(57)【要約】  光ディスク（例えばＣＤ／ＤＶＤ）ピックアップヘッドで使用を意図される、円偏光子などの、化学結合された積層ポリマーアクロマチック偏光素子が開示される。化学結合された積層ポリマーアクロマチック偏光素子は、延長波長範囲を通じて安定した位相差と光軸とを提供するという利点があり、二以上のレーザ波長において二重パスにおける直交偏光を保証する。さらに、化学結合された積層ポリマーアクロマチック偏光素子は構成的に対称であり、入力側・出力側が特定されない。これにより、システムに設置されたときに部品の転置を禁止するような外形の生成の必要性が軽減される。様々な環境条件において高い光効率性、耐久性、および強壮な性能を持つ、化学結合された積層ポリマーアクロマチック偏光素子の製造工程が開示される。【選択図】図１
2008524773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ディスクピックアップヘッド用の、積層モノリシック構造を持つアクロマチック偏光素子であって、
第一ポリマー位相差層と、
前記第一ポリマー位相差層に化学結合された第二ポリマー位相差層とを含む、アクロマチック偏光素子。
【請求項２】
前記第二ポリマー位相差層に化学結合された第三ポリマー位相差層をさらに含む、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項３】
前記アクロマチック偏光素子は複合１／４波長板である、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項４】
前記積層構造は二以上の所定の波長に特定の偏光状態を与える、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項５】
前記所定の波長は７８５ｎｍ、６５０ｎｍ、６３０ｎｍ、４０５ｎｍからなる群のうちから選択された、請求項３に記載の複合１／４波長板。
【請求項６】
前記第一、第二、第三ポリマー位相差層はそれぞれ、偏光状態を入射波長の関数として集合的に変換する第一、第二、第三位相差角を有す、請求項２に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項７】
前記積層モノリシック構造は安定した光軸を提供する、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項８】
前記積層モノリシック構造は位相差安定性を提供する、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項９】
偏光状態が第一波長では変化せず、前記偏光状態が第二波長では部分的に変換される、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１０】
前記積層モノリシック構造は波長固有の偏光制御を提供する、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１１】
前記積層モノリシック構造は、所定の波長において略均一な偏光変換特性を提供する、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１２】
前記積層モノリシック構造の入力側から出力側への偏光状態変換は、前記出力側から前記入力側への偏光状態変換と略等しい、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１３】
前記第三ポリマー位相差層に化学結合された第四ポリマー位相差層と、
前記第四ポリマー位相差層に化学結合された第五ポリマー位相差層とをさらに含む、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１４】
前記第一ポリマー位相差層は７５度の位相差を持ち、
前記第二ポリマー位相差層は１８０度の位相差を持ち、
前記第三ポリマー位相差層は１８０度の位相差を持ち、
前記第四ポリマー位相差層は１８０度の位相差を持ち、
前記第五ポリマー位相差層は７５度の位相差を持つ、請求項１３に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１５】
ダミー層をさらに含む、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１６】
前記ダミー層は前記第一ポリマー位相差層に接着される、請求項１５に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１７】
前記ダミー層はゼロ面内位相差を持つ、請求項１５に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１８】
前記ダミー層はそこを通る光の偏光状態に影響を及ぼさない、請求項１５に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項１９】
前記第一ポリマー位相差層は５０−１５０ミクロンの範囲の厚みを持つ、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項２０】
前記積層モノリシック構造は反射防止コーティングをさらに含む、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項２１】
前記積層モノリシック構造は略単一の材料からなる、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項２２】
