ΔΓＢ、及び光学軸方位θＡの関係を表すと次の式（９）となる。
ｃｏｓΔΓＢ＝１−２（１−２ｃｏｓ２θＡ）（１−２ｃｏｓΔΓＡ） ・・・・（９）
また、波長板Ａと波長板Ｂとが同じ波長分散の材質とすれば、各々の位相差が１８０ｄｅｇ、９０ｄｅｇであるから、位相差変化量ΔΓＡと位相差変化量ΔΓＢには次に示す式（１０）の関係が成立する。
ΔΓＡ＝２ΔΓＢ ・・・・（１０）
この式（１０）を、上述の式（９）に代入すると、光学軸方位θＡと光学軸方位θＢとは、それぞれ、θＡ≒１５ｄｅｇ、θＢ≒７５ｄｅｇであれば良いことがわかる。
次に、旋光能の有無による相違点を明確にするために、旋光能を持たない材料を用いた広帯域波長板について、以下の如く定める波長板を用いた場合を例として、ポアンカレ球を用いて説明する。
波長λ１〜λ２の帯域において位相差が概ね９０ｄｅｇとなる広帯域波長板において、λ１〜λ２中のある波長λにおいて下記位相差となる２枚の波長板ＡとＢとを重ねて使用する。
波長板Ａ 位相差 １８０ｄｅｇ
光学軸方位 θＡ
波長板Ｂ 位相差 ９０ｄｅｇ
光学軸方位 θＢ
このときの偏光状態は、図２のに示すように考えることが出来る。
図２は、旋光能を持たない光学材料を用いた広帯域波長板の例を説明するための図である。
この図に示すように、点ＰＢがポアンカレ球の極（北極点または南極点）に到達すれば出射偏光は円偏光となる。
点ＰＢがポアンカレ球の極に到達するためには、夫々の波長板における光学軸方位θＡおよびθＢが、下式（８）の関係となることが望ましい。
θＢ＝２θＡ＋４５ ・・・・（８）
即ち、波長がλ１〜λ２間で変化すると、それに応じて波長板Ａ及びＢの位相差が夫々１８０ｄｅｇ、９０ｄｅｇから変化する。この変化量をΔΓＡ、ΔΓＢとする。
これら変化量が、ポアンカレ球上の点ＰＡと点ＰＡ’とを結ぶ球面上の同一の線分となる条件であるならば、常に点ＰＢは極に到達することができる。
ここで近似的に点ＰＡと点ＰＡ’とを直線で結び、余弦定理を用いて位相差変化量ΔΓＡ、位相差変化量ΔΓＢ、及び光学軸方位θＡの関係を表すと次の式（９）となる。
ｃｏｓΔΓＢ＝１−２（１−２ｃｏｓ２θＡ）（１−２ｃｏｓΔΓＡ） ・・・・（９）
また、波長板Ａと波長板Ｂとが同じ波長分散の材質とすれば、各々の位相差が１８０ｄｅｇ、９０ｄｅｇであるから、位相差変化量ΔΓＡと位相差変化量ΔΓＢには次に示す式（１０）の関係が成立する。
ΔΓＡ＝２ΔΓＢ ・・・・（１０）
この式（１０）を、上述の式（９）に代入すると、光学軸方位θＡと光学軸方位θＢとは、それぞれ、θＡ≒１５ｄｅｇ、θＢ≒７５ｄｅｇであれば良いことがわかる。
以上の結果から得られる下記条件において、広帯域１／４波長板として機能するか否かをシミュレーションした。
波長板Ａ 位相差 １８０ｄｅｇ
光学軸方位 １５ｄｅｇ
波長板Ｂ 位相差 ９０ｄｅｇ
光学軸方位 ７５ｄｅｇ
但し、本条件は近似を含むためミューラ行列、ジョーンズ行列などを用いを行なった。
ＤＶＤ、ＣＤ互換ピックアップ用の広帯域１／４波長板を前提として、波長λ＝７２０ｎｍとし、上記条件での計算値及び最適化した結果を図３に示す。
図３は、旋光性を持たない光学材料を用いた広帯域波長板のシミュレーション結果を示すグラフ図である。なお、特性曲線１は計算結果に基づく特性を示し、特性曲線２は最適化を施した場合の結果に基づく特性を示す。
