JP4380725B2 - 積層波長板及びこれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層波長板と光ピックアップ装置に関し、特に高次モードを用いて所要波長帯を広くした積層１／４波長板と、該積層１／４波長板を用いた２波長対応の光ピックアップ装置に関する。

光記憶媒体としてのＣＤやＤＶＤはコストの面、コンパクト性、安定性等から広く用いられている。これらの媒体に記録された情報を再生する際、あるいはこれらの媒体に情報を記録する際に、光ピックアップ装置が用いられる。光ピックアップ装置には直線偏光のレーザ光を円偏光のレーザ光に変換して光ディスクに照射するため、１／４波長板が使用されている。
１／４波長板は複屈折性を利用することにより９０°位相変調を行う光学素子であり、入射した直線偏光を円偏光に変換し、あるいは円偏光を直線偏光に変換して出射するように作用する。例えば、水晶の複屈折性を用いて１／４波長板を作る場合、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１／４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。

可視光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８（ａ）に示すように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８（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４０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と開示されている。そして、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、高次モードを用いた１／４波長板が特許文献２に開示されている。図９（ａ）は１／４波長板５０を入射方向からみた平面図、同図（ｂ）はその概略斜視図である。１／４波長板５０は、波長７８５ｎｍ（ＣＤに用いるレーザ光の波長）に対して位相差が１６９５°（４次モード２５５°）で、光学軸方位角（波長板に入射する直線偏光の偏光方向と光学軸とのなす角度）θ１が２５．５°（ここでは反時計回りが正）の水晶板５１と、波長７８５ｎｍに対して位相差が８５０°（２次モード１３０°）で光学軸方位角が７９．８°の水晶板５２と、を各々の光学軸５３、５４の交差角θ３が５４．３°で交差するように積層し、全体として波長６５５ｎｍ帯（ＤＶＤに用いるレーザ光の波長）及び７８５ｎｍ帯において１／４波長板として機能することが開示されている。

１／４波長板５０のおおよそ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５１、５２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を用いて、次式のように表される。
Ｓ＝Ａ２・Ａ１・Ｔ・・・（１）
ストークスベクトルＳの成分から１／４波長板５０の位相差を求めることができる。

波長７８５ｎｍに対して、各水晶板の位相差及び光学軸方位角が、（δ１、θ１、δ２、θ２）＝（１６９５°，２５．５°，８５０°，７９．８°）、各々の光学軸が５４．３°の角度で交差するように設定したとき、積層された１／４波長板５０の位相差Γは、波長６５５ｎｍで位相差２７０°、７８５ｎｍで位相差９０°になるとことが開示されている。
また、第２の実施例として、波長６５５ｎｍに対して位相差が１９８０°（５次モード１８０°）で光学軸方位角１４°の水晶板と、位相差が９９０°（２次モード２７０°）で光学軸方位角が７２°の水晶板と、を各々の光学軸が５８°の角度で交差するように積層した１／４波長板の位相差Γは、波長６５５ｎｍで位相差が２７０°、７８５ｎｍで位相差が９０°になるとことが開示されている。

特開平１０−６８８１６号公報 ＷＯ２００３／０９１７６８号公報

ここで、理解を容易にするために位相差の概念について説明すると、位相差の測定方法としては幾つかの方法があり、位相差を比較的容易に測定する方法としては回転検光子法が知られている。回転検光子法は、位相差測定対象物から出射された光を検光子にて各方位の光量を取り出し、当該光量を測定することにより位相差を算出する手法である。本願においては、回転検光子法の測定値との整合性を取るために回転検光子法と同じ計算手法を用いて位相差の計算を行った。
回転検光子法はその原理上、ストークスパラメータの要素Ｓ３の正負符号を判別できないので、０°〜１８０°の範囲内の位相差と１８０°〜３６０°の範囲内の位相差とを区別することができない。シミュレーションにおける位相差の表記は、１８０°〜３６０°の範囲内の位相差を０°〜１８０°の範囲内の位相差に折り曲げて表示する。この結果、シミュレーションにおける位相差は、９０°と２７０°の両方を９０°として表示する。
例えば、前述の特許文献２における第２の実施例において、ストークスベクトルＳを求め、その成分を用いてシミュレーションして得られた波長−位相差特性は図１０に示すようになり、波長６５５ｎｍ帯の位相差２７０°が位相差９０°として表示されていることが分る。

ところで、半導体レーザダイオード（以下、ＬＤと称する）が出射するレーザ光の波長はＬＤ本体の温度が上昇すると、所謂温度ドリフトにより、波長が長波長側にシフトするという欠点がある。波長が夫々６５５ｎｍ、７８５ｎｍの２つのＬＤと、図１０に示した位相差特性を有する高次モードの積層１／４波長板と、を用いて光ピックアップ装置を構成する場合、当該光ピックアップ装置内の温度が常温（２５℃）から変化して高温になると、波長６５５ｎｍのＬＤにおいてＬＤ本体の温度ドリフトによりＬＤから出射するレーザ光の波長が長波長側へ変化するが、図１０に示す１／４波長板の位相差特性は６７５ｎｍ程度までほぼ位相差９０°を保持しているのでレーザ光の偏光状態の変換に何ら問題は生じない。

