JP5040952B2

JP5040952B2 - 波長板及び光ピックアップ

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Publication number: JP5040952B2
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Inventors: 正之大戸
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Description

本発明は、異なる波長の光を用いて光学記録媒体への情報の記録及び再生を行うことを可能とする積層波長板及びそれを用いた光ピックアップに関する。

音楽や映像関連の情報の光学記録媒体であるＣＤやＤＶＤ等を直線偏光や円偏光等のレーザー光を利用して情報の記録及び再生を行う光ディスク装置が幅広く利用されている。中でもＣＤとＤＶＤのコンパチブル（互換性）が可能な光ディスク装置の普及と共に装置の小型化の要求も高まり、光学部品点数の削減等の簡素化による光ピックアップ装置の小型化が試みられている。
ＤＶＤは、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可能な仕様となっておりＣＤに比べ記録密度が高く、それによってＤＶＤの再生波長もＣＤの７８５ｎｍ対して６５５ｎｍと波長も短くなり、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２種類の波長が必要になり、２波長対応とするためにレーザー光源を２つ必要とし、そして波長板等の光学素子も夫々に対応するものが必要となるため結果的に２系統のピックアップにより光ピックアップ装置が構成されることとなるが、近年の光ピックアップ装置の小型化の要求によりピックアップを１系統で構成せんとする試みが種々なされている。

ここで、光ピックアップに用いられる偏光について説明すると、光は電磁波と呼ばれる波の一つであり、光の進行方向と磁場ベクトルを含む面を偏光面、光の進行方向と電場ベクトルを含む面を振動面といい、偏光面の方向が揃っている場合を偏光という。更に、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び、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。

図１４は、多数次モードの位相差δ１（２７９０°）となる第１の波長板１（厚みｄ１）と多数次モードの位相差δ２（２７００°）となる第２の波長板２（厚みｄ２）とを結晶光学軸が９０°交差するよう貼り合わせてなる１／４波長板として機能する零次モードの波長板３であって、図１４（ａ）は波長板３の入射面から見た第１、第２の波長板１、２の結晶光学軸４、５の交差角を示す図であり、図１４（ｂ）は波長板３の構成を示す斜視図である。
これは、結晶光学軸の交差角を９０°とすることによって、余分な位相差を相殺することができる、つまりδ１−δ２＝２７９０°−２７００°＝９０°となり、零次モードの１／４波長板として機能するものである。従って、直線偏光６が波長板３に入射すると出射面で位相が９０°ずれるので円偏光７として出射することとなる。
波長板３の位相差δ３は、次式でも表わすことができる。
δ３＝δ１−δ２＝２π×Δｎ×（ｄ１−ｄ２）／λ （１）
ここで、Δｎは、第１、第２の波長板１、２との屈折率差であり、λは入射光の波長である。

図１５は、零次モードの位相差δ４（＝９０°）となる１／４波長板として機能する零次モードの波長板８（厚みｄ３）を示す斜視図である。直線偏光９が、波長板８へ入射すると出射面で位相が９０°ずれて円偏光１０として出力する。
波長板８の位相差δ４は、次式で表わすことができる。
δ４＝２π×Δｎ×ｄ３／λ （２）
ここで、Δｎは波長板８の屈折率差（Ｎｅ−Ｎｏ）、λは入射光の波長、Ｎｏは常光線の屈折率、Ｎｅは異常光線の屈折率である。
これらの波長板３、８を適宜選定してピックアップの所定の位置に配置することによってピックアップ１系統による２波長対応光ピックアップ装置を構成せんと試みた場合以下のような問題が生じる。
即ち、前述したように光ピックアップ装置の小型化により部品点数を削減するため、図１６のようにＣＤ（７８５ｎｍ）再生用とした１つの１／４波長板３で２波長対応とするようピックアップを構成した場合、図１６（ａ）に示す如く、Ｐ偏光１１がビームスプリッター１２（以下、ＰＢＳと称す）へ入射すると、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する光学薄膜で形成されたミラー１３を透過してＰ偏光のまま１／４波長板３へ入射する。ここで位相が９０°ずれるので、円偏光１４として出力しＣＤのピット１５へ入射する。ピット１５で円偏光１４が反射する際、回転方向が逆の円偏光１６として反射するので、円偏光１６が１／４波長板３へ入射すると、Ｓ偏光として出力し、ＰＢＳ１２のミラー１３で反射して図示しないフォトディテクタ（以下、ＰＤと称す）へ至り９０％以上の効率でレーザー光を使用することができる。尚、図１６において説明を容易にするため往路と復路で光軸をずらしている。