光ピックアップで使用する場合、楕円率は一般的に０．９以上必要であるが、この図に特性曲線２として示す最適化した特性であれば、ＤＶＤとＣＤが使用する６５０±２０ｎｍ、７８０±２０ｎｍの両帯域で確実に楕円率０．９以上を確保することができている。
波長板Ａ 位相差 １８０ｄｅｇ
光学軸方位 １５ｄｅｇ
波長板Ｂ 位相差 ９０ｄｅｇ
光学軸方位 ７５ｄｅｇ
但し、本条件は近似を含むためミューラ行列、ジョーンズ行列などを用いを行なった。
ＤＶＤ、ＣＤ互換ピックアップ用の広帯域１／４波長板を前提として、波長λ＝７２０ｎｍとし、上記条件での計算値及び最適化した結果を図３に示す。
図３は、旋光性を持たない光学材料を用いた広帯域波長板のシミュレーション結果を示すグラフ図である。なお、特性曲線１は計算結果に基づく特性を示し、特性曲線２は最適化を施した場合の結果に基づく特性を示す。
光ピックアップで使用する場合、楕円率は一般的に０．９以上必要であるが、この図に特性曲線２として示す最適化した特性であれば、ＤＶＤとＣＤが使用する６５０±２０ｎｍ、７８０±２０ｎｍの両帯域で確実に楕円率０．９以上を確保することができている。
《旋光能を持つ光学材料を用いた帯域波長板において、旋光能を補正しない場合の例》
続いて、旋光能の影響を示すため、旋光能を持つ光学材料を用い、上述した旋光能を持たない光学材料と同じ方法で偏光状態を考察する。
波長λ１〜λ２の帯域における位相差が概ね９０ｄｅｇとなる広帯域波長板であって、λ１〜λ２中のある特定の波長λにおいて下記位相差となる２枚の波長板Ａと波長板Ｂとを重ねて使用する。
波長板Ａ 位相差 ΓＡ’
光学軸方位 θＡ
旋光能 ２ρＡ
回転軸と中性軸のなす角 βＡ
波長板Ｂ 位相差 ΓＢ’
光学軸方位 θＢ
旋光能 ２ρＢ
回転軸と中性軸のなす角 βＢ
前述した関係式（８）、（９）、（１０）に基づき、ポアンカレ球を用いて偏光状態を示したものを図４に示す。
図４は、旋光能を持つ光学材料を用いた帯域波長板において、旋光能を補正しない場合の例を説明するための図である。
この図に示すように、旋光能を持つ場合にあっては、上述した旋光能を持たない光学材料と同じ方法では、点ＰＢが極に到達できていないことがわかる。即ち、旋光能を持つ光学材料は、旋光能を持たない材料と同じ方法では波長λ１〜λ２間で概ね１／４波長板として機能しないのである。
続いて、旋光能の影響を示すため、旋光能を持つ光学材料を用い、上述した旋光能を持たない光学材料と同じ方法で偏光状態を考察する。
波長λ１〜λ２の帯域における位相差が概ね９０ｄｅｇとなる広帯域波長板であって、λ１〜λ２中のある特定の波長λにおいて下記位相差となる２枚の波長板Ａと波長板Ｂとを重ねて使用する。
波長板Ａ 位相差 ΓＡ’
旋光能 ２ρＡ
回転軸と中性軸のなす角 βＡ
旋光能 ２ρＢ
回転軸と中性軸のなす角 βＢ
図４は、旋光能を持つ光学材料を用いた帯域波長板において、旋光能を補正しない場合の例を説明するための図である。
この図に示すように、旋光能を持つ場合にあっては、上述した旋光能を持たない光学材料と同じ方法では、点ＰＢが極に到達できていないことがわかる。即ち、旋光能を持つ光学材料は、旋光能を持たない材料と同じ方法では波長λ１〜λ２間で概ね１／４波長板として機能しないのである。
