JP5316409B2 - 位相差素子および光ヘッド装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の偏光状態を変化させる位相差素子および、ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク（以下ＢＤ）、ＨＤ−ＤＶＤ等の光記録媒体（以下、光ディスクという）に対して記録または再生を行う光ヘッド装置に関する。

この種の光ヘッド装置は、光源および光検出器と、光源から発せられた光ビームを光ディスクに導くように反射するとともに光ディスクからの反射光を光検知器の方に導くように透過させるビームスプリッター等の光路分離素子と、光ディスクの情報記録面に対向配置される対物レンズとを備える。とくに、対物レンズと光路分離素子との間に、光ディスクに入射および反射される光の偏光面を回転させる、即ち光の偏光状態を変える、１／４波長板（λ／４板：ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ）を備えるのが一般的である。ここに本願発明における光の「偏光状態」とは、円偏光、直線偏光または楕円偏光を意味しており、直線偏光や楕円偏光ならばその電場の長軸の方向をも意味する。

通常の位相差素子として用いられる１／４波長板は、ある特定の波長の光に対しては１／４波長の位相差を発現させ、直線偏光の光を円偏光の光（または円偏光の光を直線偏光の光）に変換することができるが、それと異なる波長の直線偏光の光に対しては、位相差が１／４波長からずれるため円偏光に変換することができない。この場合、例えば複数の規格の光ディスクを記録あるいは再生する光ヘッド装置においては複数の波長の光源を有するので、複数の波長の光に合わせた１／４波長板をそれぞれ備える必要があり、装置の小型化および低コスト化に不都合が生じていた。

これまで、複数の波長の光に対してひとつの位相差素子で１／４波長板の機能を実現するために、例えば２種類の波長の光（ＤＶＤとＣＤ用の６６０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯の波長）の場合、位相差層を２層用いる構成の広帯域波長板を備えることで特定の２つの波長の光に対して楕円率を他の波長の光よりも高くする、つまり円偏光に近づけることを可能にした（特許文献１）。また、より広範囲な波長の１／４波長板として３層の波長板によって構成して楕円率の大きな波長範囲を広げたものが報告されている（特許文献２）。このほかに、位相差層を２層用いて４００ｎｍ、６５０ｎｍおよび７８５ｎｍの波長をピンポイントで楕円率を１に近づける波長板も報告されている（特許文献３）。

特開２００１−１０１７００号公報 特開２００６−１１４０８０号公報 特開２００７−０８６１０５号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２は、いずれも特定の波長範囲における楕円率を１に近づけるピークは２点であり、これらの広帯域波長板を近年の光ヘッド装置に適用させる場合、ＣＤ用の７８０ｎｍ帯、ＤＶＤの６６０ｎｍ帯、そしてＢＤやＨＤ−ＤＶＤの４０５ｎｍ帯の３つの波長帯にすべておいて楕円率を１に近づけるピークを有することはできない。つまり、４０５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯の楕円率にピークを持たせると７８０ｎｍ帯の楕円率にはピークがなく楕円率も比較的低くなる。このため、このような３つの光源を有する光ヘッド装置に対してはいずれかの波長の光では光の利用率の低下を招くという問題があった。また、特許文献３は、光ヘッド装置用の３つの光源の波長に合わせて楕円率を１に近づけるピークとなる特性を有するが、ピンポイントの光源の波長が揺らいだり光源のばらつきによって所定の波長より１０ｎｍ程度ずれてしまうだけで楕円率が大きく低下して円偏光への変換が困難となるため、信頼性や製造ばらつきに問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、所定の波長範囲（３８０〜９００ｎｍ）おいて直線偏光の光が入射したときに楕円率が１に近づくピークが３点以上有するとともに、ピーク以外の波長においても一定の楕円率を有する位相差素子を提供することを目的とする。

本発明は、３つ以上の異なる波長λ_ｋ（ｋ＝１、２、３、・・・）の直線偏光の光で入射する入射光の偏光状態を変えて透過させる位相差素子であって、前記位相差素子は、前記入射光側よりそれぞれ屈折率異方性を有する材料からなる第１の位相差層、第２の位相差層、第３の位相差層の順に３つの位相差層が平行に並んで構成され、前記第２の位相差層の進相軸方向は、前記第１の位相差層および前記第３の位相差層の進相軸方向とは異なり、前記位相差素子を透過する光の楕円率は、前記透過する光の波長により変化し、前記３つの位相差層のリタデーションおよび光学軸方向の角度は、前記波長のうち少なくとも３つの異なる波長λ _ｋ （ｋ＝１、２、３）において当該３つの位相差層を透過する光の楕円率が０．９以上となり、かつ、Δλ_ｋを波長λ_ｋの３％の波長とするときλ_ｋ±Δλ_ｋの波長帯域における楕円率が０．６以上となる条件を満たし、前記第１の位相差層および前記第２の位相差層のリタデーションおよび光学軸方向の角度は、さらに以下の条件（Ａ）を満たす位相差素子を提供する。
条件（Ａ）：
前記３つの波長λ _１ 、λ _２ 、λ _３ の光が、同じ偏光方向となる直線偏光の光で前記第１の位相差層に入射されたときの、前記第３の位相差層に入射する光の偏光状態を示すストークスパラメターの値を、前記３つの波長λ _１ 、λ _２ 、λ _３ に対してそれぞれ（Ｓ _１３１ 、Ｓ _２３１ 、Ｓ _３３１ ）、（Ｓ _１３２ 、Ｓ _２３２ 、Ｓ _３３２ ）、（Ｓ _１３３ 、Ｓ _２３３ 、Ｓ _３３３ ）とするとき、
Ｓ _２３１ ＝Ｂ _１ ×Ｓ _１３１ 、
Ｓ _２３２ ＝Ｂ _２ ×Ｓ _１３２ 、
Ｓ _２３３ ＝Ｂ _３ ×Ｓ _１３３ 、
の等式を満足するＢ _１ 、Ｂ _２ 、Ｂ _３ の値が、ａｒｃｔａｎ（Ｂ _１ ）、ａｒｃｔａｎ（Ｂ _２ ）、ａｒｃｔａｎ（Ｂ _３ ）を計算したとき±１５°以内となる値である