前記積層モノリシック構造は均一な熱膨張係数を持つ、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項２３】
前記積層モノリシック構造は研磨される、請求項１に記載のアクロマチック偏光素子。
【請求項２４】
少なくとも二波長の光を生成する光源に光学結合された光ディスクサブシステムであって、
前記光源から光を受け取り、前パスで光を直線偏光し、さらに逆パスで直線偏光を受け取り、前記逆パスの光の少なくとも一部を反射する境界をさらに含む、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、
前記前パスに前記ＰＢＳからの直線偏光を円偏光に変換し、さらに前記逆パスに円偏光を直線偏光に変換する偏光素子とを含み、前記逆パス上の光は前記前パス上の光に略直交する、光ディスクサブシステム。
【請求項２５】
前記偏光素子は、積層構造を含み、前記積層構造が、
第一ポリマー位相差層と、
前記第一ポリマー位相差層に化学結合された第二ポリマー位相差層とを含む、請求項２４に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項２６】
前記積層構造は、前記第二ポリマー位相差層に化学結合された第三ポリマー位相差層をさらに含む、請求項２５に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項２７】
前記偏光素子は円偏光子である、請求項２４に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項２８】
前記偏光素子は複合１／４波長板である、請求項２７に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項２９】
前記光源はレーザを含む、請求項２４に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項３０】
前記光源は発光ダイオードを含む、請求項２４に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項３１】
前記積層構造は二以上の所定の波長に特定の偏光状態を与える、請求項２５に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項３２】
前記所定の波長は７８５ｎｍ、６５０ｎｍ、６３０ｎｍ、４０５ｎｍからなる群のうちから選択された、請求項３１に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項３３】
入射光を受け取り、前記入射光をその偏光により方向付ける偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタに隣接して、前記偏光ビームスプリッタから受け取った前記方向付けられた入射光の偏光を変換する円偏光子とを含み、前記円偏光子は少なくとも第一ポリマー位相差層と、前記第一ポリマー位相差層に化学結合された第二ポリマー位相差層とを含む、光ディスクサブシステム。
【請求項３４】
前記円偏光子は、前記偏光ビームスプリッタから受け取った前記方向付けられた入射光の偏光を直線偏光から円偏光へ変換する、請求項３３に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項３５】
前記第二ポリマー位相差層に化学結合された第三ポリマー位相差層をさらに含む、請求項３３に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項３６】
前記円偏光子は二以上の所定の波長に特定の偏光状態を与える、請求項３３に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項３７】
前記所定の波長は７８５ｎｍ、６５０ｎｍ、６３０ｎｍ、４０５ｎｍからなる群のうちから選択された、請求項３６に記載の光ディスクサブシステム。
【請求項３８】
光ディスク上のデータの加工方法であって、
少なくとも二つの所定の波長のうちの一つを持つ光源からの光を第一経路から受け取る工程と、
前記第一経路からの光を第二経路で直線偏光に変換する工程と、
化学結合された積層１／４波長板を利用して、前記第二経路からの直線偏光を第三経路で円偏光に変換する工程と、
前記化学結合された積層１／４波長板を利用して、前記第三経路からの円偏光を第四経路で直線偏光に変換する工程とを含み、
前記第四経路は前記第三経路と反対の方向にあり、
さらに前記第四経路で変換された直線偏光は前記第二経路で変換された直線偏光と略直交する、方法。
【請求項３９】
前記所定の波長は７８５ｎｍ、６５０ｎｍ、６３０ｎｍ、４０５ｎｍからなる群のうちから選択された、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は２００４年１２月１６日出願の仮特許出願番号６０／５９３，１７２の優先権を主張する。この仮出願の全開示の参照による組み込みは、付随する出願の開示の一部と考えられ、ここに参照として組み込む。
【背景技術】
【０００２】
本開示は光ディスクピックアップヘッド用の偏光制御要素に関している。さらに詳しくは、本開示は二つ以上の波長について波長安定位相差を生じさせる多層積層体を提供する。
【０００３】