このことを、更に具体的な例として右水晶を用い、その主面の法線がＺ軸から１３度となるように切断した水晶波長板を用いた場合のシミュレーション例を図５に示す。
図５は、水晶波長板の旋光性を補正せずに用いた広帯域波長板のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
この図に示されるように、楕円率特性を示す特性曲線３は、波長６００ｎｍ〜８５０ｎｍの間にて、何れも楕円率が０．７以下であり、光ピックアップにて実用できるレベルではない。
図５は、水晶波長板の旋光性を補正せずに用いた広帯域波長板のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
この図に示されるように、楕円率特性を示す特性曲線３は、波長６００ｎｍ〜８５０ｎｍの間にて、何れも楕円率が０．７以下であり、光ピックアップにて実用できるレベルではない。
以上のように、旋光能を持つ光学材料の旋光能を考慮せずに広帯域波長板を構成したとすれば、その波長板は、当該帯域において高精度な位相差特性を得ることはできない。
そこで、旋光能を考慮するための考え方について説明する。
《旋光能を持つ光学材料の作用のシミュレーション方法》
旋光能を有する複屈折性材料として水晶を用いた場合に有効なシミュレーション方法を説明する。
水晶波長板の作用を行列Ｗとすると、Ｗは旋光子Ｔ及び位相子Ｒの行列を用いて次の式（１１）のように近似することができる。
なお、上記式（１１）において、行列Ｔ及びＲはジョーンズ行列、ミューラ行列のいずれを用いても良いが、以降ミューラ行列を例に説明する。行列Ｔを式（１２）に、行列Ｒを式（１３）にそれぞれ示す。
上記式（１２）において、「ρ」は旋光能、「ｋ」は自然数（１，２，３・・・ｎ）を示す。即ち、旋光子Ｔをｎ分割した行列Ｔｋをミューラ行列にて表している。
上記式（１３）において、「Γ」は位相差、「θ」は光学軸方位角、「ｋ」は自然数（１，２，３・・・ｎ）を示す。即ち、位相子Ｒをｎ分割した行列Ｒｋをミューラ行列にて表している。
図６は、水晶波長板の位相子および旋光子による近似例を説明するためのイメージ図である。
この図に示すように、水晶波長板の作用は、水晶波長板を厚み方向にｎ個の旋光子と位相子に分割し、これらが交互に作用する素子として近似することができる。
ｎは、大きいほど実際の現象に近くなるが、この実験においてｎ＝１０にて、ほぼ実測値と近い値が得られることを確認した。
そこで、旋光能を考慮するための考え方について説明する。
《旋光能を持つ光学材料の作用のシミュレーション方法》
旋光能を有する複屈折性材料として水晶を用いた場合に有効なシミュレーション方法を説明する。
水晶波長板の作用を行列Ｗとすると、Ｗは旋光子Ｔ及び位相子Ｒの行列を用いて次の式（１１）のように近似することができる。
図６は、水晶波長板の位相子および旋光子による近似例を説明するためのイメージ図である。
この図に示すように、水晶波長板の作用は、水晶波長板を厚み方向にｎ個の旋光子と位相子に分割し、これらが交互に作用する素子として近似することができる。
ｎは、大きいほど実際の現象に近くなるが、この実験においてｎ＝１０にて、ほぼ実測値と近い値が得られることを確認した。
ここで２枚の水晶波長板ＡとＢとを重ねて広帯域波長板として使用する場合を考える。
入射偏光の行列Ｉとすると、出射偏光の行列Ｅは下式（１４）で表すことができる。