しかしながら、図１０に示すように１／４波長板の位相差特性は、７９０ｎｍより位相差が変化しはじめ、８００ｎｍでは位相差が８５°まで変化するという波長依存性を有している。つまり、このような波長依存性を有する１／４波長板を光ピックアップ装置に用いた場合、波長７８５ｎｍのＬＤ本体の温度ドリフトによりＬＤから出射するレーザ光の波長が長波長側へ変化して８００ｎｍになったとすると、前記ＬＤから出射した波長８００ｎｍの直線偏光のレーザ光が前記１／４波長板に入射すると、当該１／４波長板は位相差８５°として機能するため直線偏光を楕円偏光に変換して前記１／４波長板から当該楕円偏光のレーザ光を出射することになり、光ピックアップ装置の性能が低下してしまうという問題があった。
本発明は、ＬＤの温度ドリフトによりＬＤから出射するレーザ光の波長が、所定の値から変化しても、当該レーザ光に対して確実に１／４波長板として機能する積層波長板、及びこれを用いた光ピックアップ装置を提供することにある。

本発明の積層波長板は、複屈折性を有する材料で形成された第１の波長板と第２の波長板とを各々の光学軸が交差するよう積層してなり、入射する直線偏光を変換して円偏光として出射し、又は入射する円偏光を変換して直線偏光として出射する積層波長板であって、前記第１の波長板の入射面及び出射面に立てた法線と前記第１の波長板の光学軸とのなす角度を９０°とすると共に、前記第２の波長板の入射面及び出射面に立てた法線と前記第２の波長板の光学軸とのなす角度を９０°とし、波長λに対する前記第１の波長板の位相差をΓ１、前記第２の波長板の位相差をΓ２とし、前記第１の波長板の光学軸方位角をθ１とし、前記第２の波長板の光学軸方位角をθ２とし、波長λ１１のときの前記第１の波長板の位相差をΓ１１ａとし、波長λ１２のときの前記第１の波長板の位相差をΓ１２ａとし、波長λ１１のときの前記第２の波長板の位相差をΓ１１ｂとし、波長λ１２のときの前記第２の波長板の位相差をΓ１２ｂとしたとき、下式（１）〜（６）を満足するよう構成したことを特徴とする。
Γ１＝３６０×（ｎ１＋１）・・・（１）
Γ２＝９０×（２×ｎ２＋１）・・・（２）
ΔΓ１＝（Γ１２ａ−Γ１１ａ）／（λ１２−λ１１）・・・（３）
ΔΓ２＝（Γ１２ｂ−Γ１１ｂ）／（λ１２−λ１１）・・・（４）
ｃｏｓ２θ１＝１−（１−ｃｏｓΔΓ２）／｛２（１−ｃｏｓΔΓ１）｝・・・（５）
θ２＝４５°±５°・・・（６）
但し、λ１１≦λ≦λ１２、ｎ１及びｎ２はそれぞれ１から始まる自然数である。
このように構成することにより、１／４波長板として機能する複数の波長帯において帯域幅を広くすることができる。

また本発明の積層波長板は、ｎ１＝８、ｎ２＝４、ΔΓ１＝４．３４、ΔΓ２＝１．０９とした。このように構成した積層１／４波長板は、ＤＶＤの波長帯では１４％、ＣＤの波長帯では３０％程度、帯域幅を広げることができた。

また本発明の積層波長板は、ｎ１＝１０、ｎ２＝５、ΔΓ１＝５．４３、ΔΓ２＝１．３６とした。このように構成した積層１／４波長板は、ＤＶＤの波長帯、ＣＤの波長帯ともに、積層１／４波長板に入射する直線偏光の光を円偏光の光に変換して出射することができた。

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いることを特徴とする。このように構成した２波長対応光ピックアップ装置は、積層１／４波長板は所望の波長６５５ｎｍ帯、７８５ｎｍ帯において位相差が９０°となる帯域が大幅に広がり、温度ドリフトによりＬＤから出射したレーザ光の有する波長が長波長側へ変動しても、当該レーザ光に対して十分に１／４波長板として機能することができる。更に、光ピックアップ装置に搭載される１／４波長板として楕円率０．９以上を要求するような厳しい仕様においても、本発明に係る２波長対応光ピックアップ装置は要求仕様を十分満足することができる。

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。

まず、本願発明者が本発明に至った経緯について以下に説明する。
本願発明者は、光ピックアップ装置等の光学装置に使用する１／４波長板が、ＣＤ（７８５ｎｍ）、ＤＶＤ（６５５ｎｍ）或いはＢｌｕ−ｒａｙやＨＤＤＶＤ等のブルーレーザ（４０５ｎｍ）等の複数の波長帯において、直線偏光を円偏光に変換するための構造について鋭意検討し、ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３１９９２６号において、位相差Γ１＝３６０°の第１波長板と位相差Γ２＝９０°の第２波長板とを各々の光学軸が所定の角度で交差するように積層することにより、所望の波長範囲で広帯域１／４波長板として機能する構造を提案した。これは、積層波長板が広帯域で所望の位相差、例えば位相差９０°となる１／４波長板となるように、前記第１波長板の位相差を３６０°、前記第２波長板の位相差を当該所望の位相差として設計したことに特徴がある。