この構成により、ひとつの位相差素子で異なる３つの波長の光に対して高品質な１／４波長板として機能させることができる。また、各波長における１／４波長板としての機能がいずれも十分に満たせることができるため、光利用効率の低下を抑制できる。また、各位相差層のリタデーションおよび光学軸方位角度の条件のうち、第１の位相差層および第２の位相差層の設定条件が明確化されているので、この条件を満たした上で第３の位相差層の設定を行うことで、容易に上記機能を有する位相差素子を得られる。

また、前記第１の位相差層および前記第２の位相差層のリタデーションおよび光学軸方向の角度は、さらに以下の条件（Ｂ）を満たす位相差素子を提供する。
条件（Ｂ）：
前記３つの波長λ_１、λ_２、λ_３の光が、同じ偏光方向となる直線偏光の光で前記第１の位相差層に入射されたときの、前記第２の位相差層に入射する光の偏光状態を示すストークスパラメターの値を、前記３つの波長λ_１、λ_２、λ_３に対してそれぞれ（Ｓ_１２１、Ｓ_２２１、Ｓ_３２１）、（Ｓ_１２２、Ｓ_２２２、Ｓ_３２２）、（Ｓ_１２３、Ｓ_２２３、Ｓ_３２３）とするとともに、前記第３の位相差層に入射する光の偏光状態を示すストークスパラメターの値を、前記３つの波長λ_１、λ_２、λ_３に対してそれぞれ（Ｓ_１３１、Ｓ_２３１、Ｓ_３３１）、（Ｓ_１３２、Ｓ_２３２、Ｓ_３３２）、（Ｓ_１３３、Ｓ_２３３、Ｓ_３３３）とするとき、
（Ｓ_２３１−Ｓ_２２１）＝Ａ_１×（Ｓ_１３１−Ｓ_１２１）、
（Ｓ_２３２−Ｓ_２２２）＝Ａ_２×（Ｓ_１３２−Ｓ_１２２）、
（Ｓ_２３３−Ｓ_２２３）＝Ａ_３×（Ｓ_１３３−Ｓ_１２３）、
の等式を満足するＡ_１、Ａ_２、Ａ_３の値が、ａｒｃｔａｎ（Ａ_１）、ａｒｃｔａｎ（Ａ_２）、ａｒｃｔａｎ（Ａ_３）を計算したとき±１５°以内となる値である

この構成により、ひとつの位相差素子で異なる３つの波長の光に対して高品質な１／４波長板として機能させることができる。また、各波長における１／４波長板としての機能がいずれも十分に満たせることができるため、光利用効率の低下を抑制できる。また、各位相差層のリタデーションおよび光学軸方位角度の条件のうち、第１の位相差層および第２の位相差層の設定条件が明確化されているので、この条件を満たした上で第３の位相差層の設定を行うことで、容易に上記機能を有する位相差素子を得られる。

また、前記第１の位相差層および前記第２の位相差層のリタデーションおよび光学軸方向の角度は、さらに上記条件（Ａ）および（Ｂ）を満たす上記に記載の位相差素子を提供する。

この構成により、第１の位相差層および第２の位相差層の設定条件がさらに明確化されているので、この条件を満たした上で第３の位相差層の設定を行うことで、さらに容易に上記機能を有する位相差素子を得られる。

また、前記第１の位相差層の波長λ _３ （ただし、λ _１ ＜λ _２ ＜λ _３ ）におけるリタデーションをＲｄ _１３ 、前記第２の位相差層の波長λ _３ におけるリタデーションをＲｄ _２３ 、前記第３の位相差層の波長λ _３ におけるリタデーションをＲｄ _３３ とするとき、Ｒｄ _１３ ／λ _３ 、Ｒｄ _２３ ／λ _３ およびＲｄ _３３ ／λ _３ の値がそれぞれ２以下である上記に記載の位相差素子を提供する。

この構成により、楕円率の波長変化量依存性を小さくできるので、所定の波長の光に揺らぎがあって位相差素子に入射しても直線偏光の楕円率を低下させることなく変調させることができ、信頼性が向上し好ましい。

また、前記λ_１が３８０〜４５０ｎｍの間、λ_２が６００〜７２０ｎｍの間、λ_３が７５０〜９００ｎｍの間である上記に記載の位相差素子を提供する。

この構成により、光ディスクのピックアップ用に規格化されている光の波長帯域すべてにおいて１／４波長板として機能するので、複数枚の位相板の代替が可能になる。

また、異なる３つの波長の光源と、前記光源から出射した光を光ディスクに集光する対物レンズと、前記光ディスクからの反射光を検出する光検出器を有する光ヘッド装置において、光源から光検出器に至る光路中に上記に記載の位相差素子を配置することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。

この構成により、光ヘッド装置に適用される規格化された３種類の光ディスクのピックアップに用いられる、異なる３種類の波長の光すべてにおいて１／４波長板として適応させることができる。このため、３種類の光ディスクの互換が可能な光ヘッド装置に対してひとつの位相差素子を用いることですべての波長帯の光に適応させることができ、小型化および低コスト化を実現することができる。

本発明は、屈折率異方性を有する３つの位相差層を平行に重ねて構成する位相差素子であり、各位相差層のリタデーションおよび光学軸方位の角度を調整することにより、３つ以上の波長の異なる直線偏光の光すべてに対して円偏光に変換する１／４波長板として機能する位相差素子を提供できるものである。