光ピックアップヘッドは、光ディスクから情報を読み出す、および情報を光ディスク上に書き込むこと双方に使用される。通例この情報はファイル、音声、およびビデオ情報を含む。フォーマットによって異なるレーザ波長が使用される。６５０メガバイト（Ｍｂ）ＣＤには、７８５ｎｍ波長が利用され、４．７８ギガバイト（Ｇｂ）ＤＶＤ−ＲＯＭには、６５０ｎｍ波長が利用され、ＤＶＤ−Ｒには、６５０ｎｍ波長の読取波長が６３０ｎｍ書込波長と共に利用される。提案されている次世代ＤＶＤ媒体（例えばＢｌｕ−ｒａｙおよびＨＤ−ＤＶＤ）は４０５ｎｍ波長で動作するレーザを利用する。大量生産される光ディスクドライブには、ＣＤ−Ｒ（compact disc recordable）、ＣＤ−ＲＷ（compact disc rewritable）、ＤＶＤ±ＲおよびＤＶＤ±ＲＷなど、それぞれ読み出し・書き込み可能な光ディスク、および次世代４０５ｎｍドライブなど、幾らかの種類がある。
【０００４】
多くの光ディスクフォーマットが現存していることを考えると、市場は単一のディスクドライブにおける幾らかのフォーマットの互換性を要求する。しかしこれら幾らかのフォーマットに適合することは、しばしば多数の異なる種類の光学部品群を一緒に構成することを要求する。例えば、Ａｋｉｙａｍａの米国特許番号６，２４０，０５３は、光アイソレータ配列が使用された、通例のピックアップヘッドデザインを示している。各レーザからの光は偏光ビームスプリッタを通り、直線偏光入射光として１／４波長板（ＱＷＰ）へ入射して、円偏光が行われる。光ディスクから戻ってくる光はＱＷＰを再度通り、これによって入射光の偏光状態に比して直交する直線偏光状態へ変換される。この光は偏光ビームスプリッタの分離ポートから出て行き、該光は光検知器の方へ向かう。Ａｋｉｙａｍａに記されているように、二波長の光が同じＱＷＰを利用する場合、ＱＷＰ部材は両方の波長で円偏光を生成する必要がある。
【０００５】
二以上の波長の安定した反応を生み出す多層位相差板積層体はこの技術分野でよく知られている。１９４８年にＤｅｓｔｒｉａｕとＰｒｏｕｔｅａｕが１／４波長および１／２波長板をお互いの光軸が６０度になるように組み合わせて、直線偏光から円偏光を生成した。１９５５年にＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍが二つの１／２波長板を一つの１／４波長板と組み合わせて、より広いスペクトル範囲のアクロマチック円偏光を生成した。Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍのデザインでは、入力直線偏光が１／２波長板を６．９度、３４．５度の角度で通り、それに続き１／４波長板を−７９．７度の角度で通る。円偏光子は１／４波長板（つまり光軸を持たないもの）ほど正確に動作しないので、Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍは三層１／４波長板のデザインも作ったことは注意されたい。ＭｃＩｎｔｙｒｅとＨａｒｒｉｓ（１９６８年）は、ネットワーク合成技術を利用したアクロマチック可視波長板のデザインを開示した。Ｋｏｅｓｔｅｒ（１９５８年）は多数の１／２波長板を組み合わせて広帯域の直線偏光ロテータを生成することができることを示した。二つのパスの位相差板ネットワークの一般的特性はさらにＡｍｍａｎｎ（１９６６年）でも論じられた。
【０００６】
このような多層位相差板積層体は通例、熱的、光学的、および構造的特質の異なる多数の部材を光学接着剤で接着することで製造されてきた。その一例を図９との関連で示す。以下に記載するように、このような多層位相差板積層体は製造が複雑で、温度のばらつきにより性能に狂いが出やすい。
【０００７】
知られている光ピックアップヘッドデザインの複雑性により製造コストが増え信頼性が劣るようになる、というのもシステムの複雑性が増すと不具合の可能性が高くなるからである。故に二以上の波長に適合でき様々な光ディスクフォーマット間の互換性が増した、費用がより低く、大幅に部材数を増やさない光ピックアップヘッドの製造が望ましい。各レーザ（あるいは多数の波長を発する複数のレーザ）に共通の経路を設けた構成においては、このように部材の機能性要件はある種のクロマチック効果に対処できるよう拡張される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光ピックアップヘッドの二以上のレーザ波長に特定の偏光状態を与える多層化学結合ポリマー積層体が開示される。これらポリマー積層体はそれぞれ特定の角度に配向される位相差フィルムを含み、正味の偏光変換が入射波長に対して特定になるようになっている。ある状況下においては、この偏光状態は全ての波長に対して均一である（例えば円状）。他の場合においては、偏光をある波長においては不変として、別の波長において部分的に変換（例えば円あるいは４５度の直線）することもできる。
【０００９】
多層ポリマー積層体は化学結合技術を利用して組み立てられ、その完成構造体は低いコストで高い光学品質を持ち、機械的に安定しており、耐久性が高い。これらポリマー多層積層体は、波長固有の偏光制御を提供することのできる、構造が対称な積層体を提供することができる。これら構造は入力側・出力側が特定されないよう構成され、光ヘッド組み立て体工程を簡略化してもよい。多層ポリマー積層体はさらに様々な環境条件において強壮な偏光性能を持つ。このような積層体は単一材料からなる各層を持つことができ、このようなわけで、ガラス間に光学接着剤で接着されるポリマー位相差板材料に比較して、熱膨張差に関する問題点を軽減あるいは解消することができる。この後者の構成（比較されているポリマー位相差板材料）は、熱膨張が不整合である不都合を被ることが考えられ、光軸および位相差安定性に影響を及ぼす応力を生じることがある。