行列Ｔ、Ｒの要素に含まれる旋光能ρ及び位相差Γは波長分散を持つため、行列Ｔ、Ｒも波長分散を持つと考えて良い。波長λ１からλ２の範囲内の、任意の波長において、その波長の旋光能ρ、位相差Γを代入し行列Ｔ、Ｒを求め、これを式（１４）を用いて計算することで、波長λ１からλ２の範囲内の、任意の波長の行列Ｅを求めることが出来る。
すなわち、行列Ｅが示す偏光状態が、ピックアップ用デバイスとして使用する際の許容値である楕円率０．９以上となる様に旋光能ρ、位相差Γ、光学軸方位角θを設定する。
行列Ｅが示す偏光状態を求める方法は幾つか考えられるが、その一つとして行列Ｅの行列要素を用いて求めた。行列Ｅの行列要素ＳＥ３が式（４）又は式（５）を満足する様に旋光能ρ、位相差Γ、光学軸方位角θを設定する。
旋光能ρ、位相差Γ、及び光学軸方位角θを適宜、式（４）又は（５）に代入してシミュレーションすることで最適値を探すことも可能であるが、その組合わせが莫大であり計算に時間を要することになる。そのためポアンカレ球を用いて近似的に適当な旋光能ρ、位相差Γ、及び光学軸方位角θを求め、その後、式（４）又は（５）にて演算し最適値を求めた。
入射偏光の行列Ｉとすると、出射偏光の行列Ｅは下式（１４）で表すことができる。
すなわち、行列Ｅが示す偏光状態が、ピックアップ用デバイスとして使用する際の許容値である楕円率０．９以上となる様に旋光能ρ、位相差Γ、光学軸方位角θを設定する。
行列Ｅが示す偏光状態を求める方法は幾つか考えられるが、その一つとして行列Ｅの行列要素を用いて求めた。行列Ｅの行列要素ＳＥ３が式（４）又は式（５）を満足する様に旋光能ρ、位相差Γ、光学軸方位角θを設定する。
以下、本発明に係る旋光能補正広帯域１／４波長板について詳細に説明する。
なお、ここで特徴的な点は、近似による旋光能ρ、位相差Γ、及び光学軸方位角θを用いているところにあり、これを用いれば本発明に係る旋光能補正広帯域１／４波長板を構成する二つの波長板の関係を特定する式を得ることができるので、極めて簡単に旋光能による影響を補正した高精度な広帯域１／４波長板が実現できるようになる。
《旋光能を持つ材料で広帯域１／４として機能させる方法のポアンカレ球を用いた考察》
波長λ１〜λ２の所定の波長λにおいて下記に示す位相差と旋光能を有する波長板ＡとＢとを重ねてなる水晶波長板において、波長λ１〜λ２の帯域における位相差が概ね９０ｄｅｇとなる広帯域波長板を考察する。
波長板Ａ 位相差 ΓＡ’
光学軸方位 θＡ
旋光能 ２ρＡ
回転軸と中性軸のなす角 βＡ
波長板Ｂ 位相差 ΓＢ’
光学軸方位 θＢ
旋光能 ２ρＢ
回転軸と中性軸のなす角 βＢ
このときの偏光状態は、ポアンカレ球を用い図７のように考えることができる。
図７は、波長板ＡとＢとを重ねてなる水晶波長板の偏光状態を示す図である。
なお、ここで特徴的な点は、近似による旋光能ρ、位相差Γ、及び光学軸方位角θを用いているところにあり、これを用いれば本発明に係る旋光能補正広帯域１／４波長板を構成する二つの波長板の関係を特定する式を得ることができるので、極めて簡単に旋光能による影響を補正した高精度な広帯域１／４波長板が実現できるようになる。
《旋光能を持つ材料で広帯域１／４として機能させる方法のポアンカレ球を用いた考察》