一方、図１６（ｂ）に示す如く、ＤＶＤを再生する場合、波長６５５ｎｍのＰ偏光１１がＰＢＳ１２へ入射すると、ミラー１３を透過してＰ偏光のまま１／４波長板３へ入射する。この際、前記１／４波長板３は、単一波長７８５ｎｍに対してのみ９０°位相をずらす機能を有しているため直線偏光から円偏光への変換が十分できずに楕円偏光１７として出射してしまう。これがＤＶＤのピット１５へ入射すると回転方向が前記楕円偏光１７とは逆の楕円偏光１８として反射して、１／４波長板３へ入射し同様に十分に直線偏光への変換ができない、つまり楕円偏光成分とＳ偏光成分が混在した状態で１／４波長板３から出射しＰＢＳ１２のミラー１３でＳ偏光成分のみ反射し、楕円偏光成分はミラー１３を透過してしまう。従って、ＰＤでは、例えば、本発明者の実験結果によると、光の効率の観点からレーザー光の６５％前後がＰＤで検出され、残り約３０％がミラーを透過してしまう楕円偏光成分として損失してしまい、効率上問題がある。これは、波長板３、８の位相差を表わす各々の式（１）、（２）から位相差が波長に依存していることからも分かる。
そこで、日本特許第３１７４３６７号では、単色光に対して１／２波長（１８０°）の位相差を有する延伸フィルムと、１／４波長（９０°）の位相差を有する延伸フィルムとを結晶光学軸が交差するよう積層してなる積層波長板が広帯域で位相が９０°ずれる機能を有する広帯域１／４波長板が提案されている。ＤＶＤ（６５５ｎｍ）とＣＤ（７８５ｎｍ）とを記録・再生する光ピックアップ装置において、前記広帯域１／４波長板を採用すれば、波長板１つで２波長対応とすることができるので、ピックアップをほぼ１系統に簡素化したいという要求を満足することを可能としている。

図１７に示す如く日本特許第３１７４３６７号の第５図に前記広帯域１／４波長板をクロスニコルに配置した偏光板間に配置して分光スペクトルを評価した透過率の波長依存性のグラフが開示されている。
しかしながら、このグラフの実施例３の曲線、即ち広帯域１／４波長板の透過率を注視すると、４００ｎｍから８００ｎｍに向かって、徐々に透過率が４０％から５０％に向かって上昇、つまりグラフが傾斜した特性を有しており、波長によって、１／４波長板として機能する効率が変化していることがわかる。尚、１／４波長板として完全に機能する透過率は５０％のところである。即ち、この広帯域１／４波長板では、依然として波長依存性が完全には解決されておらず、波長によって、位相が９０°ずれる効率が違っているため、近年、ＤＶＤ／ＣＤのコンパチブルの光ピックアップ装置における光の効率等の観点から波長板に求められる厳しい光学特性上の仕様を満足できないという問題があった。
本発明は、上記の如き問題を解決するためになされたものであり、ＤＶＤ／ＣＤのコンパチブルの光ピックアップ装置等の複数の波長に対して完全に１／４波長板として機能する波長板、及びその波長板を用いた光ピックアップを提供することを目的とする。

特許第３１７４３６７号

上記課題を解決するために本発明に係る波長板の請求項１記載の発明は、波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、前記位相差αを多数次モードの２５５°、前記位相差βを多数次モードの１３０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
２５．５°−５°≦θ_１≦２５．５°＋５°、
７９．８°−５°≦θ_２≦７９．８°＋５°
を満足し
前記波長λをλ＝λ１、またはλ＝λ２とし、
前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足することを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１において、前記位相差αを４次モードの２５５°、前記位相差βを２次モードの１３０°としたことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの２７０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
１４°−５°≦θ_１≦１４°＋５°、
７２°−５°≦θ_２≦７２°＋５°
を満足し
前記波長λをλ＝λ１、またはλ＝λ２とし、
前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項３において、前記位相差αを５次モードの１８０°、前記位相差βを２次モードの２７０°としたことを特徴としている。
請求項５記載の発明は、波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、
互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、
前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの２７０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
７°−５°≦θ_１≦７°＋５°
５２°−５°≦θ_２≦５２°＋５°
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ１の場合、前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ２の場合、前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π
但し、Ｎは正の整数のうち奇数
を満足することを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項５において、前記位相差αを７次モードの１８０°、前記位相差βを１次モードの２７０°としたことを特徴としている。
ことを特徴としている。

請求項７記載の発明は、波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、
互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、
前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの１８０°とし、
前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
１２°−５°≦θ_１≦１２°＋５°
５７°−５°≦θ_２≦５７°＋５°
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ１の場合、前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π、但し、Ｎは正の整数のうち奇数
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ２の場合、前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π、但し、Ｎは正の整数のうち偶数
を満足することを特徴としている。
請求項８記載の発明は、請求項７において、前記位相差αを７次モードの１８０°、前記位相差βを３次モードの１８０°としたことを特徴とすることを特徴としている。
請求項９記載の発明は、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、請求項１乃至８の何れか１項に記載の波長板を通過するよう構成されている光ピックアップを特徴としている。