【００１０】
さらに開示されているのは、自立型において機械的に安定した積層構造である。光学的に、化学結合で組み立てられたポリマー積層体は研磨され、直接反射防止コーティングを被覆して、内部・外部反射がほぼ起きない部品を生成することができる。このような積層体は、十分な厚みをもちながら、十分な剛性と平坦性をもつことができ、自立型に利用できる。
【００１１】
さらに開示されているのは、三層以上の多層位相差構造であって、４０５ｎｍ、６３０ｎｍ、６５０ｎｍ、７８５ｎｍの波長のうちの二以上、あるいは全てを含む、極延長された波長範囲に亘り波長制御偏光を生成するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示による光ディスクピックアップヘッドを示す。
【００１３】
【図２ａ】本開示によるアクロマチック１／４波長板積層体（stack）を含む反射型アイソレータを示す。
【００１４】
【図２ｂ】図２ａに図示されている位相差板積層体の等価展開配置図である。
【００１５】
【図３】本開示による、（ｉ）単層１／４波長板と（ｉｉ）多層１／４波長板の透過特性の正規化関係を入射波長の関数として示すグラフである。
【００１６】
【図４ａ】本開示によるアクロマチック１／２波長板積層体を含む反射型アイソレータを示す。
【００１７】
【図４ｂ】図４ａが示す位相差板積層体の等価展開配置図である。
【００１８】
【図５】本開示による三層アクロマチック１／４波長板積層体を示す。
【００１９】
【図６】本開示による五層アクロマチック１／４波長板積層体を示す。
【００２０】
【図７】本開示により直線偏光状態・波長を選択的に回転状態へ変換する位相差板積層体の例示的実施形態を図示する。
【００２１】
【図８】本開示による、直線偏光状態・波長を選択的に円状状態に変換する一対の位相差板積層体を含む例示的実施形態を示す。
【００２２】
【図９】二層液晶ポリマーを使用する、従前の偏光光学を示す。
【００２３】
【図１０】本開示による多層ポリマー自立偏光光学（multilayer polymer free-standing polarization optic）を示す。
【００２４】
【図１１】本開示による、多層ポリマー自立偏光光学の製造方法を示す論理フロー図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、共通経路沿いに複数の波長（例えばλ１、λ２など）に適合するピックアップヘッド１５０を持つ光ディスクサブシステム１００の一実施形態を示す。ピックアップヘッド１５０は光源１０２、第一レンズ１０６、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０８、偏光光学１１０、反射要素１１２、第二レンズ１１４、第三レンズ１１６、および電子回路１２０に作動可能に連結された光検知器１１８を、示された配置で含むことができるが、これら要素の全てが本開示の原理により構築されるピックアップヘッドに含まれることが必要という訳ではない。特に、ピックアップヘッドは、光源１０２あるいは記載されている他の部材を含んでも含まなくてもよい。
【００２６】
光源１０２は多数の光の波長（例えば４０５ｎｍ、６３０ｎｍ、６５０ｎｍ、および／または７８５ｎｍ）を生成してもよい。これら多数の波長を生成するに当たって、光源１０２は多数の波長を発することのできる単一のレーザを含む、あるいは従前の手段を使用して組み合わせられた多数のレーザを含む、あるいはその両方を含むとしてもよい。それに加えて、あるいはその代わりに、光源１０２は発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を使用して光の波長を生成してもよい。ここでＬＥＤ構造はこのような目的においてはレーザの代替物として知られている。偏光光学１１０は例えば円偏光子であってもよい。反射要素１１２はミラー、全内部反射プリズム、あるいは他の任意の反射境界を提供する光学素子であってよい。
【００２７】
動作においては、光源１０２からの二以上の波長の光を第一レンズ１０６で組み合わせ、共通経路沿いにコリメート入射光ビームを形成する。上述のように、入射光は単一の源あるいは多数の源から発生してもよい。第一レンズ１０６からのコリメート光はＰＢＳ１０８を通り（前パスで）、ここで直線偏光される。前パスで進む光と共に、偏光光学１１０は入射光を円偏光する。光はその後、反射要素（ミラーあるいは全内部反射プリズム）１１２により第二レンズ１１４へ偏向され、これにより光ディスク（例えばＣＤ／ＤＶＤ）１２４上へ集光される。
【００２８】
光ディスク１２４の表面により反射され、戻り／反射読取光は前記経路を引き返す。第二レンズ１１４は光を再度コリメートして、反射要素１１２により偏向された後、戻りビームは偏光光学１１０の逆パスを行う。逆パスにおいて、反射光は前パスの逆伝播入力ビームに対して略直交するように偏光されることが好ましく、これもまた入射光と呼ばれることがある。読取光はその後ＰＢＳ１０８により反射され、第三レンズ１１６で光検知器１０８上へ集光される。光検知器１１８は読取光を、電子回路１２０による加工の目的で電流に変換する。
【００２９】
読取光を効率よく光検知器へ移送する目的から、ＰＢＳ１０８および偏光光学１１０の光アイソレータ配列により、往復する際に全ての関連波長（４０５ｎｍ、６３０ｎｍ、６５０ｎｍ、および／または７８５ｎｍ）において略直交偏光が提供されることが好ましい。これを実現するためには、光源１０２が使用する二以上の望ましい波長において、偏光光学１１０が略均一な動作を行うことが好ましい。