波長λ１〜λ２の所定の波長λにおいて下記に示す位相差と旋光能を有する波長板ＡとＢとを重ねてなる水晶波長板において、波長λ１〜λ２の帯域における位相差が概ね９０ｄｅｇとなる広帯域波長板を考察する。
波長板Ａ 位相差 ΓＡ’
旋光能 ２ρＡ
回転軸と中性軸のなす角 βＡ
旋光能 ２ρＢ
回転軸と中性軸のなす角 βＢ
図７は、波長板ＡとＢとを重ねてなる水晶波長板の偏光状態を示す図である。
まず、波長板Ａの位相差ΓＡと光学軸方位角θＡについて考察する。
図８は、波長板Ａについての作用を説明する図である。
この図に示すように、波長板Ａを透過した後の偏光状態を示すポアンカレ球上の点Ｐｏは、軸ＲＡを角度βＡだけ極軸Ｓ３方向に回転させるため、位相差を仮に１８０ｄｅｇとしたとき点ＰＡ１に到達する。位相差変化による影響を少なくするためには、到達点を点ＰＡ１の位置ではなく、赤道上の点ＰＡ２にすることが望ましい。点ＰＡ２は、回転軸ＲＡがポアンカレ球と交わる点と極軸Ｓ３座標が同じになる点である。この点であれば位相差が変化したときの中性軸Ｓ１及び中性軸Ｓ２の座標変化を最小に抑えることができる。
図８は、波長板Ａについての作用を説明する図である。
この図に示すように、波長板Ａを透過した後の偏光状態を示すポアンカレ球上の点Ｐｏは、軸ＲＡを角度βＡだけ極軸Ｓ３方向に回転させるため、位相差を仮に１８０ｄｅｇとしたとき点ＰＡ１に到達する。位相差変化による影響を少なくするためには、到達点を点ＰＡ１の位置ではなく、赤道上の点ＰＡ２にすることが望ましい。点ＰＡ２は、回転軸ＲＡがポアンカレ球と交わる点と極軸Ｓ３座標が同じになる点である。この点であれば位相差が変化したときの中性軸Ｓ１及び中性軸Ｓ２の座標変化を最小に抑えることができる。
ＰＡ２に到達させるためには、次式（１５）に示すごとく位相差を１８０ｄｅｇより角度α分だけ補正すれば良い。ＲＡ軸を中心とした回転方向が右回転の場合は＋α、左回転の場合は−α補正する。
ΓＡ’＝１８０±α ・・・・（１５）
ここで、図８からαは近似的に次の式（１６）で表される。
式（１５）に式（１６）を代入し次式（１７）を得る。
また、光学軸方位θＡは、回転軸ＲＡが角度βＡ傾くことで回転半径が大きくなる。このため実際に寄与する光学軸方位θＡ’は下式（１８）で表される。
ここで、βＡは、数度のレベル（僅かな角度）であるため、１−ｃｏｓβＡ≒０と近似し、θＡ’＝θＡとして考慮した。
ΓＡ’＝１８０±α ・・・・（１５）
ここで、図８からαは近似的に次の式（１６）で表される。
続いて、もう一方の波長板Ｂの位相差ΓＢ’と光学軸方位角θＢについて考察する。
図９は、波長板Ｂについての作用を説明する図である。
この図に示すように、波長板Ｂの光学軸方位θＢ（図示しない）は、極軸Ｓ３方向へ角度βＢだけ傾いている。そのため、次式（１９）と表わされる。
図９は、波長板Ｂについての作用を説明する図である。
この図に示すように、波長板Ｂの光学軸方位θＢ（図示しない）は、極軸Ｓ３方向へ角度βＢだけ傾いている。そのため、次式（１９）と表わされる。
また、点ＰＡ２（図示しない）から極（例えば、極軸Ｓ３方向）に到達させるためには、同図に示す如く、位相差をΓＢ’とすれば良い。
位相差ΓＢは、角度εを用いて次の式（２０）のように表される。
ΓＢ’＝９０−ε ・・・・（２０）
ここで角度εは、近似的に下式（２１）で表される。
この式（２１）を式（２０）に代入すると、次の式（２２）のように表すことができる。
