(57)【要約】【課題】熱膨張の際にも透過波面を乱しにくい薄型で軽量の位相差板、特には広帯域位相差板の機能が一体化された波面（位相）補正用の光学素子を提供する。【解決手段】少なくとも２枚の透明基板により狭持された複屈折性材料を有する素子に位相差機能を付加した光学素子において、透明基板が、複屈折性材料の反対側の表面に形状加工を施した構造性複屈折構造を有する構造を採用した。また、この構造に加え、構造性複屈折構造が形成された表面に、位相差板をさらに貼り合わせてなる構造を採用した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２枚の透明基板により狭持された複屈折性材料を有する素子に位相差機能を付加した光学素子において、
前記透明基板は、複屈折性材料の反対側の表面に形状加工を施した構造性複屈折構造を有する事を特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記構造性複屈折構造は、約４００ｎｍ以下のピッチの一次元位相格子である事を特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記一次元位相格子の形状は、矩形波形状、三角波形状、または正弦波形状である事を特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記構造性複屈折構造が形成された表面に、位相差板をさらに貼り合わせてなる事を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記一次元位相格子の格子ベクトルの方位と、前記位相差板の方位の成す角が、５０度以上７０度以下、または１４０度以上１６０度以下となるように設定されている事を特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記複屈折性材料は、液晶である事を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は近年注目されている透明基板で支持された複屈折材料と、位相差機能を有する部材を一体に形成された光学素子に関し、特に光学系の波面変調を目的とする素子に位相差板の機能を付加した光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の理解を容易にするため、位相差板及び広帯域位相差板について簡単に説明する。ここでいう位相差板とは、入射偏光の方位により位相変調量が異なる光学素子であり、機能として入射偏光状態を変換する一般的な位相型光学素子のことを指す。このような光学素子の代表的なものとして四分の一波長板または二分の一波長板が知られ、その四分の一波長板の作用は入射直線偏光を円偏光に変換する。また、二分の一波長板の作用は、入射直線偏光の方位を９０°変換する。この２つの波長板の作用について以下に説明をする。
【０００３】
図４は、四分の一波長板の作用を示したものである。
厚さｄ、Ｙ軸方向の屈折率がｎｙ、Ｘ軸方向の屈折率がｎｘの波長板４０１に、波長λの直線偏光４０２がその方位をＸ軸に対し４５度で入射する。このとき入射直線偏光４０２のＸ軸方向の成分はｎｘ、Ｙ軸方向の成分はｎｙの屈折率を見ながら距離ｄだけ進む。その際、光路長はそれぞれｎｘ×ｄ及びｎｙ×ｄとなり、その差すなわち位相差Δｎｄは（ｎｘ−ｎｙ）×ｄとなる。
【０００４】
そして、Δｎｄが入射波長λに対し±λ／４＋２ｎλとなる条件を満たすのが四分の一波長板であり、入射直線偏光４０２は円偏光に変換されて出射する。
【０００５】
同様に、Δｎｄが入射波長λに対し±λ／２＋２ｎλとなる条件を満たすのが二分の一波長板で、入射直線偏光４０２の方位を回転する素子として知られる。ここでｎｙ＜ｎｘとするとＹ軸方向（進相軸）が位相差板の方位と定義される。またｎは整数で波長板の次数を表す。
前述した位相差板は、その作用から明らかなように、特定の波長に対してのみ四分の一波長板あるいは二分の一波長板として機能する。
【０００６】
