(57)【要約】【課題】複屈折性及び旋光性を有する水晶結晶板で形成され、楕円率をより１に近付けることが可能な優れた光学特性の１／４波長板を提供する。【解決手段】１／４波長板１は、切断角度が０°＜ψ＜９０°、特にψ＝５°〜３０°である水晶板で形成される。水晶板の光学軸方位角θは、切断角度に対応して１５°≦θ＜４５°の範囲で所定の関係式に従って決定する。水晶板の設計位相差Γは、切断角度に対応して所定の関係式に従って決定する。このように決定した光学軸方位角θ及び設計位相差Γを組み合わせることにより、水晶の旋光性による偏光状態の変化分を補正して、楕円率を１に近い最適値に設定することができる。【選択図】図１
2010134414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折性及び旋光性を有する無機材料の結晶板で形成され、前記結晶板の入射面から入射する直線偏光を変換して円偏光として前記結晶板の出射面から出射し、又は前記結晶板の入射面から入射する円偏光を変換して直線偏光として前記結晶板の出射面から出射する１／４波長板であって、
前記結晶板の前記入射面に立てた法線と前記結晶板の光学軸とのなす角度ψを０°＜ψ＜９０°の範囲に設定し、
前記光学軸を前記結晶板の前記入射面に投影した光学軸投影線と前記直線偏光の偏光面とのなす光学軸方位角θを０°＜θ＜９０°かつθ≠４５°、又は９０°＜θ＜１８０°かつθ≠１３５°の範囲に設定したことを特徴とする１／４波長板。
【請求項２】
前記結晶板が水晶からなり、前記水晶が右水晶の場合には、前記光学軸方位角θを０°＜θ＜４５°に、前記水晶の複屈折性による位相差ΓをΓ＞９０°に設定し、前記水晶が左水晶の場合には、前記光学軸方位角θを４５°＜θ＜９０°に、前記水晶の複屈折性による位相差ΓをΓ＜９０°に設定したことを特徴とする請求項１記載の１／４波長板。
【請求項３】
前記結晶板が水晶からなり、前記水晶が右水晶の場合には、前記光学軸方位角θを９０°＜θ＜１３５°に、前記水晶の複屈折性による位相差ΓをΓ＞９０°に設定し、前記水晶が左水晶の場合には、前記光学軸方位角θを１３５°＜θ＜１８０°に、前記水晶の複屈折性による位相差ΓをΓ＜９０°に設定したことを特徴とする請求項１記載の１／４波長板。
【請求項４】
前記角度ψを５°≦ψ≦３０°の範囲に設定し、前記水晶が右水晶の場合には、前記光学軸方位角θをθ＝４５°−ａ、前記位相差ΓをΓ＝９０°＋ｂとしたとき、前記水晶が左水晶の場合には、前記光学軸方位角θをθ＝４５°＋ａ、前記位相差ΓをΓ＝９０°−ｂとしたとき、１°≦ａ≦３０°及び０°≦ｂ≦１２°を満足するようにしたことを特徴とする請求項２記載の１／４波長板。
【請求項５】
前記角度ψを５°≦ψ≦３０°の範囲に設定し、前記水晶が右水晶の場合には、前記光学軸方位角θをθ＝１３５°−ａ、前記位相差ΓをΓ＝９０°＋ｂとしたとき、前記水晶が左水晶の場合には、前記光学軸方位角θをθ＝１３５°＋ａ、前記位相差ΓをΓ＝９０°−ｂとしたとき、１°≦ａ≦３０°及び０°≦ｂ≦１２°を満足するようにしたことを特徴とする請求項３記載の１／４波長板。
【請求項６】
前記ａ，ｂが、
次式
【数１】
2010134414.tif 000029
と、次式
【数２】
2010134414.tif 000030
とを満足することを特徴とする請求項４又は５記載の１／４波長板。
【請求項７】
光源と、前記光源から出射される光を記録媒体上に集光する対物レンズと、前記記録媒体により反射された光を検出する検出器と、前記光源と前記対物レンズ間の光路中に配置した請求項１乃至６のいずれか記載の１／４波長板とを備えることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項８】
光源と、前記光源から出射される光を複数の異なる色の光に分解する色分解光学系と、前記色分解光学系からの前記各色の光をそれぞれ透過させる複数の偏光変換素子と、前記各偏光変換素子を透過した光をそれぞれ透過させる複数の偏光ビームスプリッタと、前記各偏光ビームスプリッタを透過した光をそれぞれ入射させる複数の反射型液晶表示素子と、前記各反射型液晶表示素子により反射された光を合成する色合成光学系と、前記色合成光学系により合成された光を投射して結像させる投写レンズと、前記各反射型液晶表示素子と前記各偏光ビームスプリッタ間の光路中にそれぞれ配置された複数の請求項１乃至６のいずれか記載の１／４波長板とを備えることを特徴とする反射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ピックアップ装置、液晶プロジェクタ等の光学装置や、光学ローパスフィルタ等の光学部品に使用される１／４波長板に関し、特に水晶のような複屈折性及び旋光性を有する無機結晶材料からなる１／４波長板に関する。更に本発明は、かかる１／４波長板を用いた光ピックアップ装置及び反射型液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線偏光と円偏光との間で偏光状態を変換する１／４波長の位相板即ち１／４波長板が、様々な光学的用途に使用されている。一般に１／４波長板は、延伸処理により複屈折性をもたせたポリカーボネート等の有機系材料からなる樹脂フィルム、高分子液晶層を透明基板で挟持した位相差板、水晶等の複屈折性を有する無機結晶材料の結晶板で作られる（例えば、特許文献１乃至４を参照）。
【０００３】
特に最近、光ディスク装置の記録再生に使用する光ピックアップ装置には、記録の高密度化大容量化を図るために、非常に短波長で高出力の青紫色レーザが採用されている。ところが、上述した樹脂フィルムや液晶材料は、青色から紫外域の光を吸収し易い物性を有するので、青紫色レーザ光を吸収して発熱し、材質自体が劣化して波長板の機能を損なう虞がある。それに対し、水晶等の無機結晶材料は耐光性が極めて高いので、水晶波長板は青紫色レーザを使用するような光学系に特に有利である。
【０００４】
水晶波長板は、様々な構造のものが開発されている。例えば、特許文献３記載の結晶板は、その光学軸がその入射面の法線に対して傾いているときに主楕円偏光の楕円率ｋを求め、下記の関係式により結晶板の厚さｄを算出することにより、精度の高い直線−円偏光変換を可能にしている。
cos{(２π／λ)×Δｎ・ｄ}＝−{２ｋ／(１−ｋ2)}2
ここで、λは前記結晶板に入射する光の使用波長、Δｎは前記主楕円偏光に対する屈折率の差である。
【０００５】
一般に光ピックアップ装置は、半導体レーザからのレーザビームを１／４波長板により直線偏光から円偏光に変換し、これを光ディスクの表面により反射させ、前記１／４波長板で直線偏光に戻した後、受光装置で電気信号に変換する。ところが、レーザ光は発散光であるので、１／４波長板を透過する際にその入射角度依存性のために完全な円偏光にならずに楕円偏光となった成分が、光ディスク表面で反射されて半導体レーザに戻るため、レーザ発振を不安定にするという問題を生じる。かかる問題に関して、特許文献４記載の結晶板は、光の入射角により決定する異常光の屈折方向を光学軸以外の結晶軸と一致させかつ光学軸とを直交させることにより、入射角の変動による常光と異常光間の位相差の変化量を極小にし、入射角度依存性の問題を改善して、入射する直線偏光を常にほぼ完全に円偏光に変換して出射できるようにしている。
【０００６】
また、２枚の結晶板をそれらの光学軸が互いに貼合せ面に関して対称でありかつ板面の法線方向から見て互いに平行であるように貼り合わせることにより、ビーム入射角の変動によるリタデーションの変化をキャンセルできるようにした位相板が知られている（例えば、特許文献５を参照）。更に、第一の波長板と第二の波長板とを貼り合わせた積層１／４波長板において、光路より若干傾斜させて配置した場合にも、それに生じる両波長板の光学軸のずれを見越して予めそれらの光学軸をずらして積層することにより、１／４波長板として所望の機能を発揮するようにした構造が知られている（例えば、特許文献６を参照）。
