KR20100047140A

KR20100047140A - 1/4 파장판, 광픽업 장치 및 반사형 액정 표시 장치

Info

Publication number: KR20100047140A
Application number: KR1020090101213A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 오토
Original assignee: 엡슨 토요콤 가부시키 가이샤
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2010-05-07
Also published as: US20100103084A1; JP5051475B2; TWI391716B; JP2010134414A; US8477272B2; CN101726787B; TW201027149A; CN101726787A

Abstract

복굴절성 및 선광성을 가지는 수정 결정판으로 형성되어, 타원율을 보다 1에 가깝게 하는 것이 가능한 우수한 광학 특성의 1/4 파장판을 제공한다.

1/4 파장판(1)은, 절단 각도가 0°<φ<90°, 특히 φ=5°~30°인 수정판으로 형성된다. 수정판의 광학축 방위각 θ은, 절단 각도에 대응하여 15°≤θ<45°의 범위에서 소정의 관계식에 따라 결정한다. 수정판의 설계 위상차 Γ는, 절단 각도에 대응하여 소정의 관계식에 따라 결정한다. 이와 같이 결정한 광학축 방위각 θ 및 설계 위상차 Γ를 조합함으로써, 수정의 선광성에 의한 편광 상태의 변화 분을 보정하여, 타원율을 1에 가까운 최적값으로 설정할 수 있다.

Description

1/4 파장판, 광픽업 장치 및 반사형 액정 표시 장치{QUARTER-WAVEPLATE, OPTICAL PICKUP, AND REFLECTIVE LIQUID CRYSTAL DISPLAY}

본 발명은, 예를 들면 광픽업 장치, 액정 프로젝터 등의 광학 장치나, 광학 로우패스 필터 등의 광학 부품에 사용되는 1/4 파장판에 관한 것으로, 특히 수정과 같은 복굴절성 및 선광성을 가지는 무기 결정 재료로 이루어지는 1/4 파장판에 관한 것이다. 또한 본 발명은, 이와 같은 1/4 파장판을 이용한 광픽업 장치 및 반사형 액정 표시 장치에 관한 것이다.

종래, 직선 편광과 원편광의 사이에서 편광 상태를 변환하는 1/4 파장의 위상판 즉 1/4 파장판이, 다양한 광학적 용도로 사용되고 있다. 일반적으로 1/4 파장판은, 연신 처리에 의해 복굴절성을 갖게 한 폴리카보네이트 등의 유기계 재료로 이루어지는 수지 필름, 고분자 액정층을 투명 기판으로 협지한 위상차판, 수정 등의 복굴절성을 가지는 무기 결정 재료의 결정판으로 만들어진다(예를 들면, 특허 문헌 1 내지 4를 참조).

특히 최근, 광디스크 장치의 기록 재생에 사용하는 광픽업 장치에는, 기록의 고밀도화 대용량화를 도모하기 위해, 매우 단파장이며 고출력의 청자색 레이저가 채용되고 있다. 그런데, 상기 서술한 수지 필름이나 액정 재료는, 청색으로부터 자외역의 광을 흡수하기 쉬운 물성을 가지므로, 청자색 레이저광을 흡수하여 발열하고, 재질 자체가 열화하여 파장판의 기능을 해칠 우려가 있다. 그에 반해, 수정 등의 무기 결정 재료는 내광성이 매우 높기 때문에, 수정 파장판은 청자색 레이저를 사용하는 것 같은 광학계에 특히 유리하다.

수정 파장판은, 다양한 구조의 것이 개발되고 있다. 예를 들면, 특허 문헌 3에 기재된 결정판은, 그 광학축이 그 입사면의 법선에 대해서 기울어져 있을 때에 주타원 편광의 타원율 k를 구하여, 하기의 관계식에 의해 결정판의 두께 d를 산출함으로써, 정밀도가 높은 직선-원편광 변환을 가능하게 하고 있다.

cos｛(2π／λ)×Δn·d｝=-｛2k/(1-k²)｝²

여기서, λ는 상기 결정판에 입사하는 광의 사용 파장, Δn은 상기 주타원 편광에 대한 굴절률의 차이다.

일반적으로 광픽업 장치는, 반도체 레이저로부터의 레이저 빔을 1/4 파장판에 의해 직선 편광으로부터 원편광으로 변환하여, 이것을 광디스크의 표면에 의해 반사시키고, 상기 1/4 파장판에서 직선 편광으로 되돌린 후, 수광 장치로 전기 신호로 변환한다. 그런데, 레이저광은 발산광이므로, 1/4 파장판을 투과할 때에 그 입사 각도 의존성 때문에 완전한 원편광이 되지 않고 타원 편광이 된 성분이, 광디스크 표면에서 반사되어 반도체 레이저로 되돌아오기 때문에, 레이저 발진을 불안정하게 한다는 문제를 발생시킨다. 이와 같은 문제에 관해서, 특허 문헌 4에 기재 된 결정판은, 광의 입사각에 의해 결정하는 이상(異常)광의 굴절 방향을 광학축 이외의 결정축과 일치시키고 또한 광학축을 직교시킴으로써, 입사각의 변동에 의한 상광(常光)과 이상광 간의 위상차의 변화량을 극소로 하고, 입사 각도 의존성의 문제를 개선하여, 입사하는 직선 편광을 항상 거의 완전하게 원편광으로 변환하여 출사할 수 있도록 하고 있다.

또, 2장의 결정판을 그들의 광학축이 서로 접합면에 관해서 대칭이며 또한 판면의 법선 방향에서 보아 서로 평행이도록 붙임으로써, 빔 입사각의 변동에 의한 리타데이션의 변화를 캔슬할 수 있도록 한 위상판이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 5를 참조). 또한, 제1의 파장판과 제2의 파장판을 붙인 적층 1/4 파장판에 있어서, 광로보다 약간 경사시켜 배치한 경우에도, 그곳에 발생하는 양 파장판의 광학축의 어긋남을 예측하여 미리 그들의 광학축을 어긋나게 적층함으로써, 1/4 파장판으로서 원하는 기능을 발휘하도록 한 구조가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 6을 참조).

또, 수정이 가지는 선광성은, 수정 파장판의 성능에 영향을 미칠 수 있는 것이 잘 알려져 있다. 이 문제에 대해서, 선광능을 가지는 광학 재료로 이루어지는 2개의 파장판을 서로 광축을 교차하도록 겹쳐 맞춰 적층하고, 푸앵카레구를 이용한 근사식에 의해 구한 양 파장판의 위상차, 광학축 방위 각도, 선광능, 및 회전축과 중성축이 이루는 각이 소정의 관계식을 만족하도록 구성함으로써, 선광능에 의한 영향을 저감하고, 광대역에 있어서 특성을 좋게 한 1/4 파장판이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 7을 참조).

이 1/4 파장에 대해서, 동 특허 문헌 7의 도 1과 동일한 도 26의 푸앵카레구를 이용하여 설명한다. 동 도는, 수정 결정 중을 파장 λ의 광이 진행할 때의 작용을 예시하고 있다. 광의 입사 방향을 적도 상의 2점 Cf, Cs를 통과하는 중성축 S1로 하고, 그 중성축 S1의 방향으로 직선 복굴절로부터 위상차 Γ가 부여되고, 북극과 남극을 통과하는 극축 방향 LR으로 원복굴절로부터 위상차 2ρ가 부여되는 경우에, 이들의 합성 벡터 Γ＇를 생각한다. 합성 벡터 Γ＇의 연장 방향으로 푸앵카레구와 교차하는 2점을 Pa, P로 하고, 직선 PaP와 중성축 S1 및 이것에 직교하는 중성축 S2를 항상 포함하는 면이 이루는 각 β는, 위상차 벡터 Γ와 위상차 벡터 2ρ를 이용하여 다음 식으로 표시된다.

tanβ=2ρ／Γ

따라서, 합성 벡터 Γ＇는 다음 식으로 표시된다.

여기서, Γ 및 ρ는, n_e＇을 이상광 굴절률, n_o를 상광 굴절률, n_R를 우원편광 굴절률, n_L를 좌원편광 굴절률, d를 결정의 두께로 하여, 이하의 관계를 만족한다.

이와 같이, 합성 벡터 Γ＇는 직선 복굴절성에 의한 위상차와 원복굴절성에 의한 위상차를 합성한 것으로, 푸앵카레구 상에서 직선 PaP를 회전축으로서 벡터 Γ＇만큼 회전하는 거동으로서 취급할 수 있다.

