JP5056059B2

JP5056059B2 - 広帯域波長板

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Publication number: JP5056059B2
Application number: JP2007040830A
Authority: JP
Inventors: 幸宏垰
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Priority date: 2006-02-21
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Publication date: 2012-10-24
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Description

本発明は、広帯域波長板に関するものである。

広帯域波長板は、光ストレージの光ピックアップや、プロジェクター等の照明装置において、複数の波長に対応する４分の１波長板や２分の１波長板等として使用されている。従来の広帯域波長板は、４分の１波長板と２分の１波長板を張り合わせた構成を有するもの（例えば、特許文献１、２参照）や、屈折率周期構造を有するもの（例えば、特許文献３参照）等があげられ、４分の１波長板として使用する場合においては、リタデーション値が約９０°、２分の１波長板として使用する場合においては、リタデーション値が約１８０°となるよう構成されている。

光ピックアップにおいては、例えば、ＣＤに使用される波長帯域の直線偏光と、ＤＶＤに使用される波長帯域の直線偏光との２波長の帯域の直線偏光に適用できる広帯域波長板として使用されている。この光ピックアップは、複数の光デバイスによって構成されており、これらの光デバイスの中には、透過する光波の波長に応じて異なる旋光性を有するものもある。また、２波長光源として用いられる発光素子には、出射時に２つの波長の偏光方向が異なるものもある。したがって、ピックアップに入射された２波長の直線偏光が、広帯域波長板に入射される前にこのような旋光性を有する光デバイスを透過すると、広帯域波長板に入射される２波長の光波の偏光方向が互いに異なることとなる。
特開平１１−１４９０１５号公報特開平１０−６８８１６号公報特開２００４−１７０６２３号公報

しかしながら、従来の広帯域波長板においては、２波長の直線偏光に対して同一のリタデーション値を得るためには、２波長の直線偏光の偏光面（偏光方向）を互いに一致させて入射しなければならなかった。したがって、偏光方向を揃えるために偏光子を広帯域波長板の直前に追加した場合、広帯域波長板への入射光が偏光子によって減衰されるという問題があった。また、２波長の直線偏光を、偏光方向が互いに異なる状態において従来の広帯域波長板に入射させると、所望の偏光特性が得られないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、波長及び偏光方向が互いに異なる複数の入射光に対して略同一のリタデーション値（以下、単にＲｄ値という）を与え、結果として偏光方向が互いに異なるいずれの波長の直線偏光に対しても所望の偏光特性を与えることのできる広帯域波長板を提供するものである。

本発明の広帯域波長板は、複屈折材料によって形成される第１および第２の位相板が互いに積層されるよう構成され、少なくとも、波長λ_１を有する第１の偏光と前記λ_１より長い波長λ_２を有する第２の偏光とが、互いに異なる方向の直線偏光として前記第１の位相板に入射され、所定の偏光状態に変化して前記第２の位相板から出射されるように用いられる広帯域波長板であって、前記第１の位相板の光学軸と前記第１の偏光の偏光方向とが交差する角度をθとし、前記第１の偏光の偏光方向と前記第２の偏光の偏光方向とのなす角度をαとし、前記第１の位相板の光学軸と前記第２の位相板の光学軸とのなす角度をβとし、前記第１の位相板の任意の波長λにおけるリタデーション値をＲｄ_１（λ）とし、前記第２の位相板の任意の波長λにおけるリタデーション値をＲｄ_２（λ）とすると、λ _１ ≦λ≦λ _２の関係式を満たす波長λに対して、前記Ｒｄ _１（λ）が８０°≦Ｒｄ _１（λ）≦１００°の関係式を満たし、前記βが３０°≦β≦６０°の関係式を満たし、前記Ｒｄ _２（λ _１）、Ｒｄ _２（λ _２）及び前記αが、｜｛Ｒｄ _２（λ _１）−Ｒｄ _２（λ _２）｝／２−α｜≦１０°の関係式を満たし、前記θは、前記第２の位相板を通過することにより前記２つの偏光に与えられる位相差の差Ｒｄ_２（λ_１）−Ｒｄ_２（λ_２）によって、前記第１の位相板を出射した後の２つの偏光のポアンカレ球上での緯度の差を相殺し、前記第２の位相板通過後に２つの偏光の偏光状態が共に楕円率９０％以上の楕円偏光となるように設定されていることを特徴とする広帯域波長板である。

また、本発明の広帯域波長板は、複屈折材料によって形成される第１および第２の位相板が互いに積層されるよう構成され、少なくとも、波長λ _１を有する第１の偏光と前記λ _１より長い波長λ _２を有する第２の偏光とが、互いに異なる方向の直線偏光として前記第１の位相板に入射され、所定の偏光状態に変化して前記第２の位相板から出射されるように用いられる広帯域波長板であって、前記第１の位相板の光学軸と前記第１の偏光の偏光方向とが交差する角度をθとし、前記第１の偏光の偏光方向と前記第２の偏光の偏光方向とのなす角度をαとし、前記第１の位相板の光学軸と前記第２の位相板の光学軸とのなす角度をβとし、前記第１の位相板の任意の波長λにおけるリタデーション値をＲｄ _１（λ）とし、前記第２の位相板の任意の波長λにおけるリタデーション値をＲｄ _２（λ）とすると、λ _１ ≦λ≦λ _２の関係式を満たす波長λに対して、前記Ｒｄ _１（λ）が８０°≦Ｒｄ _１（λ）≦１００°の関係式を満たし、前記βが３０°≦β≦６０°の関係式を満たし、前記Ｒｄ _２（λ _１）、Ｒｄ _２（λ _２）及び前記αが、｜｛Ｒｄ _２（λ _１）−Ｒｄ _２（λ _２）｝／２−α｜≦１０°の関係式を満たし、前記θは、前記第２の位相板を通過することにより前記２つの偏光に与えられる位相差の差Ｒｄ _２（λ _１）−Ｒｄ _２（λ _２）によって、前記第１の位相板を出射した後の２つの偏光のポアンカレ球上での緯度の差を相殺し、前記第２の位相板通過後に２つの偏光の偏光状態が共に楕円率１０％以下の楕円偏光となるように設定されていることを特徴とする広帯域波長板である。