【００３０】
では図２ａ―１１を参照して、偏光光学１１０の例示的デザイン、構成、及び特性を以下に詳述する。単層の１／４波長板のクロマチック制限により、望ましいアクロマチック偏光状態を提供する目的で、より複雑な解決法を利用してもよい。記載する光学１１０はこのように二以上の望ましい波長についてアクロマチック直線偏光状態からアクロマチック円偏光状態へ変換する偏光マッピングを提供する。
【００３１】
このようなアクロマチック直線偏光状態からアクロマチック円偏光状態へ変換する偏光を提供する解決法は、伝播方向の異方性不均質な配列を幾つか利用することで提供されてもよい。ここで使用される「異方性不均質」とは、各層が独立した異方性を持ち、光ビームが多層位相差層を通る際、伝播光が多くの異なる（およびお互い無関係の）光軸に遭遇するようなコンセプトのことを言う。これら層の光軸はデザイン条件を満たすように選択することができる。本開示の中では、不均質は二以上の積層直線位相差板のような工学的解決法であってもよい。その代わりに、不均質は単一の液晶ポリマー層であって、自己集合して級化不均質構造（graded inhomogeneous structure）（入射波長に対してピッチが大きな導ねじれ（director twist））となるようなものであってもよい。さらに混合積層液晶ポリマーであってもよい。解決法を提供する技術によらず、解決法によって直線偏光状態から円偏光状態への、損失のない偏光マッピングを生じるユニタリー変換が提供される。
【００３２】
図２ａは本開示によるアクロマチック１／４波長板積層体を含む反射型アイソレータを図示する。この例示的実施形態においては、反射型アイソレータ配列１５０はＰＢＳ１０８と偏光光学１１０とを含む。動作においては、波長λｉと振幅Ｅ（λｉ）とを持つレーザ光がＰＢＳ１０８を通り、その後、偏光光学１１０を通り、そこで構造の二重パスに遭遇する。偏光光学１１０は、各々が位相差Γｘと遅軸配向αｘとを持ち、ｘ＝１のとき要素１５２ａに対応し、ｘ＝Ｎのとき要素１５２Ｎに対応するような、Ｎ要素１５２ａ−１５２Ｎを持つアクロマチック１／４波長板積層体を提供する。その後、偏光修正光はＰＢＳ１０８により、反射振幅Ｅ'（λｉ）で分析される。
【００３３】
図２ｂは、図示の目的から便宜的である、偏光光学１１０の位相差板積層体の等価展開配置図である。奇数（２Ｎ−１）の要素を含む構造が前／逆パス往路復路で効果的に遭遇されることが示されている。第二に、効果的な積層体は対称配置の一対の位相差板を含むことが示されており、出力積層体上の位相差板は入力積層体のものと等しい角度だが順番が逆であることが示されている。さらに、展開配置の中央要素の厚みは効果的に二倍であることが示されている。
【００３４】
偏光光学１１０の効果は通例ジョーンズ計算法（Jones Calculus）を利用して説明されるが、これにより異方性を持つ材料を通る偏光状態が伝播する。損失のない直線位相差板のユニタリー変換は以下の一般形式で表わされる：
【数１】
2008524773.tif 000003
ここで、
2008524773.tif 000004
そして、偏光状態に影響を及ぼさない共通段階は除外された。さらには、任意の位相差と光軸配向とを持つ、任意の位相差板積層体１５２ａ−１５２Ｎ（あるいはＬＣポリマー）をこの形式で、Ｓ+でこのような偏光光学の前パスを表すことで、表すことができることが示される。
【００３５】
適切なジョーンズ行列の乗算により、逆パス行列は常に以下の形式であることを示すことができる：
【数２】
2008524773.tif 000005
【００３６】
故に、二重パス行列は前・逆パス行列の積により得られる。
【数３】
2008524773.tif 000006
これは、以下に等しい。
【数４】
2008524773.tif 000007
【００３７】
これにより、非対角部材は振幅が等しいという重要な一般的結果が得られ、偏光回転はこれからは除外される。
【００３８】
さらに、以下二式を利用して：
【数５】
2008524773.tif 000008
【数６】
2008524773.tif 000009
以下を得る：
【数７】
2008524773.tif 000010
上記は、非対角振幅が一般的に仮想であることを示している。
【００３９】
本開示による二重パス配置を、反射光につき直線偏光入射光を直交偏光状態に変換するのに利用すると、対角コンポーネントはなくなるはずであり、制約が強制的に与えられる：
【数８】
2008524773.tif 000011
ここで、ｍは整数である。以上を利用して、二重パス行列は以下の形式に集約表現される：
【数９】
2008524773.tif 000012
これは、π／４の軸回りに純粋偏光反射を表している。
【００４０】
物理的には、上記の行列は、π／４沿いに配向された速軸を持つ、理想的な１／２波長板の変換を表している。これは、任意のユニタリー構造の二重パスに関する重要な点を証明している。つまり、もしも二重パスが直線偏光状態をその直交する直線偏光状態に変換するのであれば、そのときにはπ／４の１／２波長板として振舞う、ということである。これは、二重パス構造が４５度の光軸を持ち、この変換を満たす全ての波長についてゼロ偏光回転を持つことを意味している。
【００４１】
上記の制約を前パス行列に挿入すると以下の結果が得られる：
【数１０】
2008524773.tif 000013