상기 특허 문헌 7에서는, 선광능을 가지는 수정 파장판에 있어서 그 위상차 특성을 유효하게 시뮬레이션하기 위해서, 수정 파장판의 작용 W은, 수정 파장판을 두께 방향으로 n개의 선광자 Ti(i=1~n)와 위상자 Ri(i=1~n)로 분할하여, 이들이 교대로 작용하는 소자로서 행렬을 이용하여 다음 식과 같이 근사시키고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허 2005-208588호 공보

특허 문헌 2 : 일본 공개특허 2006-40343호 공보

특허 문헌 3 : 일본 공고특허 소52-4948호 공보

특허 문헌 4 : 일본 공고특허 평3-58081호 공보

특허 문헌 5 : 일본 공고특허 평3-61921호 공보

특허 문헌 6 : 일본 공개특허 2006-40359호 공보

특허 문헌 7 : 일본 공개특허 2005-158121호 공보

특히 고기록 밀도 광디스크 장치의 광픽업 장치에 사용하는 1/4 파장판은, 타원율 0.9 이상의 높은 직선-원편광 변환 성능이 요구되고 있다. 그러나, 상기 서술한 종래의 수정 파장판은, 모두 수정의 선광성에 의한 파장판의 편광 상태의 변화가 타원율 및 위상차 쌍방에 부여하는 직접적인 영향을 고려하여 설계되어 있지 않다. 그 때문에, 선광성의 영향을 완전하게 배제하지 못하여, 1/4 파장판의 타원율을 0.9 이상의 높은 값으로 또는 실질적으로 1에 가깝게 하는 것이 곤란하다.

그래서, 본원 발명자들은, 1/4 수정 파장판에 있어서, 그 선광성이 편광 상태에 어떠한 변화를 미치는지, 그 편광 상태의 변화를 어떻게 하여 해소할 수 있는지를 검증했다. 우선, 파장 λ=405nm에 있어서, 통상의 수법에 따라 설계한 광학축 방위각 θ=45°, 설계 위상차 Γ=90°의 수정 파장에 대해서, 수정판의 절단 각도에 관한 타원율, 위상차, 파장판의 두께 t를 각각 시뮤레이션했다. 여기서, 위상차란, 파장판에 입사하는 광과 그 파장판으로부터 출사하는 광 사이에 발생하는 실제의 위상차를 말한다. 광학축 방위각이란, 파장판에 입사하는 광의 직선 편광의 편광면과 그 파장판의 입사면(또는 출사면)에 투영한 결정 광학축이 이루는 각도이다. 수정판의 절단 각도는, 수정판의 입사면에 세운 법선과 수정 결정의 Z축(광학축)이 이루는 각도이다. 또한, 본 시뮬레이션에는, 우수정을 사용했다. 위상차 Γ는, 주지의 다음 식으로 계산된다.

Γ=(360/λ)·(n_e-n_o) t

n_o：상광 굴절률

n_e：이상광 굴절률

도 27 및 도 28은, 각각 종래부터 알려진 단판 타입의 수정 1/4 파장판(121, 131)을 나타내고 있다. 도 27(A), (B)의 파장판(121)은, 입사광 L의 직선 편광을 우회전의 원편광으로 변환하여 출사하는 우선광성을 가지며, 그 광학축 방위각 θ은 45°이다. 이 파장판에 입사한 직선 편광의 광은, 수정의 복굴절성에 의해, 위상차 90°에 더하여, 선광성에 의한 편광면의 회전이 작용하므로, 도 27(C)에 나타내는 바와 같이, 원편광이 아니고, 우회전의 타원 편광이 되어 출사면으로부터 출사된다. 한편, 도 28(A)(B)의 파장판(131)은, 입사광 L의 직선 편광을 좌회전의 원편광으로 변환하여 출사하는 좌선광성을 가지며, 그 광학축 방위각 θ는 135°이다. 이 파장판에 입사한 직선 편광의 광은, 마찬가지로 수정의 복굴절성에 의해, 위상차 90°에 더하여, 선광성에 의한 편광면의 회전이 작용하므로, 도 28(C)에 나타내는 바와 같이, 원편광이 아니라, 좌회전의 타원 편광이 되어 출사면으로부터 출사된다. 또한, 본 시뮬레이션에 사용한 파장판은, 도 27(A), (B)에 나타내는 구조의 것이다.

이 결과를 도 29(A) 내지 (C)에 나타낸다. 도 29(A)(B)로부터, 수정판의 절단 각도 φ가 클수록, 타원율은 1에 접근하고, 위상차는 90°를 유지하고 있어, 선광성의 영향이 작은 것을 알 수 있다. 이에 반해, 절단 각도 φ가 약 5~20°의 작 은 범위에서는, 타원율이 0.9 이하이며, 위상차도 90°를 안정적으로 유지할 수 없다. 그런데, 도 29(C)로부터 알 수 있는 바와 같이, 절단 각도 φ가 약 30~90°의 범위에서는, 수정판의 두께가 10~26μm 정도까지 얇아져 버린다. 그 때문에, 수정판의 강도가 현저하게 저하하고, 취약하여 깨지기 쉬워지므로, 제조상 및 실제의 사용상의 취급이 매우 곤란하다.

수정판의 두께가 제조상 곤란해지지 않기 위해서는, 적어도 80μm정도 필요하다. 그래서, 수정판의 절단 각도를 10°로 설정하여, 위상차 및 타원율의 파장 의존성을 시뮬레이션했다. 도 30은, 통상의 설계 수법에 의해 광학축 방위각 θ=45°, 설계 위상차 Γ₀=90°로 설계한 경우이며, 타원율을 실선으로, 위상차를 점선으로 각각 나타내고 있다. 동 도에 나타내는 바와 같이, 파장 λ=405nm이며 타원율이 약 0.46, 위상차가 102.2°였다.

이것을 도 31의 푸앵카레구로 설명하면, 다음과 같이 된다. 도 30의 경우, 입사광의 기준점을 P₀=(1, 0, 0)로 하여, 회전축 R₀을 S1축으로부터 S2축을 중심으로 2θ=90°회전한 위치로 설정하고, 이것을 또한 S1·S2평면에 대해서 각도 2ρ(ρ：수정판의 선광각)만큼 북극 S3 방향으로 기울인다. 이 회전축 R₀을 중심으로 기준점을 P₀를 위상차 δ=90°만큼 오른쪽으로 회전시키면, 그 구 상의 점 P₁이 실제의 출사광의 위치가 된다. 이와 같이 원편광이 출사되는 북극으로부터 크게 떨어진 위치로부터 출사되는 타원 편광으로는, 높은 타원율을 요구하는 광픽업 장치와 같은 광학계에는 적합하지 않다.

그래서 본 발명은, 상기 서술한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 복굴절성 및 선광성을 가지고, 단파장이며 고출력의 청자색 레이저에 대해서 충분한 내광성, 신뢰성을 발휘하는 수정 등의 무기 재료의 결정판으로 형성되고, 또한 타원율을 최적으로 즉 0.9 이상의 높은 값으로 또는 실질적으로 1에 가깝게 하는 것이 가능한 우수한 광학 특성의 1/4 파장판을 제공하는 것에 있다.

또한 본 발명은, 이와 같은 광학 특성이 우수한 1/4 파장판을 이용함으로써, 보다 고기록 밀도의 광디스크 장치에 적절한 광픽업 장치, 및 종래보다도 콘트라스트를 개선한 반사형 액정 표시 장치를 실현하는 것을 목적으로 한다.

본원 발명자들은, 도 27에 관련하여 상기 서술한 수정에 대해서, 또한 광학축 방위각과 타원율의 관계를 시뮬레이션했다. 그 결과를 도 1에 나타낸다. 동 도로부터, 광학축 방위각 θ=35°부근에서 타원율이 최대 또한 0.9 이상의 양호한 값이 되는 것을 알 수 있었다.

이 θ=35°이며, 동일한 절단 각도 φ=10°, 설계 위상차 Γ₀=90°의 수정판을 설계하여, 위상차 및 타원율의 파장 의존성을 시뮬레이션하여 검증했다. 그 결과를 도 2에, 타원율을 실선으로 위상차를 점선으로 각각 나타낸다. 제조상의 오차나 제품 수율을 고려하면, 타원율을 더 1에 가깝게 하는 것이 바람직하다.

그래서, 설계 위상차 Γ₀와 광학축 방위각 θ의 관계를 검증했다. θ=33°, 33.5°, 34°, 34.5°, 35°에 대해서, 설계 위상차에 관한 타원율의 변화를 시뮬 레이션하여, 그 결과를 도 3에 나타낸다. 타원율은, 설계 위상차 91.5°, 광학축 방위각 34°부근에서 약 0.99까지 개선할 수 있었다. 동 도로부터, 간단히 광학축 방위각 뿐만이 아니라, 그것과 설계 위상차를 서로 변화시킴으로써, 타원율을 개선할 수 있는 것이 판명되었다.

이 때의 위상차 및 타원율의 파장 의존성을 도 4에, 타원율을 실선으로 위상차를 점선으로 각각 나타낸다. 동 도로부터, 제조상의 오차나 제품 수율을 고려해도, 파장 405nm 부근에서 충분히 높은 타원율을 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.