上記のように構成したので、本発明によれば以下のような優れた効果が得られる。
本発明は、波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、前記位相差αを多数次モードの２５５°、前記位相差βを多数次モードの１３０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
２５．５°−５°≦θ_１≦２５．５°＋５°、
７９．８°−５°≦θ_２≦７９．８°＋５°
を満足し、
前記波長λをλ＝λ１、またはλ＝λ２とし、
前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足するので、波長依存性を補償し、互いに波長が異なる２つの波長の光に対して１／４波長板として機能する波長板を提供できるという優れた効果を奏する。
また、本発明は、波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの２７０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
１４°−５°≦θ_１≦１４°＋５°、
７２°−５°≦θ_２≦７２°＋５°
を満足し、
前記波長λをλ＝λ１、またはλ＝λ２とし、
前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足するように構成したので、波長依存性を補償し、互いに波長が異なる２つの波長の光に対して１／４波長板として機能する波長板を提供できるという優れた効果を奏する。

また、本発明は、波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、
互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、
前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの２７０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
７°−５°≦θ_１≦７°＋５°
５２°−５°≦θ_２≦５２°＋５°
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ１の場合、前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ２の場合、前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π
但し、Ｎは正の整数のうち奇数
を満足するように構成したので、波長依存性を補償し、互いに波長が異なる２つの波長の光において、一方の光に対して１／４波長板、他方の光に対して１／２波長板として機能する波長板を提供できるという優れた効果を奏する。
また、本発明は、波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの１８０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
１２°−５°≦θ_１≦１２°＋５°
５７°−５°≦θ_２≦５７°＋５°
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ１の場合、前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π、但し、Ｎは正の整数のうち奇数
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ２の場合、前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π、但し、Ｎは正の整数のうち偶数
を満足するように構成したので、波長依存性を補償し、多義に波長の異なる２つの波長の光において、一方の波長の光に対して１／２波長板、他方の光に対しては２／２波長板として機能する波長板を提供できるという優れた効果を有する。
また、本発明は、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ている光ピックアップにおいて、当該波長板を、請求項１乃至８の何れか１項に記載の何れか１項に記載の波長板で構成したので、互いに波長の異なる第１の波長及び第２の波長の光に対応した小型のピックアップを提供できるという優れた効果を奏する。

本発明に係る積層波長板の第１の実施例の構成を説明するための図であり、（ａ）は入射方向から見た平面図、（ｂ）は斜視概観図である。本発明に係る積層波長板の第１の実施例の特性を示す図であり、（ａ）は波長と位相差との関係を示す図、（ｂ）はクロスニコルの透過率特性を示す図である。本発明に係る積層波長板の第２の実施例の構成を説明するための図であり、（ａ）は入射方向から見た平面図、（ｂ）は斜視概観図である。本発明に係る積層波長板の第２の実施例の特性を示す図であり、波長と位相差との関係を示す図である。本発明に係る積層波長板の第１の変形実施例を示す図であり、（ａ）は入射方向から見た平面図、（ｂ）は斜視概観図、（ｃ）は積層する波長板の各位相差を示す表である。本発明に係る積層波長板の第１の変形実施例における波長依存性を説明するためのグラフである。本発明に係る積層波長板の第２の変形実施例を示す図であり、（ａ）は入射方向から見た平面図、（ｂ）は斜視概観図ある。本発明に係る積層波長板の第２の変形実施例における波長依存性を説明するためのグラフである。本発明に係る光ピックアップの第１の実施形態の構成を説明するための斜視図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る光ピックアップの第１の実施形態において用いられる２種類のＰＢＳの光学特性を示すグラフである。本発明に係る光ピックアップの第２の実施形態の構成を説明するための斜視図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る光ピックアップの第２の実施形態において用いられるＤＰ及びＰＢＳの光学特性を示すグラフである。本発明に係る積層波長板の第１の変形実施例の光学作用をポアンカレ球を用いて説明するための図である。従来の積層波長板を示す図であり、（ａ）は入射方向から見た平面図、（ｂ）は斜視概観図ある。従来の波長板を示す斜視図である。（ａ）及び（ｂ）は、従来の光ピックアップの光学作用を説明するための平面図である。従来の広帯域波長板のクロスニコルの透過率を示すグラフである。