図６に示すポアンカレ球を用いて、前記広帯域１／４波長板に入射した直線偏光の偏光状態の光学的変化を解説する。点Ｐ０から入射した直線偏光は、前記第１波長板の光軸Ｒ１を中心にして３６０°回転して点Ｐ１（点Ｐ０）の位置に到達し、更に前記第２波長板の光軸Ｒ２を中心にして９０°回転して点Ｐ２に到達する。点Ｐ２はポアンカレ球の北極に位置するから、前記広帯域１／４波長板に入射した直線偏光は右回りの円偏光となって当該広帯域１／４波長板から出射することとなる。
ここで、前記広帯域１／４波長板へ入射する入射光の波長が変化することにより、前記第１波長板の位相差Γ１がΔΓ１の位相変化を生じ、前記第２波長板の相差Γ２がΔΓ２の位相変化を生じたとすると、ΔΓ１とΔΓ２とが相殺するように光軸Ｒ１の角度を設定することにより広帯域で位相差を補償する１／４波長板を実現することができる。

次に、発散光のレーザ光を出射するＬＤを備えた光ピックアップ装置に前記広帯域１／４波長板を搭載する場合、光ピックアップ装置のレイアウトによっては、ＬＤから出射したレーザ光は前記広帯域１／４波長板の入射面に対して斜めに入射することがある。この場合、前記広帯域１／４波長板の有する入射角度依存性が小さければ、前記広帯域１／４波長板の入射面に対して垂直に入射する光の位相差Γａと、前記広帯域１／４波長板の入射面に対して斜めに入射する光の位相差Γｂとの位相差変化ΔΓ＝（Γａ−Γｂ）が小さくなるので、直線偏光のレーザ光が前記広帯域１／４波長板に斜めに入射した場合においても当該広帯域１／４波長板はほぼ位相差９０°の１／４波長板として機能し、前記広帯域１／４波長板に斜めに入射した直線偏光のレーザ光は円偏光のレーザ光に変換されて当該広帯域１／４波長板から出射されることとなる。

ここで、前記広帯域１／４波長板を構成する第１波長板と第２波長板の材料として水晶等の単結晶を用いて、且つ、前記入射角度依存性を小さくするためには、水晶の切断角度を、水晶の光学軸が波長板の入射面及び出射面と平行となるような切断角度、即ち、前記光学軸が波長板の入射面及び出射面の法線に対して垂直となる角度（以下、９０°Ｚと称す）とすればよい。

しかしながら、波長６５５ｎｍに対して位相差が９０°となる水晶波長板を切断角度９０°Ｚで実現しようとすると、当該水晶波長板の厚みは約１８μｍの超薄板となってしまうという問題が生じる。ここで、水晶波長板の製造において歩留や生産効率を考慮すると、一般的な水晶波長板の厚みとして、５０μｍ〜１ｍｍ程度は必要であり、この厚みの範囲で水晶波長板を加工すれば安価に提供できる。従って、水晶波長板の厚みを約１８μｍに研磨加工しようとすると、加工コストが高価となってしまうので、安価な積層型１／４波長板を提供することが困難となってしまう。

そこで、本願発明者は、前述の如き問題を鑑みて、波長板の入射角度依存性を小さく、且つ、波長板の厚みを加工し易い厚みに設定した第１波長板と第２波長板とを積層してなる１／４波長板について鋭意検討した。

切断角度９０°Ｚの水晶波長板の厚みを厚くするためには、水晶波長板の有する位相差を大きく、所謂、高次モードの波長板とすれば水晶波長板の厚みを厚くすることができる。つまり、前述の位相差Γ１＝３６０°の第１波長板と位相差Γ２＝９０°の第２波長板とを積層してなる１／４波長板において、前記第１波長板、前記第２波長板の厚みを厚くした場合について検討した。

ここで、波長板の厚みを単に厚くしただけでは、前記第１波長板の位相差変化ΔΓａと前記第２波長板の位相差変化ΔΓｂとを相殺する関係を実現することはできないので、波長板の位相差を大きくし、且つ、前記第１波長板の位相差変化ΔΓａと前記第２波長板の位相差変化ΔΓｂとを相殺することを実現できる構造について検証した。

図１（ｃ）と（ｄ）に示すように、点Ｐ０から入射した直線偏光を前記第１波長板により点Ｐ０から点Ｐ１へ変換するためには、前記第１波長板の位相差Γ１を３６０ｄｅｇの倍数とすれば良い。また、点Ｐ１に到達した直線偏光を前記第２波長板により円偏光に変換するためには、点Ｐ１から変換された点Ｐ２がポアンカレ球の北極（図１（ｃ））或いは南極（図１（ｄ））に到達すれば良いので、前記第２波長板の位相差Γ２は、９０°（＝９０°×１）、２７０°（＝９０°×３）、４５０°（＝９０°×５）、６３０°（＝９０°×７）・・・の値であれば良い。尚、前記第２波長板の位相差を９０゜としてしまうと、前述の如くそのときの前記第２波長板の厚みは約１８μｍの超薄板となり加工が困難となってしまうので構成から省くこととした。また、位相差Γ２＝９０°の第２波長板と組み合される第１波長板の位相差Γ１は３６０°となるので、位相差Γ１＝３６０°の第１波長板も構成から省くこととした。