이들을, 도 5의 푸앵카레구를 이용하여 설명한다. 또한 도 6(A)(B)는, 도 5의 푸앵카레구를 각각 S1방향(정면) 및 S3방향(평면)에서 본 도를 나타내고 있다. 도 2의 경우, 마찬가지로 입사광 L의 기준점을 P₀=(1, 0, 0)로 하여, 회전축 R₁을 S1축으로부터 S2축을 중심으로 2θ=70°회전한 위치에 설정하고, 이것을 다시 S1·S2평면에 대해서 각도 2ρ(ρ：수정판의 선광각)만큼 북극 S3 방향으로 기울인다. 이 회전축 R₁를 중심으로 기준점 P₀을위상차 δ₁=90°만큼 오른쪽으로 회전시키면, 그 구 상의 점 P₁₁이 실제의 출사광의 위치가 된다. 파장 λ=405nm이며 타원율이 약 0.46인 도 30의 경우와 비교하여, 출사광의 위치가 보다 북극에 가깝고, 타원율이 더 1에 가까워져 있다.

도 4의 경우, 회전축 R₁은 S1축측으로 조금 되돌리듯이 회전시킨 위치에, 회전축 R₂을 설정한다. 이 회전축 R₂을 중심으로 기준점을 P₀를 위상차 δ₂=91.5°만큼 오른쪽으로 회전시키면, 그 구 상의 점 P₁₂이 실제의 출사광의 위치가 된다. 도 2의 경우와 비교하여, 출사광의 위치가 더 북극에 가깝게, 타원율이 더 1에 가까워져 있다.

이러한 시뮬레이션결과로부터, 수정의 선광성에 의한 편광 상태의 변화 분을 보정량으로서, 수정의 복굴절성에 의한 위상의 변화량 즉 설계 위상차와 광학축 방위각에 더함으로써, 타원율을 1에 매우 가까운 값으로 종래보다도 큰폭으로 개선할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한 본원 발명자들은, φ=10°이외의 절단 각도에 대해서도, 동일한 시뮬레이션을 행했다. 설계 위상차 Γ₀를 90°로 가정하여, 수정판의 절단 각도를 5°부터 30°까지 5°씩 단계적으로 변화시키고, 광학축 방위각 θ과 타원율의 관계를 시뮬레이션했다. 그 결과를 도 7에 나타낸다. 각 절단 각도에 대해서, 타원율을 최대로 하는 최적의 광학축 방위각은 다음과 같았다.

절단 각도 최적 광학축 방위각 최대 타원율

5° 20° 0.76

10° 34° 0.95

15° 40° 0.99

20° 42° 0.99

25° 43° 0.99

30° 44° 0.98

이 결과로부터, 종래의 수정 1/4 파장판이 절단 각도에 관계없이 광학축 방위각을 θ=45°로 설정하고 있는데 반해, 절단 각도에 의해 광학축 방위각 θ을 45°로부터 바꿈으로서, 타원율을 개선할 수 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 타원율은, 절단 각도 φ가 작은 경우에, 특히 φ=5°에서 최대 0.76 정도로 작게, 그대로 1/4 파장판으로서 광픽업 장치에 이용하는 것은 바람직하지 않다.

그래서, 다시 설계 위상차 Γ₀를 90°로부터 변화시켜, 타원율을 보다 개선할 수 있도록 광학축 방위각의 새로운 최적화를 시도했다. 도 8(A)~도 13(A)은, 각각 각 절단 각도의 최적 광학축 방위각을 포함하는 어느 범위의 광학축 방위각에 대해 시뮤레이션한 설계 위상차와 타원율의 관계를 나타내고 있다. 도 8(B)~도 13(B)은, 동일한 각 절단 각도의 최적 광학축 방위각을 포함하는 어느 범위의 광학축 방위각에 대해서, 각각 광학축 방위각의 변화에 대한 타원율을 나타내고 있다. 도 8~도 13의 결과로부터, 각 절단 각도에 대해서, 타원율 0.9 이상을 확실히 만족하는 광학축 방위각의 범위와 설계 위상차의 범위의 조합이 존재하는 것이 확인되었다.

이러한 결과를 정리하면, 다음과 같이 된다.

여기서, 광학축 보정량이란, 종래의 직선 편광을 우회전 원편광으로 변환하는 수정 1/4 파장판에 있어서 일반적으로 설정하는 광학축 방위각 θ=45°로부터의 보정량을 표시한 것으로, 45°로부터 최적 광학축 방위각을 뺀 값이다. 위상차 보정량이란, 동일한 종래의 직선 편광을 우회전 원편광으로 변환하는 수정 1/4 파장판에 있어서 일반적으로 설정하는 설계 위상차 Γ₀=90°로부터의 보정량을 표시한 것으로, 최적 설계 위상차로부터 90°를 뺀 값이다.

도 8(B)~도 13(B)의 결과로부터, 절단 각도마다 타원율이 최대가 되는 광학축 방위각을 추출하여, 그 관계를 절단 각도 φ=5~30°의 범위에서 도 14(A)에 플롯했다. 또한, 절단 각도 φ와 광학축 방위각 θ의 보정량 a의 관계를 도 14(B)에 플롯했다. 이들 도로부터, 타원율을 최적으로 즉 1에 가까운 값으로 최대로 설정할 수 있는 광학축 방위각 θ과 절단 각도 φ의 관계를, 다음의 다항식과 같이 일반화할 수 있었다.

마찬가지로, 도 8(A)~도 13(A)의 결과로부터, 절단 각도마다 타원율이 최대가 되는 설계 위상차를 추출하여, 그 관계를 절단 각도 φ=5~30°의 범위에서 도 15(A)에 플롯했다. 또한, 절단 각도 φ와 위상차 Γ의 보정량 b의 관계를 도 15(B)에 플롯했다. 이들 도로부터, 타원율을 최적으로 즉 1에 가까운 값으로 최대로 설정할 수 있는 설계 위상차 Γ와 절단 각도 φ의 관계를, 다음의 다항식과 같이 일반화할 수 있었다.

상기 설명은, 직선 편광을 우회전 원편광으로 변환하는 수정 1/4 파장판에 대해 행한 것이다. 이것과 동일한 해석 수법은, 직선 편광을 좌회전 원편광으로 변환하는 수정 1/4 파장판에 대해서도 이용할 수 있다. 그 경우, 타원율을 최적으로 즉 1에 가까운 값으로 최대로 설정할 수 있는 광학축 방위각 θ과 절단 각도 φ의 관계를, 다음의 다항식과 같이 일반화할 수 있다.

마찬가지로, 타원율을 최적으로 즉 1에 가까운 값으로 최대로 설정할 수 있는 설계 위상차 Γ와 절단 각도 φ의 관계를, 다음의 다항식과 같이 일반화할 수 있다.

이와 같이 하여, 직선 편광을 좌회전 원편광으로 변환하는 수정 1/4 파장판에 대해서도, 타원율을 1에 가까운 값으로 최대로 설정할 수 있다. 또한, 상기 시뮬레이션은, 우수정을 1/4 파장판에 이용한 경우이다. 그 경우, 우수정은, 주지와 같이 입사광의 편광을 출사면측에서 보아 우방향으로 회전시키는 우선광성을 가진다. 이에 반해, 좌수정은, 입사광의 편광을 출사면측에서 보아 좌방향으로 회전시키는 좌선광성을 가지며, 우수정과는 선광의 방향이 역방향으로 작용한다. 따라서, 1/4 파장판의 복굴절 재료로서 좌수정을 이용하는 경우는, 광학축 방위각을 보정하는 방향 즉 정부의 방향을, 우수정의 경우와는 역방향으로 설정하면 되게 된다.

좌수정이며 직선 편광을 우회전 원편광으로 변환하는 1/4 파장판의 경우, 타원율을 최적으로 즉 1에 가까운 값으로 최대로 설정할 수 있는 광학축 방위각 θ과 절단 각도 φ의 관계를, 다음의 다항식과 같이 일반화할 수 있다.

또한, 타원율을 최적으로 즉 1에 가까운 값으로 최대로 설정할 수 있는 설계 위상차 Γ와 절단 각도 φ의 관계는, 다음의 다항식과 같이 일반화할 수 있다.

또, 좌수정이며 직선 편광을 좌회전 원편광으로 변환하는 1/4 파장판의 경우, 타원율을 최적으로 즉 1에 가까운 값으로 최대로 설정할 수 있는 광학축 방위각 θ과 절단 각도 φ의 관계를, 다음의 다항식과 같이 일반화할 수 있다.

본 발명은, 이와 같은 지견에 기초하여 안출된 것이다. 본 발명에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위해서, 복굴절성 및 선광성을 가지는 무기 재료의 결정판으로 형성되고, 그 결정판의 입사면으로부터 입사하는 직선 편광을 변환하여 원편광 으로서 결정판의 출사면으로부터 출사하거나, 또는 그 결정판의 입사면으로부터 입사하는 원편광을 변환하여 직선 편광으로서 결정판의 출사면으로부터 출사하는 1/4 파장판으로서, 결정판의 입사면에 세운 법선과 그 결정판의 광학축이 이루는 절단 각도 φ를 0°<φ<90°의 범위로 설정하여, 결정판의 광학축을 그 입사면에 투영한 광학축 투영선과 상기 직선 편광의 편광면이 이루는 광학축 방위각 θ을 0°<θ<90°또한 θ≠45°, 또는 90°<θ<180° 또한 θ≠135°의 범위로 설정한 1/4 파장판이 제공된다.

