JP4623226B2 - 積層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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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=2×π/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。
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。
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°になることが開示されている。
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。
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。
Γ1=2×π/λ×(ne−no)×t1・・・(1a)
Γ2=2×π/λ×(ne−no)×t2・・・(2a)
前記第1の波長板の光学軸方位角をθ1、前記第2の波長板の光学軸方位角をθ2とし、前記第1の波長帯λ1と前記第2の波長帯λ2との関係は、下式(3a)を満足し、
λ1<λ2・・・(3a)
前記設計波長λが、前記第1の波長帯λ1の帯域内、または前記第2の波長帯λ2の帯域内にあるとき、前記位相差Γ1及び前記位相差Γ2が下式(2)と(3)を満足し、
Γ1=360°×(n1+1) ・・・(2)
Γ2=90°×(2×n2+1)・・・(3)
前記光学軸方位角θ1及び前記光学軸方位角θ2が下式(4a)と(5a)を満足することを特徴とする。
θ1=−5.5°±5°・・・(4a)
θ2=45°±5° ・・・(5a)
但し、n1及びn2はそれぞれ1から始まる自然数。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
Γ11a=2×π/λ11×(ne−no)×t1 ・・・(6)
Γ12a=2×π/λ12×(ne−no)×t1 ・・・(7)
Γ11b=2×π/λ11×(ne−no)×t2 ・・・(8)
Γ12b=2×π/λ12×(ne−no)×t2 ・・・(9)
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。
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)
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。
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。
Γ1=1080°
Γ2=270°
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。
出射光の偏光状態Eは次式で表される。
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。
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。
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。
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0.7以上で帯域が若干広くなっているのが分った。
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。
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。
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。
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。
Claims (4)
- 複屈折性を有する第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、
互いに帯域が異なる第1の波長帯λ1、第2の波長帯λ2の光に対して、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、
設計波長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の波長板の板厚をt1、前記第2の波長板の板厚をt2とし、
前記第1、第2の波長板の異常光屈折率をne、常光屈折率をnoとしたときに、
前記位相差Γ1、Γ2は夫々下式(1a)、(2a)を満足し、
Γ1=2×π/λ×(ne−no)×t1・・・(1a)
Γ2=2×π/λ×(ne−no)×t2・・・(2a)
前記第1の波長板の光学軸方位角をθ1、前記第2の波長板の光学軸方位角をθ2とし、
前記第1の波長帯λ1と前記第2の波長帯λ2との関係は、下式(3a)を満足し、
λ1<λ2・・・(3a)
前記設計波長λが、前記第1の波長帯λ1の帯域内、または前記第2の波長帯λ2の帯域内にあるとき、
前記位相差Γ1及び前記位相差Γ2が下式(2)と(3)を満足し、
Γ1=360°×(n1+1) ・・・(2)
Γ2=90°×(2×n2+1)・・・(3)
前記光学軸方位角θ1及び前記光学軸方位角θ2が下式(4a)と(5a)を満足することを特徴とする積層波長板。
θ1=−5.5°±5°・・・(4a)
θ2=45°±5° ・・・(5a)
但し、n1及びn2はそれぞれ1から始まる自然数。 - 請求項1において、
n1=8、
n2=4、
であることを特徴とする積層波長板。 - 請求項1において、
n1=10、
n2=5、
であることを特徴とする積層波長板。 - 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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