ここでは特定の場合（ｍ＝０）を取り扱った。後者の分解は任意の位相差２αを持ち、入力偏光に対して平行配置され、配向がπ／４である純粋１／４波長板の後に続く直線位相差板を表す。上述の行列は第二の点を示している、つまり、円状状態は位相差板積層体の前パスの後に在り、二重パスの完全偏光変換を達成する。
【００４２】
よって、デザイン上の観点からすると、単一パスを制約してとても正確な円状状態を生成することで効果的な二重パス変換器を得ることができる。上述のものは、さらに直線の固有偏光（eigen-polarizations）を要する、理想的な１／４波長板の行列ではなく、円偏光子という名前がよりふさわしい。このように、純粋１／４波長板は、円偏光子ファミリーのうち、α＝０であるさらに制約されたサブセットである。
【００４３】
同一の、あるいは略類似した偏光性能を持つ位相差板積層体ベースの円偏光子についてはしばしば多数の解決法がある。例えば各デザインは、同じ組と順番の位相差であるが、位相差板配向の組が異なるものを持ってもよい。さらに各デザインは、固定均一直線入力により実際には隠されている、一意の「複合位相差」Γを持つこともできる。この複合位相差は、光学系への光の入力偏光が、意図されるあるいはそのように設計された偏光入力と合致しない場合にしばしば問題を呈す。
【００４４】
逆パス積層体は、位相差２αで配向も入力に平行な直線位相差板に続く、配向がπ／４の１／４波長板として表すことができる。二重パスにおいては、正味１／２波長中央位相差が偏光状態を反射し、外部位相差を略取り消す。上述の対称性を持つ積層体は少なくとも二波長を直交直線状態に変換するので、少なくとも二波長のものについて１／２波長板としてみなされる。安定した位相差を持つことに加えて、構造はさらに、少なくとも二波長のものについて波長安定固有偏光であると考えることができる。故に往復行列はπ／４回転により対角化することができる。拡張帯域を通じて動作が安定した複合要素をアクロマチック１／２波長板と呼ぶ。上述に基づくと、アクロマチック１／２波長板はアクロマチック円偏光子と順番が逆の積層体とを対にすることで設計することができる。
【００４５】
上述の議論から、多層偏光光学は二つの方法のいずれかを利用して提供されてもよい。第一の方法は、全ての関連波長において正確な円状状態を生成する積層体を提供することで行われる。第二の方法は順番が逆の対称性をもつアクロマチック１／２波長板を提供して、積層体を半分に分ける。
【００４６】
図３は、本開示による、（ｉ）単層１／４波長板と（ｉｉ）多層１／４波長板との透過特性の正規化関係を入射波長の関数として示すグラフである。
【００４７】
単層１／４波長板（幾らかの、ばらつき制御された共重合体は例外として）は単一の波長において適切な位相差を提供することもある。グラフ１８０は、単層位相差板の、二重パスの交差偏光子透過（double-pass crossed-polarizer transmission）を示しており、１／２波長１８４においてのみ統一透過を示している。
【００４８】
グラフ１８２は、多層１／４波長板積層体が帯域Δλ１８６を含むよう１／２位相差範囲を拡張することができることを示している。展開された積層体が均一な厚みの波板を持つ場合、グラフ１８２に類似したスペクトルは典型的である。つまり、略平坦な反応（１／２波長１８４を中心とする）が全波位相差に対応する最小値間に存在することができる。全波長１８８においては、偏光操作が全く行われない可能性があり、これは全波波長１８８を中心とする切込型の幅を狭める働きをする。一番広い包括はゼロ順位の１／２波長板（ｍ＝０）を利用する際に起こり、ここでは１／２波長１８４よりも長い波長においては事実上の最小値がない。
【００４９】
上述のように、円偏光子は順番が逆の対称性を持つアクロマチック１／２波長板を提供し、積層体を半分に分けることで設計される。このような円偏光子設計においては、任意の配向および位相差を持つＮ個の位相差板を含む多数の解決法の組が存在する。しかし、通例最も便宜的なのは、一意の位相差値の数を最小限にすることである（例えば、全てのフィルムを同じベース位相差を使って積層する）。さらに、１／２波長板を利用する解決法が１／２波長に対して対称なので、最も広い１／２帯域（Δλ１８６）はゼロ順位（ｍ＝０）の１／２波長が大まかにその帯域の中央に集結するときに起こる。
【００５０】
図４ａは本開示によるアクロマチック１／２波長板積層体を含む反射型アイソレータの図である。反射型アイソレータ２１０はＰＢＳ１０８とアクロマチック１／２波長板２２０とを含む。位相差板２２０は位相差要素２２２ａ―２２２Ｎを含む。図４ｂは図４ａが示す位相差板積層体の等価展開配置図である。
【００５１】
アクロマチック１／２波長板２２０は、順番が逆の構成のゼロ順位の１／２波長層を奇数持つ円偏光子であり、故に最小限の数の層で幅広いスペクトルを包括している。入力方向沿いに複合位相差が存在することもあるが、これは二重パスで取り消される。したがって、姿勢公差はゼロ順位の１／４波長板のものより大きくも小さくもない。しかし、このアーキテクチャには特定の入力側がある。光が確かに１／２波長側から入ってくるようにすべく、しばしば非対称形（台形など）を切断する必要がでてくる。これは都合が悪く、マザーシートの部品実装密度を減少させる。
【００５２】