이와 같이, 결정판의 절단 각도에 기초하여 최적의 광학축 방위각 θ과 설계 위상차 Γ의 조합을 설정함으로써, 그 선광성에 의한 편광 상태의 변화 분을 보정하여, 파장판의 타원율을 절단 각도에 대응하여 최대로 하는, 즉 가능한 한 1에 가까운 최적의 값으로 할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 1/4 파장판은, 특히 광픽업 장치에 사용되고 있는 단파장이며 고출력의 청자색 레이저에 대해서 충분한 내광성 및 높은 신뢰성을 발휘할 뿐만 아니라, 우수한 광학 특성을 얻을 수 있다.

어느 실시예에서는, 상기 결정판이 수정으로 이루어지며, 그 수정이 우수정인 경우에는, 광학축 방위각 θ을 0°<θ<45°로, 수정의 복굴절성에 의한 위상차 Γ를 Γ>90°로 설정하고, 수정이 좌수정인 경우에는, 광학축 방위각 θ을 45°<θ< 90°로, 수정의 복굴절성에 의한 위상차 Γ를 Γ>90°로 설정함으로써, 1/4 파장판의 타원율을 절단 각도에 대응하여 가능한 한 1에 가까운 최대의 값으로 할 수 있다.

다른 실시예에서는, 상기 결정판이 수정으로 이루어지며, 그 수정이 우수정 인 경우에는, 광학축 방위각 θ을 90°<θ<135°로, 수정의 복굴절성에 의한 위상차 Γ를 Γ>90°로 설정하고, 수정이 좌수정인 경우에는, 광학축 방위각 θ을 135°<θ< 180°로, 수정의 복굴절성에 의한 위상차 Γ를 Γ<90°로 설정함으로써, 마찬가지로 1/4 파장판의 타원율을 절단 각도에 대응하여 가능한 한 1에 가까운 최대의 값으로 할 수 있다.

또, 다른 실시예에서는, 상기 결정판의 절단 각도 φ를 5°≤φ≤30°의 범위로 설정함으로써, 특히 결정판의 선광성에 의한 편광 상태의 변화 분을 효과적으로 보정할 수 있다.

특히, 절단 각도 φ를 5°≤φ≤30°의 범위로 설정하고, 수정이 우수정인 경우에는, 광학축 방위각 θ을 θ=45°-a, 위상차 Γ를 Γ=90°＋b로 했을 때, 수정이 좌수정인 경우에는, 광학축 방위각 θ을 θ=45°＋a, 위상차 Γ을 Γ=90°-b로 했을 때, 1°≤a≤30° 및 O°≤b≤12°를 만족하도록 하는 것이 바람직하다. 또, 절단 각도 φ를 5°≤φ≤30°의 범위로 설정하고, 수정이 우수정인 경우에는, 광학축 방위각 θ을 θ=135°-a, 위상차 Γ를 Γ=90°＋b로 했을 때, 수정이 좌수정인 경우에는, 광학축 방위각 θ을 θ=135°＋a, 위상차 Γ를 Γ=90°-b로 했을 때, 1°≤a≤30° 및 0°≤b≤12°를 만족하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 이들 경우에, 상기 a, b가 각각 다음 식을 만족하도록 결정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 1/4 파장판의 타원율을 보다 한층 1에 가까운 값으로 설정하거나 또는 가깝게 할 수 있다.

또, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 광원과, 그 광원으로부터 출사되는 광을 기록 매체 상에 집광하는 대물 렌즈와, 기록 매체에 의해 반사된 광을 검출하는 광검출기를 구비하고, 상기 서술한 본 발명의 1/4 파장판을 광원과 대물 렌즈 간의 광로 중에 배치한 광픽업 장치가 제공된다. 상기 서술한 바와 같이 타원율을 보다 1에 가까운 최적의 값으로 설정한 1/4 파장판을 이용함으로써, 보다 고기록 밀도의 광디스크 장치에 적절한 광픽업 장치를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 광원과, 그 광원으로부터 출사되는 광을 복수의 상이한 색의 광으로 분해하는 색분해 광학계와, 그 색분해 광학계로부터의 각 색의 광을 각각 투과시키는 복수의 편광 변환 소자와, 그 각 편광 변환 소자를 투과한 광을 각각 투과시키는 복수의 편광빔 스플리터와, 그 각 편광빔 스플리터를 투과한 광을 각각 입사시키는 복수의 반사형 액정 표시 소자와, 그 각 반사형 액정 표시 소자에 의해 반사된 광을 합성하는 색합성 광학계와, 그 색합성 광학계에 의해 합성된 광을 투사하여 결상시키는 투사 렌즈를 구비하고, 상기 서술한 본 발명의 복수의 1/4 파장판을 각각 각 반사형 액정 표시 소자와 각 편광빔 스플리터 간의 광로 중에 배치한 반사형 액정 표시 장치가 제공된다. 마찬가지로, 상기 서술한 바와 같이 타원율을 보다 1에 가까운 최적의 값으로 설정한 1/4 파장판을 이용함으로써, 종래보다도 콘트라스트를 개선한 반사형 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.

이하에, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 16(A)(B)는, 본 발명에 의한 1/4 파장판의 제1 실시예를 개략적으로 나타내고 있다. 본 실시예의 1/4 파장판(1)은, 두께가 일정한 단일의 수정 파장판으로 형성되어 있다. 이 수정 파장판은, 도 17에 나타내는 바와 같이, 그 입사면(1a)(또는 출사면(1b))에 세운 법선과 광학축(Z축)에 의해 확정되는 절단 각도 φ가 0° <φ<90°의 범위에 있는 수정판(1＇)으로 잘라내어진다. 특히, 절단 각도를 φ=5°~30°의 범위로 설정하면, 1/4 파장판으로서 제조상 곤란해지지 않는 충분한 강도를 가지는 두께의 수정 파장판을 가공할 수 있다.

제1 실시예의 1/4 파장판(1)은, 이것을 구성하는 수정이 우수정이며, 입사광의 직선 편광을 우회전 원편광으로 변환하는 우선광성을 가진다. 파장판(1)은, 광학축 방위각 θ 즉 입사면(1a)에 투영한 광학축(2)과 입사광의 직선 편광의 편광면의 방향(3)이 이루는 각도를 종래의 45°보다도 작게, 15°≤θ<45°의 범위로 설정한다. 절단 각도 φ에 대응한 최적의 광학축 방위각 θ은, 도 14에 관련하여 상기 서술한 바와 같이, 다음의 식을 이용하여 결정한다.

또한, 파장판(1)의 설계 위상차 Γ는, 도 15에 관련하여 상기 서술한 다음의 식을 이용하여, 절단 각도 φ에 대응하여 최적값을 결정한다.

예를 들면, 절단 각도 φ를 φ=13°로 하고, 우수정으로 이루어지는 1/4 파장판(1)을 설계하는 경우, 상기 수학식 16으로부터 a=6.1°이 산출된다. 따라서, 최적의 광학축 방위각 θ은, θ=45°-6.1°=38.9°

이 된다. 또, 상기 수학식 17로부터 b=0.3이 산출되고, 최적의 설계 위상차 Γ는, Γ=90°+0.3°=90.3°

이 된다.

도 16(C)에 나타내는 바와 같이, 1/4 파장판(1)의 입사면(1a)으로부터 입사한 직선 편광에는, 수정의 복굴절성에 의한 위상차와 선광성에 의한 편광면의 회전이 작용한다. 그러나, 1/4 파장판(1)은, 상기 서술한 바와 같이 절단 각도 φ에 기초하여 최적의 광학축 방위각 θ 및 설계 위상차 Γ를 결정한 것에 의해, 위상차 δ 및 광학축 방위각 θ이 최적값으로 설정되어 있다. 따라서, 입사광의 직선 편광은, 타원율이 대략 1의 타원 편광으로 변환되어, 실질적으로 원편광으로서 출사면(1b)으로부터 출사한다.

이 광학 작용을, 도 16(D)에 나타내는 푸앵카레구를 이용하여 설명한다. S1·S2평면에 평행한 직선 편광의 입사광의 기준점을 P₀=(1, 0, 0)로 하고, 회전축 R₁을 S1축으로부터 S3축을 중심으로 하여 2θ 회전한 위치에 설정하고, 이것을 또한 S1·S2평면에 대해서 각도 2ρ(ρ：수정판의 선광각)만큼 북극 S3 방향으로 기울인다. 또한, 회전축 R₁을 S1축측으로 조금 되돌리듯이 회전시킨 위치에, 회전축 R₂을 설정한다. 이 회전축 R₂을 중심으로 기준점 P₀을, 일반적인 설계 위상차 90°로부터의 보정량을 더한 최적 위상차 δ만큼 오른쪽으로 회전시키면, 그 구 상의 북극에 대략 일치하는 점 P₂에 도달한다. 이 점 P₂가 실제의 출사광의 위치가 되므로, 입사광의 직선 편광은 원편광이 되어 출사한다.