位相差ΓＢは、角度εを用いて次の式（２０）のように表される。
ΓＢ’＝９０−ε ・・・・（２０）
ここで角度εは、近似的に下式（２１）で表される。
以上の説明を以下にまとめる。
つまり、位相差がΓＡ、光学軸方位角がθＡ、旋光能が２ρＡ、回転軸と中性軸のなす角βＡである波長板Ａと、位相差がΓＢ、光学軸方位角がθＢ、旋光能が２ρＢ、回転軸と中性軸のなす角βＢである波長板Ｂとを用い、これらを重ねてなる水晶波長板において、波長λ１〜λ２の帯域における位相差が概ね９０ｄｅｇとなる広帯域１／４波長板を得るためには、概ね位相差ΓＡ’と、光学軸方位角θＡと、位相差ΓＢ’と、光学軸方位角θＢとの関係を下記の式（１）、（２）、（３）の全てを満たすように設定すれば良い。
つまり、位相差がΓＡ、光学軸方位角がθＡ、旋光能が２ρＡ、回転軸と中性軸のなす角βＡである波長板Ａと、位相差がΓＢ、光学軸方位角がθＢ、旋光能が２ρＢ、回転軸と中性軸のなす角βＢである波長板Ｂとを用い、これらを重ねてなる水晶波長板において、波長λ１〜λ２の帯域における位相差が概ね９０ｄｅｇとなる広帯域１／４波長板を得るためには、概ね位相差ΓＡ’と、光学軸方位角θＡと、位相差ΓＢ’と、光学軸方位角θＢとの関係を下記の式（１）、（２）、（３）の全てを満たすように設定すれば良い。
式（１）は、波長板Ａと波長板Ｂとが、それぞれ有する光学軸方位角度θAとθBとの関係を定める関係式である。
そして、式（２）および式（３）は、それぞれ波長板Ａの位相差ΓAと波長板Ｂの位相差ΓBとを定める関係式である。
これら関係式（１）、（２）、（３）を用いれば、シミュレーションに要する時間を大幅に短縮することができる。しかし、前述した様に関係式（１）、（２）、（３）は近似的に求めたものであるため、より精度の高い計算を行なう必要がある。このため、関係式（１）、（２）、（３）より求められた値を元に上述した式（４）、（５）を用いて各条件の最適化を行なう。
そして、式（２）および式（３）は、それぞれ波長板Ａの位相差ΓAと波長板Ｂの位相差ΓBとを定める関係式である。
これら関係式（１）、（２）、（３）を用いれば、シミュレーションに要する時間を大幅に短縮することができる。しかし、前述した様に関係式（１）、（２）、（３）は近似的に求めたものであるため、より精度の高い計算を行なう必要がある。このため、関係式（１）、（２）、（３）より求められた値を元に上述した式（４）、（５）を用いて各条件の最適化を行なう。
ここで、具体例を示す。
例えば、右水晶を用い、その主面の放線がＺ軸から１３°となるように切断した二つの水晶波長板ＡとＢとを用いて、ＤＶＤおよびＣＤ互換の光ピックアップ用として、波長λ＝７２０ｎｍにおいて、上述の条件での計算値及び最適化した結果を図１０に示す。
図１０は、本発明に係る旋光能補正広帯域１／４波長板の特性例を示すグラフ図である。
この図に示す特性曲線４は、最適化後による旋光能補正広帯域１／４波長板の特性例を示し、特性曲線５は最適化前の計算結果に基づく特性例を示し、特性曲線６は旋光能を考慮しない場合の特性例を示す線である。
特性曲線５と特性曲線６とを比較すれば、計算結果に基づく特性曲線５のほうが、旋光能未考慮の特性曲線６よりも特性が改善されていることが確認できる。