【０００７】
また、水晶が有する旋光性は、水晶波長板の性能に影響を及ぼし得ることがよく知られている。この問題に対して、旋光能を有する光学材料からなる２つの波長板を互いに光軸を交差するように重ね合わせて積層し、ポアンカレ球を用いた近似式により求めた両波長板の位相差、光学軸方位角度、旋光能、及び回転軸と中性軸のなす角が所定の関係式を満足するように構成することにより、旋光能による影響を低減し、広帯域において特性を良くした１／４波長板が提案されている（例えば、特許文献７を参照）。
【０００８】
この１／４波長板について、同特許文献７の図１と同じ図２６のポアンカレ球を用いて説明する。同図は、水晶結晶の中を波長λの光が進行するときの作用を例示している。光の入射方向を赤道上の２点Ｃｆ、Ｃｓを通過する中性軸Ｓ１として、該中性軸Ｓ１の方向に直線複屈折から位相差Γが与えられ、北極と南極とを通過する極軸方向ＬＲに円複屈折から位相差２ρが与えられる場合に、これらの合成ベクトルΓ’を考える。合成ベクトルΓ’の延長方向にポアンカレ球と交差する２点をＰａ、Ｐとして、直線ＰａＰと中性軸Ｓ１及びこれに直交する中性軸Ｓ２を常に含む面とがなす角βは、位相差ベクトルΓと位相差ベクトル２ρとを用いて次式で表される。
ｔａｎβ＝２ρ／Γ
【０００９】
従って、合成ベクトルΓ’は次式で表される。
【数３】
2010134414.tif 000003
【００１０】
ここで、Γ及びρは、ｎe’を異常光屈折率、ｎoを常光屈折率、ｎＲを右円偏光屈折率、ｎＬを左円偏光屈折率、ｄを結晶の厚さとして、以下の関係を満足する。
【数４】
2010134414.tif 000004
【００１１】
このように、合成ベクトルΓ’は直線複屈折性による位相差と円複屈折性による位相差を合成したもので、ポアンカレ球上で直線ＰａＰを回転軸としてベクトルΓ’だけ回転する挙動として取り扱うことができる。
【００１２】
上記特許文献７では、旋光能を有する水晶波長板においてその位相差特性を有効にシミュレーションするために、水晶波長板の作用Ｗは、水晶波長板を厚み方向にｎ個の旋光子Ｔi（ｉ＝１〜ｎ）と位相子Ｒｉ（ｉ＝１〜ｎ）に分割し、これらが交互に作用する素子として行列を用いて次式のように近似している。
【００１３】
【数５】
2010134414.tif 000005
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−２０８５８８号公報
【特許文献２】特開２００６−４０３４３号公報
【特許文献３】特公昭５２−４９４８号公報
【特許文献４】特公平３−５８０８１号公報
【特許文献５】特公平３−６１９２１号公報
【特許文献６】特開２００６−４０３５９号公報
【特許文献７】特開２００５−１５８１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特に高記録密度光ディスク装置の光ピックアップ装置に使用する１／４波長板は、楕円率０．９以上の高い直線−円偏光変換性能が要求されている。しかしながら、上述した従来の水晶波長板は、いずれも水晶の旋光性による波長板の偏光状態の変化が楕円率及び位相差双方に与える直接的な影響を考慮して設計されていない。そのため、旋光性の影響を完全に排除することができず、１／４波長板の楕円率を０．９以上の高い値に又は実質的に１に近付けることが困難である。
【００１６】
そこで、本願発明者らは、１／４水晶波長板において、その旋光性が偏光状態にどのような変化を及ぼすか、その偏光状態の変化をどのようにして解消し得るかを検証した。先ず、波長λ＝４０５nmにおいて、通常の手法に従って設計した光学軸方位角θ＝４５°、設計位相差Γ＝９０°の水晶波長板について、水晶板の切断角度に関する楕円率、位相差、波長板の厚さｔをそれぞれシミュレーションした。ここで、位相差とは、波長板に入射する光と該波長板から出射する光との間に生じる実際の位相差をいう。光学軸方位角とは、波長板に入射する光の直線偏光の偏光面と該波長板の入射面（又は出射面）に投影した結晶光学軸とのなす角度である。水晶板の切断角度は、水晶板の入射面に立てた法線と水晶結晶のＺ軸（光学軸）とがなす角度である。尚、本シミュレーションには、右水晶を使用した。位相差Γは、周知の次式で計算される。
Γ＝（３６０／λ）・（ｎe−ｎo）ｔ
ｎo：常光屈折率
ｎe：異常光屈折率
【００１７】
図２７及び図２８は、それぞれ従来から知られた単板タイプの水晶１／４波長板１２１、１３１を示している。図２７（Ａ）、（Ｂ）の波長板１２１は、入射光Ｌの直線偏光を右回りの円偏光に変換して出射する右旋光性を有し、その光学軸方位角θは４５°である。この波長板に入射した直線偏光の光は、水晶の複屈折性によって、位相差９０°に加えて、旋光性による偏光面の回転が作用するので、図２７（Ｃ）に示すように、円偏光ではなく、右回りの楕円偏光となって出射面から出射される。他方、図２８（Ａ）（Ｂ）の波長板１３１は、入射光Ｌの直線偏光を左回りの円偏光に変換して出射する左旋光性を有し、その光学軸方位角θは１３５°である。この波長板に入射した直線偏光の光は、同様に水晶の複屈折性によって、位相差９０°に加えて、旋光性による偏光面の回転が作用するので、図２８（Ｃ）に示すように、円偏光ではなく、左回りの楕円偏光となって出射面から出射される。尚、本シミュレーションに使用した波長板は、図２７（Ａ）、（Ｂ）に示す構造のものである。
【００１８】
この結果を図２９（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図２９（Ａ）（Ｂ）から、水晶板の切断角度ψが大きいほど、楕円率は１に接近し、位相差は９０°を維持しており、旋光性の影響が小さいことが分かる。これに対し、切断角度ψが約５〜２０°の小さい範囲では、楕円率が０．９以下で、位相差も９０°を安定して維持できない。ところが、図２９（Ｃ）から分かるように、切断角度ψが約３０〜９０°の範囲では、水晶板の厚さが１０〜２６μｍ程度まで薄くなってしまう。そのため、水晶板の強度が著しく低下し、脆弱で割れ易くなるので、製造上及び実際の使用上の取り扱いが非常に困難である。
【００１９】
水晶板の厚さが製造上困難とならないためには、少なくとも８０μｍ程度必要である。そこで、水晶板の切断角度を１０°に設定して、位相差及び楕円率の波長依存性をシミュレーションした。図３０は、通常の設計手法によって光学軸方位角θ＝４５°、設計位相差Γ0＝９０°で設計した場合であり、楕円率を実線で、位相差を点線でそれぞれ示している。同図に示すように、波長λ＝４０５nmで楕円率が約０．４６、位相差が１０２．２°であった。
【００２０】
これを図３１のポアンカレ球で説明すると、次のようになる。図３０の場合、入射光の基準点をＰ0＝（１，０，０）として、回転軸Ｒ0をＳ１軸からＳ２軸を中心に２θ＝９０°回転した位置に設定し、これを更にＳ１・Ｓ２平面に対して角度２ρ（ρ：水晶板の旋光角）だけ北極（Ｓ３）方向に傾ける。この回転軸Ｒ0を中心に基準点をＰ0を位相差δ＝９０°だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ1が実際の出射光の位置となる。このように円偏光が出射される北極から大きく離れた位置から出射される楕円偏光では、高い楕円率を要求する光ピックアップ装置のような光学系には適さない。
【００２１】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複屈折性及び旋光性を有し、短波長で高出力の青紫色レーザに対して十分な耐光性、信頼性を発揮する水晶等の無機材料の結晶板で形成され、かつ楕円率を最適に即ち０．９以上の高い値に又は実質的に１に近付けることが可能な優れた光学特性の１／４波長板を提供することにある。