任意のデザインが１／２波長を包括する可能性があるということを考慮に入れると、その波長において課される任意の制約を考慮することが得策である。任意の配向の一連の１／２波長板のためのジョーンズ行列を純粋ロテータとして表すことができ、奇数の１／２波長板を偏光反射器（あるいは１／２波長板）として表してもよいことを示すのが単刀直入な方法である。故に、１／２波長板フィルムに基づく解決法は奇数の層を使用する。図４ａが示すように、これは奇数の解決法のみが可能になるので好都合である。均一の位相差要件は位相差板２２２Ｎを光ディスク１２４にすぐ隣接して、他の要素の半分の厚み（名目上１／４波長）であるよう強制する。この数の１／２波長層２２２ａ―２２２（Ｎ−１）が加えられると、適切な角度の組で、より広帯域のアクロマチック１／２波長板の見込みが存在する。例えば、円偏光子の角度がＤｅｓｔｒａｉｕとＰｒｏｔｅａｕの１５度／７５度設計を含み、またＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍの６．９度／３４．５度／−７９．７度設計を含む。
【００５３】
位相差板積層体が単一パスの純粋位相差板として振舞う必要がある場合、異なる解決法の組が生じることがある。アクロマチック１／４波長板は少なくとも行動においては対称であり、いかなる機能上の変更も伴わずに部品のフリップを許容する。上述の円偏光子デザインのようにアクロマチック多層波板デザインでも構成において二つの位相差値のみを利用するものもある。このように多くの解決法があるが、ある解決法の一組には図２ｂの展開二重パス配置に示すような順番が逆の対称性を加工する積層体が含まれる。この配置においては、外部位相差板は一意の位相差値を持ち、奇数の１／２波長板を間に挟んでいる。このようなデザインはここでも１／２波長に対して対称である。しかし、複合光軸（α＝０）という追加的要件は、均一位相差（Δλ）のスペクトル包括を縮小させる傾向にある。例えば、最適化された三層ＡＱＷには二層ＡＣＰのスペクトル包括がある。しかし、匹敵する性能を達成するための追加的積層に関するコストは比較的低い。さらに、図１０を参照して述べるように、機械的安定性と確立された厚み基準によりある数の積層体が必要となることから自立モノリシック要素は追加層を利用することがある。典型的な位相差板の膜厚は大概６５ミクロンであるので、厚み基準を満たすためには幾つかの層が必要となる。しばしば、これにより厚みが増やされるが偏光状態に影響は及ぼさないダミー層が利用される。
【００５４】
図５は本開示による三層アクロマチック１／４波長板積層体を図示する。この例示的アクロマチック１／４波長板積層体２５０は三つの位相差板２５２、２５４、２５６を持ち、それぞれが位相差値１１５度、１８０度、１１５度、及び光軸値７６度、５．７度、７６度を持つ。この三層アクロマチック１／４波長板積層体２５０は、入力光の光軸が図示されている基準配向２６０に対して４５度である場合に直線から円への変換を行う。
【００５５】
図６は本開示による五層アクロマチック１／４波長板積層体を図示する。例示的アクロマチック１／４波長板積層体２８０は五つの位相差板２８２、２８４、２８６、２８８、２９０を持ち、それぞれが位相差値７５度、１８０度、１８０度、１８０度、７５度、及び光軸値―９．１度、４０．９度、―６８．１度、４０．９度、―９．１度を持つ。この五層アクロマチック１／４波長板積層体は、入力光の光軸が図示されている基準配向２９５に対して４５度である場合に直線から円への変換を行う。
【００５６】
ある状況下においては、各レーザ波長に対してお互い異なる偏光状態を与えると都合がよい場合がある。例えば、書込光と読取光の要求が異なり、異なる偏光状態を必要とする場合がある。故に、図７は本開示により直線偏光状態・波長を選択的に回転状態へ変換する位相差板積層体の例示的実施形態を図示する。
【００５７】
開示された技術の利用により、波長範囲を通じて均一な偏光が提供され（例えば、円あるいは４５度の直線）、且つ別の波長範囲には異なる偏光状態が付与される。このような積層体デザインは直接設計することも、あるいは異なる偏光能を持つ別個の構造から組み立てることもできる。
【００５８】
位相差板積層体は、例えば４５度回転を直線偏光に与えるよう設計することもできる。図７はそのような例の一つを示しており、三波のベース位相差を持つ偏光光学３１０が４０５ｎｍ、６５０ｎｍの光を操作するのに利用され、一方７８５ｎｍの光は変更されないままである。これを達成すべく、位相差層３１２／３１４／３１６／３１８／３２０はα＝２０．０度／―５．１度／―７０．６度／―８．６度／１４．５度の光軸配向をそれぞれ持つ。ここで、他の解決法を利用して同様の結果を得ることもできるであろうし、これら値は例示として示されているということに注意を喚起しておく。
【００５９】
図８は、本開示による、直線偏光状態・波長を選択的に円状状態に変換する一対の位相差板積層体を含む例示的実施形態の図を示す。ここで、アクロマチック１／４波長板積層体３３０は、直線固有偏光を持っており（α＝０度）、図７の偏光光学３１０と組み合わせて、別のスペクトル帯域（例えば７８０ｎｍ）の偏光状態になんら影響を及ぼさずに、所定のスペクトル帯域（例えば４０５ｎｍおよび６５０ｎｍ）の円偏光を生むことができる。
【００６０】
図９は、二層液晶ポリマー位相差板を使用する、従前の偏光光学の図を示す。従前の偏光光学４５０は光学接着剤４５３で貼り合わせられた液晶ポリマー位相差層４５２、４５４を有す。ガラス板４５８は専用液晶ポリマー位相差層４５２、４５４と、光学接着剤４５５で貼り合わせられ、構造的支持がなされている。ガラス板の外面には反射防止層４６０がコーティングされている。
【００６１】