更に、特性曲線４と特性曲線５とを比較すれば、シミュレーションにより最適化した特性曲線４のほうが、計算結果に基づく特性曲線５よりも特性が改善されおり、特性曲線４は、６５０±２０ｎｍ、および７８０±２０ｎｍの両帯域において楕円率０．９以上を確保することができている。そのため、ＤＶＤおよびＣＤ互換の光ピックアップ装置用として極めて優れた１／４波長板が実現できる。
例えば、右水晶を用い、その主面の放線がＺ軸から１３°となるように切断した二つの水晶波長板ＡとＢとを用いて、ＤＶＤおよびＣＤ互換の光ピックアップ用として、波長λ＝７２０ｎｍにおいて、上述の条件での計算値及び最適化した結果を図１０に示す。
図１０は、本発明に係る旋光能補正広帯域１／４波長板の特性例を示すグラフ図である。
この図に示す特性曲線４は、最適化後による旋光能補正広帯域１／４波長板の特性例を示し、特性曲線５は最適化前の計算結果に基づく特性例を示し、特性曲線６は旋光能を考慮しない場合の特性例を示す線である。
特性曲線５と特性曲線６とを比較すれば、計算結果に基づく特性曲線５のほうが、旋光能未考慮の特性曲線６よりも特性が改善されていることが確認できる。
更に、特性曲線４と特性曲線５とを比較すれば、シミュレーションにより最適化した特性曲線４のほうが、計算結果に基づく特性曲線５よりも特性が改善されおり、特性曲線４は、６５０±２０ｎｍ、および７８０±２０ｎｍの両帯域において楕円率０．９以上を確保することができている。そのため、ＤＶＤおよびＣＤ互換の光ピックアップ装置用として極めて優れた１／４波長板が実現できる。
以上のように、本発明に係わる旋光能補正広帯域１／４波長板は、近似式（関係式１乃至３）を用いて計算することで、水晶等の旋光能を有する複屈折光学材料を用いたとしても、その旋光能の影響を低減し、所定の波長帯域においてほぼ１／４波長板として機能させることができるようになる。また、更に、近似式の計算結果からシミュレーションすることで最適値を探し求めるようにすれば、シミュレーションに要する計算時間は僅かで済むようになり、且つ、シミュレーションにより最適化されたとき旋光能補正広帯域１／４波長板は、極めて特性のよい１／４波長板として機能させることができる。
そして、本発明に係わる旋光能補正広帯域１／４波長板を用いて光ピックアップ装置を構成することで、光線が高出力レーザー光であっても歪みによる位相差のずれは少なくて済み、且つ、光線が紫外線領域光にも耐えうるので、光ディスク装置に適した光ピックアップ装置を実現できる。
そして、本発明に係わる旋光能補正広帯域１／４波長板を用いて光ピックアップ装置を構成することで、光線が高出力レーザー光であっても歪みによる位相差のずれは少なくて済み、且つ、光線が紫外線領域光にも耐えうるので、光ディスク装置に適した光ピックアップ装置を実現できる。
１・・・特性曲線
２・・・特性曲線
３・・・特性曲線
４・・・本発明に係る波長板の特性曲線（最適化後）
５・・・本発明に係る波長板の特性曲線（最適化前）
６・・・特性曲線
Ｓ１・・・第１の中性軸
Ｓ２・・・第２の中性軸
Ｓ３・・・極軸
ＣＳ、ＣＦ・・・第１の中性軸とポアンカレ球とが交わる点
Γ・・・位相差ベクトル
Γ’・・・合成ベクトル（角度）
２ρ・・・位相差ベクトル
Ｐａ、Ｐ・・・合成ベクトルΓ’がポアンカレ球と交わる点
β、βＡ、βＢ・・・角度
ＰＯ、ＰＡ、ＰＡ’、ＰＢ・・・ポアンカレ球上の点