以下、本発明を図面に示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る波長板の第１の実施形態の構成を示す図であり、図１（ａ）は波長板を入射方向から見た平面図、図１（ｂ）は波長板の斜視概観図である。この波長板２２は、波長７８５ｎｍに対して位相差１６９５°（４次モード２５５°）及び面内回転方位（以下、面内方位角と称す）が２５．５°の水晶波長板２３と位相差８５０°（２次モード１３０°）及び面内方位角が７９．８°の水晶波長板２４とを各々の結晶光学軸２５、２６が５４．３°の角度で交差するように積層して、全体として、波長６５５ｎｍ及び７８５ｎｍにおいて１／４波長板として機能する積層波長板である。つまり、この積層波長板２２に直線偏光２７が入射すると出射面で位相が９０°ずれることによって円偏光２８となって出射することとなる。
この積層波長板２２を、１／４波長板として機能せしめんがために積層した水晶波長板２３、２４の光学特性を如何にして算出したかについて詳細に説明する。
数値計算には、以下ミューラ行列を使用し各偏光状態を示すこととする。
ここで、波長板２３の位相差をδ１、面内方位角をθ１、波長板２４の位相差をδ２、面内方位角をθ２で表わす。δ１とδ２は、下記の式（３）、（４）で表わすことができる。
δ１＝２×π／λ×（Ｎｅ−Ｎｏ）×ｄ１（３）
δ２＝２×π／λ×（Ｎｅ−Ｎｏ）×ｄ２（４）
λは波長、Ｎｏは常光線の屈折率、Ｎｅは異常光線の屈折率、ｄ１は水晶波長板２３の厚み、ｄ２は水晶波長板２４の厚みである。

波長板２３のミューラ行列Ａ１は、下記の式（５）で表わすことができる。

波長板２４のミューラ行列Ａ２は、下記の式（６）で表わすことができる。

積層波長板２２に入射する入射偏光状態をストークスベクトルＴで下記の式（７）で表わす。

積層波長板２２から出射する出射偏光状態をストークスベクトルＳで下記の式（８）で表わす。

以上、式（５）〜（８）より下記の式（９）のミューラ行列式が得られる。

式（９）において、Ｔを下記の入射偏光状態とすると、

となる。積層波長板の位相差Γは、

・・・（１２）
で表わすことができるから、式（１１）、（１２）からΓが（２×ｎ−１）×（π／２）、ｎは自然数、となるようにシミュレーションを行った。

以上のシミュレーション結果から各水晶波長板の位相差及び面内方位角が、
（δ１、θ１、δ２、θ２）＝（１６９５°、２５．５°、８５０°、７９．８°）
のとき、位相差Γは、図２（ａ）の如き位相差波長依存性カーブを描き、波長６５５ｎｍで位相差２７０°（点Ｋ１）、波長７８５ｎｍで位相差９０°（点Ｋ２）、またはカーブ特性は図示しないが、波長６５５ｎｍで位相差９０°、波長７８５ｎｍで位相差２７０°となり、両波長において積層波長板が１／４波長板として完全に機能することを実現せしめた。
この積層波長板２２をクロスニコルに配置した偏光板間に配置した分光スペクトル評価したところ、図２（ｂ）の如き透過率特性を描くことが確認され、波長６５５ｎｍ及び７８５ｎｍで透過率５０％となり誤差なく１／４波長板として機能することが実証され、入射した直線偏光を損失なく円偏光に変換する２波長対応の積層波長板を提供することが可能となった。

尚、このシミュレーションにおいて、式（３）、（４）から積層する水晶波長板の板厚を製造コスト上問題のない範囲に予め任意に決定し、数値計算を行って解を算出しているので、所定の複数の波長に対して、各水晶波長板の板厚を適宜決定して１／４波長板として機能する積層波長板を求める一連の上記過程の中から、各水晶波長板の位相差α、βが下記の２式の条件を満足する範囲から決定されることが判明した。
（３／２）×π≠α−２×π×（ｎ−１）（１３）
π≠β−２×π×（ｎ−１）（１４）
ｎ：自然数、α＝δ１、β＝δ２
即ち、本発明に係るシミュレーション解析及び実験結果から、複数の波長に対し１／４波長板として機能する積層波長板は、各々の位相差（多数次モード分を除いた実質的な位相差）が、１８０°及び２７０°からずれた位相差を有する水晶波長板同士を積層して構成されるという結果に想到した。