従って、設計波長λにおいて、第１波長板の位相差Γ１と第２波長板の位相差Γ２は以下のように表すことができる。
Γ１＝３６０×（ｎ１＋１）・・・（２）
Γ２＝９０×（２×ｎ２＋１）・・・（３）
但し、次数ｎ１、ｎ２はそれぞれ１から始まる自然数である。

図２（ａ）は、本発明に係る積層波長板１を構成する第２の波長板３の機能について説明するための図であって、図１（ｃ）に示したポアンカレ球において積層波長板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２（ｂ）は、本発明に係る積層波長板の第１の波長板２の機能について説明するための図であって、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２（ａ）、（ｂ）に示すように、直線偏光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°の倍数分だけ回転してＰ１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９０°（＋３６０°の倍数）だけ回転してＰ２（北極）に到達することによって、円偏光の光線となって積層波長板１を出射する。

ここで、第２の波長板３の位相差Γ２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、積層波長板１の波長依存性を抑圧し複数の波長で１／４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θ１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）λから波長λ１１〜λ１２の間（λ１１≦λ≦λ１２）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Γ１及びΓ２より変化する。
このとき、第１の波長板２の位相差において、
Γ１１ａ：波長λ１１のときの位相差
Γ１２ａ：波長λ１２のときの位相差
また、第２の波長板３の位相差において、
Γ１１ｂ：波長λ１１のときの位相差
Γ１２ｂ：波長λ１２のときの位相差
と定義すると、第１の波長板２の波長による位相変化ΔΓ１及び第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。
ΔΓ１＝（Γ１２ａ−Γ１１ａ）／（λ１２−λ１１）・・・（４）
ΔΓ２＝（Γ１２ｂ−Γ１１ｂ）／（λ１２−λ１１）・・・（５）

ここで、Γ１１ａ、Γ１２ａ、Γ１１ｂ、Γ１２ｂは、第１の波長板２の板厚：ｔ１、第２の波長板３の板厚：ｔ２、切断角度９０°Ｚの水晶の異常光屈折率：ｎｅおよび常光屈折率：ｎｏとしたとき、以下のように表すことができる。
Γ１１ａ＝２π／λ１１×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ１ ・・・（６）
Γ１２ａ＝２π／λ１２×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ１ ・・・（７）
Γ１１ｂ＝２π／λ１１×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ２ ・・・（８）
Γ１２ｂ＝２π／λ１２×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ２ ・・・（９）

図２（ａ）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（１０）の関係を満足する。
ｘ２²＝２ｋ²−２ｋ²ｃｏｓΔΓ２ ・・・・（１０）
但し、ｋは、ポアンカレ球の半径を示す。
次に同様に、図２（ｂ）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（１１）の関係を満足する。
ｘ１²＝２ｒ²−２ｒ²ｃｏｓΔΓ１ ・・・・（１１）
但し、ｒは、Ｒ１を回転軸としてΓ１回転させる時の半径である。

また、ｒは、第１の波長板２の面内方位角θ１を用いて下式（１２）により表すことができる。
ｒ²＝２ｋ²−２ｋ²ｃｏｓ２θ１ ・・・・（１２）
更に、式（１２）を式（１１）に代入すると、式（１３）が得られる。
ｘ１²＝４ｋ²（１−ｃｏｓ２θ１）（１−ｃｏｓΔΓ１）・・・・（１３）

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（１０）と式（１３）より
ｘ１²＝ｘ２²
２ｋ²−２ｋ²ｃｏｓΔΓ２＝４ｋ²（１−ｃｏｓ２θ１）（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（１４）が得られる。
ｃｏｓ２θ１＝１−（１−ｃｏｓΔΓ２）／｛２×（１−ｃｏｓΔΓ１）｝・・・（１４）
従って、式（１４）に式（４）、（５）を代入すれば、第１の波長板２の光学軸方位角（面内方位角）θ１を算出することができる。このとき、第２の波長板３の光学軸方位角θ２ついては、ポアンカレ球上の点Ｐ１から点Ｐ２へ変換することを考慮すればθ２を４５°付近に設定することが最適である。

以上の設計思想に基づいて、積層１／４波長板１を構成する第１の波長板２の位相差Γ１及び光学軸方位角θ１、第２の波長板３の位相差Γ２及び光学軸方位角θ２を算出すれば良い。

次に、Γ１、Γ２、θ１、θ２の具体的な算出方法について説明する。材料を切断角度９０°Ｚの水晶とし、設計波長を６５５ｎｍとして、波長範囲６００ｎｍ〜８５０ｎｍにおいて、第１の波長板２の位相差変化量ΔΓ１、第２の波長板３の位相差変化量ΔΓ２、並びに第１の波長板２の板厚ｔ１、第２の波長板３の板厚ｔ２を算出した。
第１の波長板２において、Γ１、ΔΓ１及びｔ１は次の表１に示すような値を取り得る。

第２の波長板３において、Γ２、ΔΓ２及びｔ２は次の表２に示すような値を取り得る。

表１及び表２から例えば、Γ１＝１０８０ｄｅｇ、Γ２＝２７０ｄｅｇと設定したとき、式（１４）にΔΓ１＝１．５４、ΔΓ２＝０．２９を代入してθ１を算出すると、θ１は約５．５°となる。また、θ２は４５°であるから、近似的に求められる設計条件は下記の通りとなる。
Γ１＝１０８０ｄｅｇ
Γ２＝２７０ｄｅｇ
θ１＝５．５°
θ２＝４５°
これらの設計条件は近似を含んでいるので、更に詳細な計算を行って設計条件を最適化することが好ましい。詳細な計算はジョーンズ行列やミューラ行列を用いて計算することができる。ここではミューラ行列を用いた計算を行った。