また、本発明の広帯域波長板は、前記αの増加に応じて、前記第１の位相板のリタデーション値Ｒｄ_１に対する前記第２の位相板のリタデーション値Ｒｄ_２の比Ｒｄ_２／Ｒｄ_１が実質的に増加することを特徴としている。

また、本発明の広帯域波長板は、前記複屈折材料が高分子液晶の薄膜層により構成されていることが好ましい。

また、本発明の広帯域波長板は、前記θが、前記αの増加に応じて実質的に増加するように設定されていることが好ましい。

さらに、本発明の光ヘッド装置は、複数の波長の光を出射する光源と、前記光源から出射された光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、前記光記録媒体により反射された光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に上記の記載の広帯域波長板が配置されていることを特徴とする。

本発明は、複屈折材料により形成された第１の位相板と第２の位相板とを、互いの光学軸が特定の角度で交差するように積層することにより、偏光面の方向が互いに異なる複数の波長の直線偏光に対して、同一のリタデーション値を得ることができるという効果を有する広帯域波長板を提供することができるものである。

本発明は、複屈折性を有し、入射側に位置する第１の薄膜層(位相板)と、出射側に位置する第２の薄膜層(位相板)とを備えた広帯域波長板に関するものである。

本発明においては、互いに異なる波長と偏光方向を有する２つの直線偏光が、広帯域波長板に入射したとき、第１の位相板で、一旦２つの直線偏光の偏光状態をポアンカレ球上のほぼ同一経線上に移動させ、次いで第２の位相板の屈折率の分散を利用して、２つの偏光の偏光状態のポアンカレ球上での緯度の差を相殺し、第２の位相板通過後に２つの偏光の偏光状態が共にポアンカレ球上のほぼ同一箇所に移動する。最終的に、２つの偏光をポアンカレ球上の極付近に移動させれば、広帯域の１／４波長板となり、赤道付近に移動させれば、広帯域の１／２波長板となる。

本発明で、「ポアンカレ球上のほぼ同一経線上」、「ポアンカレ球上の経線にほぼ沿って」または、「ポアンカレ球上のほぼ同一箇所」という際の「ほぼ」とは、２つの偏光が第２の位相板を透過した後で実用上十分に等しい偏光状態に変換できる程度に一致していれば良いという意味である。本発明の広帯域波長板を１／４波長板として用いる場合は、第２の位相板を透過後の２つの偏光がいずれも楕円率９０％以上となることが好ましい。また、本発明の広帯域波長板を１／２波長板として用いる場合は、第２の位相板を透過後の２つの偏光がいずれも楕円率１０％以下となることが好ましい。

なお第２の位相板の向きやリタデーションを調整することにより、第１の位相板を透過後の２つの偏光のポアンカレ球上の位置をやや同一経線上からはずした方が最終的に２つの偏光が等しい偏光状態にすることができる場合もあり、適宜調整可能である。

以下、本発明の広帯域波長板について、図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明の広帯域波長板の概略の構成を示す模式図であり、広帯域波長板１０１は、入射側位相板１および出射側位相板２によって構成されている。

図２は、本発明の広帯域波長板の構成を、より詳細に示す模式図である。広帯域波長板１０２は、直線偏光の入射側の位相板である第１の位相板１０３と、出射側の位相板である第２の位相板１０４とが、ＵＶ接着剤９等の接着層を介して互いに積層されるよう構成されている。積層の手順については、実施例において説明する。

第１の位相板１０３は、複屈折材料を構成する高分子液晶３の薄膜層と、ガラス基板５と、ポリイミド配向膜７とを備えている。

一方、第２の位相板１０４は、複屈折材料を構成する高分子液晶４の薄膜層と、ガラス基板６と、ポリイミド配向膜８とを備えている。

第１の位相板１０３および第２の位相板１０４は、図３に示すように、光学軸を構成する遅相軸２０１、２０２をそれぞれ有している。

本発明に係る広帯域波長板は、１枚以上の透明基板に積層されていてもよい。この場合、透明基板によって熱膨張によるゆがみや透過光の波面収差が改善されるため好ましい。
また、透明基板にＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）処理が施される場合は、入射光の透過率が向上するため好ましい。

また、本発明に係る広帯域波長板は、複屈折材料が有機物あるいは無機物のいずれの材料により構成されていてもよい。また、第１の位相板と第２の位相板とは、同一の材料により構成されていてもよく、あるいは異なる材料により構成されていてもよい。