図３は本発明に係る波長板の第２の実施形態の構成を示す図であり、図３（ａ）は波長板を入射方向から見た平面図、図３（ｂ）は波長板の斜視概観図である。この波長板７１は、波長７８５ｎｍ又は波長６５５ｎｍに対して位相差１９８０°（５次モード１８０°）及び面内方位角が１４°の水晶波長板７２と、位相差９９０°（２次モード２７０°）及び面内方位角が７２°の水晶波長板７３とを各々の結晶光学軸７４、７５が５８°の角度で交差するように積層して、全体として、波長６５５ｎｍ及び７８５ｎｍにおいて１／４波長板として機能する積層波長板である。つまり、この積層波長板７１においても直線偏光が入射すると出射面で位相が９０°ずれることによって円偏光となって出射するのである。
前述と同様なシミュレーションを行った結果から各水晶波長板の位相差及び面内方位角が、
（δ１、θ１、δ２、θ２）＝（１９８０°、１４°、９９０°、７２°）
のとき、積層波長板の位相差Γは、図４の如き位相差波長依存性カーブを描き、波長６５５ｎｍで位相差２７０°（点Ｋ′１）、波長７８５ｎｍで位相差９０°（点Ｋ′２）、またはカーブ特性は図示しないが、波長６５５ｎｍで位相差９０°、波長７８５ｎｍで位相差２７０°となり、両波長において積層波長板が１／４波長板として完全に機能することを実現せしめている。
尚、面内方位角は、所望値に対して、±５°の精度で各々の波長板を積層していれば２波長に対して１／４波長板として十分機能するので、量産性においても低コスト化が期待できる。

図５は本発明の変形実施形態に係る波長板の構成を示す図であり、図５（ａ）は波長板を入射方向から見た平面図、図５（ｂ）は波長板の斜視概観図である。この波長板２９は、波長６５５ｎｍに対して位相差２７００°（７次モード１８０°）及び面内方位角が７°の水晶波長板３０と位相差６３０°（１次モード２７０°）及び面内方位角が５２°の水晶波長板３１とを各々の結晶光学軸３２、３３が４５°の角度で交差するように積層して、全体として、波長６５５ｎｍにおいて１／４波長板として機能し、波長７８５ｎｍにおいて１／２波長板として機能する積層波長板である。つまり、この積層波長板２９に波長６５５ｎｍの直線偏光３４が入射すると出射面で位相が９０°ずれることによって円偏光３５となって出射し、また波長７８５ｎｍのＰ偏光３６が入射すると出射面で位相が１８０°ずれることによってＳ偏光３７となって出射することとなる。
この積層波長板２９を、波長６５５ｎｍにおいて１／４波長板として機能し、波長７８５ｎｍにおいて１／２波長板として機能せしめんがために積層した水晶波長板３０、３１の光学特性を如何にして算出したかについては、前述の実施例において用いたミューラ行列によって求めたのでここでは説明を省略する。ここでは、光学的作用について詳細に説明する。
波長板３０、３１の各波長における位相差を図５（ｃ）に示す。波長６５５ｎｍの直線偏光３４が波長板３０に入射すると、波長板３０で位相差が１８０°つき１４°偏光面は回転することになる。更に波長板３１で位相差が２７０°つき円偏光３５となって出射する。波長７８５ｎｍの直線偏光では大きく位相が変化する、即ち波長板３０では位相差１００°となって楕円偏光となり、波長板３１で位相差を１６７°つけることで直線偏光に戻すことができる。

以上の光学作用について図１３に示すポアンカレ球を用いて説明する。ここで、入射光の偏光状態をＰ０とする。波長６５５ｎｍにおいて、波長板３０では面内方位角ψ１（＝７°）によって、角度２ψ１の位置に回転軸ａが配置される。回転軸ａを軸にして２７００°回転させると７回転した後Ｐ１の位置に移動する。更に、波長板３１で面内方位角ψ２（＝５２°）により角度２ψ２の位置に回転軸ｂが配置される。回転軸ｂを軸に６３０°回転させると１回転した後Ｐ２の位置に移動し、これにより全体として位相差は２７０°となり左回転の円偏光として出射することになる。
次に、波長７８５ｎｍでは、波長板３０で回転軸ａを軸にして６回転した後Ｐ１'の位置に移動し、波長板３１で回転軸ｂを軸にして１回転した後Ｐ２'の位置に移動することになり、全体として位相差は１８０°となり偏光面が９０°回転することとなる。この波長板２９の波長依存性を図６に示す。曲線３８は波長７８５ｎｍ用零次１／２波長板の波長依存特性を、曲線３９は波長７８５ｎｍ用１５次１／２波長板の波長依存特性を、そして曲線４０は波長板２９の波長依存特性を示しており、波長板２９が波長６５５ｎｍにおいて１／４波長板として機能し、波長７８５ｎｍにおいて１／２波長板として機能することが確認できる。