はじめに、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、ミューラ行列を用いて表すことができる。

Ｅ＝Ｒ₂・Ｒ₁・Ｉ （１５）

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１／４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。

（１６）

（１７）

第１及び第２の波長板２、３の高次モード次数ｎ１、ｎ２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（１６）、（１７）よりミューラ行列Ｒ_１、Ｒ_２を求める。そして、入射光の偏光状態Ｉを設定すると、式（１５）より出射光の偏光状態Ｅを算出することができる。
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（１９）を用いて位相差を算出することができる。
図７は、まず近似的に求めた設計条件を用いてシミュレーションした結果（一点鎖線）と、これを最適化した結果（実線）をグラフに示す。尚、第１の波長板２と第２の波長板３の各設計条件を表３に示す。

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を調整することにより、６５５ｎｍ付近の帯域において位相差の傾きを小さく、且つ、楕円率が０．９以上となるようにしたものである。この設計条件では、積層１／４波長板１は単一の波長６５５ｎｍ帯のみでしか１／４波長板として機能していないので、複数の波長帯で１／４波長板として機能するようにΓ１とΓ２の組合せを選択して、ジョーンズ行列やミューラ行列を用いて最適な設計条件を以下に導出する。

本願発明者は前述の設計思想に基づいて、所望の複数の波長帯において位相差が９０°となり、且つ、その帯域幅が広くなるように、積層１／４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の夫々の次数ｎ１、ｎ２と、設計波長での夫々の位相差Γ１、Γ２と、夫々の光学軸方位角θ１、θ２と、を種々変化させ、シミュレーションを行った。ＤＶＤの６５５ｎｍ帯の帯域幅を確保しつつ、ＣＤの７８５ｎｍ帯において７８０ｎｍから８００ｎｍの波長帯において、図１０に示した従来の１／４波長板の波長−位相差特性よりも帯域が広くなるようにパラメータを算出した。

図１に示す積層１／４波長板１を構成する第１及び第２の波長板２、３に切断角度を夫々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°）の水晶を用いて、次数ｎ１＝８、ｎ２＝４、設計波長λを６４２ｎｍとしたとき、第１の波長板２の位相差Γ１と第２の波長板３の位相差Γ２は、式（２）、（３）からそれぞれ
Γ１＝３６０°×（８＋１）＝３２４０°
Γ２＝９０°×（２×４＋１）＝８１０°
となり、このときのΔΓ１とΔΓ２はそれぞれ
ΔΓ１＝４．３４
ΔΓ２＝１．０９
となるので、式（１４）にΔΓ１、ΔΓ２を代入して第１の波長板２の光学軸方位角θ１を算出すると、
θ１＝−７．２°
と求まる。第２の波長板３の光学軸方位角θ２は、
θ２＝４５°
であるから、これらの近似条件を設計条件としてシミュレーションを行った。更に、シミュレーションより得られた解（位相差特性、等）を基にして帯域幅が広帯域化するように最適化を実施した。図３（ａ）は、積層１／４波長板１の位相差の波長依存性を示す特性図であり、一点鎖線は最適化前（近似条件）の特性を示し、実線は最適化後の特性を示している。

尚、最適化後の第１の波長板２と第２の波長板３の各設計条件は、
Γ１＝３２４０°
Γ２＝８１０°
θ１＝−８．５°
θ２＝４４°
となった。尚、このときの第１の波長板２の厚みｔ１と第２の波長板３の厚みｔ２は、
ｔ１＝６３９（μｍ）
ｔ２＝１６０（μｍ）
である。

ＤＶＤ、ＣＤの波長範囲において、最適化前後を比較すると、最適化前に比べて最適化後の位相差９０°となる帯域が広帯域化しているのが分る。最適化後の位相差特性と、従来構造の図１０に示した位相差特性とを、位相差９０°±５°の範囲で比較すると、ＤＶＤ波長範囲では、従来例が６４０ｎｍ〜６７５ｎｍ（帯域幅３５ｎｍ）であるのに対して、本発明は６３０ｎｍ〜６７０ｎｍ（帯域幅４０ｎｍ）と帯域を広くすることができた。また、ＣＤ波長範囲では、従来例が７５０ｎｍ〜８００ｎｍ（帯域幅５０ｎｍ）であるのに対して、本発明は７６５ｎｍ〜８３０ｎｍ（帯域幅６５ｎｍ）と広くすることができた。

尚、図３（ａ）に示した位相差特性のグラフは、前述したように回転検光子法に基づいて表現している。つまり、本願の設計思想に基づいて、積層１／４波長板１が複数の波長帯（ここでは、６５５ｎｍ帯と７８５ｎｍ帯）で１／４波長板として機能するために、設計波長λ＝６４２ｎｍのときに第２の波長板３の位相差を高次モードの９０°（＝８１０°−３６０°×２）として設計しているので、積層１／４波長板１の波長６５５ｎｍ帯における実際の位相差は８１０°となる。