도 18(A), (B)는, 제1 실시예의 변형예의 1/4 파장판(1)을 개략적으로 나타내고 있다. 본 실시예의 1/4 파장판(11)은, 이것을 구성하는 수정이 우수정이며, 입사광의 직선 편광을 좌회전 원편광으로 변환하는 좌선광성을 가진다. 파장판(11)은, 광학축 방위각 θ 즉 입사면(11a)에 투영한 광학축(12)과 입사광의 직선 편광의 편광면의 방향(13)이 이루는 각도를 종래의 135°보다도 작게, 105°≤θ<135°의 범위로 설정한다.

절단 각도 φ에 대응한 최적의 광학축 방위각 θ은, 상기 서술한 다음의 식을 이용하여 결정한다.

또한, 파장판(11)의 설계 위상차 Γ는, 상기 서술한 다음의 식을 이용하여, 절단 각도 φ에 대응하여 최적값을 결정한다.

도 18(C)에 나타내는 바와 같이, 1/4 파장판(11)의 입사면(11a)으로부터 입사한 직선 편광에는, 수정의 복굴절성에 의한 위상차와 선광성에 의한 편광면의 회전이 작용한다. 그러나, 1/4 파장판(11)은, 상기 서술한 바와 같이 절단 각도 φ에 기초하여 최적의 광학축 방위각 θ 및 설계 위상차 Γ를 결정한 것에 의해, 위상차 δ 및 광학축 방위각 θ이 최적값으로 설정되어 있다. 따라서, 입사광의 직선 편광은, 타원율이 대략 1의 타원 편광으로 변환되어, 실질적으로 원편광으로서 출사면(11b)으로부터 출사한다.

이 광학 작용을, 도 18(D)에 나타내는 푸앵카레구를 이용하여 설명한다. S1·S2평면에 평행한 직선 편광의 입사광의 기준점을 P₀=(1, 0, 0)로 하고, 회전축 R₁을 S1축으로부터 S3축을 중심으로 하여 2θ 회전한 위치로 설정하고, 이것을 또한 S1·S2평면에 대해서 각도 2ρ(ρ=수정판의 선광각)만큼 북극 S3 방향으로 기울인다. 또한, 회전축 R₁을 S1축측으로 조금 되돌리듯이 회전시킨 위치에, 회전축 R₂을 설정한다. 이 회전축 R₂을 중심으로 기준점 P₀을, 일반적인 설계 위상차 90°로부터의 보정량을 더한 최적 위상차 δ만큼 오른쪽으로 회전시키면, 그 구 상의 남극에 대략 일치하는 점 P₂에 도달한다. 이 점 P₂가 실제의 출사광의 위치가 되므로, 입사광의 직선 편광은 원편광이 되어 출사한다.

도 19(A), (B)는, 제1 실시예의 다른 변형예의 1/4 파장판(1)을 개략적으로 나타내고 있다. 본 실시예의 1/4 파장판(21)은, 이것을 구성하는 수정이 좌수정이며, 입사광의 직선 편광을 우회전 원편광으로 변환하는 우선광성을 가진다. 파장판(21)은, 광학축 방위각 θ 즉 입사면(21a)에 투영한 광학축(22)과 입사광의 직선 편광의 편광면의 방향(23)이 이루는 각도를 종래의 45°보다도 크게, 45°<θ≤75°의 범위로 설정한다.

또한, 파장판(21)의 설계 위상차 Γ는, 상기 서술한 다음의 식을 이용하여, 절단 각도 φ에 대응하여 최적값을 결정한다.

도 19(C)에 나타내는 바와 같이, 1/4 파장판(21)의 입사면(21a)으로부터 입 사한 직선 편광에는, 수정의 복굴절성에 의한 위상차와 선광성에 의한 편광면의 회전이 작용한다. 그러나, 1/4 파장판(21)은, 상기 서술한 바와 같이 절단 각도 φ에 기초하여 최적의 광학축 방위각 θ 및 설계 위상차 Γ를 결정한 것에 의해, 위상차 δ 및 광학축 방위각 θ이 최적값으로 설정되어 있다. 따라서, 입사광의 직선 편광은, 타원율이 대략 1의 타원 편광으로 변환되어, 실질적으로 원편광으로서 출사면(21b)으로부터 출사한다.

이 광학 작용을, 도 19(D)에 나타내는 푸앵카레구를 이용하여 설명한다. S1·S2평면에 평행한 직선 편광의 입사광의 기준점을 P₀=(1, 0, 0)로 하고, 회전축 R₁을 S1축으로부터 S3축을 중심으로 하여 2θ 회전한 위치로 설정하고, 이것을 또한 S1·S2평면에 대해서 각도 2ρ(ρ：수정판의 선광각)만큼 북극 S3 방향으로 기울인다. 또한, 회전축 R₁을 S1축측으로부터 조금 더 진행하도록 회전시킨 위치에, 회전축 R₂을 설정한다. 이 회전축 R₂을 중심으로 기준점 P₀를, 일반적인 설계 위상차 90°로부터의 보정량을 더한 최적 위상차 δ만큼 오른쪽으로 회전시키면, 그 구 상의 북극에 대략 일치하는 점 P₂에 도달한다. 이 점 P₂가 실제의 출사광의 위치가 되므로, 입사광의 직선 편광은 원편광이 되어 출사한다.

도 20(A), (B)는, 제1 실시예의 또 다른 변형예의 1/4 파장판(1)을 개략적으로 나타내고 있다. 본 실시예의 1/4 파장판(31)은, 이것을 구성하는 수정이 좌수정이며, 입사광의 직선 편광을 좌회전 원편광으로 변환하는 좌선광성을 가진다. 파장판(31)은, 광학축 방위각 θ 즉 입사면(31a)에 투영한 광학축(32)과 입사광의 직선 편광의 편광면의 방향(33)이 이루는 각도를 종래의 135°보다도 크게, 135°<θ≤165°의 범위로 설정한다.

또한, 파장판(31)의 설계 위상차 Γ는, 상기 서술한 다음의 식을 이용하여, 절단 각도 φ에 대응하여 최적값을 결정한다.

도 20(C)에 나타내는 바와 같이, 1/4 파장판(31)의 입사면(31a)으로부터 입사한 직선 편광에는, 수정의 복굴절성에 의한 위상차와 선광성에 의한 편광면의 회전이 작용한다. 그러나, 1/4 파장판(31)은, 상기 서술한 바와 같이 절단 각도 φ에 기초하여 최적의 광학축 방위각 θ 및 설계 위상차 Γ를 결정한 것에 의해, 위상차 δ 및 광학축 방위각 θ이 최적값으로 설정되어 있다. 따라서, 입사광의 직선 편광은, 타원율이 대략 1의 타원 편광으로 변환되어, 실질적으로 원편광으로서 출사면(31b)으로부터 출사한다.

이 광학 작용을, 도 20(D)에 나타내는 푸앵카레구를 이용하여 설명한다. S1·S2평면에 평행한 직선 편광의 입사광의 기준점을 P₀=(1, 0, 0)로 하고, 회전축 R₁을 S1축으로부터 S3축을 중심으로 하여 2θ 회전한 위치로 설정하고, 이것을 또한 S1·S2평면에 대해서 각도 2ρ(ρ：수정판의 선광각)만큼 북극 S3 방향으로 기울인다. 또한, 회전축 R₁을 S1축측으로부터 조금 더 진행하도록 회전시킨 위치에, 회전 축 R₂을 설정한다. 이 회전축 R₂을 중심으로 기준점 P₀을, 일반적인 설계 위상차 90°로부터의 보정량을 더한 최적 위상차 δ만큼 오른쪽으로 회전시키면, 그 구 상의 남극에 대략 일치하는 점 P₂에 도달한다. 이 점 P₂가 실제의 출사광의 위치가 되므로, 입사광의 직선 편광은 원편광이 되어 출사한다.

이와 같이, 상기 수정판의 절단 각도에 기초하여 최적의 광학축 방위각 θ과 설계 위상차 Γ의 조합을 설정함으로써, 수정의 선광성에 의한 편광 상태의 변화 분을 보정하여, 파장판(1)의 타원율을 1에 가까운 최적의 값으로 할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 1/4 파장판은, 특히 광픽업 장치에 사용되고 있는 단파장이며 고출력의 청자색 레이저에 대해서 충분한 내광성 및 높은 신뢰성을 발휘하는 것뿐만이 아니라, 우수한 광학 특성을 얻을 수 있다.

도 21(A)(B)는, 본 발명에 의한 1/4 파장판의 제2 실시예를 개략적으로 나타내고 있다. 본 실시예의 1/4 파장판(41)은, 동일한 절단 각도 φ의 2장의 수정 파장판(41a, 41b)을 적층하여 구성된다. 수정 파장판(41a, 41b)은, 각각의 광학축(42a, 42b)이, 도 21(A)에 나타내는 바와 같이, 입사면(43a)(또는 출사면(43b))에서 보아 평행을 이루고, 또한 도 21(B)에 나타내는 바와 같이, 측면에서 보아도 평행을 이루도록 배치된다.

1/4 파장판(41)의 위상차 Γ는, 각 수정 파장판(41a, 41b)의 위상차 Γa, Γb에 의해, 다음과 같이 표시된다. 상기 수정 파장판이 우수정이며 우선광성 또는 좌선광성을 가지는 경우, Γ=Γa＋Γb=90°＋b

가 된다. 상기 수정 파장판이 좌수정이며 우선광성 또는 좌선광성을 가지는 경우,

Γ=Γa+Γb=90°＋b

가 된다.