【００２２】
更に本発明は、かかる光学特性の優れた１／４波長板を用いることにより、より高記録密度の光ディスク装置に適した光ピックアップ装置、及び従来よりもコントラストを改善した反射型液晶表示装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本願発明者らは、図２７に関連して上述した水晶板について、更に光学軸方位角と楕円率との関係をシミュレーションした。その結果を図１に示す。同図から、光学軸方位角θ＝３５°付近で楕円率が最大かつ０．９以上の良好な値となることが分かった。
【００２４】
このθ＝３５°で、同じく切断角度ψ＝１０°、設計位相差Γ0＝９０°の水晶板を設計し、位相差及び楕円率の波長依存性をシミュレーションして検証した。その結果を図２に、楕円率を実線で位相差を点線でそれぞれ示す。製造上の誤差や歩留まりを考慮すると、楕円率を更に１に近付けることが望ましい。
【００２５】
そこで、設計位相差Γ0と光学軸方位角θとの関係を検証した。θ＝３３°、３３．５°、３４°、３４．５°、３５°について、設計位相差に関する楕円率の変化をシミュレーションし、その結果を図３に示す。楕円率は、設計位相差９１．５°、光学軸方位角３４°付近で約０．９９まで改善できた。同図から、単に光学軸方位角だけでなく、それと設計位相差とを相互に変化させることで、楕円率を改善し得ることが判明した。
【００２６】
このときの位相差及び楕円率の波長依存性を図４に、楕円率を実線で位相差を点線でそれぞれ示す。同図から、製造上の誤差や歩留まりを考慮しても、波長４０５nm付近で十分に高い楕円率を確保できることが分かる。
【００２７】
これらを、図５のポアンカレ球を用いて説明する。更に図６（Ａ）（Ｂ）は、図５のポアンカレ球をそれぞれＳ１方向（正面）及びＳ３方向（平面）から見た図を示している。図２の場合、同様に入射光Ｌの基準点をＰ0＝（１，０，０）として、回転軸Ｒ1をＳ１軸からＳ２軸を中心に２θ＝７０°回転した位置に設定し、これを更にＳ１・Ｓ２平面に対して角度２ρ（ρ：水晶板の旋光角）だけ北極（Ｓ３）方向に傾ける。この回転軸Ｒ1を中心に基準点Ｐ0を位相差δ1＝９０°だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ11が実際の出射光の位置となる。波長λ＝４０５nmで楕円率が約０．４６である図３０の場合と比較して、出射光の位置がより北極に近く、楕円率がより１に近くなっている。
【００２８】
図４の場合、回転軸Ｒ1をＳ１軸側に少し戻すように回転させた位置に、回転軸Ｒ2を設定する。この回転軸Ｒ2を中心に基準点をＰ0を位相差δ2＝９１．５°だけ右に回転させると、その球上の点Ｐ12が実際の出射光の位置となる。図２の場合と比較して、出射光の位置が更に北極に近く、楕円率が更に１に近くなっている。
【００２９】
これらのシミュレーション結果から、水晶の旋光性による偏光状態の変化分を補正量として、水晶の複屈折性による位相の変化量即ち設計位相差と光学軸方位角とに加えることにより、楕円率を１に極めて近い値に従来よりも大幅に改善し得ることを確認できた。
【００３０】
更に本願発明者らは、ψ＝１０°以外の切断角度についても、同様のシミュレーションを行った。設計位相差Γ0を９０°と仮定して、水晶板の切断角度を５°から３０°まで５°ずつ段階的に変化させ、光学軸方位角θと楕円率との関係をシミュレーションした。その結果を図７に示す。各切断角度について、楕円率を最大とする最適の光学軸方位角は次のとおりであった。
切断角度      最適光学軸方位角      最大楕円率
５°          ２０°             ０．７６
１０°          ３４°             ０．９５
１５°          ４０°             ０．９９
２０°          ４２°             ０．９９
２５°          ４３°             ０．９９
３０°          ４４°             ０．９８
【００３１】
この結果から、従来の水晶１／４波長板が切断角度に関係なく光学軸方位角をθ＝４５°に設定しているのに対し、切断角度によって光学軸方位角θを４５°から変えることにより、楕円率を改善し得ることが分かる。しかしながら、楕円率は、切断角度ψが小さい場合に、特にψ＝５°で最大０．７６程度と小さく、そのまま１／４波長板として光ピックアップ装置に用いるのは好ましくない。
【００３２】
そこで、更に設計位相差Γ0を９０°から変化させ、楕円率をより改善し得るように光学軸方位角の更なる最適化を試みた。図８（Ａ）〜図１３（Ａ）は、それぞれ各切断角度の最適光学軸方位角を含む或る範囲の光学軸方位角についてシミュレーションした設計位相差と楕円率との関係を示している。図８（Ｂ）〜図１３（Ｂ）は、同じく各切断角度の最適光学軸方位角を含む或る範囲の光学軸方位角について、それぞれ光学軸方位角の変化に対する楕円率を示している。図８〜図１３の結果から、各切断角度について、楕円率０．９以上を確実に満足する光学軸方位角の範囲と設計位相差の範囲との組合せが存在することが確認された。
【００３３】
これらの結果をまとめると、次のようになる。
【表１】
2010134414.tif 000006
ここで、光学軸補正量とは、従来の直線偏光を右回り円偏光に変換する水晶１／４波長板において一般的に設定する光学軸方位角θ＝４５°からの補正量を表したもので、４５゜から最適光学軸方位角を減じた値である。位相差補正量とは、同じく従来の直線偏光を右回り円偏光に変換する水晶１／４波長板において一般的に設定する設計位相差Γ0＝９０°からの補正量を表したもので、最適設計位相差から９０゜を減じた値である。
【００３４】
図８（Ｂ）〜図１３（Ｂ）の結果から、切断角度毎に楕円率が最大となる光学軸方位角を抽出し、その関係を切断角度ψ＝５〜３０°の範囲で図１４（Ａ）にプロットした。更に、切断角度ψと光学軸方位角θの補正量ａとの関係を図１４（Ｂ）にプロットした。これらの図から、楕円率を最適に即ち１に近い値で最大に設定し得る光学軸方位角θと切断角度ψとの関係を、次の多項式のように一般化することができた。
【００３５】
【数６】
2010134414.tif 000007
【００３６】
同様に、図８（Ａ）〜図１３（Ａ）の結果から、切断角度毎に楕円率が最大となる設計位相差を抽出し、その関係を切断角度ψ＝５〜３０°の範囲で図１５（Ａ）にプロットした。更に、切断角度ψと位相差Γの補正量ｂとの関係を図１５（Ｂ）にプロットした。これらの図から、楕円率を最適に即ち１に近い値で最大に設定し得る設計位相差Γと切断角度ψとの関係を、次の多項式のように一般化することができた。
【００３７】
【数７】
2010134414.tif 000008
【００３８】
上記説明は、直線偏光を右回り円偏光に変換する水晶１／４波長板について行ったものである。これと同じ解析手法は、直線偏光を左回り円偏光に変換する水晶１／４波長板についても用いることができる。その場合、楕円率を最適に即ち１に近い値で最大に設定し得る光学軸方位角θと切断角度ψとの関係を、次の多項式のように一般化することができる。
【００３９】
【数８】
2010134414.tif 000009
【００４０】
同様に、楕円率を最適に即ち１に近い値で最大に設定し得る設計位相差Γと切断角度ψとの関係を、次の多項式のように一般化することができる。
【数９】
2010134414.tif 000010
【００４１】
このようにして、直線偏光を左回り円偏光に変換する水晶１／４波長板についても、楕円率を１に近い値で最大に設定することができる。尚、上記シュミレーションは、右水晶を１／４波長板に用いた場合である。その場合、右水晶は、周知のように入射光の偏光を出射面側から見て右方向に回転させる右旋光性を有する。これに対し、左水晶は、入射光の偏光を出射面側から見て左方向に回転させる左旋光性を有し、右水晶とは旋光の向きが逆方向に作用する。従って、１／４波長板の複屈折材料として左水晶を用いる場合は、光学軸方位角を補正する向き即ち正負の方向を、右水晶の場合とは逆向きに設定すればよいことになる。