ここで、本発明に係る広帯域波長板を４分の１波長板に適用する場合における実施の形態を説明する。

以下、広帯域波長板１０２に入射される第１の直線偏光の波長をλ_１、第２の直線偏光の波長をλ_２とし、λ_１＜λ_２の関係を有するものとする。

高分子液晶３、４の薄膜層を形成する材料のＲｄ分散はどのようなものでもよいが、Ｒｄ（λ_１）／Ｒｄ（λ_２）が１．１５〜１．６７の範囲であれば、本発明の広帯域波長板が適用できる２波長の直線偏光の偏光方向のなす角の範囲が広くなるため好ましい。さらに、Ｒｄ（λ_１）／Ｒｄ（λ_２）が１．１５〜１．２５の範囲であれば、２波長の直線偏光の偏光方向のなす角の範囲をさらに広くすることが可能であるため好ましい。

光ヘッド装置の構成によって、入射される互いに波長が異なる２つの直線偏光の偏光方向の差がより大きい場合は、第１の位相板のＲｄ値に対して実効的により大きなＲｄ値を有するような第２の位相板を用いることが好ましい。すなわち、第１および第２の直線偏光の偏光方向２０３、２０４が互いになす角をα、第１の直線偏光の偏光方向２０３と第１の位相板１０３の遅相軸２０１とがなす角をθとすると、大きなαを有する２つの直線偏光を同じ偏光状態に変換するためには、大きなθを選択することが好ましく、この意味で、αとθとは通常、線形の関係を有するといえる。

入射する２つの偏光の偏光状態をポアンカレ球上のほぼ同一経線上に移動させるためには、２つの偏光の波長で、略１／４波長板として機能する位相板を第１の位相板として、用いることが好ましいが、高次の波長板など同様の機能を有するものを用いてもよい。特に、第１の位相板は、入射する偏光の波長範囲およびその近傍において４分の１波長板に相当するＲｄ値を有するようになっていることが好ましい。

具体的には、第１の位相板１０３を構成する高分子液晶３の薄膜層のリタデーション値Ｒｄ_１は、λ_１＜λ＜λ_２を満たすλに対して、
８０°≦Ｒｄ_１（λ）≦１００° （１）
の関係を有すると、好ましい。また、分散の大きい材料を用いることも好ましいが、λ_１＜λ＜λ_２を満たすλのうち、いずれか１波長のλに対して第１の位相板１０３が４分の１波長板として機能するようにしてもよい。

本発明では、第１の位相板１０３を出射した後に２つの偏光は、ポアンカレ球上でほぼ同じ経線上に移動しているが、この偏光が第２の位相板１０４を通過することにより、その偏光状態がポアンカレ球上の経線にほぼ沿って移動するように、第１の位相板１０３の遅相軸２０１と、第２の位相板１０４の遅相軸２０２とのなす角βを設定する。具体的には
３０°≦β≦６０° （３）
の関係を有すると、好ましい。通常は、βの値が４５°付近になるよう構成することが好ましいが、２つの位相板のリタデーションやその分散等で最も好ましい角度が変化するので、上記範囲で適宜調整することが好ましい。

また、本発明においては、θは、第２の位相板１０４を通過することにより前記２つの波長の光に与えられる位相差の差Ｒｄ_２（λ_１）−Ｒｄ_２（λ_２）によって、第１の位相板１０３を出射した後の２つの偏光のポアンカレ球上での緯度の差を相殺し、第２の位相板１０４通過後に２つの波長の光の偏光状態が共にポアンカレ球上のほぼ同一箇所に移動するように設定されている。２つの波長の光の第１の位相板１０３を出射した後のポアンカレ球上での緯度の差は、基本的に、前記第１の直線偏光の偏光面と前記第２の直線偏光の偏光面とのなす角度αに基づいて生じるものである。したがって、αが大きくなれば、２つの偏光の偏光状態を一致させるために、上記Ｒｄ_２（λ_１）−Ｒｄ_２（λ_２）を大きくする必要がある。一方で、２つの偏光の偏光状態が一致する点は、１／４波長板では、ポアンカレ球の極付近であり、１／２波長板では、ポアンカレ球の赤道付近にしなくてはならない。２つの偏光の偏光状態を一致させる点を極又は赤道にするためには、目標点である極又は赤道と、第１の位相板１０３透過後の２つの偏光の偏光状態をポアンカレ球上で示す点との距離を調整する必要があり、それは、主にθを適切に調整することにより行える。

こうして、適切にθを設定することにより、第２の位相板１０４を構成する高分子液晶４の薄膜層のリタデーション値Ｒｄ_２は、
｜｛Ｒｄ_２（λ_１）−Ｒｄ_２（λ_２）｝／２−α｜≦１０° （２）
の関係式を有するようにすることが好ましい。また、分散の大きい材料を用いてもよい。ここで、式（２）の右辺の値が０付近となるように構成してもよい。

次に、図５に示す偏光方向および光学軸の方向の関係を有する本発明の広帯域波長板１０２を４分の１波長板（以下、広帯域４分の１波長板という）として用いた光ピックアップ（光ヘッド装置）の光学系の１例を図１４に示す。

第１の半導体レーザ１１から出射された直線偏光は、偏光方向２０７を有し、第２の半導体レーザ１２から出射された直線偏光は、偏光方向２０８を有している。

第１の半導体レーザ１１から出射された直線偏光は、第１および第２のハーフミラー２１、２２を透過し、コリメータレンズ３１によってコリメートされ、本発明に係る広帯域４分の１波長板によって円偏光へと変換される。広帯域４分の１波長板から出射した円偏光は、対物レンズ３２によって光ディスク３３上の信号トラックへ集光される。