여기서, 위상차의 보정량 b는, 다음 식으로 표시할 수 있다.

각 수정 파장판(41a, 41b)의 광학축 방위각 θ1, θ2은, 상기 제1 실시예 및 그 각 변형예의 경우와 마찬가지로 하여, 다음과 같이 결정된다. 즉, 상기 수정 파장판이 우수정이며 우선광성을 가지는 경우,

θ1=θ2=45°-a

가 된다. 상기 수정 파장판이 우수정이며 좌선광성을 가지는 경우,

θ1=θ2=135°-a

가 된다. 상기 수정 파장판이 좌수정이며 우선광성을 가지는 경우,

θ1=θ2=45°+a

가 된다. 상기 수정 파장판이 좌수정이며 좌선광성을 가지는 경우,

θ1=θ2=135°+a

가 된다.

여기서, 광학축 방위각의 보정량 a는, 다음 식으로 표시할 수 있다.

이들 수정 파장판(41a, 41b)을 상기 서술한 바와 같이 적층함으로써, 1/4 파장판(41)은, 각 수정 파장판의 선광성에 의한 편광 상태의 변화 분을 보정하여, 그 타원율을 1에 가까운 최적의 값으로 할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 1/4 파장판도, 특히 광픽업 장치에 사용되고 있는 단파장이며 고출력의 청자색 레이저에 대해서 충분한 내광성 및 높은 신뢰성을 발휘할 뿐만 아니라, 우수한 광학 특성을 얻을 수 있다.

도 22(A)(B)는, 상기 제2 실시예의 1/4 파장판의 변형예를 개략적으로 나타내고 있다. 본 실시예의 1/4 파장판(51)은 마찬가지로, 동일한 절단 각도 φ의 2장의 수정 파장판(51a, 51b)을 적층하여 구성된다. 수정 파장판(51a, 51b)은, 각각의 광학축(52a, 52b)이, 도 22(A)에 나타내는 바와 같이, 입사면(53a)(또는 출사면(53b))에서 보아 평행을 이루고, 또한 도 22(B)에 나타내는 바와 같이, 측면에서 보아 상기 양 파장판의 접합면에 관해서 대칭을 이루며, 서로 광축을 정합시켜 배치된다.

1/4 파장판(51)의 위상차 Γ는, 마찬가지로 각 수정 파장판(51a, 51b)의 위상차 Γa, Γb에 의해, 다음과 같이 표시된다. 상기 수정 파장판이 우수정이며 우선광성 또는 좌선광성을 가지는 경우,

Γ=Γa+Γb=90°+b

가 된다.

여기서, 위상차의 보정량 b는, 마찬가지로 다음 식으로 표시할 수 있다.

각 수정 파장판(51a, 51b)의 광학축 방위각 θ1, θ2은, 상기 제1 실시예 및 그 각 변형예의 경우와 마찬가지로 하여, 다음과 같이 결정된다. 즉, 상기 수정 파장판이 우수정이며 우선광성을 가지는 경우,

θ1=θ2=45°-a

θ1=θ2=135°-a

θ1=θ2=45°+a

θ1=θ2=135°+a

가 된다.

이들 수정 파장판(51a, 51b)을 상기 서술한 바와 같이 적층함으로써, 1/4 파 장판(51)은, 마찬가지로 각 수정 파장판의 선광성에 의한 편광 상태의 변화 분을 보정하여, 그 타원율을 1에 가까운 최적의 값으로 할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 1/4 파장판도, 특히 광픽업 장치에 사용되고 있는 단파장이며 고출력의 청자색 레이저에 대해서 충분한 내광성 및 높은 신뢰성을 발휘할 뿐만 아니라, 우수한 광학 특성을 얻을 수 있다.

도 23은, 제1 실시예의 1/4 파장판을 적용한 광픽업 장치의 실시예를 나타내고 있다. 본 실시예의 광픽업 장치(60)는, 예를 들면 Blu-ray Disc(상표) 등의 광디스크 장치의 기록 재생에 사용하기 위한 것으로, 예를 들면 파장 405nm의 청자색광인 레이저광을 방사하는 레이저 다이오드로 이루어지는 광원(61)을 가진다. 광픽업 장치(60)는, 광원(61)으로부터의 레이저광을 회절하여 3빔화하는 회절 격자(62)와, 그 회절 격자를 투과한 레이저광을 P편광 성분과 S편광 성분으로 분리하여 투과 또는 반사하는 편광빔 스플리터(63)와, 그 편광빔 스플리터에 반사된 레이저광을 평행광으로 하는 콜리메이트 렌즈(64)와, 그 콜리메이트 렌즈를 투과한 레이저광을 광디스크(65)를 향해 반사하는 미러(66)와, 그 미러에 의해 반사된 직선 편광의 레이저광을 원편광으로 변환하는 1/4 파장판(67)과, 그 1/4 파장판을 투과한 레이저광을 집광하는 대물 렌즈(68)와, 광디스크(65)로부터 반사한 레이저광을 검출하는 광검출기(69)를 구비한다. 또한 광픽업 장치(60)는, 광원(61)으로부터 출사하여 편광빔 스플리터(63)를 투과한 레이저광을 검출하는 모니터용 광검출기(70)를 가진다.

광픽업 장치(60)의 동작을 이하에 설명한다. 광원(61)으로부터 출사한 직선 편광의 레이저광은, 3빔법에 의한 트랙킹 제어를 위해 회절 격자(62)에 의해 3빔으로 분리된 후, S편광 성분이 편광빔 스플리터(63)에서 반사되고, 콜리메이트 렌즈(64)에 의해 평행광이 된다. 평행광의 레이저광은 미러(66)에서 전반사되어, 1/4 파장판(67)에 의해 직선 편광으로부터 원편광으로 변환되고, 대물 렌즈(68)에서 집광되어, 광디스크(65)에 형성한 신호 기록층의 피트에 조사된다. 그 피트에서 반사된 레이저광은 상기 대물 렌즈를 투과하여, 1/4 파장판(67)에 의해 원편광으로부터 직선 편광으로 변환되고, 미러(66)에서 전반사되어 콜리메이트 렌즈(64) 및 편광빔 스플리터(63)를 투과하고, 광검출기(69)에 입사하여 검출된다. 이것에 의해, 상기 광디스크에 기록되어 있는 신호의 판독 동작이 행해진다. 또, 광원(61)으로부터 출사한 레이저광의 P편광 성분은, 편광빔 스플리터(63)를 투과하여 모니터용 광검출기(70)에 입사하여 검출된다. 이 검출 출력에 의해, 상기 레이저 다이오드로부터 출사하는 레이저광의 출력을 제어한다.

본 실시예의 광픽업 장치는, 1/4 파장판(67)에 본 발명의 제1 실시예에 의한 수정 1/4 파장판을 사용한다. 이것에 의해, 직선 편광의 레이저광을, 타원율을 0.9 이상의 높은 값으로 또는 실질적으로 1에 가깝게 한 실질적인 원편광으로 변환할 수 있어, 보다 고기록 밀도의 광디스크 장치에 적절한 광픽업 장치를 실현할 수 있다.

도 24는, 제1 실시예의 1/4 파장판을 적용한 반사형 액정 표시 장치의 일례로서, LCOS형 액정 프로젝터의 실시예를 나타내고 있다. 본 실시예의 액정 프로젝터(80)는, 광원(81)과, 제1 및 제2의 인티그레이터 렌즈(82a, 82b)와, 편광 변환 소자(83)와, 콜드 미러(84)와, 색분해 광학계를 구성하는 제1 및 제2의 다이클로익 미러(85a, 85b)와, 굴절 미러(86)를 구비한다. 또한 상기 프로젝터는, 적색용, 녹색용 및 청색용의 편광빔 스플리터(87a, 87b, 87c)와, 적색용, 녹색용 및 청색용의 1/4 파장판(88a, 88b, 88c)과, 적색용, 녹색용 및 청색용의 LCOS(Liquid Crystal on Silicon)으로 이루어지는 반사형 액정 표시 소자(89a, 89b, 89c)와, 색합성 광학계를 구성하는 크로스 프리즘(90)과, 투사 렌즈(91)와, 스크린(92)을 구비한다.

액정 프로젝터(80)의 동작을 이하에 설명한다. 광원(81)으로부터 출사한 랜덤광은, 제1의 인티그레이터 렌즈(82a)에 의해 평행광이 되어, PS변환 소자(83)에 의해 P편광 성분이 S편광으로 변환되고 또한 S편광은 그대로 투과하며, 또한 제2의 인티그레이터 렌즈(82b)에 의해 평행광이 되어, 콜드 미러(84)에 입사한다. 그 콜드 미러에서 반사된 광은, 녹색광 및 청색광이 제1의 다이크로익 미러(85a)에 의해 반사되고, 적색광은 이것을 투과하여, 굴절 미러(86)에서 반사된다. 상기 적색광은 S편광인 것에 의해 편광빔 스플리터(87a)의 편광막에서 반사되어, 1/4 파장판(88a)을 투과하고, LCOS(89a)에 입사하여 반사된다. 이 때 상기 적색광은 변조되어, 다시 1/4 파장판(88a)을 투과하여 P편광으로 변환되고, 편광빔 스플리터(87a)의 편광막을 투과하여 크로스 프리즘(90)에 입사한다.