偏光光学組立体に図９の示すような異種の材料が使用される場合、製造工程および熱変動によって望ましくない応力複屈折が生まれる危険性が若干ある。熱変動は均一および不均一の効果を含むことがあり、後者はより多くの応力複屈折を引き起こす傾向にある。ポリマーフィルム４５２、４５４は典型的にガラス４５８の略１０倍の率で膨張し、光学接着剤４５３および４５５は普通さらにそれ以上の膨張率を持つ。実際の位相差フィルムへのこれによる応力は光軸に空間ばらつき（例えば、隅における光軸回転）、位相差（各角の中央における位相差転換（retardation shift））を生じる。さらに、差動熱膨張に伴う応力により部材の光学特性の空間均一性に変更が生じることもある。これにより、透過波面歪曲が温度に依存するようになることもある。
【００６２】
図１０は、本開示による多層ポリマー自立偏光光学を図示する。一実施形態においては、偏光光学５００は、化学結合工程（ａ＝１で、ｎはポリマー位相差層の数である）を利用して貼り合わせられたポリマー位相差フィルム５１０ａ−５１０ｎの積層体を含むモノリシック構造を持つ。これら積層体は単一の材料でできており、このような次第で、熱膨張差に関する問題があまり関与しない。対照的に、ガラス間に光学接着剤で接着されるポリマー位相差材料（図９に示すような）は、熱膨張が不整合である不都合を被る。これにより応力が生じ、光軸および位相差安定性に影響がでる。構造的安定性、耐久性、及び望ましい光学特性の観点から、例えばダミー層、反射防止コーティングなどの他の層を、外面５２０として施してもよい。
【００６３】
図１１は、本開示による、多層ポリマー自立偏光光学の製造方法を示す論理フロー図を示す。本工程において、ポリマー位相差フィルムを化学結合することができる（ステップ６０２）。例示的工程および材料は、所有者が同一の米国特許６，６３８，５８３にも記載されているものであり、これをここに参照として組み込む。個々の位相差フィルムが光学的に平らではないことがあるので、生じる積層体は許容できない透過波面特性を示すこともある。この問題は何らかの平坦化技術の適用により克服できる。一つの平坦化技術としては、さらなるダミー層（しばしばゼロ面内位相差を持つ）を偏光光学の外面に化学結合させるものがある（ステップ６０４）。その後、両面研磨技術を適用して平面偏光光学を生成することもできる（ステップ６０６）。オプションとして、完成した要素を、リフローする液状塗料を利用してさらに平坦化、あるいは直接平坦化してもよい（ステップ６０８）。別のオプションステップとして、他の光学的薄層（ハードコートやプライマー）を堆積させる（ステップ６１０）。ステップ６１２にて、低温反射防止コーティングを直接外面に適用して、内部・外部反射が比較的起きない部品を生成する。結果生じるのは、重大な内部応力がなく、異種材料の積層体に基づくデザインに伴う熱にまつわる問題に比較的影響を受けない偏光光学である。
【００６４】
技術分野の当業者であれば理解するであろうように、本発明はその精神あるいは本質的性質を逸脱することなく他の特定の形式で形象化することができる。開示した実施形態のいずれも、一つあるいは幾らかの示された、および／あるいは記載されたほかの実施形態と組み合わせることができる。これはさらに実施形態の一以上の特徴についても可能である。ここで記載および請求されているステップは必ずしも記載順序で実行される必要はない。ステップは少なくともある程度は任意のほかの順序で実行することができる。
【００６５】
さらに、技術分野の当業者であれば理解するであろうように、幾つもの位相差板デザインの様々な位相差・光軸値を組み合わせることで他の望ましい変換を行う、および様々な他の波長を達成することができる。ここで使用されるアクロマチック板、アクロマチック偏光素子、あるいはアクロマチック偏光ロテータという用語は、二以上の波長において一貫した偏光回転を提供する機能を持つ素子のことを言う。さらにここに開示される複合位相差板積層体は他の様々な光学部品と組み合わせられて同様の結果を生んでもよい。従い、ここに開示した実施形態は、全ての点において例示的であり、限定的ではないと考えられる。本発明の範囲は前述の明細書からというよりは、付随する請求項により示され、その均等物の意義・範囲にて生じる全ての変更はここに含まれることが意図されている。
【００６６】
加えて、セクション表題は米国連邦規則Ｃ．Ｆ．Ｒ．セクション１．７７の示唆に則り設けられたか、あるいは構成都合上の見出しとして設けられたものである。これら表題は、いずれの請求項に記載の、この開示から生じうる発明（一又は複数）を限定、特徴づけるものではない。特に、また例えば、表題が「技術分野」となっていても、請求項は所謂技術分野を記載する際この表題下から選ばれた文言による限定を受けない。さらに、「背景技術（Background of the Invention）」の技術の記載は、その技術が本開示におけるいずれかの発明の先行技術であると自認したと解釈されるべきものではない。またさらに、「発明の開示（Brief Summary of the Invention）」は、その中にある請求項記載の発明（一又は複数）の特徴づけとして考慮されるべきものではない。さらには、本開示中「発明」と単数形で示してあっても、本開示がたった一つの新規な点を請求している、という議論に利用されるべきものではない。本開示に関する多数の請求項の限定により多数の発明を規定することができ、従い請求項も、このように保護される発明（一又は複数）およびその均等物を定義する。いずれの場合においても、請求項の範囲は明細書に照らしてその実体を考慮されるべきであり、ここで使用される表題により制限されるべきではない。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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