本発明の位相差素子の構成を示す断面模式図。 本発明の位相差素子の入射光および光学軸方向を示す模式図。 本発明の位相差素子を透過する光の波長に対する楕円率の特性図。 本発明の第１の設計例におけるストークスパラメターの変遷図。 本発明の第３の設計例におけるストークスパラメターの変遷図。 本発明の第４の設計例におけるストークスパラメターの変遷図。 本発明の位相差素子を搭載した光ヘッド装置の概念図。

符号の説明

１ 位相差素子
２ 入射光（直線偏光）
３ 透過光（円偏光）
１１ 第１位相差層
１２ 第２位相差層
１３ 第３位相差層
２０ 入射光の偏光方向
２１ 第１位相差層光学軸（進相軸）
２２ 第２位相差層光学軸（進相軸）
２３ 第３位相差層光学軸（進相軸）
１００ 光ヘッド装置
１０１、１０２、１０３ 半導体レーザ光源
１０４、１０５ 合波プリズム
１０６ コリメータレンズ
１０７ 偏光ビームスプリッター
１０８ 対物レンズ
１０９ 光ディスク
１１０ 光検出系

図１に本実施形態にかかる位相差素子１の断面構造の模式図を示す。位相差素子１は、直線偏光の光が入射される側から屈折率異方性を有する材料からなる第１の位相差層１１と第２の位相差層１２と第３の位相差層１３の３層の位相差層より構成されている。これらの位相差層は接着層や粘着層を介して貼り合わせたり融着あるいは溶着させたりして一体化した構成とすることで、部品点数の削減や貼り合わせ精度が向上し位相差素子の特性が安定する。また、接着層が無くても実質的に貼り合わせることができれば、より小型化が実現でき好ましい。また、これらの位相差層を透明基板と貼り合わせたり、透明樹脂やガラスなどの透明基板によって位相差層を挟み込んだり、２つの位相差層の間に透明基板を挟んでもよい。さらに、本発明の位相差素子と他の位相差素子を積層したり、プリズムや回折素子などと貼り合わせることで一体化することも同様の理由で好ましい。

位相差層の材料としては、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ＰＶＡなどの樹脂フィルムを延伸したものや、水晶、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＤＰなどの光学異方性単結晶、液晶や液晶を重合した高分子液晶も用いることができる。そのほか、屈折率異方性を有するものであれば上記に限るものではない。また、３つの位相差層は同一の材料である必要はなく、適宜材料を組み合わせてもよい。

ここで、位相差素子１には、図１のＸ軸に平行な直線偏光の光がＸ−Ｙ平面に垂直となるＺ軸の直進方向で入射する。図２は、位相差素子１のＸ−Ｙ平面からみた模式図であり、入射する光の直線偏光方向２０を基準として位相差層の光学軸との角度を設定したものである。このとき、入射光の偏光方向２０と第１の位相差層１１の光学軸の方位との角度をθ_１、第２の位相差層１２の光学軸の方位との角度をθ_２、第３の位相差層１３の光学軸の方位との角度をθ_３とする。ここで光学軸は便宜的に進相軸方向として説明するが、光学軸がすべて位相差層の遅相軸方向であってもよい。また、入射する異なる３つの光の波長λ_１、λ_２およびλ_３に対する第１の位相差層１１のリタデーションをそれぞれＲｄ_１１、Ｒｄ_１２およびＲｄ_１３（ｎｍ）、第２の位相差層１２のリタデーションをそれぞれＲｄ_２１、Ｒｄ_２２およびＲｄ_２３（ｎｍ）、第３の位相差層１３のリタデーションをそれぞれＲｄ_３１、Ｒｄ_３２およびＲｄ_３３（ｎｍ）とする。ここでリタデーションは、入射する光の偏光方向に対する位相差層の屈折率異方性Δｎと位相差層の厚さ（光路長）ｄとの積Δｎ・ｄで表される。

位相差層のリタデーションは使用する材料によって異なる波長分散特性を有するが、説明を簡単にするためにまずは、各位相差層のリタデーションの波長依存性（屈折率の波長分散）が無い以下の等式が成立する場合を考える。
Ｒｄ_１１＝Ｒｄ_１２＝Ｒｄ_１３＝Ｒｄ_１、
Ｒｄ_２１＝Ｒｄ_２２＝Ｒｄ_２３＝Ｒｄ_２、
Ｒｄ_３１＝Ｒｄ_３２＝Ｒｄ_３３＝Ｒｄ_３、
このとき、Ｒｄ_１、Ｒｄ_２およびＲｄ_３はそれぞれの位相差層の代表的なリタデーション値である。
３つの異なる波長がそれぞれ、λ_１＝４０５ｎｍ、λ_２＝６６０ｎｍおよびλ_３＝７８０ｎｍの直線偏光の光で入射し、各波長の光を円偏光に変換するような位相差素子を設計する。このときの直線偏光の方位角は図２においてＸ軸に平行しており、このときの偏光方位角を０°とする。位相差素子１を構成する３層の位相差層のうち、図２のようにそれぞれ隣り合う位相差層の光学軸が異なる（θ_１≠θ_２、θ_２≠θ_３）ように配置する。

本発明の設計法について詳しく説明する。楕円率を１に近づける設計波長をλ_ｋ（ｋ＝１、２、３）とし、位相差素子への光の入射側からｊ層目の位相差層（ｊ＝１、２、３）とする。光の偏光状態を示すためにストークスパラメターＳが用いられ、通常（Ｓ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３）の４次元ベクトルで表される。それぞれＳ_０は光の輝度、Ｓ_１は０°の偏光の強さ、Ｓ_２は４５°の偏光の強さ、そしてＳ_３は円偏光の強さを意味するものであるが、以降、ストークスパラメターは偏光の強さＳ_０を省略して（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３）の３次元ベクトルとして説明をする。