상기 제1의 다이클로익 미러에서 반사된 녹색광은, 제2의 다이크로익 미러(85b)에서 반사되어, S편광인 것에 의해 편광빔 스플리터(87b)의 편광막에서 반사되고, 1/4 파장판(88b)을 투과하여, LCOS(89b)에 입사하여 반사된다. 이 때 상기 녹색광은 변조되고, 다시 1/4 파장판(88b)을 투과하여 P편광으로 변환되고, 편광빔 스플리터(87b)의 편광막을 투과하여 크로스 프리즘(90)에 입사한다. 마찬가지로 상기 제1의 다이클로익 미러에서 반사된 청색광은, 제2의 다이클로익 미러(85b)를 투과하여, S편광인 것에 의해 편광빔 스플리터(87)에서 반사되고, 1/4 파장판(88c)을 투과하여, LCOS(89c)에 입사하여 반사된다. 이 때 상기 청색광은 변조되고, 다시 1/4 파장판(88c)을 투과하여 P편광으로 변환되고, 편광빔 스플리터(87c)를 투과하여, 크로스 프리즘(90)에 입사한다.

크로스 프리즘(90)은, 입사한 적색광과 청색광을 반사하고, 녹색광을 투과시키도록 구성되어 있다. 따라서, 상기 크로스 프리즘에 입사한 적색광, 녹색광 및 청색광은 색합성되고, 투사 렌즈(91)를 통하여 스크린(92) 상에 투영되어 칼라 영상을 얻을 수 있다.

본 실시예의 프로젝터는, 적녹청 각 색용의 1/4 파장판(88a, 88b, 88c)에 각각 본 발명의 제1 실시예에 의한 수정 1/4 파장판을 사용한다. 이에 의해, 직선 편광의 레이저광을, 타원율을 0.9 이상의 높은 값으로 또는 실질적으로 1에 가깝게 한 실질적인 원편광으로 변환할 수 있어, 종래보다도 콘트라스트를 개선한 반사형 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.

도 25는, 제1 실시예의 1/4 파장판을 적용한 반사형 액정 표시 장치의 다른 실시예를 나타내고 있다. 본 실시예의 반사형 액정 표시 장치(100)는, 광원(101)과, 편광 변환 소자(102)와, 다이클로익 미러(103)와, 편광판(104)과, 편광빔 스플리터(105)와, 1/4 파장판(106)과, 녹색용의 반사형 액정 표시 소자(107)와, 편광 회전 소자(108)와, 편광빔 스플리터(109)와, 적색용의 반사형 액정 표시 소자(110) 와, 청색용의 반사형 액정 표시 소자(111)와, 편광 회전 소자(112)와, 색합성 광학계를 구성하는 편광빔 스플리터(113)와, 투영 렌즈(114)를 구비한다.

반사형 액정 표시 장치(100)의 동작을 이하에 설명한다. 광원(101)으로부터 출사한 백색광은, 편광 변환 소자(102)에 의해 S편광으로 변환된 후, 색분해 광학계를 구성하는 다이클로익 미러(103)에 의해 녹색광이 반사되고, 적색 및 청색 혼합광은 이것을 투과한다. 상기 다이클로익 미러에서 반사된 녹색광은, S편광인 것에 의해 편광빔 스플리터(105)의 편광막에서 반사되고, 1/4 파장판(106)을 투과하여 반사형 액정 표시 소자(107)에 입사한다. 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사한 녹색광은, 화상 데이터에 따라 변조되어, 밝게 표시시키는 광은 P편광으로서 반사되어 다시 1/4 파장판(106)을 투과하고, 편광빔 스플리터(105)의 편광막을 투과하여 편광빔 스플리터(113)에 입사한다.

다이클로익 미러(103)를 투과한 적색 및 청색 혼합광은, 편광 회전 소자(108)에 입사하여 S편광의 적색광과 P편광의 청색광으로 분리되고, 색분해 광학계를 구성하는 편광빔 스플리터(109)의 편광막에 의해 상기 적색광은 반사되며, 상기 청색광은 이것을 투과하여, 각각 반사형 액정 표시 소자(110, 111)에 입사한다. 반사형 액정 표시 소자(110)에 입사한 적색광은, 화상 데이터에 따라 변조되어, 밝게 표시시키는 광은 P편광으로서 반사되고, 표시에 기여하지 않는 광은 S편광인 채로 반사된다. P편광의 적색광은, 편광빔 스플리터(109)의 편광면을 투과하여 편광 회전 소자(112)에 입사하고, S편광으로 변환되어 편광빔 스플리터(113)에 입사한다.

반사형 액정 표시 소자(111)에 입사한 청색광은, 밝게 표시시키는 광은 S편광으로서 반사되고, 표시에 기여하지 않는 광은 P편광인 채로 반사된다. S편광의 청색광은, 편광빔 스플리터(109)의 편광면에 의해 반사되어, 편광 회전 소자(112)에 입사하고, S편광으로 변환되어 편광빔 스플리터(113)에 입사한다. 편광빔 스플리터(113)에 입사한 P편광의 녹색광과 S편광의 적색광 및 청색광은, 색합성되어 출사하고, 투사 렌즈(114)로부터 스크린상에 투사된다.

본 실시예의 반사형 액정 표시 장치도, 마찬가지로 1/4 파장판(106)에 본 발명의 제1 실시예에 의한 수정 1/4 파장판을 사용한다. 이것에 의해, 직선 편광의 레이저광을, 타원율을 0.9 이상의 높은 값으로 또는 실질적으로 1에 가깝게 한 실질적인 원편광으로 변환할 수 있어, 종래보다도 콘트라스트를 개선한 반사형 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.

본 발명은, 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 그 기술적 범위 내에서 다양한 변형 또는 변경을 더하여 실시할 수 있다. 예를 들면, 상기 실시예의 1/4 파장판은, 파장 λ=405nm를 전제로 하여 설명했지만, 다른 파장에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 또, 본 발명의 1/4 파장판은, 상기 실시예 이외의 광픽업 장치나 반사형 액정 표시 장치에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다.

도 1은 1/4 파장판의 광학축 방위각과 타원율의 관계를 나타내는 선도.

도 2는 θ=35°, 위상차 90°인 경우에 위상차, 타원율의 파장 의존성을 나타내는 선도.

도 3은 상이한 절단 각도에 대해서 설계 위상차에 관한 타원율의 변화를 나 타내는 선도.

도 4는 θ=34°, 위상차 91.5°인 경우에 위상차, 타원율의 파장 의존성을 나타내는 선도.

도 5는 도 2, 도 4의 파장판의 편광 상태를 푸앵카레구로 설명하는 도.

도 6의 (A)(B)는 도 5의 푸앵카레구의 정면 및 평면을 각각 나타내는 도.

도 7은 5~30°의 광학축 방위각과 타원율의 관계를 나타내는 선도.

도 8의 (A)는, 절단 각도가 5°인 경우에 최적 광학축 방위각을 포함하는 어느 범위의 광학축 방위각에 대해서 설계 위상차와 타원율의 관계를 나타내는 선도, (B)는 광학축 방위각과 타원율의 관계를 나타내는 선도.

도 9의 (A)는, 절단 각도가 10°인 경우에 최적 광학축 방위각을 포함하는 어느 범위의 광학축 방위각에 대해서 설계 위상차와 타원율의 관계를 나타내는 선도, (B)는 광학축 방위각과 타원율의 관계를 나타내는 선도.

도 10의 (A)는, 절단 각도가 15°인 경우에 최적 광학축 방위각을 포함하는 어느 범위의 광학축 방위각에 대해서 설계 위상차와 타원율의 관계를 나타내는 선도, (B)는 광학축 방위각과 타원율의 관계를 나타내는 선도.

도 11의 (A)는, 절단 각도가 20°인 경우에 최적 광학축 방위각을 포함하는 어느 범위의 광학축 방위각에 대해서 설계 위상차와 타원율의 관계를 나타내는 선도, (B)는 광학축 방위각과 타원율의 관계를 나타내는 선도.

도 12의 (A)는, 절단 각도가 25°인 경우에 최적 광학축 방위각을 포함하는 어느 범위의 광학축 방위각에 대해서 설계 위상차와 타원율의 관계를 나타내는 선 도, (B)는 광학축 방위각과 타원율의 관계를 나타내는 선도.

도 13의 (A)는, 절단 각도가 30°인 경우에 최적 광학축 방위각을 포함하는 어느 범위의 광학축 방위각에 대해서 설계 위상차와 타원율의 관계를 나타내는 선도, (B)는 광학축 방위각과 타원율의 관계를 나타내는 선도.

도 14의 (A)는 타원율을 최적화하는 광학축 방위각 θ과 절단 각도 φ의 관계를 나타내는 선도, (B)는 광학축 방위각의 보정량 a와 절단 각도 φ의 관계를 나타내는 선도.