図７は本発明の第２の変形実施形態に係る波長板の構成を示す図であり、図７（ａ）は波長板を入射方向から見た平面図、図７（ｂ）は波長板の斜視概観図である。この波長板４１は、波長６５５ｎｍに対して位相差２７００°（７次モード１８０°）及び面内方位角が１２°の水晶波長板４２と位相差１２６０°（３次モード１８０°）及び面内方位角が５７°の水晶波長板４３とを各々の結晶光学軸４４、４５が４５°の角度で交差するように積層して、全体として、波長６５５ｎｍにおいて１／２波長板として機能し、波長７８５ｎｍにおいて２／２波長板として機能する積層波長板である。つまり、この積層波長板４１に波長６５５ｎｍのＰ偏光４６が入射すると出射面で位相が１８０°ずれることによってＳ偏光４７となって出射し、また波長７８５ｎｍのＰ偏光４８が入射すると出射面で位相が３６０°ずれるのでＰ偏光を維持したまま出射することとなる。
この積層波長板４１を、波長６５５ｎｍにおいて１／２波長板として機能し、波長７８５ｎｍにおいて２／２波長板として機能せしめんがために積層した水晶波長板４２、４３の光学特性を如何にして算出したかについては、前述の実施例と同様にミューラ行列により求めたので説明を省略する。この波長板４１の波長依存性を図８に示す。曲線５０は波長６５５ｎｍ用零次１／４波長板の波長依存特性を、そして曲線５１は波長板４１の波長依存特性を示したものであり、波長板４１が波長６５５ｎｍにおいて１／２波長板として機能し、波長７８５ｎｍにおいて２／２波長板として機能していることが確認できる。
尚、面内方位角は、前述したように所望値に対して、±５°の精度で各々の波長板を積層していれば各々波長に対して所望の波長板として十分機能するので、量産性においても低コスト化が期待できる。

本発明の特徴は、複数の波長に対して１／４波長板或いは１／２波長板として機能せしめんとする波長板を実現するため、零次モードの単板の波長板をただ多数次モードにするだけでは波長依存性が大きいので、レーザー光の波長の変化により位相差が大きく変動してしまうという問題点に鑑み、更にもう１枚補正用波長板を貼り合わせ使用波長帯域での位相変化を補償したところにある。
即ち、積層する各々の波長板のモード次数を変えることによって波長依存性を調整して互いに補正するように波長板を設計し構成したことにある。
更に、従来提案されている広帯域波長板では、広範囲な波長にわたって、１／４波長板として機能するよう構成しているが、前述したクロスニコルの透過率でも分かるように完全に１／４波長板として機能するまでには至っておらず、つまり損失が必ず発生するという問題が存在し、本発明者はこの問題点に鑑み、広帯域にわたって位相差を１／４波長とする視点から逆の発想により、即ちピンポイントで複数の波長に対して完全に１／４波長板として機能する波長板を実現せしめたことを特徴としている。

次に、前述した本発明に係る積層波長板を用いた２波長対応光ピックアップについて以下、詳細に説明する。
図９は、本発明の光ピックアップに係る第１の実施形態の構成を説明するための斜視図である。
まず、ＤＶＤ（６５５ｎｍ）の再生について説明する。波長６５５ｎｍ及び７８５ｎｍを出射可能な光源を有する２λＬＤ５２から波長６５５ｎｍの直線偏光ＳＡ（Ｓ偏光）が出射し第１のＰＢＳ５３へ入射する。第１のＰＢＳ５３の斜面５４には図１０（ａ）の如き透過特性を有する光学薄膜が形成されているので、ＳＡはＰＢＳ５３の斜面５４を透過して、第２の変形実施例で示した積層波長板４１へ入射する。前述したように波長６５５ｎｍに対しては１／２波長板として機能するので、直線偏光ＳＡは位相差が１８０°ついて直線偏光ＰＡ（Ｐ偏光）となって出射する。ＰＡは、図１０（ｂ）の如き透過特性を有する光学薄膜が斜面５５に形成された第２のＰＢＳ５６へ入射し、斜面５５を透過してコリメートレンズ５７、反射ミラー５８を経て本発明に係る一実施例で示した１／４波長板２２へ入射し円偏光として出射し、対物レンズ（以下、ＯＢＪと称す）５９を通過してＤＶＤのピット６０入射する。
ピット６０で反射した際に円偏光は回転方向が逆転し、ＯＢＪ５９を通過して１／４波長板２２へ入射する。円偏光は往路に対して復路では回転方向が逆になっているので直線偏光ＳＡ（Ｓ偏光）として出射し、反射ミラー５８、コリメートレンズ５７を経て第２のＰＢＳ５６へ入射する。第２のＰＢＳ５６の斜面５５に形成された光学薄膜の特性からＳＡはこれを透過し、積層波長板４１へ入射し位相差が１８０°ついてＰＡ（Ｐ偏光）として出射し第１のＰＢＳ５３へ入射する。第１のＰＢＳ５３の斜面５４は波長６５５ｎｍのＰ偏光は透過しない光学薄膜が形成されているので、ＰＡは斜面５４で反射してＰＤ６１で検出される。