【００４２】
左水晶で直線偏光を右回り円偏光に変換する１／４波長板の場合、楕円率を最適に即ち１に近い値で最大に設定し得る光学軸方位角θと切断角度ψとの関係を、次の多項式のように一般化することができる。
【数１０】
2010134414.tif 000011
【００４３】
更に、楕円率を最適に即ち１に近い値で最大に設定し得る設計位相差Γと切断角度ψとの関係は、次の多項式のように一般化することができる。
【数１１】
2010134414.tif 000012
【００４４】
また、左水晶で直線偏光を左回り円偏光に変換する１／４波長板の場合、楕円率を最適に即ち１に近い値で最大に設定し得る光学軸方位角θと切断角度ψとの関係を、次の多項式のように一般化することができる。
【数１２】
2010134414.tif 000013
【００４５】
更に、楕円率を最適に即ち１に近い値で最大に設定し得る設計位相差Γと切断角度ψとの関係は、次の多項式のように一般化することができる。
【数１３】
2010134414.tif 000014
【００４６】
本発明は、かかる知見に基づいて案出されたものである。本発明によれば、上記目的を達成するために、複屈折性及び旋光性を有する無機材料の結晶板で形成され、該結晶板の入射面から入射する直線偏光を変換して円偏光として結晶板の出射面から出射し、又は該結晶板の入射面から入射する円偏光を変換して直線偏光として結晶板の出射面から出射する１／４波長板であって、結晶板の入射面に立てた法線と該結晶板の光学軸とのなす切断角度ψを０°＜ψ＜９０°の範囲に設定し、結晶板の光学軸をその入射面に投影した光学軸投影線と前記直線偏光の偏光面とのなす光学軸方位角θを０°＜θ＜９０°かつθ≠４５°、又は９０°＜θ＜１８０°かつθ≠１３５°の範囲に設定した１／４波長板が提供される。
【００４７】
このように、結晶板の切断角度に基づいて最適の光学軸方位角θと設計位相差Γとの組合せを設定することにより、その旋光性による偏光状態の変化分を補正して、波長板の楕円率を切断角度に対応して最大にする、即ちできる限り１に近い最適の値にすることができる。従って、本実施例の１／４波長板は、特に光ピックアップ装置に使用されている短波長で高出力の青紫色レーザに対して十分な耐光性及び高い信頼性を発揮するだけでなく、優れた光学特性が得られる。
【００４８】
或る実施例では、前記結晶板が水晶からなり、該水晶が右水晶の場合には、光学軸方位角θを０°＜θ＜４５°に、水晶の複屈折性による位相差ΓをΓ＞９０°に設定し、水晶が左水晶の場合には、光学軸方位角θを４５°＜θ＜９０°に、水晶の複屈折性による位相差ΓをΓ＜９０°に設定することにより、１／４波長板の楕円率を切断角度に対応してできる限り１に近い最大の値にすることができる。
【００４９】
別の実施例では、前記結晶板が水晶からなり、該水晶が右水晶の場合には、光学軸方位角θを９０°＜θ＜１３５°に、水晶の複屈折性による位相差ΓをΓ＞９０°に設定し、水晶が左水晶の場合には、光学軸方位角θを１３５°＜θ＜１８０°に、水晶の複屈折性による位相差ΓをΓ＜９０°に設定することにより、同様に１／４波長板の楕円率を切断角度に対応してできる限り１に近い最大の値にすることができる。
【００５０】
また、別の実施例では、前記結晶板の切断角度ψを５°≦ψ≦３０°の範囲に設定することにより、特に結晶板の旋光性による偏光状態の変化分を効果的に補正することができる。
【００５１】
特に、切断角度ψを５°≦ψ≦３０°の範囲に設定し、水晶が右水晶の場合には、光学軸方位角θをθ＝４５°−ａ、位相差ΓをΓ＝９０°＋ｂとしたとき、水晶が左水晶の場合には、光学軸方位角θをθ＝４５°＋ａ、位相差ΓをΓ＝９０°−ｂとしたとき、１°≦ａ≦３０°及び０°≦ｂ≦１２°を満足するようにすることが好ましい。また、切断角度ψを５°≦ψ≦３０°の範囲に設定し、水晶が右水晶の場合には、光学軸方位角θをθ＝１３５°−ａ、位相差ΓをΓ＝９０°＋ｂとしたとき、水晶が左水晶の場合には、光学軸方位角θをθ＝１３５°＋ａ、位相差ΓをΓ＝９０°−ｂとしたとき、１°≦ａ≦３０°及び０°≦ｂ≦１２°を満足するようにすることが好ましい。
【００５２】
更に、これらの場合に、前記ａ，ｂがそれぞれ次式を満足するように決定することが好ましい。これにより、１／４波長板の楕円率をより一層１に近い値に設定し又は近付けることができる。
【００５３】
【数１４】
2010134414.tif 000015
【００５４】
【数１５】
2010134414.tif 000016
【００５５】
また、本発明の別の側面によれば、光源と、該光源から出射される光を記録媒体上に集光する対物レンズと、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、上述した本発明の１／４波長板を光源と対物レンズ間の光路中に配置した光ピックアップ装置が提供される。上述したように楕円率をより１に近い最適の値に設定した１／４波長板を用いることによって、より高記録密度の光ディスク装置に適した光ピックアップ装置を実現することができる。
【００５６】
更に、本発明の別の側面によれば、光源と、該光源から出射される光を複数の異なる色の光に分解する色分解光学系と、該色分解光学系からの各色の光をそれぞれ透過させる複数の偏光変換素子と、該各偏光変換素子を透過した光をそれぞれ透過させる複数の偏光ビームスプリッタと、該各偏光ビームスプリッタを透過した光をそれぞれ入射させる複数の反射型液晶表示素子と、該各反射型液晶表示素子により反射された光を合成する色合成光学系と、該色合成光学系により合成された光を投射して結像させる投写レンズとを備え、上述した本発明の複数の１／４波長板をそれぞれ各反射型液晶表示素子と各偏光ビームスプリッタ間の光路中に配置した反射型液晶表示装置が提供される。同様に、上述したように楕円率をより１に近い最適の値に設定した１／４波長板を用いることによって、従来よりもコントラストを改善した反射型液晶表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
【００５８】
図１６（Ａ）（Ｂ）は、本発明による１／４波長板の第１実施例を概略的に示している。本実施例の１／４波長板１は、厚さ一定の単一の水晶波長板で形成されている。この水晶波長板は、図１７に示すように、その入射面１ａ（又は出射面１ｂ）に立てた法線と光学軸（Ｚ軸）とにより画定される切断角度ψが０°＜ψ＜９０°の範囲にある水晶板１´から切り出される。特に、切断角度をψ＝５°〜３０°の範囲で設定すると、１／４波長板として製造上困難とならない十分な強度を有する厚さの水晶波長板を加工することができる。
【００５９】
第１実施例の１／４波長板１は、これを構成する水晶が右水晶であり、入射光の直線偏光を右回り円偏光に変換する右旋光性を有する。波長板１は、光学軸方位角θ即ち入射面１ａに投影した光学軸２と入射光の直線偏光の偏光面の向き３とのなす角度を従来の４５°よりも小さく、１５°≦θ＜４５°の範囲で設定する。切断角度ψに対応した最適の光学軸方位角θは、図１４に関連して上述したように、次の式を用いて決定する。
【００６０】
【数１６】
2010134414.tif 000017
【００６１】
更に、波長板１の設計位相差Γは、図１５に関連して上述した次の式を用いて、切断角度ψに対応して最適値を決定する。
【数１７】
2010134414.tif 000018
【００６２】
例えば、切断角度ψをψ＝１３°として、右水晶からなる１／４波長板１を設計する場合、上記数１６の式からａ＝６．１°が算出される。従って、最適の光学軸方位角θは、