まず、波長の種類（ｋ）および位相差層（ｊ）を考慮したときの光の偏光状態を示すストークスパラメターを（Ｓ_１ｊｋ、Ｓ_２ｊｋ、Ｓ_３ｊｋ）とする。また、表１に示すように位相差素子１透過後の各波長のストークスパラメターを（Ｓ_{１ｏｕｔｋ}、Ｓ_{２ｏｕｔｋ}、Ｓ_{３ｏｕｔｋ}）とする。この３つの設計波長λ_ｋの光はいずれも同じ方向（Ｘ軸方向）の直線偏光の光で位相差素子１に入射するものとし、各波長の入射光のストークスパラメターは（Ｓ_１ｋ１、Ｓ_２ｋ１、Ｓ_３ｋ１）＝（１、０、０）となる。３つの設計波長はいずれも同じ方向の直線偏光の光で位相差素子１に入射するものとして説明するが、互いに直交しても特定の角度をなして入射するものでもよい。

設計波長λ_ｋの直線偏光の光が位相差素子１を通過して円偏光の光になるように表１の各ストークスパラメターの値を後述する方法で求める。表２にそれぞれ位相差層への入射光および透過光のストークスパラメターの具体的な値を示す。円偏光の光は、直線偏光成分であるＳ_{１ＯＵＴｋ}およびＳ_{２ＯＵＴｋ}がそれぞれ０、円偏光成分であるＳ_{３ＯＵＴｋ}が＋１または−１となるようする。表２の例ではＳ_{３ＯＵＴｋ}は＋１であり、偏光状態は右回りの円偏光である。以降、「円偏光」はとくに表記がない場合、右回りの円偏光とする。

設計波長λ_ｋの入射光の偏光状態（１、０、０）が位相差素子透過後には（０、０、１）の楕円率＝１の円偏光に変化させるために各位相差層のリタデーションおよび光学軸方位の角度を設定する。例えば各位相差層の適当なリタデーションと光学軸方位の角度を基礎とすることで各位相差層透過後の光の偏光状態が表２のようなストークスパラメターとなる。このような具体的な値を導く第１の設計指針について説明する。

（第１の設計指針）
図４にストークスパラメターのＳ_１成分を横軸にＳ_２成分を縦軸にした２次元空間を示す。まずは、第１の位相差層１１および第２の位相差層１２を透過後（第３の位相差層１３への入射光）の偏光状態を示す（Ｓ_１３１、Ｓ_２３１）、（Ｓ_１３２、Ｓ_２３２）および（Ｓ_１３３、Ｓ_２３３）の各点と（Ｓ_１、Ｓ_２）＝（０、０）の点とが一直線上に位置するように設計する。このようして第１の位相差層１１および第２の位相差層１２のリタデーションおよび光学軸方位の角度を調整し、調整できた条件について第３の位相差層１３透過後の楕円率が１となるように条件を調整する。

図４において（Ｓ_１３１、Ｓ_２３１）、（Ｓ_１３２、Ｓ_２３２）および（Ｓ_１３３、Ｓ_２３３）の座標について考える。このとき、第１の設計指針として、
Ｓ_２３１＝Ｂ_１×Ｓ_１３１、
Ｓ_２３２＝Ｂ_２×Ｓ_１３２、
Ｓ_２３３＝Ｂ_３×Ｓ_１３３、
となる定数Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の値をほぼ等しくする条件を見つけ出す。
このことで（Ｓ_１、Ｓ_２）＝（０、０）の点を含む４点がほぼ一直線上となる。

具体的には、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の値は、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_１）、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_２）、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_３）の値が±１５°以内で一致していることが好ましい。±５°以内であればより好ましく、±２°以内であればさらに好ましい。表２の数値を適応すると、
Ｂ_１＝Ｓ_１３１／Ｓ_２３１＝−０．２４０／０．７５２＝−０．３１９、
Ｂ_２＝Ｓ_１３２／Ｓ_２３２＝−０．２９８／０．９３３＝−０．３１９、
Ｂ_３＝Ｓ_１３３／Ｓ_２３３＝−０．２７７／０．８７０＝−０．３１８、
となり、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３はほぼ等しく、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_１）、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_２）、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_３）の値も±２°以内となっている。

また、第３の位相差層１３のリタデーションや光学軸方位の角度を調整しても、３つの設計波長λ_１、λ_２およびλ_３すべてが楕円率が１に近づく条件がなければ、再度Ｂ_１、Ｂ_２およびＢ_３の値が等しくなる条件の下で第１の位相差層１１および第２の位相差層１２のリタデーションや光学軸方位の角度を調整する。そして、第３層の位相差層１３の条件を調整し、位相差素子透過後の楕円率が３つの設計波長で１に近づくようにすることを繰り返すことで、本発明の位相差素子を設計することができる。

（第２の設計指針）
さらに、設計を容易にするために第２の設計指針について図４を用いて詳しく説明する。第１の位相差層１１を透過後（第２の位相差層１２への入射光）の偏光状態を示す（Ｓ_１２１、Ｓ_２２１）、（Ｓ_１２２、Ｓ_２２２）および（Ｓ_１２３、Ｓ_２２３）と、第２の位相差層１２を透過後（第３の位相差層１３への入射光）の偏光状態を示す（Ｓ_１３１、Ｓ_２３１）、（Ｓ_１３２、Ｓ_２３２）および（Ｓ_１３３、Ｓ_２３３）の各点について、同じ設計波長λ_ｋの光の点同士を結ぶ。図４では、３つの波長λ_ｋ（ｋ＝１、２、３）に相当する３つのベクトルが表現でき、このベクトルが平行であるように第１と第２の位相差層のリタデーションと光学軸方位角を設計する。

図４においてそれぞれ、
（Ｓ_２３１−Ｓ_２２１）＝Ａ_１×（Ｓ_１３１−Ｓ_１２１）、
（Ｓ_２３２−Ｓ_２２２）＝Ａ_２×（Ｓ_１３２−Ｓ_１２２）、
（Ｓ_２３３−Ｓ_２２３）＝Ａ_３×（Ｓ_１３３−Ｓ_１２３）、
となる定数Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の値をほぼ等しくすることで上記の３つのベクトルが平行となる。