次に、波長７８５ｎｍ帯での積層１／４波長板１の位相差について説明する。図３（ｃ）は、第２の波長板３が有する位相差の波長依存性を示した特性図である。図３（ｃ）において、点線は第２の波長板３が有する実際の位相差（高次モードの位相差）を表しており、実線は実質上の位相差（実際の位相差から３６０°の倍数分を差し引いた値である）を表している。図３（ｃ）に示すように７８５ｎｍ帯で第２の波長板３が１／４波長板として機能するのは実線で示した曲線より８１０ｎｍのときの位相差９０°であり、このときの実際の位相差は点線より６３０°でることが分る。従って、８１０ｎｍにおける実質上の位相差は６３０°から３６０°の倍数分を差し引いた２７０°（＝６３０°−３６０°）であることが分る。

次に、本願発明者は、積層１／４波長板１の楕円率について検証を行った。図３（ｂ）は、積層１／４波長板１の楕円率の波長依存性を示す特性図であり、一点鎖線は最適化前の特性を示し、実線は最適化後の特性を示している。
積層１／４波長板１の楕円率について最適化前後で比較すると、両者はほぼ同等であるが最適化を行った後の方が、楕円率が７．０以上で帯域が若干広くなっているのが分った。

しかし、ＤＶＤ、ＣＤの波長範囲において、楕円率が０．６〜０．７となっており、積層１／４波長板１に入射した直線偏光は円偏光ではなく楕円偏光となって積層１／４波長板１から出射していることが判明した。積層１／４波長板１を次数ｎ１＝８、ｎ２＝４で設計してしまうと、光ピックアップ装置において１／４波長板に求められる楕円率が０．９であることが求められた場合に、要求仕様を十分満足できないという課題が新たに生じた。

そこで、本願発明者は、積層１／４波長板１について、次数ｎ１＝１０、ｎ２＝５、設計波長λを６５５ｎｍとして、あらためてシミュレーションを行った。次数ｎ１＝１０、ｎ２＝５のとき、第１の波長板２の位相差Γ１と第２の波長板３の位相差Γ２は、式（２）、（３）からそれぞれ
Γ１＝３６０°×（１０＋１）＝３９６０°
Γ２＝９０°×（２×５＋１）＝９９０°
となり、このときのΔΓ１とΔΓ２はそれぞれ
ΔΓ１＝５．４３
ΔΓ２＝１．３６
となるので、式（１４）にΔΓ１、ΔΓ２を代入して第１の波長板２の光学軸方位角θ１を算出すると、
θ１＝−７．２°
と求まる。第２の波長板３の光学軸方位角θ２は、
θ２＝４５°
であるから、これらの近似条件を設計条件としてシミュレーションを行った。更に、シミュレーションより得られた解（位相差特性、等）を基に帯域幅を広帯域化するために最適化を実施した。図４（ａ）は、積層１／４波長板１の位相差の波長依存性を示す特性図であり、一点鎖線は最適化前の特性を示し、実線は最適化後の特性を示している。

尚、最適化後の第１の波長板２と第２の波長板３の各設計条件は、
Γ１＝３９６０°
Γ２＝９９０°
θ１＝−８．５°
θ２＝４４°
となった。尚、このときの第１の波長板２の厚みｔ１と第２の波長板３の厚みｔ２は、
ｔ１＝８００（μｍ）
ｔ２＝２００（μｍ）
である。

ＤＶＤ、ＣＤの波長範囲において、最適化前後を比較すると、最適化前に比べて最適化後の位相差９０°となる帯域が広帯域化しているのが分る。最適化後の位相差特性と、従来構造の図１０に示した位相差特性とを、位相差９０°±５°の範囲で比較すると、ＤＶＤ波長範囲では、従来例が６４０ｎｍ〜６７５ｎｍ（帯域幅３５ｎｍ）であるのに対して、本発明は６３０ｎｍ〜６６７ｎｍ（帯域幅４７ｎｍ）と帯域を広くすることができた。また、ＣＤ波長範囲では、従来例が７５０ｎｍ〜８００ｎｍ（帯域幅５０ｎｍ）であるのに対して、本発明は７７２ｎｍ〜８３２ｎｍ（帯域幅６０ｎｍ）と広くすることができた。

図４（ｂ）は、積層１／４波長板１の楕円率の波長依存性を示す特性図であり、一点鎖線は最適化前の特性を示し、実線は最適化後の特性を示している。最適化後の楕円率の波長依存性において、ＤＶＤについては６４７ｎｍ〜６６３ｎｍの帯域で、ＣＤについては７８０ｎｍ〜８０２ｎｍの帯域で楕円率０．９以上を確保することができ、積層１／４波長板１に入射した直線偏光をほぼ円偏光に変換して積層１／４波長板１から出射させることができた。

以上のように、本発明に係る積層１／４波長板は所望の波長６５５ｎｍ帯、７８５ｎｍ帯において位相差が９０°となる帯域が大幅に広がり、温度ドリフトによりＬＤから出射したレーザ光の有する波長が長波長側へ変動しても、当該レーザ光に対して十分に１／４波長板として機能することが判明した。更に、光ピックアップ装置に搭載される１／４波長板として楕円率０．９以上を要求するような厳しい仕様においても十分満足する積層１／４波長板を提供することが可能となった。