集光された光は、光ディスク３３によって反射され、対物レンズ３２および広帯域４分の１波長板を透過し、入射光の偏光方向に対して直交した偏光方向を有する直線偏光に変換される。その後、第２のハーフミラー２２によって反射された直線偏光は、光検出器３４によって検出される。一方、第２のハーフミラー２２および第１のハーフミラー２１を透過した直線偏光は、第１の半導体レーザ１１に入射される。この時、第１の半導体レーザ１１へ入射した直線偏光の偏光方向は、出射光の偏光方向に対して直交しており、第１の半導体レーザ１１の内部において出射光と干渉しない。したがって、干渉に起因するノイズが発生せず、第１の半導体レーザ１１の動作に悪影響を及ぼさない。また、第２の半導体レーザ１２から出射された直線偏光も同様である。

このとき、第１の半導体レーザ１１および第２の半導体レーザ１２からの出射光の波長および偏光方向が互いに異なる場合においても、本発明の広帯域波長板を広帯域４分の１波長板として用いることにより、それぞれの波長の直線偏光に対して、光ディスク３３からの戻り光の偏光方向と各半導体レーザが出射する直線偏光の偏光方向とを直交させることができる。したがって、いずれの半導体レーザにおいてもノイズが発生せず、結果として、信号トラックに対応した戻り光の信号成分を光検出器３４において良好に検出できる。

一方、広帯域波長板として従来の広帯域４分の１波長板を使用した光ピックアップにおいては、第１および第２の半導体レーザからの２つの出射光が、偏光方向が互いに異なる状態で広帯域４分の１波長板に入射されると、一方の波長の出射光に対しては４分の１波長板として十分に機能せず、結果として、半導体レーザに戻る少なくとも一方の直線偏光の偏光方向は、その半導体レーザの出射光の偏光方向に対して直交しない成分を有することとなる。そのため、半導体レーザにノイズが発生し、半導体レーザからの出射光にノイズ成分が含まれることとなる。したがって、信号トラックに応じた信号成分を有する戻り光を光検出器で検出しても、ノイズ成分が大きいため信号成分が検出できないという問題が発生する。

この問題を解決するために、従来の光ピックアップでは、第２のハーフミラー２２の代わりに偏光ビームスプリッターを用いたり、半導体レーザの近傍に波長板、もしくは偏光フィルター等を設置したりすることにより、戻り光の半導体レーザへの影響を低減する必要があった。しかしながら、本発明に係る広帯域波長板を用いた光ピックアップでは、いずれの半導体レーザにおいても戻り光に起因するノイズが発生しないため、ノイズの低減あるいは防止に従来必要とした部品を削減することが可能となり、結果として、従来のものより低コストかつ簡易な構造を有する光ピックアップを実現できる。

なお、上記においては、１つの光源から１つの波長の光が出射される場合について説明したが、１つの光源から２つの波長の光、または３つの波長の光、が出射されてもよい。

［例１］
本発明に係る広帯域波長板を４分の１波長板に適用する場合の実施例を、図２および図３を用いて説明する。

厚さ０．５ｍｍのガラス基板５を用意し、ガラス基板５の一面にポリイミドの膜を形成する。ポリイミドの膜に水平配向処理を施すことによって、ポリイミド配向膜７を形成する。

次に、後の過程で液晶セルを形成した際にガラス基板間のギャップが一定に保持されるよう、配向処理を施したポリイミド配向膜７上に、スペーサーとして直径３μｍの図示しないＳｉＯ_２ビーズを５０００個／ｃｍ^２の密度で散布する。

その後、離型処理を施された不図示の水平配向ガラス基板を、配向処理が施された前述のガラス基板５に対向させる。この時、不図示の熱硬化型のエポキシシール材を基板外周部に印刷しておき、２枚のガラス基板がエポキシシール材を介して対向するようにする。
２枚のガラス基板間のギャップは３．０μｍとなるようにする。

このように形成された２枚のガラス基板間に、液状の液晶材料を注入し、２枚のガラス基板によって狭持させる。ここで、液晶材料は、ＤＶＤに用いられる波長領域の中心波長である６６０ｎｍにおける常光屈折率と異常光屈折率の差Δｎ≒０．０６１であり、かつＣＤに用いられる波長領域の中心波長である７８５ｎｍにおける常光屈折率と異常光屈折率の差Δｎ≒０．０５８である。すなわち、ＤＶＤに用いられる波長領域におけるΔｎと、ＣＤに用いられる波長領域におけるΔｎとの比が０．９５程度となる液晶性モノマーによって形成されている。

液晶性モノマーは、ＵＶ硬化性の液晶性モノマー組成物を構成するよう、光重合開始材としてベンゾインイソプロピルエーテルが１％添加されている。

その後、液晶性モノマー組成物全体が水平配向状態のままガラス基板に重合、固化されるよう、波長３６５ｎｍのＵＶ光を液晶材料の全体に照射した。

次に、上記のガラス基板を１４０℃で３０分間熱処理した後、不図示の水平配向ガラス基板を離型除去することによって、水平配向した厚さ３μｍの高分子液晶３の有機薄膜がポリイミド配向膜７上に形成された。

また、上記のプロセスによって、ガラス基板６のポリイミド配向膜８上に、高分子液晶４の有機薄膜が形成された。

上記のように作製された第１および第２の位相板１０３、１０４について、波長６６０ｎｍの半導体レーザ光を用いてＲｄ値および光学軸の方位を測定した。その結果、第１および第２の位相板１０３、１０４のいずれのＲｄ値も１８４ｎｍであった。また、波長７８５ｎｍの半導体レーザ光を用いて同様にＲｄ値を測定した。その結果、第１および第２の位相板１０３、１０４のいずれのＲｄ値も１７５ｎｍであった。