具体的には、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の値は、ａｒｃｔａｎ（Ａ_１）、ａｒｃｔａｎ（Ａ_２）、ａｒｃｔａｎ（Ａ_３）の値が±１５°以内で一致していることが好ましい。±５°以内であればより好ましく、±２°以内であればさらに好ましい。表２の数値を適応すると、
Ａ_１＝（Ｓ_２３１−Ｓ_２２１）／（Ｓ_１３１−Ｓ_１２１）＝（０．７５２−０．３０５）／（−０．２４０−０．９１８）＝０．４４７／（−１．１５８）＝０．３８６、
Ａ_２＝（Ｓ_２３２−Ｓ_２２２）／（Ｓ_１３２−Ｓ_１２２）＝（０．９３３−０．４８２）／（−０．２９８−０．８７１）＝０．４５１／（−１．１６９）＝０．３８６、
Ａ_３＝（Ｓ_２３３−Ｓ_２２３）／（Ｓ_１３３−Ｓ_１２３）＝（０．８７０−０．４２０）／（−０．２７７−０．８８７）＝０．４５０／（−１．１６４）＝０．３８７、
となり、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３はほぼ等しく、ａｒｃｔａｎ（Ａ_１）、ａｒｃｔａｎ（Ａ_２）、ａｒｃｔａｎ（Ａ_３）の値も±２°以内である。

このように上記のように設計できるが、第３の位相差層１３のリタデーションや光学軸方位の角度を調整しても、３つの設計波長λ_１、λ_２およびλ_３すべてが楕円率が１に近づかなければ、再度第２の設計指針の条件の下で第１の位相差層１１および第２の位相差層１２のリタデーションや光学軸方位の角度を調整したのち、第３層の位相差層１３の条件を調整し、位相差素子透過後の楕円率が３つの設計波長で１に近づくようにすることを繰り返すことで、本発明の位相差素子１を設計することができる。共通する設計方針として、３つの設計波長について設計方針に従って楕円率を１に近づける場合、いずれの設計波長も楕円率が０．９以上となる条件を求め、その条件に達しないときに再度条件を変えて再計算を繰り返すものである。

ここでは、第１の設計指針と第２の設計指針とを独立して説明したが、前述の第１の設計指針に示したストークスパラメターの関係である、
Ｓ_２３１＝Ｂ_１×Ｓ_１３１、
Ｓ_２３２＝Ｂ_２×Ｓ_１３２、
Ｓ_２３３＝Ｂ_３×Ｓ_１３３、
となる定数Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の値をほぼ等しくすることと、第２の設計指針で説明したストークスパラメターの関係である、
（Ｓ_２３１−Ｓ_２２１）＝Ａ_１×（Ｓ_１３１−Ｓ_１２１）、
（Ｓ_２３２−Ｓ_２２２）＝Ａ_２×（Ｓ_１３２−Ｓ_１２２）、
（Ｓ_２３３−Ｓ_２２３）＝Ａ_３×（Ｓ_１３３−Ｓ_１２３）、
となる定数Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の値をほぼ等しくすることを同時に満足するような、第１の位相差層１１と第２の位相差層１２のリタデーションと光学軸方位角を設計し、次に、第３の位相差層１３のリタデーションと光学軸方位角を調整し、位相差素子透過後の楕円率が３つの設計波長で１に近づくようにすることを繰り返すことで、より容易に本発明の位相差素子１を設計することができる。

（第３の設計方針）
さらに、設計を容易にするために、第３の設計指針を説明する。３つの位相差層のリタデーションのうち、いずれか２つの位相差層のリタデーションの比が、１．５〜２．５の間と限定することで、より容易に設計解を得ることができるので好ましい。さらに好ましくは、１．８〜２．２の間に限定することが好ましい。具体的には、設計開始時の初期値の制限としてＲｄ_１／Ｒｄ_３の値を２とする。前述の第１の設計指針や第２の設計指針に基づいて、各リタデーションや光学軸方位角を調整する。調整する際の制限条件として、Ｒｄ_１／Ｒｄ_３＝１．８〜２．２とする。

（第１の設計例）
このように各位相差層を透過する光が例えば図４のような座標で表されるストークスパラメターで示される偏光状態になるように各位相差層のリタデーション（Ｒｄ_１、Ｒｄ_２、Ｒｄ_３）および光学軸方向の角度（θ_１、θ_２、θ_３）を調整する。第１および第２の設計指針において、
Ｒｄ_１＝２８９．５５ｎｍ、θ_１＝７．５０°、
Ｒｄ_２＝２８１．０２ｎｍ、θ_２＝３４．４３°、
Ｒｄ_３＝１４３．８２ｎｍ、θ_３＝９８．８４°、
に設定することで、位相差素子１にλ_１＝４０５ｎｍ、λ_２＝６６０ｎｍおよびλ_３＝７８０ｎｍのＸ軸に平行な直線偏光（偏光方位角０°）の光を入射したとき透過した光は楕円率がほぼ１の円偏光になる。この位相差素子の各位相差層に入射する光の偏光状態および透過した光の偏光状態をストークスパラメターで記述したものを表２に示した。また、Ｒｄ_１／Ｒｄ_３＝２．０１となっていて、前述の第３の設計指針に基づく条件であることがわかる。

上記の条件で所定の波長範囲で位相差素子１を透過する光の楕円率のグラフを図３に示す。これより透過光の楕円率はλ_１（＝４０５ｎｍ）、λ_２（＝６６０ｎｍ）およびλ_３（＝７８０ｎｍ）の３つの波長でピークを有し、楕円率が高くなっていることがわかる。このように、３層の位相差層のリタデーションと光学軸方位の角度を調整することで、３つの設計波長で楕円率が１に近づくピークを持つようにすることができ、直線偏光の光を精度よく円偏光に変換できる位相差素子１が実現できることを示している。