以上の説明では複屈折板に水晶板を用いて説明したが、ＢＢＯ、方解石、ニオブ酸リチウム、ＹＶＯ４、等の他の結晶でもよく、また、樹脂等を用いた複屈折板であってもよい。
また、水晶光学軸方位角については、要求仕様に基づいて、近似値から±５°程度の範囲で適宜、設定すれば良い。

図５（ａ）は、本発明に係る第１の実施例の２波長対応光ピックアップ１０の構成を示すブロック図である。２波長対応光ピックアップ１０は、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（ＬＤ）１１と、ＤＶＤに対応した６５５ｎｍ帯の波長の直線偏光のレーザ光のレーザ光を出射するＬＤ１３と、前記ＬＤ１３から出射した直線偏光のレーザ光を反射すると共に、前記ＬＤ１１から出射した直線偏光のレーザ光を透過する波長分離素子１２と、波長分離素子１２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１／２波長板１４と、１／２波長板１４から出射したレーザ光を所定の比率で反射、及び透過するミラー１５と、ミラー１５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）１６と、ミラー１６を反射したレーザ光を平行光とするコリメートレンズ１７と、コリメートレンズ１７を透過した直線偏光を円偏光に変換する本発明に係る積層１／４波長板１８と、光ディスク１９に形成されたピット２０にレーザ光を集光する集光レンズ２１と、ピット２０にて反射したレーザ光を、集光レンズ２１と、積層１／４波長板１８と、コリメートレンズ１７と、ミラー１５と、を経由して検出する光検出素子ＰＤ２２と、により構成されている。

本発明に係る２波長対応光ピックアップ装置は、当該２波長対応光ピックアップ装置に用いた積層１／４波長板が位相差９０°として機能する波長帯域を広くしたので、温度ドリフトによりＬＤから出射するレーザ光の波長が長波長側へ変動しても、当該レーザ光に対して十分に１／４波長板として機能し、２波長対応光ピックアップ装置の性能を向上させるという効果がある。

更に、最近開発された２波長発光レーザダイオードと、本発明の積層１／４波長板を用いることにより、新たな２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５（ａ）と同じ光学素子には同じ符号を用いることにする。図５（ｂ）は本発明に係る第２の実施例の２波長対応光ピックアップ２５のブロック図である。２波長対応光ピックアップ２５は、ＣＤ、ＤＶＤに夫々対応した７８５ｎｍ帯、６５５ｎｍ帯の波長の直線偏光のレーザ光を出射するＬＤ２６ａ、２６ｂを備えた複合ＬＤ２６と、複合ＬＤ２６から出射した７８５ｎｍ帯、６６０ｎｍ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１／２波長板１４と、１／２波長板１４から出射したレーザ光を所定の比率で反射、及び透過するミラー１５と、ミラー１５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）１６と、ミラー１６を反射したレーザ光を平行光とするコリメートレンズ１７と、コリメートレンズ１７を透過した直線偏光を円偏光に変換する本発明に係る積層１／４波長板１８と、光ディスク１９に形成されたピット２０にレーザ光を集光する集光レンズ２１と、ピット２０にて反射したレーザ光を、集光レンズ２１と、積層１／４波長板１８と、コリメートレンズ１７と、ミラー１５と、を経由して検出する光検出素子ＰＤ２２と、により構成されている。

本発明に係る２波長対応光ピックアップ装置は、当該２波長対応光ピックアップ装置に用いた積層１／４波長板が位相差９０°として機能する波長帯域を広くしたので、温度ドリフトによりＬＤから出射するレーザ光の波長が長波長側へ変動しても、当該レーザ光に対して十分に１／４波長板として機能し、２波長対応光ピックアップ装置の性能を向上させるという効果がある。

図５（ｃ）は本発明に係る第３の実施例の２波長対応光ピックアップ２７のブロック図である。２波長対応光ピックアップ２５は、ＣＤ、ＤＶＤに夫々対応した７８５ｎｍ帯、６５５ｎｍ帯の波長の直線偏光のレーザ光を出射するＬＤ２６ａ、２６ｂを備えた複合ＬＤ２６と、複合ＬＤ２６から出射した７８５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯のいずれか１つのレーザ光の直線偏光を円偏光に変換する本発明に係る積層１／４波長板１８と、積層１／４波長板１８から出射した円偏光のレーザ光を平行光とするコリメートレンズ１７と、コリメートレンズ１７を透過したレーザ光を所定の比率で反射、及び透過するミラー１５と、ミラー１５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）１６と、ミラー１６を反射したレーザ光を光ディスク１９に形成されたピット２０に集光する集光レンズ２１と、ピット２０にて反射したレーザ光を、集光レンズ２１と、ミラー１５と、集光レンズ２８を経由して検出する光検出素子ＰＤ２２と、により構成されている。

本発明に係る２波長対応光ピックアップ装置は、当該２波長対応光ピックアップ装置に用いた積層１／４波長板が位相差９０°として機能する波長帯域を広くしたので、温度ドリフトによりＬＤから出射するレーザ光の波長が長波長側へ変動しても、当該レーザ光に対して十分に１／４波長板として機能し、２波長対応光ピックアップ装置の性能を向上するという効果がある。