도 15의 (A)는 타원율을 최적화하는 설계 위상차 Γ와 절단 각도 φ의 관계를 나타내는 선도, (B)는 설계 위상차의 보정량 b와 절단 각도 φ의 관계를 나타내는 선도.

도 16의 (A)는 본 발명에 의한 1/4 파장판의 제1 실시예를 광의 출사 방향에서 본 정면도, (B)는 그 측면도, (C)는 그 편광 상태를 나타내는 사시도, (D)는 편광 상태를 푸앵카레구로 설명하는 도.

도 17은 도 16의 파장판인 수정판의 절단 각도를 나타내는 설명도.

도 18의 (A)는 제1 실시예의 변형예의 1/4 파장판을 광의 출사 방향에서 본 정면도, (B)는 그 측면도, (C)는 그 편광 상태를 나타내는 사시도, (D)는 편광 상태를 푸앵카레구로 설명하는 도.

도 19의 (A)는 제1 실시예의 다른 변형예의 1/4 파장판을 광의 출사 방향에서 본 정면도, (B)는 그 측면도, (C)는 그 편광 상태를 나타내는 사시도, (D)는 편광 상태를 푸앵카레구로 설명하는 도.

도 20의 (A)는 제1 실시예의 또 다른 변형예의 1/4 파장판을 광의 출사 방향에서 본 정면도, (B)는 그 측면도, (C)는 그 편광 상태를 나타내는 사시도, (D) 도는 편광 상태를 푸앵카레구로 설명하는 도.

도 21의 (A)는 본 발명에 의한 1/4 파장판의 제2 실시예를 광의 출사 방향에서 본 정면도, (B)는 그 측면도.

도 22의 (A)는 제2 실시예의 변형예의 1/4 파장판을 광의 출사 방향에서 본 정면도, (B)는 그 측면도.

도 23은 본 발명의 1/4 파장판을 적용한 광픽업 장치의 실시예의 구성을 나타내는 개략도.

도 24는 본 발명의 1/4 파장판을 적용한 LCOS형 액정 프로젝터의 실시예의 구성을 나타내는 개략도.

도 25는 본 발명의 1/4 파장판을 적용한 반사형 액정 표시 장치의 실시예의 구성을 나타내는 개략도.

도 26은 종래의 1/4 파장판의 편광 상태를 푸앵카레구로 설명하는 도.

도 27의 (A)는 종래의 1/4 파장판을 광의 출사 방향에서 본 정면도, (B)는 그 측면도, (C)는 그 편광 상태를 나타내는 사시도.

도 28의 (A)는 종래의 다른 1/4 파장판을 광의 출사 방향에서 본 정면도, (B)는 그 측면도, (C)는 그 편광 상태를 나타내는 사시도.

도 29의 (A) 내지 (C)는, 수정판의 절단 각도에 관한 타원율, 위상차, 수정판의 두께를 각각 나타내는 선도.

도 30은 θ=45°, 위상차 90°인 경우에 위상차, 타원율의 파장 의존성을 나타내는 선도.

도 31은 도 30의 파장판의 편광 상태를 푸앵카레구로 설명하는 도.

<부호의 설명>

1, 11, 21, 31, 41, 51, 67, 88a, 88b, 88c, 106, 121, 131 : 1/4 파장판

1a, 11a, 21a, 31a, 43a, 53a : 입사면

1b, 21b, 31b, 43b, 53b : 출사면

2, 12, 22, 32, 42a, 42b, 52a, 52b : 광학축

3, 13, 23, 33, 43, 53 : 편광면의 방향

41a, 41b, 51a, 51b : 수정 파장판

60 : 광픽업 장치

61, 81, 101 : 광원

62 : 회절 격자

63, 87a, 87b, 87c, 105, 109, 113 : 편광빔 스플리터

64 : 콜리메이트 렌즈

65 : 광디스크

66 : 미러

68 : 대물 렌즈

69 : 광검출기

70 : 모니터용 광검출기

80 : 액정 프로젝터

82a, 82b : 인티그레이터 렌즈

83, 102 : 편광 변환 소자

84 : 콜드 미러

85a, 85b, 103 : 다이클로익 미러

86 : 굴절 미러

89a, 89b, 89c, 107, 110, 111 : 반사형 액정 표시 소자

90 : 크로스 프리즘

91, 114 : 투사 렌즈

92 : 스크린

104 : 편광판

100 : 반사형 액정 표시 장치

108, 112 : 편광 회전 소자

Claims

복굴절성 및 선광성을 가지는 무기 재료의 결정판으로 형성되고, 상기 결정판의 입사면으로부터 입사하는 직선 편광을 변환하여 원편광으로서 상기 결정판의 출사면으로부터 출사하거나, 또는 상기 결정판의 입사면으로부터 입사하는 원편광을 변환하여 직선 편광으로서 상기 결정판의 출사면으로부터 출사하는 1/4 파장판으로서,

상기 결정판의 상기 입사면에 세운 법선과 상기 결정판의 광학축이 이루는 각도 φ를 0°<φ<90°의 범위로 설정하고,

상기 광학축을 상기 결정판의 상기 입사면에 투영한 광학축 투영선과 상기 직선 편광의 편광면이 이루는 광학축 방위각 θ을 0°<θ<90° 또한 θ≠45°, 또는 90°<θ< 180° 또한 θ≠135°의 범위로 설정한 것을 특징으로 하는 1/4 파장판.
청구항 1에 있어서,

상기 결정판이 수정으로 이루어지며, 상기 수정이 우수정인 경우에는, 상기 광학축 방위각 θ을 0°<θ<45°로, 상기 수정의 복굴절성에 의한 위상차 Γ를 Γ>90°로 설정하고, 상기 수정이 좌수정인 경우에는, 상기 광학축 방위각 θ을 45°<θ<90°로, 상기 수정의 복굴절성에 의한 위상차 Γ를 Γ<90°로 설정한 것을 특징으로 하는 1/4 파장판.
청구항 1에 있어서,

상기 결정판이 수정으로 이루어지며, 상기 수정이 우수정인 경우에는, 상기 광학축 방위각 θ을 90°<θ<135°로, 상기 수정의 복굴절성에 의한 위상차 Γ를 Γ>90°로 설정하고, 상기 수정이 좌수정인 경우에는, 상기 광학축 방위각 θ을 135°<θ<180°로, 상기 수정의 복굴절성에 의한 위상차 Γ를 Γ<90°로 설정한 것을 특징으로 하는 1/4 파장판.
청구항 2에 있어서,

상기 각도 φ를 5°≤φ≤30°의 범위로 설정하고, 상기 수정이 우수정인 경우에는, 상기 광학축 방위각 θ을 θ=45°-a, 상기 위상차 Γ를 Γ=90°＋b로 했을 때, 상기 수정이 좌수정인 경우에는, 상기 광학축 방위각 θ을 θ=45°＋a, 상기 위상차 Γ를 Γ=90°-b로 했을 때, 1°≤a≤30° 및 0°≤b≤12°를 만족하도록 한 것을 특징으로 하는 1/4 파장판.
청구항 3에 있어서,

상기 각도 φ를 5°≤φ≤30°의 범위로 설정하고, 상기 수정이 우수정인 경우에는, 상기 광학축 방위각 θ을 θ=135°-a, 상기 위상차 Γ를 Γ=90°＋b로 했을 때, 상기 수정이 좌수정인 경우에는, 상기 광학축 방위각 θ을 θ=135°＋a, 상기 위상차 Γ를 Γ=90°-b로 했을 때, 1°≤a≤30° 및 0°≤b≤12°를 만족하도록 한 것을 특징으로 하는 1/4 파장판.
청구항 4 또는 5에 있어서,

상기 a, b가,

다음 식

과, 다음 식

을 만족하는 것을 특징으로 하는 1/4 파장판.
광원과, 상기 광원으로부터 출사되는 광을 기록 매체 상에 집광하는 대물 렌즈와, 상기 기록 매체에 의해 반사된 광을 검출하는 검출기와, 상기 광원과 상기 대물 렌즈 간의 광로 중에 배치한 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 1/4 파장판을 구비하는 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.
광원과, 상기 광원으로부터 출사되는 광을 복수의 상이한 색의 광으로 분해하는 색분해 광학계와, 상기 색분해 광학계로부터의 상기 각 색의 광을 각각 투과시키는 복수의 편광 변환 소자와, 상기 각 편광 변환 소자를 투과한 광을 각각 투과시키는 복수의 편광빔 스플리터와, 상기 각 편광빔 스플리터를 투과한 광을 각각 입사시키는 복수의 반사형 액정 표시 소자와, 상기 각 반사형 액정 표시 소자에 의해 반사된 광을 합성하는 색합성 광학계와, 상기 색합성 광학계에 의해 합성된 광을 투사하여 결상시키는 투사 렌즈와, 상기 각 반사형 액정 표시 소자와 상기 각 편광빔 스플리터 간의 광로 중에 각각 배치된 복수의 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 1/4 파장판을 구비하는 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시 장치.