また、実際に光ヘッド装置の光源として半導体レーザを用いる場合には、半導体レーザの個体差による波長ばらつきがあったり、半導体レーザの温度変化により波長変化が生じる。これらの波長変動は設計波長（λ_１、λ_２およびλ_３）の±３％程度である（例えば６６０ｎｍ±２０ｎｍ）。したがって、位相差素子１の特性として設計波長λ_ｋに対してのみ楕円率が１に近いのみではなく、λ_ｋ±Δｋの波長帯域においてΔｋ＝３％のときの波長帯域の楕円率が０．６以上であることで、光源波長の温度変動やばらつきに対しても十分に機能し、光ヘッド装置の光利用効率を高く保つことができる。さらにΔｋ＝３％のときの波長帯域の楕円率が０．７以上であるとより好ましい。

さらに、λ_ｋ±Δｋの波長帯域においてΔｋ＝３％のとき、光源の波長が温度変動などで変化したときに、位相差素子の楕円率が大きく変化すると、偏光ビームスプリッターなどの偏光状態に透過率が依存する光学素子を用いた光ヘッド装置ではとくに、光ディスクへの到達光量や光ディスクからの信号強度が温度によって変化してしまい好ましくない。そのため、上記波長範囲内で、波長の変化に対して楕円率の変化が小さいことが好ましい。具体的には、λ_ｋ±Δｋの波長帯域においてΔｋ＝３％の場合、波長が±１％変化したときに楕円率変化量（楕円率の最大値と最小値との差）が０．１以下が好ましく、０．０５以下がより好ましく、さらに０．０３以下が好ましい。本設計例では０．０３以下を実現している。位相差層はリタデーションＲｄ（＝Δｎ・ｄ）が大きいと、Δｎ・ｄ・（２π／λ）で表される透過光の位相差（｜進相軸の位相−遅相軸の位相|）も大きくなる。入射波長λの近傍で波長の変化（λ±Δλ）を想定する場合、リタデーションが大きいと波長の変化に対して位相差の変化も大きくなり、楕円率の波長変化量依存性も大きくなる。

このことから、設計波長（λ_１、λ_２およびλ_３：λ_１＜λ_２＜λ_３）近傍での楕円率の変化を小さくするために、
Ｒｄ_１３／λ_３、
Ｒｄ_２３／λ_３、
Ｒｄ_３３／λ_３、
が２以下となるような位相差層になるように設計するとよく、１以下、０．７以下はより好ましく、０．５以下はさらに好ましい。
この第１の設計例では、
Ｒｄ_１３／λ_３＝２８９．５５ｎｍ／７８０ｎｍ＝０．３７、
Ｒｄ_２３／λ_３＝２８１．０２ｎｍ／７８０ｎｍ＝０．３６、
Ｒｄ_３３／λ_３＝１４３．８２ｎｍ／７８０ｎｍ＝０．１８、
となりいずれも０．５以下となっている。

次に、実際に位相差素子１を構成する位相差層の材料の波長分散を考慮して設計する方法について説明する。位相差層のリタデーションの波長分散は、材料の屈折率の波長分散特性によって異なる。位相差層の材料としては上述のように屈折率異方性を有する光学異方性材料が好ましく、水晶やＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰなどの単結晶や、波長オーダーの微細構造を有する構造複屈折や、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ＰＶＡなどの延伸有機フィルムや液晶、高分子液晶などの配向した有機材料を用いることができる。これらの材料を用いて位相差層を形成し、屈折率の波長分散特性を考慮して位相差素子設計する。

位相差層を形成する材料として上記列記した材料のうち液晶を重合し高分子化した高分子液晶を用いると、単結晶材料によって形成するに比べて安価に作製でき、また位相差層を薄膜化したり、光学軸を入射する光軸に垂直な面内に形成できるため入射角度依存性を小さく出来るなどの設計自由度が大きくなる点で好ましい。ここでは、高分子液晶を用いた位相差層を例に説明する。ここで用いる高分子液晶のリタデーションの波長依存性（波長分散）は、波長λ_１＝４０５ｎｍに対する波長λ_２（＝６６０ｎｍ）、λ_３（＝７８０ｎｍ）の各リタデーションの比が、
Ｒｄ（λ_２）／Ｒｄ（λ_１）＝０．８１８、
Ｒｄ（λ_３）／Ｒｄ（λ_１）＝０．７２７、
で示される位相差層となる。

（第２の設計例）
前述の第１、第２および第３の設計指針に基づき、各位相差層のリタデーションと光学軸方位角を調整する第２の設計例について説明する。本設計例ではＲｄ_１１／Ｒｄ_３１、Ｒｄ_２１／Ｒｄ_３１ともに１．８〜２．２とした。その結果、波長λ_１＝４０５ｎｍの入射光に対して、
第１の位相差層１１のリタデーションＲｄ_１１＝３４３．８１ｎｍ、光学軸方位角度θ_１＝９．５４°、
第２の位相差層１２のリタデーションＲｄ_２１＝３０３．５１ｎｍ、光学軸方位角度θ_２＝３４．５８°、
第３の位相差層１３のリタデーションＲｄ_３１＝１６６．２５ｎｍ、光学軸方位角度θ_３＝９４．７３°、
を求めることができる。λ_２およびλ_３に対しては、上記に示した設計波長によるリタデーションの比を乗じた値となる。

これらの設計波長の光が位相差素子の各位相差層を透過し次の層への入射光となる偏光状態を示すストークスパラメターを表３に示す。

また、図示しないが、第２の設計例も所定の波長範囲の光で位相差素子１を透過する光の楕円率を示す図３のように、３つの設計波長λ_１、λ_２およびλ_３において楕円率が１に近づくように各設計波長において楕円率がピークを持つように設計されている。表３からも各波長で各位相差層を透過後の偏光状態は異なる経路を経ているが、各波長とも入射光の偏光状態（１、０、０）が素子透過後には（０、０、１）の楕円率＝１の円偏光に変化していることがわかる。なお、この第２の設計例におけるストークスパラメターの座標は、第１の設計例のそれと近い値を示している。