次に、ＣＤ（７８５ｎｍ）の再生について説明する。２λＬＤ５２から波長７８５ｎｍの直線偏光ＳＢ（Ｓ偏光）が出射し第１のＰＢＳ５３へ入射する。第１のＰＢＳ５３の斜面５４には図１０（ａ）の如き透過特性を有する光学薄膜が形成されているので、ＳＢは斜面５４を透過して、積層波長板４１へ入射する。前述したように波長７８５ｎｍに対しては２／２波長板として機能するので、直線偏光ＳＢはこれを維持したまま出射する。ＳＢは、図１０（ｂ）の如き透過特性を有する光学薄膜が斜面５５に形成された第２のＰＢＳ５６へ入射し、斜面５５を透過してコリメートレンズ５７、反射ミラー５８を経て１／４波長板２２へ入射し円偏光として出射し、ＯＢＪ５９を通過してＣＤのピット６０へ入射する。
ピット６０で反射した際に円偏光は回転方向が逆転し、ＯＢＪ５９を通過して１／４波長板２２へ入射する。円偏光は往路に対して復路では回転方向が逆になっているので直線偏光ＰＢ（Ｐ偏光）として出射し、反射ミラー５８、コリメートレンズ５７を経て第２のＰＢＳ５６へ入射する。第２のＰＢＳ５６の斜面５５に形成された光学薄膜の特性からＰＢは斜面５５で反射してＰＤ６２で検出される。
このように構成することによって、１系統のピックアップで２波長対応の光ピックアップ装置を実現することができた。
尚、ここでは１／４波長板として第１の実施形態である図１に示した１／４波長板２２を用いたが、第２の実施形態である図３に示した１／４波長板７１を用いてもよいことは言うまでもない。

図１１は、本発明の光ピックアップに係る第２の実施形態の構成を説明するための斜視図である。まず、ＤＶＤ（６５５ｎｍ）の再生について説明する。波長６５５ｎｍを出射する光源を有するＬＤ６３から波長６５５ｎｍの直線偏光ＰＡ（Ｐ偏光）が出射しダイクロイックプリズム（以下、ＤＰと称す）６４へ入射する。ＤＰ６４は図１２（ａ）の如き光学特性を有しているので、ＰＡはＤＰ６４を透過して、ＰＢＳ６５へ入射する。ＰＢＳ６５の斜面６６には図１２（ｂ）の如き特性を有する光学薄膜が形成されているので、ＰＡは斜面６６を透過してコリメートレンズ５７を通過して第１の変形実施例で示した積層波長板２９へ入射する。前述したように波長６５５ｎｍに対しては１／４波長板として機能するので、直線偏光ＰＡは位相差が９０°ついて円偏光となって出射し反射ミラー５８、ＯＢＪ５９を通過してＤＶＤのピット６０へ入射する。
ピット６０で反射した際に、円偏光は回転方向が逆転した円偏光となり、ＯＢＪ５９、反射ミラー５８を通過して積層波長板２９へ入射する。円偏光は往路に対して復路では回転方向が逆になっているので直線偏光ＳＡ（Ｓ偏光）として出射し、コリメートレンズ５７を経てＰＢＳ６５へ入射し、ＰＢＳ６５の斜面６６で反射して非点収差板（Astigmatism；以下、ＡＳ板と称す）６７を介してＰＤ６８で検出される。尚、非点収差とは、光軸外の物点からの光が子午面と球欠面で集光点がずれる収差のことである。

次に、ＣＤ（７８５ｎｍ）の再生について説明する。ホロレーザ（ＬＤとＰＤとの一体モジュール）６９から波長７８５ｎｍの直線偏光ＰＢ（Ｐ偏光）が出射しＤＰ６４へ入射し、図１２（ａ）の如き透過特性を有するので、ＤＰ６４の斜面７０で反射して、ＰＢＳ６５へ入射する。ＰＢＳ６５の斜面６６はＰ偏光を透過するので、ＰＢは斜面６６を透過しコリメートレンズ５７を通過して積層波長板２９へ入射する。前述したように波長７８５ｎｍに対しては１／２波長板として機能するので、位相差が１８０°ついてＳＢ（Ｓ偏光）として出射し、反射ミラー５８、ＯＢＪ５９を経てＣＤのピット６０へ入射する。
ピット６０で反射したＳＢはＯＢＪ５９、反射ミラー５８を経て積層波長板２９へ入射する。ここで、位相差が１８０°ついてＰＢ（Ｐ偏光）となって出射しコリメートレンズ５７を通過して、Ｐ偏光を透過するＰＢＳ６５を通過してＤＰ６４へ入射する。ＤＰ６４は波長７８５ｎｍのＰ偏光を透過しない光学特性有しているので、ＰＢはＤＰ６４の斜面７０で反射してホロレーザ６９で検出されることとなる。