ΔΓＢ、ΔΓＡ・・・角度
２θＡ、２θＢ・・・光学軸方位に関わる角度
Ｔ、Ｒ・・・行列
ＴＮ・・・旋光子
ＲＮ・・・位相子
ＲＡ、ＲＢ・・・回転軸
ＰＡ１、ＰＡ２・・・ポアンカレ球上の点
α・・・角度
ＸＡ、ＹＡ、ＹＡ１、ＹＡ２、ＹＢ１、ＹＢ２、ＹＢ３・・・直線
ε・・・角度
２・・・特性曲線
３・・・特性曲線
４・・・本発明に係る波長板の特性曲線（最適化後）
５・・・本発明に係る波長板の特性曲線（最適化前）
６・・・特性曲線
Ｓ１・・・第１の中性軸
Ｓ２・・・第２の中性軸
Ｓ３・・・極軸
ＣＳ、ＣＦ・・・第１の中性軸とポアンカレ球とが交わる点
Γ・・・位相差ベクトル
Γ’・・・合成ベクトル（角度）
２ρ・・・位相差ベクトル
Ｐａ、Ｐ・・・合成ベクトルΓ’がポアンカレ球と交わる点
β、βＡ、βＢ・・・角度
ＰＯ、ＰＡ、ＰＡ’、ＰＢ・・・ポアンカレ球上の点
ΔΓＢ、ΔΓＡ・・・角度
２θＡ、２θＢ・・・光学軸方位に関わる角度
Ｔ、Ｒ・・・行列
ＴＮ・・・旋光子
ＲＮ・・・位相子
ＲＡ、ＲＢ・・・回転軸
ＰＡ１、ＰＡ２・・・ポアンカレ球上の点
α・・・角度
ＸＡ、ＹＡ、ＹＡ１、ＹＡ２、ＹＢ１、ＹＢ２、ＹＢ３・・・直線
ε・・・角度
Claims (5)
- 旋光能を有する同一の複屈折光学材料から形成した二つの波長板Ａ及びＢを、両者の光学軸が互いに交差するよう重ね合わせた旋光能補正広帯域１／４波長板であって、
前記波長板Ａの位相差をΓ’ A 、光学軸方位角度をθ A 、旋光能を２ρ A とし、
前記波長板Ｂの位相差をΓ’ B 、光学軸方位角度をθ B 、旋光能を２ρ B とし、
波長板Ａの旋光子の行列ＴAK、位相子の行列ＲAKは下式（１２ａ）と（１３ａ）を満足し（但し、ｋ＝１，２，３，・・・，ｎ）、
・・・・（１２ａ）
・・・・（１３ａ）
波長板Ｂの旋光子の行列ＴBK、位相子の行列ＲBKは下式（１２ｂ）と（１３ｂ）を満足し（但し、ｋ＝１，２，３，・・・，ｎ）、
・・・・（１２ｂ）
・・・・（１３ｂ）
入射偏光の行列をＩとしたとき、
前記波長板Ａと波長板Ｂとの関係が下式（１）乃至（３）を満足するとともに、下式（４）又は（５）を満足することを特徴とする旋光能補正広帯域１／４波長板。
・・・・（１）
但し、Γ A ＝１８０（ｄｅｇ）、Γ B ＝９０（ｄｅｇ）
- 請求項１に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板において、
ｎ＝１０
であることを特徴とする旋光能補正広帯域１／４波長板。 - 請求項１又は２に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板において、
前記光学材料が水晶であることを特徴とする旋光能補正広帯域１／４波長板。 - 光源から出射した第１の波長の第１直線偏光と第２の波長の第２直線偏光とが、波長板を通過するよう構成された光ピックアップ装置において、
前記波長板が請求項１乃至３の何れか一項に記載の旋光能補正広帯域１／４波長板であることを特徴とする光ピックアップ装置。 - 請求項４記載の光ピックアップ装置において、
前記第１の波長を６５０±２０ｎｍ、
前記第２の波長を７８０±２０ｎｍ
としたことを特徴とする光ピックアップ装置。
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