（第３の設計例）
次に、本発明の第３の設計例について以下に３つの位相差層のリタデーションおよび光学軸の方位角の組み合わせの別の例を示す。なお、各位相差層の波長分散特性は第２の設計例と同じものである。前述の第１、第２および第３の設計指針に基づき、各位相差層のリタデーションと光学軸方位角を調整する。本設計例ではＲｄ_２１／Ｒｄ_１１は１．５〜２．５とし、Ｒｄ_３１／Ｒｄ_１１を１．８〜２．２とする。その結果、波長λ_１＝４０５ｎｍの入射光に対して、
第１の位相差層１１のリタデーションＲｄ_１１＝１５３．０４ｎｍ、光学軸方位角度θ_１＝３８．８３°、
第２の位相差層１２のリタデーションＲｄ_２１＝３５９．８４ｎｍ、光学軸方位角度θ_２＝８９．５５°、
第３の位相差層１３のリタデーションＲｄ_３１＝３２２．９４ｎｍ、光学軸方位角度θ_３＝２０．８４°、
を求めることができる。同様に、λ_２およびλ_３に対しては、上記に示した設計波長によるリタデーションの比を乗じた値となる。

これらの設計波長の光が位相差素子の各位相差層を透過し次の層への入射光となる偏光状態を示すストークスパラメターを表４に示す。

図５に表４に示したストークスパラメターのＳ_１成分を横軸にＳ_２成分を縦軸にした２次元空間を示す。図５において、第２の位相差層１２、第３の位相差層１３へ入射する光の偏光状態は、第１の設計例および第２の設計例とは異なっている。各設計波長で各位相差層を透過後の偏光状態は異なる経路を経ているが、各波長とも偏光状態を示すストークスパラメターが入射光の偏光状態（１、０、０）から素子透過後には（０、０、１）の楕円率＝１の円偏光に変化されていることがわかる。

また、図示しないが、第３の設計例も所定の波長範囲の光で位相差素子１を透過する光の楕円率を示す図３のように、３つの設計波長λ_１、λ_２およびλ_３において楕円率が１に近づくように各設計波長において楕円率がピークを持つように設計されている。なお、第３の設計例も前述の設計条件に基づいた設計例となっている。

（第４の設計例）
次に、本発明の第４の設計例について以下に３つの位相差層のリタデーションおよび光学軸の方位角の組み合わせの別の例を示す。なお、各位相差層の波長分散特性は第２の設計例と同じものである。前述の第１、第２および第３の設計指針に基づき、各位相差層のリタデーションと光学軸方位角を調整する。本設計例ではＲｄ_１１／Ｒｄ_２１は１．８〜２．２とし、Ｒｄ_２１／Ｒｄ_３１を１．５〜２．５とする。その結果、波長λ_１＝４０５ｎｍの入射光に対して、
第１の位相差層１１のリタデーションＲｄ_１１＝６５０．３０ｎｍ、光学軸方位角度θ_１＝１０．８４°、
第２の位相差層１２のリタデーションＲｄ_２１＝３２７．３７ｎｍ、光学軸方位角度θ_２＝９０．０５°、
第３の位相差層１３のリタデーションＲｄ_３１＝１４７．１３ｎｍ、光学軸方位角度θ_３＝４５．３１°、
を求めることができる。同様に、λ_２およびλ_３に対しては、上記に示した設計波長によるリタデーションの比を乗じた値となる。

これらの設計波長の光が位相差素子の各位相差層を透過し次の層への入射光となる偏光状態を示すストークスパラメターを表５に示す。

図６に表５に示したストークスパラメターのＳ_１成分を横軸にＳ_２成分を縦軸にした２次元空間を示す。図６において、第２の位相差層１２、第３の位相差層１３へ入射する光の偏光状態は、偏光状態は異なる経路を経ているが、各波長とも偏光状態を示すストークスパラメターが入射光の偏光状態（１、０、０）から素子透過後には（０、０、１）の楕円率＝１の円偏光に変化されていることがわかる。

次に本発明の位相差素子を光ヘッド装置に適応する例について説明する。図７は、本発明にかかる光ヘッド装置の模式図の一例である。３つの半導体レーザ光源１０１、１０２、１０３から出射されたそれぞれ異なる波長の光は、合波プリズム１０４、１０５で合波され、コリメータレンズ１０６を透過し、偏光ビームスプリッター１０７を透過し、本発明の位相差素子１を透過し対物レンズ１０８で光ディスク１０９に集光される。集光された光は再び対物レンズ１０８や位相差素子１などを透過し、偏光ビームスプリッター１０７により反射され光検出系１１０へと導かれて光ディスクの情報を読み込むことができる。

ここで、図７に示すように半導体レーザは４０５ｎｍ帯と６６０ｎｍ帯、７９０ｎｍ帯のそれぞれ個別に３つのレーザを用いてもよいし、１つの半導体レーザから２つの異なる波長を発光するいわゆるツインレーザや３つの異なる波長を発するトリプルレーザを用いてもよい。また、４つ目以降の異なる波長のレーザの光を用いることを妨げるものではない。位相差素子１は、図７に示す配置にかかわらず、３つの異なる波長の光の共通の光路中に配置すればよい。位相差素子１は３つの位相差層がそれぞれ高分子液晶からなり各層のリタデーションや光学軸の方位角は第２の設計例のものを用いる。これらの位相差層をそれぞれ３枚のガラス基板上に作製し、それらを貼り合わせて一体化することで作製することができる。