次に、上記の測定によって得られた光学軸のうち、第１の位相板１０３の遅相軸２０１が、第２の位相板１０４の遅相軸２０２に対して約４５°で交差するよう、第１の位相板１０３と第２の位相板１０４とを配置する。ここで、角度は、第１の位相板１０３を第２の位相板１０４の上部に配置し、第１の位相板１０３から第２の位相板１０４を見た図３の状態において、反時計回りの方向を正（＋）とする。

次に、第１および第２の位相板１０３、１０４の間にＵＶ接着剤９を滴下し、ＵＶ接着剤９の厚さが５μｍとなるよう、１０００ｒｐｍの回転速度で２０秒間、５０００ｒｐｍの回転速度で１００秒間回転させた。

回転時の第１および第２の位相板１０３、１０４の軸方向のずれを修正した後、５０００ｍＪのＵＶ光を照射し、ＵＶ接着剤９を硬化させて、広帯域波長板１０２を作製した。

波長６６０ｎｍおよび７８５ｎｍの半導体レーザ光の直線偏光を用いて、上記の広帯域波長板１０２の楕円率を測定した。波長７８５ｎｍの直線偏光の偏光方向２０４は、波長６６０ｎｍの直線偏光の偏光方向２０３に対して１０°となるように配置した。また、波長６６０ｎｍの直線偏光は、第１の位相板１０３の遅相軸２０１の方向に対して、偏光方向２０３が約−９５°となるようにガラス基板５側から入射された。その結果、波長６６０ｎｍの直線偏光の場合、測定された楕円率は０．９８以上となった。また、波長７８５ｎｍの直線偏光に対しても、楕円率が０．９８以上得られ、実用上十分な特性が得られた。

ここで、波長６６０ｎｍ周辺の直線偏光を、上記の偏光方向２０３に合わせて広帯域波長板１０２に入射した時の、波長に対する楕円率を図４（ａ）に実線で示す。比較のため、従来の広帯域４分の１波長板に同じ波長の直線偏光を入射した時の、波長に対する楕円率を破線で示す。一方、波長７８５ｎｍ周辺の直線偏光を、上記の偏光方向２０４に合わせて広帯域波長板１０２に入射した時の、波長に対する楕円率を図４（ｂ）に実線で示し、従来の広帯域４分の１波長板に同じ波長の直線偏光を入射した時の、波長に対する楕円率を破線で示す。

図４（ａ）および図４（ｂ）より、従来の広帯域４分の１波長板においては、入射される２波長の直線偏光の偏光方向が互いに異なると楕円率が０．９以下となり、４分の１波長板として機能しないことがわかる。これに対し、本発明に係る広帯域波長板１０２においては、偏光方向が互いに異なる２波長の直線偏光に対して、良好な楕円率が得られている。

次に、広帯域波長板１０２の遅相軸２０１の方向に対して、−９５°の方向を基準として、ダイシングソーにより外形５ｍｍ×５ｍｍに切断し、広帯域位相素子を作製する。

上記のように作製された広帯域位相素子の透過波面収差を、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光を用いて測定した。その結果、平方二乗平均の値で２５ｍλｒｍｓ以下となり、広帯域位相素子が光学素子として十分使用できることが確認された。

なお、広帯域波長板１０２の波長６６０ｎｍおよび７８５ｎｍの直線偏光に対するＲｄ値を弧度表示すると、それぞれ約１００°および８０°であり、その差が約２０°となる。したがって、入射した２波長の直線偏光の偏光方向が互いになす角の約２倍の角度となる。

［例２］
実施例１においては、広帯域波長板１０２に入射される２波長の直線偏光の偏光方向のなす角をα＝１０°としたが、本実施例においては、０°≦α≦９０°とした場合における、収束計算の結果求めた、好ましい広帯域波長板の特性を示す。

実際には、実施例１とほぼ同様の作製手順および構成にて広帯域波長板を作製できる。実施例１の作製手順および構成と異なる点は、スペーサーの直径と、第１の位相板１０３と第２の位相板１０４との張り合わせ角である。

ここで、図５を用いて、入射される直線偏光の偏光方向と、積層された第１および第２の位相板１０３、１０４の遅相軸の方向の関係の定義について説明する。

第１の入射光である波長６６０ｎｍの直線偏光の偏光方向を２０７、第２の入射光である波長７８５ｎｍの直線偏光の偏光方向を２０８、入射側の第１の位相板１０３の遅相軸の方向を２０５、出射側の第２の位相板１０４の遅相軸の方向を２０６とする。

また、波長６６０ｎｍの直線偏光の偏光方向２０７と、波長７８５ｎｍの直線偏光の偏光方向２０８とのなす角をα、波長６６０ｎｍの直線偏光の偏光方向２０７と、入射側の第１の位相板１０３の遅相軸の方向２０５とのなす角をθ、第１の位相板１０３の遅相軸の方向２０５と、第２の位相板１０４の遅相軸の方向２０６とのなす角をβとする。

波長６６０ｎｍの直線偏光を入射した時の、αに対する楕円率の関係を図６（ａ）に、波長７８５ｎｍの直線偏光を入射した時の、αに対する楕円率の関係を図６（ｂ）にそれぞれ示す。いずれの波長を用いた場合においても、０°≦α≦９０°の範囲のαに対して、楕円率が１の近傍となった。したがって、本実施例に係る広帯域波長板は、互いに異なる偏光方向を有する２波長の入射光に対して、４分の１波長板として機能していることがわかる。