更に、本発明に係る積層１／４波長板１８は、切断角度９０Ｚの水晶板からなる第１の波長板と第２の波長板と積層して構成されており入射角度依存性が極めて小さい特性を有しているので、複合ＬＤ２６から出射した発散光であるレーザ光が積層１／４波長板１８に入射する、即ちレーザ光が積層１／４波長板１８の入射面に斜めに入射しても位相変動が生じることなく、位相差９０°の１／４波長板として機能して、積層１／４波長板１８に入射する直線偏光のレーザ光を確実に円偏光として出射するので、２波長対応光ピックアップ装置の性能を格段に向上させるという効果がある。

また、本発明を実施するための最良の方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、使用する材料、形状、数量、波長その他の詳細な事項において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。したがって、上記に開示した材料、形状などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの材料、形状、数量などの限定の一部もしくは全部の限定を外した記載は、本発明に含まれるものである。

（ａ）は本発明に係る積層１／４波長板の構成を示す平面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）、（ｄ）は本発明を説明するためのポアンカレ球を示す斜視図。 （ａ）、（ｂ）は本発明を説明するためのポアンカレ球を示す平面図。 （ａ）は本発明に係る積層１／４波長板の波長−位相差特性を示す図、（ｂ）は楕円率の波長依存特性を示す図、（ｃ）第２の波長板の波長−位相差特性を示す図。 （ａ）は本発明に係る他の積層１／４波長板の波長−位相差特性を示す図、（ｂ）は楕円率の波長依存特性を示す図。 （ａ）は本発明に係る第１の実施例の光ピックアップ装置の構成を示すブロック図、（ｂ）は本発明に係る第２の実施例の光ピックアップ装置の構成を示すブロック図、（ｃ）は本発明に係る第３の実施例の光ピックアップ装置の構成を示すブロック図。 補正機能を有する積層波長板の光学特性を説明するためのポアンカレ球を示す斜視図。 （ａ）は積層１／４波長板の波長−位相差特性を示す図、（ｂ）は楕円率の波長依存特性を示す図。 （ａ）、（ｂ）は従来の１／４波長板の構成を示す図。 （ａ）、（ｂ）は従来の高次モード１／４波長板の構成を示す図。 従来の高次モード１／４波長板の波長−位相差特性を示す図。

符号の説明

１…高次モード１／４波長板、２，３…波長板、４，５…光学軸、１０，２５…光ピックアップ装置、１１，１３…ＬＤ、１２…波長分離素子、１４…１／２波長板、１５…ミラー、１６…フロントモニター、１７…コリメートレンズ、１８…積層１／４波長板、２１…集光レンズ、２２…光検出素子。

Claims (4)

1. 複屈折性を有する材料で形成された第１の波長板と第２の波長板とを各々の光学軸が交差するよう積層してなり、
   入射する直線偏光を変換して円偏光として出射し、又は入射する円偏光を変換して直線偏光として出射する積層波長板であって、
   前記第１の波長板の入射面及び出射面に立てた法線と前記第１の波長板の光学軸とのなす角度を９０°とすると共に、
   前記第２の波長板の入射面及び出射面に立てた法線と前記第２の波長板の光学軸とのなす角度を９０°とし、
   波長λに対する前記第１の波長板の位相差をΓ１、前記第２の波長板の位相差をΓ２とし、
   前記第１の波長板の光学軸方位角をθ１とし、
   前記第２の波長板の光学軸方位角をθ２とし、
   波長λ１１のときの前記第１の波長板の位相差をΓ１１ａとし、
   波長λ１２のときの前記第１の波長板の位相差をΓ１２ａとし、
   波長λ１１のときの前記第２の波長板の位相差をΓ１１ｂとし、
   波長λ１２のときの前記第２の波長板の位相差をΓ１２ｂとしたとき、
   下式（１）〜（６）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＝３６０×（ｎ１＋１） ・・・（１）
   Γ２＝９０×（２×ｎ２＋１）・・・（２）
   ΔΓ１＝（Γ１２ａ−Γ１１ａ）／（λ１２−λ１１）・・・（３）
   ΔΓ２＝（Γ１２ｂ−Γ１１ｂ）／（λ１２−λ１１）・・・（４）
   ｃｏｓ２θ１＝１−（１−ｃｏｓΔΓ２）／｛２（１−ｃｏｓΔΓ１）｝・・・（５）
   θ２＝４５°±５°・・・（６）
   但し、λ１１≦λ≦λ１２、ｎ１及びｎ２はそれぞれ１から始まる自然数
2. 請求項１において、
   ｎ１＝８、
   ｎ２＝４、
   ΔΓ１＝４．３４、
   ΔΓ２＝１．０９
   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、
   ｎ１＝１０、
   ｎ２＝５、
   ΔΓ１＝５．４３、
   ΔΓ２＝１．３６
   であることを特徴とする積層波長板。
4. 光源と、
   前記光源から出射した光を光記録媒体に集光するための対物レンズと、
   前記光記録媒体により反射された光を検出するための光検出器とを備えた光ピックアップ装置であって、
   前記光源から前記対物レンズに至る光路中、または前記対物レンズから前記光検出器へ至る光路中に請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層波長板を設置したことを特徴とする光ピックアップ装置。

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