θ＝４５°−６．１°＝３８．９°
となる。また、上記数１７の式からｂ＝０．３が算出され、最適の設計位相差Γは、
Γ＝９０°＋０．３°＝９０．３°
となる。
【００６３】
図１６（Ｃ）に示すように、１／４波長板１の入射面１ａから入射した直線偏光には、水晶の複屈折性による位相差と旋光性による偏光面の回転とが作用する。しかしながら、１／４波長板１は、上述したように切断角度ψに基づいて最適の光学軸方位角θ及び設計位相差Γを決定したことにより、位相差δ及び光学軸方位角θが最適値に設定されている。従って、入射光の直線偏光は、楕円率が略１の楕円偏光に変換され、実質的に円偏光として出射面１ｂから出射する。
【００６４】
この光学作用を、図１６（Ｄ）に示すポアンカレ球を用いて説明する。Ｓ１・Ｓ２平面に平行な直線偏光の入射光の基準点をＰ0＝（１，０，０）として、回転軸Ｒ1をＳ１軸からＳ３軸を中心にして２θ回転した位置に設定し、これを更にＳ１・Ｓ２平面に対して角度２ρ（ρ：水晶板の旋光角）だけ北極（Ｓ３）方向に傾ける。更に、回転軸Ｒ1をＳ１軸側に少し戻すように回転させた位置に、回転軸Ｒ2を設定する。この回転軸Ｒ2を中心に基準点Ｐ0を、一般的な設計位相差９０°からの補正量を加えた最適位相差δだけ右に回転させると、その球上の北極に略一致する点Ｐ2に到達する。この点Ｐ2が実際の出射光の位置になるので、入射光の直線偏光は円偏光となって出射する。
【００６５】
図１８（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施例の変形例の１／４波長板１を概略的に示している。本実施例の１／４波長板１１は、これを構成する水晶が右水晶であり、入射光の直線偏光を左回り円偏光に変換する左旋光性を有する。波長板１１は、光学軸方位角θ即ち入射面１１ａに投影した光学軸１２と入射光の直線偏光の偏光面の向き１３とのなす角度を従来の１３５°よりも小さく、１０５°≦θ＜１３５°の範囲で設定する。
【００６６】
切断角度ψに対応した最適の光学軸方位角θは、上述した次の式を用いて決定する。
【数１８】
2010134414.tif 000019
【００６７】
更に、波長板１１の設計位相差Γは、上述した次の式を用いて、切断角度ψに対応して最適値を決定する。
【数１９】
2010134414.tif 000020
【００６８】
図１８（Ｃ）に示すように、１／４波長板１１の入射面１１ａから入射した直線偏光には、水晶の複屈折性による位相差と旋光性による偏光面の回転とが作用する。しかしながら、１／４波長板１１は、上述したように切断角度ψに基づいて最適の光学軸方位角θ及び設計位相差Γを決定したことにより、位相差δ及び光学軸方位角θが最適値に設定されている。従って、入射光の直線偏光は、楕円率が略１の楕円偏光に変換され、実質的に円偏光として出射面１１ｂから出射する。
【００６９】
この光学作用を、図１８（Ｄ）に示すポアンカレ球を用いて説明する。Ｓ１・Ｓ２平面に平行な直線偏光の入射光の基準点をＰ0＝（１，０，０）として、回転軸Ｒ1をＳ１軸からＳ３軸を中心にして２θ回転した位置に設定し、これを更にＳ１・Ｓ２平面に対して角度２ρ（ρ：水晶板の旋光角）だけ北極（Ｓ３）方向に傾ける。更に、回転軸Ｒ1をＳ１軸側に少し戻すように回転させた位置に、回転軸Ｒ2を設定する。この回転軸Ｒ2を中心に基準点Ｐ0を、一般的な設計位相差９０°からの補正量を加えた最適位相差δだけ右に回転させると、その球上の南極に略一致する点Ｐ2に到達する。この点Ｐ2が実際の出射光の位置になるので、入射光の直線偏光は円偏光となって出射する。
【００７０】
図１９（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施例の別の変形例の１／４波長板１を概略的に示している。本実施例の１／４波長板２１は、これを構成する水晶が左水晶であり、入射光の直線偏光を右回り円偏光に変換する右旋光性を有する。波長板２１は、光学軸方位角θ即ち入射面２１ａに投影した光学軸２２と入射光の直線偏光の偏光面の向き２３とのなす角度を従来の４５°よりも大きく、４５°＜θ≦７５°の範囲で設定する。
【００７１】
切断角度ψに対応した最適の光学軸方位角θは、上述した次の式を用いて決定する。
【数２０】
2010134414.tif 000021
【００７２】
更に、波長板２１の設計位相差Γは、上述した次の式を用いて、切断角度ψに対応して最適値を決定する。
【数２１】
2010134414.tif 000022
【００７３】
図１９（Ｃ）に示すように、１／４波長板２１の入射面２１ａから入射した直線偏光には、水晶の複屈折性による位相差と旋光性による偏光面の回転とが作用する。しかしながら、１／４波長板２１は、上述したように切断角度ψに基づいて最適の光学軸方位角θ及び設計位相差Γを決定したことにより、位相差δ及び光学軸方位角θが最適値に設定されている。従って、入射光の直線偏光は、楕円率が略１の楕円偏光に変換され、実質的に円偏光として出射面２１ｂから出射する。
【００７４】
この光学作用を、図１９（Ｄ）に示すポアンカレ球を用いて説明する。Ｓ１・Ｓ２平面に平行な直線偏光の入射光の基準点をＰ0＝（１，０，０）として、回転軸Ｒ1をＳ１軸からＳ３軸を中心にして２θ回転した位置に設定し、これを更にＳ１・Ｓ２平面に対して角度２ρ（ρ：水晶板の旋光角）だけ北極（Ｓ３）方向に傾ける。更に、回転軸Ｒ1をＳ１軸側から更に少し進めるように回転させた位置に、回転軸Ｒ2を設定する。この回転軸Ｒ2を中心に基準点Ｐ0を、一般的な設計位相差９０°からの補正量を加えた最適位相差δだけ右に回転させると、その球上の北極に略一致する点Ｐ2に到達する。この点Ｐ2が実際の出射光の位置になるので、入射光の直線偏光は円偏光となって出射する。
【００７５】
図２０（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施例の更に別の変形例の１／４波長板１を概略的に示している。本実施例の１／４波長板３１は、これを構成する水晶が左水晶であり、入射光の直線偏光を左回り円偏光に変換する左旋光性を有する。波長板３１は、光学軸方位角θ即ち入射面３１ａに投影した光学軸３２と入射光の直線偏光の偏光面の向き３３とのなす角度を従来の１３５°よりも大きく、１３５°＜θ≦１６５°の範囲で設定する。
【００７６】
切断角度ψに対応した最適の光学軸方位角θは、上述した次の式を用いて決定する。
【数２２】
2010134414.tif 000023
【００７７】
更に、波長板３１の設計位相差Γは、上述した次の式を用いて、切断角度ψに対応して最適値を決定する。
【数２３】
2010134414.tif 000024
【００７８】
図２０（Ｃ）に示すように、１／４波長板３１の入射面３１ａから入射した直線偏光には、水晶の複屈折性による位相差と旋光性による偏光面の回転とが作用する。しかしながら、１／４波長板３１は、上述したように切断角度ψに基づいて最適の光学軸方位角θ及び設計位相差Γを決定したことにより、位相差δ及び光学軸方位角θが最適値に設定されている。従って、入射光の直線偏光は、楕円率が略１の楕円偏光に変換され、実質的に円偏光として出射面３１ｂから出射する。
【００７９】
この光学作用を、図２０（Ｄ）に示すポアンカレ球を用いて説明する。Ｓ１・Ｓ２平面に平行な直線偏光の入射光の基準点をＰ0＝（１，０，０）として、回転軸Ｒ1をＳ１軸からＳ３軸を中心にして２θ回転した位置に設定し、これを更にＳ１・Ｓ２平面に対して角度２ρ（ρ：水晶板の旋光角）だけ北極（Ｓ３）方向に傾ける。更に、回転軸Ｒ1をＳ１軸側から更に少し進めるように回転させた位置に、回転軸Ｒ2を設定する。この回転軸Ｒ2を中心に基準点Ｐ0を、一般的な設計位相差９０°からの補正量を加えた最適位相差δだけ右に回転させると、その球上の南極に略一致する点Ｐ2に到達する。この点Ｐ2が実際の出射光の位置になるので、入射光の直線偏光は円偏光となって出射する。