次に、αとθとの関係を図７に示す。５°≦α≦８５°のαにおいて、αとθが１次の関係になっていることがわかる。

次に、第２の位相板のリタデーション値Ｒｄ_２の第１の位相板のリタデーション値Ｒｄ_１に対する比と、αとの関係を図８に示す。リタデーション比Ｒｄ_２／Ｒｄ_１は、一定の振幅を伴いながら、αの増加に応じて実質的に増加していることを示している。

また、αとβとの関係を図９に示す。０°≦α≦９０°のαに対して、βが３０°≦β≦６０°の値をとることがわかる。

次に、第１の位相板のリタデーション値Ｒｄ_１のαに対する値を図１０に示す。ここで、実線は入射光に波長λ_１＝６６０ｎｍの直線偏光を用いた場合のＲｄ_１（λ_１）であり、破線は入射光に波長λ_２＝７８５ｎｍの直線偏光を用いた場合のＲｄ_１（λ_２）である。図１０の実線および破線より、λ_１≦λ≦λ_２を満たす波長λにおいて、７°≦α≦８３°のαに対して８０°≦Ｒｄ_１（λ）≦１００°となり、ほぼ４分の１波長板として機能していることがわかる。

更に、第２の位相板のリタデーション分散の特性を示すために、第２の位相板のリタデーション値Ｒｄ_２の波長λによる差Ｒｄ_２（λ_１）−Ｒｄ_２（λ_２）を２分の１にしてαを引いた値と、αとの関係を図１１に示す。リタデーション分散の値は、０°≦α＜９０°の範囲において１０以下となることがわかる。
つまり、Ｒｄ_２及びαが、上記の式（２）の関係を満たしている。

なお、角度θ、角度β、高分子液晶３、４の膜厚、第１の位相板１０３の波長６６０ｎｍに対するＲｄ値、第１の位相板１０３の波長７８５ｎｍに対するＲｄ値、第２の位相板１０４の波長６６０ｎｍに対するＲｄ値、および第２の位相板１０４の波長７８５ｎｍに対するＲｄ値の、角度αに対する値を図１２に示す。

［例３］
実施例２においては、本発明に係る広帯域波長板１０２を４分の１波長板に適用する場合についての特性の計算例を示したが、本実施例においては、広帯域波長板１０２を２分の１波長板に適用する場合についての特性の計算例を示す。

この場合も、実施例１とほぼ同様の作製手順および構成にて広帯域波長板を作製できる。実施例１の作製手順および構成と異なる点は、液晶材料として、波長６６０ｎｍの直線偏光のリタデーション値と、波長７８５ｎｍの直線偏光のリタデーション値との比が約０．８２１となる高分子液晶を用いた点である。また、第１の位相板および第２の位相板の作製に用いたスペーサーの直径は、それぞれ０．９μｍ、４．２μｍである。スペーサーの直径の精度は０．１μｍ単位であり、第１の位相板と第２の位相板との張り合わせ角の精度を１°単位とした。

ここで、図１３を用いて、入射される直線偏光の偏光方向と、積層された第１および第２の位相板の遅相軸の方向の関係の定義について説明する。

第１の入射光である波長６６０ｎｍの直線偏光の偏光方向を２１１、第２の入射光である波長７８５ｎｍの直線偏光の偏光方向を２１２、入射側の第１の位相板の遅相軸の方向を２０９、出射側の第２の位相板の遅相軸の方向を２１０とする。

本実施例においては、波長６６０ｎｍの直線偏光の偏光方向２１１と、第２波長７８５ｎｍの直線偏光の偏光方向２１２とのなす角を４５°、波長６６０ｎｍの直線偏光の偏光方向２１１と、第１の位相板の遅相軸の方向２０９とのなす角を７４°、第１の位相板の遅相軸の方向２０９と、第２の位相板の遅相軸の方向２１０とのなす角を４９°となるように構成した。

まず、本実施例の広帯域波長板を構成する第１の位相板および第２の位相板が積層される前の状態において、これらの位相板に波長６６０ｎｍの直線偏光を入射した場合におけるリタデーション値は、それぞれ１９８ｎｍ、９２５ｎｍであった。

次に、第１の位相板および第２の位相板を上記のように積層し、波長６６０ｎｍおよび７８５ｎｍの半導体レーザ光の直線偏光を用いて、広帯域波長板の楕円率を測定した。その結果、波長６６０ｎｍの直線偏光を用いた場合において、楕円率は０．０５以下、方位角７１．３°となり、波長７８５ｎｍの直線偏光を用いた場合において、楕円率は０．０５以下、方位角７１．６°となった。つまり、互いに異なる波長および偏光方向を有する２つの直線偏光が入射された場合、互いに同じ偏光方向を有する直線偏光に変換できることが確認された。また、この広帯域波長板は、広帯域２分の１波長板として十分実用される特性が得られた。

［例４］
実施例３においては、広帯域波長板１０２に入射される２波長の直線偏光の偏光方向のなす角をα＝４５°としたが、本実施例においては、０°≦α≦９０°とした場合において、収束計算の結果求めた、好ましい広帯域波長板の特性を示す。

実施例３の作製手順および構成と異なる点は、スペーサーの直径と、第１の位相板１０３と第２の位相板１０４との張り合わせ角、および、使用する液晶材料がＤＶＤに用いられる波長領域の中心波長である６６０ｎｍにおける常光屈折率と異常光屈折率の差Δｎ≒０．０３５であり、かつＣＤに用いられる波長領域の中心波長である７８５ｎｍにおける常光屈折率と異常光屈折率の差Δｎ≒０．０３４である点、である。