しかるに近年において異なる２波長以上の直線偏光に対し同一の光学系で円偏光に変換する要求が生じてきた。そこで、この問題を解決するための従来技術として、基準となる波長５５０ｎｍ程度に対する二分の一波長板と四分の一波長板を互いの方位が５０度以上７０度以下の範囲で適当に調節して貼り合せ、可視光域の異なる２波長以上の設計波長に対しほぼ四分の一波長板として機能する広帯域位相差板（広帯域四分の一波長板）が考案されている（例えば、特許文献１参照）。また、このとき基準波長や二枚の波長板を貼り合わせる相対方位は、設計波長により適当に調整される。
【０００７】
また近年、上記技術を応用して、レーザー光学系特に記録型ＤＶＤのピックアップ光学系においてはディスク基板の傾きにより発生する光学波面の乱れ、すなわち光波の位相をアクティブに補正する素子として、ガラス基板で複屈折材料である液晶を狭持した構造の液晶光学素子が実用化されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
この記録型ＤＶＤで使用するレーザー光の波長は、６５０ｎｍ程度であるが、ＣＤ−Ｒ（記録型ＣＤ）との互換性を保つため７８０ｎｍ程度のレーザー光も同一の光学系で使用する。その際、レーザーの戻り光防止や光利用効率の低下防止のため、特に６５０ｎｍと
７８０ｎｍ近辺の波長に対し四分の一波長板として機能する上述した広帯域四分の一波長板を使用する必要がある。
【０００９】
更に、ノートパソコンに代表されるスリム型ＤＶＤ装置の場合、その光ピックアップは、非常に小型軽量に設計しなくてはならず、省スペース化のために、液晶光学素子と広帯域位相差板を一体化する必要が生じる。
【００１０】
図５に、その液晶光学素子に広帯域四分の一波長板を一体に貼り合せた構成例を示す。
本図面に示す様に、液晶光学素子５０１にフィルム二分の一波長板５０２及びフィルム四分の一波長板５０３を貼り合せることで、液晶光学素子５０１から入射する直線偏光の収差を補正し、その補正された直線偏光を円偏光としてフィルム四分の一波長板５０３から出射させることができる。また、図示をしないがこれと同様に、水晶二分の一波長板と水晶四分の一波長板を液晶光学素子５０１に貼り合わせても同様な効果を得ることができる。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−６８８１６号公報（第２−４頁、第１−３図）
【特許文献２】特開２００１−１４３３０８号公報（第２−４頁、第１図、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、二枚の異なる方位を持った位相差フィルムを貼り合わせる場合は、熱膨張などの際に互いの膨張伸縮しやすい方位も異なるため、結果として歪みが生じ出射光の透過波面が乱れてしまうという問題がある。
【００１３】
また２枚の水晶板を貼り合わせる場合、一枚当たりの水晶板の厚みは少なくとも５００ミクロン程度となってしまうとめ、光学素子全体の厚みが１ｍｍ程度厚くなる問題がある。これは、小型軽量の光ピックアップとする上での、障壁となっていた。更には二枚の素子を貼り合わせる境界面での光の減衰も生じるという不具合もある。
【００１４】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、熱膨張の際にも透過波面を乱しにくい薄型で軽量の位相差板、特には広帯域位相差板の機能が一体化された波面（位相）補正用の光学素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、基本的には下記記載の内容を採用するものである。
【００１６】
本発明における光学素子は、少なくとも２枚の透明基板により支持された複屈折性（誘電異方性）材料から構成され、この透明基板が、複屈折材料の反対側の表面に形状加工が施した構造性複屈折構造有する。
【００１７】
また、この構造性複屈折構造は、約４００ｎｍ以下のピッチの一次元位相格子とすることが好ましい。
【００１８】
更に、一次位相格子の形状は、矩形波形状、三角波形状、または正弦波形状となっている。
【００１９】
また更に、前記構造性複屈折構造が形成された表面に、位相差板をさらに貼り合わせても良い。
【００２０】
また更に、一次元位相格子の格子ベクトルの方位と位相差板の方位の成す相対角が５０度以上７０度以下、または１４０度以上１６０度以下とすることが好ましい。