【００８０】
このように、前記水晶板の切断角度に基づいて最適の光学軸方位角θと設計位相差Γとの組合せを設定することにより、水晶の旋光性による偏光状態の変化分を補正して、波長板１の楕円率を１に近い最適の値にすることができる。従って、本実施例の１／４波長板は、特に光ピックアップ装置に使用されている短波長で高出力の青紫色レーザに対して十分な耐光性及び高い信頼性を発揮するだけでなく、優れた光学特性が得られる。
【００８１】
図２１（Ａ）（Ｂ）は、本発明による１／４波長板の第２実施例を概略的に示している。本実施例の１／４波長板４１は、同じ切断角度ψの２枚の水晶波長板４１ａ，４１ｂを積層して構成される。水晶波長板４１ａ，４１ｂは、それぞれの光学軸４２ａ，４２ｂが、図２１（Ａ）に示すように、入射面４３ａ（又は出射面４３ｂ）から見て平行をなし、かつ図２１（Ｂ）に示すように、側面から見ても平行をなすように配置される。
【００８２】
１／４波長板４１の位相差Γは、各水晶波長板４１ａ，４１ｂの位相差Γa、Γbにより、次のように表される。前記水晶波長板が右水晶で右旋光性又は左旋光性を有する場合、
Γ＝Γa ＋Γb ＝９０°＋ｂ
となる。前記水晶波長板が左水晶で右旋光性又は左旋光性を有する場合、
Γ＝Γa ＋Γb ＝９０°＋ｂ
となる。
【００８３】
ここで、位相差の補正量ｂは、次式で表すことができる。
【数２４】
2010134414.tif 000025
【００８４】
各水晶波長板４１ａ，４１ｂの光学軸方位角θ1、θ2は、上記第１実施例及びその各変形例の場合と同様にして、次のように決定される。即ち、前記水晶波長板が右水晶で右旋光性を有する場合、
θ1 ＝θ2 ＝４５°−ａ
となる。前記水晶波長板が右水晶で左旋光性を有する場合、
θ1 ＝θ2 ＝１３５°−ａ
となる。前記水晶波長板が左水晶で右旋光性を有する場合、
θ1 ＝θ2 ＝４５°＋ａ
となる。前記水晶波長板が左水晶で左旋光性を有する場合、
θ1 ＝θ2 ＝１３５°＋ａ
となる。
【００８５】
ここで、光学軸方位角の補正量ａは、次式で表すことができる。
【数２５】
2010134414.tif 000026
【００８６】
これらの水晶波長板４１ａ，４１ｂを上述したように積層することにより、１／４波長板４１は、各水晶波長板の旋光性による偏光状態の変化分を補正して、その楕円率を１に近い最適の値にすることができる。従って、本実施例の１／４波長板も、特に光ピックアップ装置に使用されている短波長で高出力の青紫色レーザに対して十分な耐光性及び高い信頼性を発揮するだけでなく、優れた光学特性が得られる。
【００８７】
図２２（Ａ）（Ｂ）は、上記第２実施例の１／４波長板の変形例を概略的に示している。本実施例の１／４波長板５１は同様に、同じ切断角度ψの２枚の水晶波長板５１ａ，５１ｂを積層して構成される。水晶波長板５１ａ，５１ｂは、それぞれの光学軸５２ａ，５２ｂが、図２２（Ａ）に示すように、入射面５３ａ（又は出射面５３ｂ）から見て平行をなし、かつ図２２（Ｂ）に示すように、側面から見て前記両波長板の貼合せ面に関して対称をなし、互いに光軸を整合させて配置される。
【００８８】
１／４波長板５１の位相差Γは、同様に各水晶波長板５１ａ，５１ｂの位相差Γa、Γbにより、次のように表される。前記水晶波長板が右水晶で右旋光性又は左旋光性を有する場合、
Γ＝Γa ＋Γb ＝９０°＋ｂ
となる。前記水晶波長板が左水晶で右旋光性又は左旋光性を有する場合、
Γ＝Γa ＋Γb ＝９０°＋ｂ
となる。
【００８９】
ここで、位相差の補正量ｂは、同様に次式で表すことができる。
【数２６】
2010134414.tif 000027
【００９０】
各水晶波長板５１ａ，５１ｂの光学軸方位角θ1、θ2は、上記第１実施例及びその各変形例の場合と同様にして、次のように決定される。即ち、前記水晶波長板が右水晶で右旋光性を有する場合、
θ1 ＝θ2 ＝４５°−ａ
となる。前記水晶波長板が右水晶で左旋光性を有する場合、
θ1 ＝θ2 ＝１３５°−ａ
となる。前記水晶波長板が左水晶で右旋光性を有する場合、
θ1 ＝θ2 ＝４５°＋ａ
となる。前記水晶波長板が左水晶で左旋光性を有する場合、
θ1 ＝θ2 ＝１３５°＋ａ
となる。
【００９１】
ここで、光学軸方位角の補正量ａは、次式で表すことができる。
【数２７】
2010134414.tif 000028
【００９２】
これらの水晶波長板５１ａ，５１ｂを上述したように積層することにより、１／４波長板５１は、同様に各水晶波長板の旋光性による偏光状態の変化分を補正して、その楕円率を１に近い最適の値にすることができる。従って、本実施例の１／４波長板も、特に光ピックアップ装置に使用されている短波長で高出力の青紫色レーザに対して十分な耐光性及び高い信頼性を発揮するだけでなく、優れた光学特性が得られる。
【００９３】
図２３は、第１実施例の１／４波長板を適用した光ピックアップ装置の実施例を示している。本実施例の光ピックアップ装置６０は、例えばBlu-ray Disc（商標）等の光ディスク装置の記録再生に使用するためのもので、例えば波長４０５ｎｍの青紫色光であるレーザ光を放射するレーザダイオードからなる光源６１を有する。光ピックアップ装置６０は、光源６１からのレーザ光を回折して３ビーム化する回折格子６２と、該回折格子を透過したレーザ光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離して透過又は反射する偏光ビームスプリッタ６３と、該偏光ビームスプリッタに反射されたレーザ光を平行光にするコリメートレンズ６４と、該コリメートレンズを透過したレーザ光を光ディスク６５に向けて反射するミラー６６と、該ミラーにより反射された直線偏光のレーザ光を円偏光に変換する１／４波長板６７と、該１／４波長板を透過したレーザ光を集光する対物レンズ６８と、光ディスク６５から反射したレーザ光を検出する光検出器６９とを備える。更に光ピックアップ装置６０は、光源６１から出射して偏光ビームスプリッタ６３を透過したレーザ光を検出するモニタ用光検出器７０を有する。
【００９４】
光ピックアップ装置６０の動作を以下に説明する。光源６１から出射した直線偏光のレーザ光は、３ビーム法によるトラッキング制御のために回折格子６２により３ビームに分離された後、Ｓ偏光成分が偏光ビームスプリッタ６３で反射され、コリメートレンズ６４により平行光となる。平行光のレーザ光はミラー６６で全反射され、１／４波長板６７により直線偏光から円偏光に変換され、対物レンズ６８で集光されて、光ディスク６５に形成した信号記録層のピットに照射される。該ピットで反射されたレーザ光は前記対物レンズを透過し、１／４波長板６７により円偏光から直線偏光に変換され、ミラー６６で全反射されてコリメートレンズ６４及び偏光ビームスプリッタ６３を透過し、光検出器６９に入射して検出される。これにより、前記光ディスクに記録されている信号の読み取り動作が行われる。また、光源６１から出射したレーザ光のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ６３を透過してモニタ用光検出器７０に入射して検出される。この検出出力によって、前記レーザーダイオードから出射するレーザ光の出力を制御する。
【００９５】
本実施例の光ピックアップ装置は、１／４波長板６７に本発明の第１実施例による水晶１／４波長板を使用する。これによって、直線偏光のレーザ光を、楕円率を０．９以上の高い値に又は実質的に１に近付けた実質的な円偏光に変換することができ、より高記録密度の光ディスク装置に適した光ピックアップ装置を実現することができる。
【００９６】