波長６６０ｎｍの直線偏光を入射した時、および、波長７８５ｎｍの直線偏光を入射した時、αに対する楕円率は、０°≦α≦９０°の範囲のαに対して、楕円率がほぼ０(ゼロ)となった。したがって、本実施例に係る広帯域波長板は、互いに異なる偏光方向を有する２波長の入射光に対して、２分の１波長板として機能していることがわかる。

次に、αとθとの関係を図１５に示す。５°≦α≦８５°のαにおいて、αとθがおおよそ１次の関係になっていることがわかる。

次に、第２の位相板１０４のリタデーション値Ｒｄ_２の第１の位相板１０３のリタデーション値Ｒｄ_１に対する比と、αとの関係を図１６に示す。リタデーション比Ｒｄ_２／Ｒｄ_１は、αの増加に応じて実質的に増加していることを示している。

また、αとβとの関係を図１７に示す。２０°≦α≦９０°のαに対して、おおむねβが３０°≦β≦６０°の値をとることがわかる。

次に、第１の位相板１０３のリタデーション値Ｒｄ_１のαに対する値を図１８に示す。ここで、実線は入射光に波長λ_１＝６６０ｎｍの直線偏光を用いた場合のＲｄ_１（λ_１）であり、破線は入射光に波長λ_２＝７８５ｎｍの直線偏光を用いた場合のＲｄ_１（λ_２）である。図１８の実線および破線より、λ_１≦λ≦λ_２を満たす波長λにおいて、１０°≦α≦８０°のαに対しておおむね８０°≦Ｒｄ_１（λ）≦１００°となり、ほぼ４分の１波長板として機能していることがわかる。

更に、第２の位相板１０４のリタデーション分散の特性を示すために、第２の位相板１０４のリタデーション値Ｒｄ_２の波長λによる差Ｒｄ_２（λ_１）−Ｒｄ_２（λ_２）を２分の１にしてαを引いた値と、αとの関係を図１９に示す。リタデーション分散の値は、１０°≦α≦８０°の範囲においておおむね１０以下となることがわかる。
つまり、Ｒｄ_２及びαが、上記の式（２）の関係を満たしている。

なお、角度θ、角度β、高分子液晶３、４の膜厚、第１の位相板１０３の波長６６０ｎｍに対するＲｄ値、第１の位相板１０３の波長７８５ｎｍに対するＲｄ値、第２の位相板１０４の波長６６０ｎｍに対するＲｄ値、および第２の位相板１０４の波長７８５ｎｍに対するＲｄ値の、角度αに対する値を図２０に示す。

以上のように、本発明にかかる広帯域波長板は、偏光面の方向が互いに異なる複数の波長の直線偏光に対して、同一のリタデーション値を得ることができるという効果を有し、入射される複数の直線偏光の偏光面を揃えるための偏光子を必要としない広帯域波長板として有用である。

本発明における広帯域波長板の構成を模式的に示す断面図本発明における広帯域波長板の構成を模式的に示す断面図本発明の実施例１に係る位相板の遅相軸と入射される２つの直線偏光の偏光方向との関係を示す模式図（ａ）波長６６０ｎｍ付近の直線偏光を実施例１に係る広帯域波長板および従来の広帯域４分の１波長板に入射した場合において、波長と楕円率との関係を示す特性図（ｂ）波長７８５ｎｍ付近の直線偏光を実施例１に係る広帯域波長板および従来の広帯域４分の１波長板に入射した場合において、波長と楕円率との関係を示す特性図実施例２に係る広帯域波長板の遅相軸と直線偏光の偏光方向との関係を示す模式図（ａ）２波長の直線偏光を広帯域波長板に入射した場合において、偏光方向の差αに対する波長６６０ｎｍの直線偏光の楕円率を示す特性図（ｂ）２波長の直線偏光を広帯域波長板に入射した場合において、偏光方向の差αに対する波長７８５ｎｍの直線偏光の楕円率を示す特性図２波長の直線偏光の偏光方向の差αに対する、第１の直線偏光の偏光方向と第１の位相板の遅相軸とのなす角θを示す特性図２波長の直線偏光の偏光方向の差αと、Ｒｄ_２／Ｒｄ_１との関係を示す特性図２波長の直線偏光の偏光方向の差αと、第１および第２の位相板の遅相軸が互いになす角βとの関係を示す特性図２波長の直線偏光の偏光方向の差αと、第１の位相板のリタデーション値Ｒｄ_１との関係を示す特性図２波長の直線偏光の偏光方向の差αと、式（２）の左辺の値との関係を示す特性図角度θ、角度β、第１および第２の位相板が有する高分子液晶の膜厚およびリタデーション値の、角度αに対する値を示す特性図実施例３に係る広帯域波長板の遅相軸と直線偏光の偏光方向との関係を示す模式図本発明に係る光ピックアップの構成を示す模式図実施例４における２波長の直線偏光の偏光方向の差αに対する、第１の直線偏光の偏光方向と第１の位相板の遅相軸とのなす角θを示す特性図実施例４における２波長の直線偏光の偏光方向の差αと、Ｒｄ_２／Ｒｄ_１との関係を示す特性図実施例４における２波長の直線偏光の偏光方向の差αと、第１および第２の位相板の遅相軸が互いになす角βとの関係を示す特性図実施例４における２波長の直線偏光の偏光方向の差αと、第１の位相板のリタデーション値Ｒｄ_１との関係を示す特性図実施例４における２波長の直線偏光の偏光方向の差αと、式（２）の左辺の値との関係を示す特性図実施例４における角度θ、角度β、第１および第２の位相板が有する高分子液晶の膜厚およびリタデーション値の、角度αに対する値を示す特性図