このようなピックアップ構成とすることでも、１系統のピックアップで２波長対応の光ピックアップ装置を実現することができる。
従って、ＤＶＤ／ＣＤのコンパチブル等の２波長対応のより小型のピックアップ装置を提供することを可能とした。
ここでは、波長板に水晶を用いた場合を例にして説明したが、本発明はこれに限らず、本発明に係る積層波長板は、複屈折性を有する結晶やフィルム等の樹脂に幅広く適用できることは言うまでもない。

１、２、３波長板、４、５結晶光学軸、６直線偏光、７円偏光、８波長板、９直線偏光、１０円偏光、１１Ｐ偏光、１２ＰＢＳ、１３斜面、１４円偏光、１５ピット、１６円偏光、１７楕円偏光、１８楕円偏光、１９楕円偏光、２０Ｓ偏光、２１楕円偏光、２２、２３、２４波長板、２５、２６結晶光学軸、２７Ｓ偏光、２８円偏光、２９、３０、３１波長板、３２、３３結晶光学軸、３４直線偏光、３５円偏光、３６Ｐ偏光、３７Ｓ偏光、３８、３９、４０波長依存性曲線、４１、４２、４３波長板、４４、４５結晶光学軸、４６Ｐ偏光、４７Ｓ偏光、４８、４９Ｐ偏光、５０、５１波長依存性曲線、５２ＬＤ、５３ＰＢＳ、５４斜面、５５ＰＢＳ、５６斜面、５７コリメートレンズ、５８反射ミラー、５９対物レンズ、６０ピット、６１、６２ＰＤ、６３ＬＤ、６４ダイクロイックプリズム、６５ＰＢＳ、６６斜面、６７非点収差板、６８ＰＤ、６９ホロレーザ、７１、７２、７３波長板、７４、７５結晶光学軸

Claims

波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、
互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、
前記位相差αを多数次モードの２５５°、前記位相差βを多数次モードの１３０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
２５．５°−５°≦θ_１≦２５．５°＋５°、
７９．８°−５°≦θ_２≦７９．８°＋５°
を満足し、
前記波長λをλ＝λ１、またはλ＝λ２とし、
前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足することを特徴とする波長板。
請求項１において、
前記位相差αを４次モードの２５５°、前記位相差βを２次モードの１３０°としたことを特徴とする波長板。
波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、
互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、
前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの２７０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
１４°−５°≦θ_１≦１４°＋５°、
７２°−５°≦θ_２≦７２°＋５°
を満足し、
前記波長λをλ＝λ１、またはλ＝λ２とし、
前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足することを特徴とする波長板。
請求項３において、
前記位相差αを５次モードの１８０°、前記位相差βを２次モードの２７０°としたことを特徴とする波長板。
波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、
互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、
前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの２７０°とし、前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
７°−５°≦θ_１≦７°＋５°
５２°−５°≦θ_２≦５２°＋５°
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ１の場合、前記位相差Γが、
Γ＝（２×Ｎ−１）×（π／２）
但し、Ｎは正の整数
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ２の場合、前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π
但し、Ｎは正の整数のうち奇数
を満足することを特徴とする波長板。
請求項５において、
前記位相差αを７次モードの１８０°、前記位相差βを１次モードの２７０°としたことを特徴とする波長板。
波長λの単色光に対して位相差α及び方位角θ_１の第１の位相差板と、前記波長λの単色光に対して位相差β及び方位角θ_２の第２の位相差板と、を夫々の光学軸が交差するように貼り合わせてなり、
互いに波長が異なる２つの波長λ１、λ２の光に対して位相差Γの波長板であって、
前記位相差αを多数次モードの１８０°、前記位相差βを多数次モードの１８０°とし、
前記方位角θ_１と前記方位角θ_２が、
１２°−５°≦θ_１≦１２°＋５°
５７°−５°≦θ_２≦５７°＋５°
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ１の場合、
前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π
但し、Ｎは正の整数のうち奇数
を満足し、
前記波長λが、λ＝λ２の場合、
前記位相差Γが、
Γ＝Ｎ×π
但し、Ｎは正の整数のうち偶数
を満足することを特徴とする波長板。
請求項７において、
前記位相差αを７次モードの１８０°、前記位相差βを３次モードの１８０°としたことを特徴とする波長板。
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、請求項１乃至８の何れか１項に記載の波長板を通過するよう構成されていることを特徴とする光ピックアップ。