図２４は、第１実施例の１／４波長板を適用した反射型液晶表示装置の一例として、ＬＣＯＳ型液晶プロジェクタの実施例を示している。本実施例の液晶プロジェクタ８０は、光源８１と、第１及び第２のインテグレータレンズ８２ａ、８２ｂと、偏光変換素子８３と、コールドミラー８４と、色分解光学系を構成する第１及び第２のダイクロイックミラー８５ａ、８５ｂと、折り返しミラー８６とを備える。更に前記プロジェクタは、赤色用、緑色用及び青色用の偏光ビームスプリッタ８７ａ、８７ｂ、８７ｃと、赤色用、緑色用及び青色用の１／４波長板８８ａ、８８ｂ、８８ｃと、赤色用、緑色用及び青色用のＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）からなる反射型液晶表示素子８９ａ、８９ｂ、８９ｃと、色合成光学系を構成するクロスプリズム９０と、投写レンズ９１と、スクリーン９２とを備える。
【００９７】
液晶プロジェクタ８０の動作を以下に説明する。光源８１から出射したランダム光は、第１のインテグレータレンズ８２ａにより平行光となり、ＰＳ変換素子８３によりＰ偏光成分がＳ偏光に変換されかつＳ偏光はそのまま透過し、更に第２のインテグレータレンズ８２ｂにより平行光となり、コールドミラー８４に入射する。該コールドミラーで反射された光は、緑色光及び青色光が第１のダイクロイックミラー８５ａにより反射され、赤色光はこれを透過して、折り返しミラー８６で反射される。前記赤色光はＳ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ８７ａの偏光膜で反射され、１／４波長板８８ａを透過し、ＬＣＯＳ８９ａに入射して反射される。このとき前記赤色光は変調され、再度１／４波長板８８ａを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ８７ａの偏光膜を透過してクロスプリズム９０に入射する。
【００９８】
前記第１のダイクロイックミラーで反射された緑色光は、第２のダイクロイックミラー８５ｂで反射され、Ｓ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ８７ｂの偏光膜で反射され、１／４波長板８８ｂを透過し、ＬＣＯＳ８９ｂに入射して反射される。このとき前記緑色光は変調され、再度１／４波長板８８ｂを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ８７ｂの偏光膜を透過してクロスプリズム９０に入射する。同様に前記第１のダイクロイックミラーで反射された青色光は、第２のダイクロイックミラー８５ｂを透過し、Ｓ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ８７で反射され、１／４波長板８８ｃを透過し、ＬＣＯＳ８９ｃに入射して反射される。このとき前記青色光は変調され、再度１／４波長板８８ｃを透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ８７ｃを透過して、クロスプリズム９０に入射する。
【００９９】
クロスプリズム９０は、入射した赤色光と青色光とを反射され、緑色光を透過させるように構成されている。従って、前記クロスプリズムに入射した赤色光、緑色光及び青色光は色合成され、投写レンズ９１を介してスクリーン９２上に投影され、カラー映像が得られる。
【０１００】
本実施例のプロジェクタは、赤緑青各色用の１／４波長板８８ａ、８８ｂ、８８ｃにそれぞれ本発明の第１実施例による水晶１／４波長板を使用する。これによって、直線偏光のレーザ光を、楕円率を０．９以上の高い値に又は実質的に１に近付けた実質的な円偏光に変換することができ、従来よりもコントラストを改善した反射型液晶表示装置を実現することができる。
【０１０１】
図２５は、第１実施例の１／４波長板を適用した反射型液晶表示装置の別の実施例を示している。本実施例の反射型液晶表示装置１００は、光源１０１と、偏光変換素子１０２と、ダイクロイックミラー１０３と、偏光板１０４と、偏光ビームスプリッタ１０５と、１／４波長板１０６と、緑色用の反射型液晶表示素子１０７と、偏光回転素子１０８と、偏光ビームスプリッタ１０９と、赤色用の反射型液晶表示素子１１０と、青色用の反射型液晶表示素子１１１と、偏光回転素子１１２と、色合成光学系を構成する偏光ビームスプリッタ１１３と、投影レンズ１１４とを備える。
【０１０２】
反射型液晶表示装置１００の動作を以下に説明する。光源１０１から出射した白色光は、偏光変換素子１０２によりＳ偏光に変換された後、色分解光学系を構成するダイクロックミラー１０３により緑色光が反射され、赤色及び青色混合光はこれを透過する。前記ダイクロイックミラーで反射された緑色光は、Ｓ偏光であることにより偏光ビームスプリッタ１０５の偏光膜で反射され、１／４波長板１０６を透過して反射型液晶表示素子１０７に入射する。前記反射型液晶表示素子に入射した緑色光は、画像データに応じて変調され、明るく表示させる光はＰ偏光として反射されて再度１／４波長板１０６を透過し、偏光ビームスプリッタ１０５の偏光膜を透過して偏光ビームスプリッタ１１３に入射する。
【０１０３】
ダイクロイックミラー１０３を透過した赤色及び青色混合光は、偏光回転素子１０８に入射してＳ偏光の赤色光とＰ偏光の青色光とに分離され、色分解光学系を構成する偏光ビームスプリッタ１０９の偏光膜により前記赤色光は反射され、前記青色光はこれを透過して、それぞれ反射型液晶表示素子１１０、１１１に入射する。反射型液晶表示素子１１０に入射した赤色光は、画像データに応じて変調され、明るく表示させる光はＰ偏光として反射され、表示に寄与しない光はＳ偏光のまま反射される。Ｐ偏光の赤色光は、偏光ビームスプリッタ１０９の偏光面を透過して偏光回転素子１１２に入射し、Ｓ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１１３に入射する。
【０１０４】
反射型液晶表示素子１１１に入射した青色光は、明るく表示させる光はＳ偏光として反射され、表示に寄与しない光はＰ偏光のまま反射される。Ｓ偏光の青色光は、偏光ビームスプリッタ１０９の偏光面により反射され、偏光回転素子１１２に入射し、Ｓ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１１３に入射する。偏光ビームスプリッタ１１３に入射したＰ偏光の緑色光とＳ偏光の赤色光及び青色光とは、色合成されて出射し、投写レンズ１１４からスクリーン上に投写される。
【０１０５】
本実施例の反射型液晶表示装置も、同様に１／４波長板１０６に本発明の第１実施例による水晶１／４波長板を使用する。これによって、直線偏光のレーザ光を、楕円率を０．９以上の高い値に又は実質的に１に近付けた実質的な円偏光に変換することができ、従来よりもコントラストを改善した反射型液晶表示装置を実現することができる。
【０１０６】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、上記実施例の１／４波長板は、波長λ＝４０５nmを前提として説明したが、他の波長についても同様に適用し得ることは言うまでもない。また、本発明の１／４波長板は、上記実施例以外の光ピックアップ装置や反射型液晶表示装置についても同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】１／４波長板の光学軸方位角と楕円率との関係を示す線図。
【図２】θ＝３５°、位相差９０°の場合に位相差、楕円率の波長依存性を示す線図。
【図３】異なる切断角度について設計位相差に関する楕円率の変化を示す線図。
【図４】θ＝３４°、位相差９１．５°の場合に位相差、楕円率の波長依存性を示す線図。
【図５】図２、図４の波長板の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図６】（Ａ）（Ｂ）図は図５のポアンカレ球の正面及び平面をそれぞれ示す図。
【図７】５〜３０°の光学軸方位角と楕円率との関係を示す線図。