符号の説明

１入射側位相板
２出射側位相板
３、４高分子液晶
５、６ガラス基板
７、８ポリイミド配向膜
９ＵＶ接着剤
１１第１の半導体レーザ（光源）
１２第２の半導体レーザ（光源）
２１第１のハーフミラー
２２第２のハーフミラー
３１コリメータレンズ
３２対物レンズ
３３光ディスク（光記録媒体）
３４光検出器
１０１広帯域波長板
１０２広帯域波長板
１０３第１の位相板
１０４第２の位相板
２０１第１の位相板の遅相軸
２０２第２の位相板の遅相軸
２０３偏光方向（偏光面）
２０４偏光方向（偏光面）
２０５第１の位相板の遅相軸
２０６第２の位相板の遅相軸
２０７偏光方向（偏光面）
２０８偏光方向（偏光面）

Claims

複屈折材料によって形成される第１および第２の位相板が互いに積層されるよう構成され、
少なくとも、波長λ_１を有する第１の偏光と前記λ_１より長い波長λ_２を有する第２の偏光とが、互いに異なる方向の直線偏光として前記第１の位相板に入射され、所定の偏光状態に変化して前記第２の位相板から出射されるように用いられる広帯域波長板であって、
前記第１の位相板の光学軸と前記第１の偏光の偏光方向とが交差する角度をθとし、
前記第１の偏光の偏光方向と前記第２の偏光の偏光方向とのなす角度をαとし、
前記第１の位相板の光学軸と前記第２の位相板の光学軸とのなす角度をβとし、
前記第１の位相板の任意の波長λにおけるリタデーション値をＲｄ_１（λ）とし、
前記第２の位相板の任意の波長λにおけるリタデーション値をＲｄ_２（λ）とすると、
λ _１ ≦λ≦λ _２の関係式を満たす波長λに対して、前記Ｒｄ _１（λ）が８０°≦Ｒｄ _１（λ）≦１００°の関係式を満たし、
前記βが３０°≦β≦６０°の関係式を満たし、
前記Ｒｄ _２（λ _１）、Ｒｄ _２（λ _２）及び前記αが、｜｛Ｒｄ _２（λ _１）−Ｒｄ _２（λ _２）｝／２−α｜≦１０°の関係式を満たし、
前記θは、前記第２の位相板を通過することにより前記２つの偏光に与えられる位相差の差Ｒｄ_２（λ_１）−Ｒｄ_２（λ_２）によって、前記第１の位相板を出射した後の２つの偏光のポアンカレ球上での緯度の差を相殺し、前記第２の位相板通過後に２つの偏光の偏光状態が共に楕円率９０％以上の楕円偏光となるように設定されていることを特徴とする広帯域波長板。
複屈折材料によって形成される第１および第２の位相板が互いに積層されるよう構成され、
少なくとも、波長λ _１を有する第１の偏光と前記λ _１より長い波長λ _２を有する第２の偏光とが、互いに異なる方向の直線偏光として前記第１の位相板に入射され、所定の偏光状態に変化して前記第２の位相板から出射されるように用いられる広帯域波長板であって、
前記第１の位相板の光学軸と前記第１の偏光の偏光方向とが交差する角度をθとし、
前記第１の偏光の偏光方向と前記第２の偏光の偏光方向とのなす角度をαとし、
前記第１の位相板の光学軸と前記第２の位相板の光学軸とのなす角度をβとし、
前記第１の位相板の任意の波長λにおけるリタデーション値をＲｄ _１（λ）とし、
前記第２の位相板の任意の波長λにおけるリタデーション値をＲｄ _２（λ）とすると、
λ _１ ≦λ≦λ _２の関係式を満たす波長λに対して、前記Ｒｄ _１（λ）が８０°≦Ｒｄ _１（λ）≦１００°の関係式を満たし、
前記βが３０°≦β≦６０°の関係式を満たし、
前記Ｒｄ _２（λ _１）、Ｒｄ _２（λ _２）及び前記αが、｜｛Ｒｄ _２（λ _１）−Ｒｄ _２（λ _２）｝／２−α｜≦１０°の関係式を満たし、
前記θは、前記第２の位相板を通過することにより前記２つの偏光に与えられる位相差の差Ｒｄ _２（λ _１）−Ｒｄ _２（λ _２）によって、前記第１の位相板を出射した後の２つの偏光のポアンカレ球上での緯度の差を相殺し、前記第２の位相板通過後に２つの偏光の偏光状態が共に楕円率１０％以下の楕円偏光となるように設定されていることを特徴とする広帯域波長板。
前記αの増加に応じて、前記第１の位相板のリタデーション値Ｒｄ _１に対する前記第２の位相板のリタデーション値Ｒｄ _２の比Ｒｄ _２／Ｒｄ _１が実質的に増加する請求項１または２に記載の広帯域波長板。
前記複屈折材料が高分子液晶の薄膜層により構成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の広帯域波長板。
前記θが、前記αの増加に応じて実質的に増加するように設定されている請求項１から４のいずれか１項に記載の広帯域波長板。
複数の波長の光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、
前記光記録媒体により反射された光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に請求項１から５のいずれか１項に記載の広帯域波長板が配置されていることを特徴とする光ヘッド装置。