光源１０１、１０２、１０３から出射され、光ディスク１０９へ向かう往路の直線偏光の光は、本発明の位相差素子１を透過することで、３つの異なる波長の光すべてにおいて楕円率が概ね１となる円偏光の光へ変換される。光ディスク１０９で反射されたのち、再び本発明の位相差素子１を透過することで、往路の偏光方向と直交する直線偏光の光となり、偏光ビームスプリッター１０７で効率よく光検出系１１０へ導かれる方向に反射される。このように、本発明の位相差素子１を用いることで、異なる３つの波長とも往路では円偏光の光に変化することができ、復路では往路と直交する直線偏光の光に変換することができる。

本発明に係る位相差素子は、３つ以上の異なる波長の直線偏光の光に対して楕円率を１に近づけるピークを持たせる特性を有する。また、この位相差素子を異なる３つの波長の光を出射する光ヘッド装置に搭載することよって再生・記録する異なる規格の光ディスクに対して利用することができる。

Claims (5)

1. ３つ以上の異なる波長λ_ｋ（ｋ＝１、２、３、・・・）の直線偏光の光で入射する入射光の偏光状態を変えて透過させる位相差素子であって、
   前記位相差素子は、前記入射光側よりそれぞれ屈折率異方性を有する材料からなる第１の位相差層、第２の位相差層、第３の位相差層の順に３つの位相差層が平行に並んで構成され、
   前記第２の位相差層の進相軸方向は、前記第１の位相差層および前記第３の位相差層の進相軸方向とは異なり、
   前記位相差素子を透過する光の楕円率は、前記透過する光の波長により変化し、
   前記３つの位相差層のリタデーションおよび光学軸方向の角度は、前記波長のうち少なくとも３つの異なる波長λ_ｋ（ｋ＝１、２、３）において当該３つの位相差層を透過する光の楕円率が０．９以上となり、かつ、Δλ_ｋを波長λ_ｋの３％の波長とするときλ_ｋ±Δλ_ｋの波長帯域における楕円率が０．６以上となる条件を満たし、
   前記第１の位相差層および前記第２の位相差層のリタデーションおよび光学軸方向の角度は、さらに以下の条件（Ａ）を満たす
   ことを特徴とする位相差素子。
   条件（Ａ）：
   前記３つの波長λ_１、λ_２、λ_３の光が、同じ偏光方向となる直線偏光の光で前記第１の位相差層に入射されたときの、前記第３の位相差層に入射する光の偏光状態を示すストークスパラメターの値を、前記３つの波長λ_１、λ_２、λ_３に対してそれぞれ（Ｓ_１３１、Ｓ_２３１、Ｓ_３３１）、（Ｓ_１３２、Ｓ_２３２、Ｓ_３３２）、（Ｓ_１３３、Ｓ_２３３、Ｓ_３３３）とするとき、
   Ｓ_２３１＝Ｂ_１×Ｓ_１３１、
   Ｓ_２３２＝Ｂ_２×Ｓ_１３２、
   Ｓ_２３３＝Ｂ_３×Ｓ_１３３、
   の等式を満足するＢ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の値が、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_１）、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_２）、ａｒｃｔａｎ（Ｂ_３）を計算したとき±１５°以内となる値である
2. 前記第１の位相差層および前記第２の位相差層のリタデーションおよび光学軸方向の角度は、さらに以下の条件（Ｂ）を満たす
   請求項１に記載の位相差素子。
   条件（Ｂ）：
   前記３つの波長λ_１、λ_２、λ_３の光が、同じ偏光方向となる直線偏光の光で前記第１の位相差層に入射されたときの、前記第２の位相差層に入射する光の偏光状態を示すストークスパラメターの値を、前記３つの波長λ_１、λ_２、λ_３に対してそれぞれ（Ｓ_１２１、Ｓ_２２１、Ｓ_３２１）、（Ｓ_１２２、Ｓ_２２２、Ｓ_３２２）、（Ｓ_１２３、Ｓ_２２３、Ｓ_３２３）とするとともに、前記第３の位相差層に入射する光の偏光状態を示すストークスパラメターの値を、前記３つの波長λ_１、λ_２、λ_３に対してそれぞれ（Ｓ_１３１、Ｓ_２３１、Ｓ_３３１）、（Ｓ_１３２、Ｓ_２３２、Ｓ_３３２）、（Ｓ_１３３、Ｓ_２３３、Ｓ_３３３）とするとき、
   （Ｓ_２３１−Ｓ_２２１）＝Ａ_１×（Ｓ_１３１−Ｓ_１２１）、
   （Ｓ_２３２−Ｓ_２２２）＝Ａ_２×（Ｓ_１３２−Ｓ_１２２）、
   （Ｓ_２３３−Ｓ_２２３）＝Ａ_３×（Ｓ_１３３−Ｓ_１２３）、
   の等式を満足するＡ_１、Ａ_２、Ａ_３の値が、ａｒｃｔａｎ（Ａ_１）、ａｒｃｔａｎ（Ａ_２）、ａｒｃｔａｎ（Ａ_３）を計算したとき±１５°以内となる値である
3. 前記第１の位相差層の波長λ_３（ただし、λ_１＜λ_２＜λ_３）におけるリタデーションをＲｄ_１３、前記第２の位相差層の波長λ_３におけるリタデーションをＲｄ_２３、前記第３の位相差層の波長λ_３におけるリタデーションをＲｄ_３３とするとき、Ｒｄ_１３／λ_３、Ｒｄ_２３／λ_３およびＲｄ_３３／λ_３の値がそれぞれ２以下である
   請求項１または請求項２に記載の位相差素子。
4. 前記λ_１が３８０〜４５０ｎｍの間、λ_２が６００〜７２０ｎｍの間、λ_３が７５０〜９００ｎｍの間である請求項１〜３いずれか１項に記載の位相差素子。
5. 異なる３つの波長の光源と、前記光源から出射した光を光ディスクに集光する対物レンズと、前記光ディスクからの反射光を検出する光検出器を有する光ヘッド装置において、
   光源から光検出器に至る光路中に請求項１〜４いずれか１項に記載の位相差素子を配置する光ヘッド装置。

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