【図８】（Ａ）図は、切断角度が５゜の場合に最適光学軸方位角を含む或る範囲の光学軸方位角について設計位相差と楕円率との関係を示す線図、（Ｂ）図は光学軸方位角と楕円率との関係を示す線図。
【図９】（Ａ）図は、切断角度が１０゜の場合に最適光学軸方位角を含む或る範囲の光学軸方位角について設計位相差と楕円率との関係を示す線図、（Ｂ）図は光学軸方位角と楕円率との関係を示す線図。
【図１０】（Ａ）図は、切断角度が１５゜の場合に最適光学軸方位角を含む或る範囲の光学軸方位角について設計位相差と楕円率との関係を示す線図、（Ｂ）図は光学軸方位角と楕円率との関係を示す線図。
【図１１】（Ａ）図は、切断角度が２０゜の場合に最適光学軸方位角を含む或る範囲の光学軸方位角について設計位相差と楕円率との関係を示す線図、（Ｂ）図は光学軸方位角と楕円率との関係を示す線図。
【図１２】（Ａ）図は、切断角度が２５゜の場合に最適光学軸方位角を含む或る範囲の光学軸方位角について設計位相差と楕円率との関係を示す線図、（Ｂ）図は光学軸方位角と楕円率との関係を示す線図。
【図１３】（Ａ）図は、切断角度が３０゜の場合に最適光学軸方位角を含む或る範囲の光学軸方位角について設計位相差と楕円率との関係を示す線図、（Ｂ）図は光学軸方位角と楕円率との関係を示す線図。
【図１４】（Ａ）図は楕円率を最適化する光学軸方位角θと切断角度ψとの関係を示す線図、（Ｂ）図は光学軸方位角の補正量ａと切断角度ψとの関係を示す線図。
【図１５】（Ａ）図は楕円率を最適化する設計位相差Γと切断角度ψとの関係を示す線図、（Ｂ）図は設計位相差の補正量ｂと切断角度ψとの関係を示す線図。
【図１６】（Ａ）図は本発明による１／４波長板の第１実施例を光の出射方向から見た正面図、（Ｂ）図はその側面図、（Ｃ）図はその偏光状態を示す斜視図、（Ｄ）図は偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図１７】図１６の波長板である水晶板の切断角度を示す説明図。
【図１８】（Ａ）図は第１実施例の変形例の１／４波長板を光の出射方向から見た正面図、（Ｂ）図はその側面図、（Ｃ）図はその偏光状態を示す斜視図、（Ｄ）図は偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図１９】（Ａ）図は第１実施例の別の変形例の１／４波長板を光の出射方向から見た正面図、（Ｂ）図はその側面図、（Ｃ）図はその偏光状態を示す斜視図、（Ｄ）図は偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２０】（Ａ）図は第１実施例の更に別の変形例の１／４波長板を光の出射方向から見た正面図、（Ｂ）図はその側面図、（Ｃ）図はその偏光状態を示す斜視図、（Ｄ）図は偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２１】（Ａ）図は本発明による１／４波長板の第２実施例を光の出射方向から見た正面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図２２】（Ａ）図は第２実施例の変形例の１／４波長板を光の出射方向から見た正面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図２３】本発明の１／４波長板を適用した光ピックアップ装置の実施例の構成を示す概略図。
【図２４】本発明の１／４波長板を適用したＬＣＯＳ型液晶プロジェクタの実施例の構成を示す概略図。
【図２５】本発明の１／４波長板を適用した反射型液晶表示装置の実施例の構成を示す概略図。
【図２６】従来の１／４波長板の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【図２７】（Ａ）図は従来の１／４波長板を光の出射方向から見た正面図、（Ｂ）図はその側面図、（Ｃ）図はその偏光状態を示す斜視図。
【図２８】（Ａ）図は従来の別の１／４波長板を光の出射方向から見た正面図、（Ｂ）図はその側面図、（Ｃ）図はその偏光状態を示す斜視図。
【図２９】（Ａ）〜（Ｃ）図は、水晶板の切断角度に関する楕円率、位相差、水晶板の厚さをそれぞれ示す線図。
【図３０】θ＝４５°、位相差９０°の場合に位相差、楕円率の波長依存性を示す線図。
【図３１】図３０の波長板の偏光状態をポアンカレ球で説明する図。
【符号の説明】
【０１０８】
１，１１，２１，３１，４１，５１，６７，８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，１０６，１２１，１３１…１／４波長板、１ａ，１１ａ，２１ａ，３１ａ，４３ａ，５３ａ…入射面、１ｂ，２１ｂ，３１ｂ，４３ｂ，５３ｂ…出射面、２，１２，２２，３２，４２ａ，４２ｂ，５２ａ，５２ｂ…光学軸、３，１３，２３，３３，４３，５３…偏光面の向き、４１ａ，４１ｂ，５１ａ，５１ｂ…水晶波長板、６０…光ピックアップ装置、６１，８１，１０１…光源、６２…回折格子、６３，８７ａ，８７ｂ，８７ｃ，１０５，１０９，１１３…偏光ビームスプリッタ、６４…コリメートレンズ、６５…光ディスク、６６…ミラー、６８…対物レンズ、６９…光検出器、７０…モニタ用光検出器、８０…液晶プロジェクタ、８２ａ，８２ｂ…インテグレータレンズ、８３，１０２…偏光変換素子、８４…コールドミラー、８５ａ，８５ｂ，１０３…ダイクロイックミラー、８６…折り返しミラー、８９ａ，８９ｂ，８９ｃ，１０７，１１０，１１１…反射型液晶表示素子、９０…クロスプリズム、９１，１１４…投写レンズ、９２…スクリーン、１０４…偏光板、１００…反射型液晶表示装置、１０８，１１２…偏光回転素子。
【図１】
2010134414.tif 000031
【図２】
2010134414.tif 000032
【図３】
2010134414.tif 000033
【図４】
2010134414.tif 000034
【図５】
2010134414.tif 000035
【図６】
2010134414.tif 000036
【図７】
2010134414.tif 000037
【図８】
2010134414.tif 000038
【図９】
2010134414.tif 000039
【図１０】
2010134414.tif 000040
【図１１】
2010134414.tif 000041
【図１２】
2010134414.tif 000042
【図１３】
2010134414.tif 000043
【図１４】
2010134414.tif 000044
【図１５】
2010134414.tif 000045
【図１６−１】
2010134414.tif 000046
【図１６−２】
2010134414.tif 000047
【図１７】
2010134414.tif 000048
【図１８−１】
2010134414.tif 000049
【図１８−２】
2010134414.tif 000050
【図１９−１】
2010134414.tif 000051
【図１９−２】
2010134414.tif 000052
【図２０−１】
2010134414.tif 000053
【図２０−２】
2010134414.tif 000054
【図２１】
2010134414.tif 000055
【図２２】
2010134414.tif 000056
【図２３】
2010134414.tif 000057
【図２４】
2010134414.tif 000058
【図２５】
2010134414.tif 000059
【図２６】
2010134414.tif 000060
【図２７】
2010134414.tif 000061
【図２８】
2010134414.tif 000062
【図２９】
2010134414.tif 000063
【図３０】
2010134414.tif 000064
【図３１】
2010134414.tif 000065