【００２１】
また更に、複屈折性材料を液晶とすることで、下記に示す効果を容易に得ることが出来るものとなる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明における位相差板機能を付加した光学素子は、従来の方法と比べ、液晶光学素子を構成するガラス基板に位相差板を貼り付けるための余分な接着面や、位相差板を付加しなくて済む。その結果、この光学素子は、生産性が良く薄型で軽量になり、例えこの光学素子が高温環境下に長時間置かれたとしても、光学素子を通過する直線偏光の波面の乱れを生じ難くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
まず、本発明の実施形態の理解を容易にするために、構造性複屈折を利用した位相差板の作用を図６を用いて簡単に説明する。図６（ａ）は、例えば屈折率ｎを持つ透明なガラス基板６０１に矩形波状の一次元位相格子６０２を刻んだ光学素子の正面図であり、図６（ｂ）は、その光学素子の断面図である。なお、この光学素子に形成された格子の溝の深さをｄ、格子ピッチをＰとする。このとき格子ベクトルは図に示すＹ軸方向で定義される。また、以下に述べる作用原理は本発明の考え方を示すものであり、厳密な設計においては、個々の条件において電磁場方程式を解く必要があるがここでの詳細な説明は割愛する。
【００２４】
ここで、Ｙ軸方向の直線偏光が入射した場合について考察する。このとき、格子ピッチＰがＹ軸方向の直線偏光の半波長程度以下の場合は、格子溝に光が定在することができず、媒質と空気（屈折率１）の平均的な屈折率を感じる。例えば、格子のデューティーが５０％の場合は、（ｎ＋１）／２の屈折率となる。また、溝に屈折率ｎｂの媒質が充填された場合は、（ｎ＋ｎｂ）／２の屈折率となる。
【００２５】
他方、Ｘ軸方向の直線偏光に関しては、格子は十分広く存在するため格子の構造が反映される。このときｎの屈折率を見て進む光６０３と、ｎｂの屈折率を見て進む光６０４が存在する。したがって、Ｙ軸方向とＸ軸方向の位相差はｎの屈折率を見て進む光６０３とｎｂの屈折率を見て進む光６０４に対し、それぞれ（数１）（数２）式で示される。
【００２６】
【数１】
2005215359.tif 000003
【数２】
2005215359.tif 000004
【００２７】
ここで、（数１）と（数２）は、絶対値が同じで符号が異なることが判る。また、Ｘ軸方向の直線偏光は、一次元位相格子６０２により回折されるが、格子ピッチＰが波長の半分程度のため、回折の実数解が存在せず、エバネセント波として一部が表面に定在するのみである。エバネセント波は、ポインティングベクトルの平均が０のため、エネルギーを消費しない。
【００２８】
次に、本発明の光学素子の構成および作用について更に詳細に説明をする。図１は、本発明における実施形態の構造の一つを示す断面図である。ここでは、光ピックアップに使用する液晶光学素子に位相差機能を付した光学素子について説明をする。
本発明の光学素子の構造は、２枚のガラス基板１０１に液晶等の複屈折材料１０２が挟まれた液晶光学素子を有する。そして、この液晶光学素子を構成する２枚の内少なくとも一方のガラス基板には、前述した作用を有する矩形波状の一次元位相格子１０３が刻まれる（ここでは、一方のガラス基板の表面に一次元位相格子１０３が形成された例を示している。）。
【００２９】
前述したように、一次元位相格子のピッチＰを入射直線偏光の半波長程度以下に選び、溝の深さや屈折率を使用波長の四分の一波長板となるように設計する。これにより、更にこの構成に四分の一波長板等を貼り合せなくても、同じ機能が付加された波面変調用の光学素子とすることができる。
【００３０】
また、ここではガラス基板１０１に直接溝を刻んだ例を示したが、溝を刻まなくてもイオン交換法等を用いて屈折率分布を与える事で位相格子を形成しても良い。更には、別のガラス基板やプラスティック基板等に位相格子を施し、ガラス基板１０１の表面に貼り合せても良い。また更には、ガラス基板１０１に別の透明材料を付加してから透明材料に位相格子を施して形成しても良い。また更には、必要に応じて両方の基板表面に構造性複屈折構造を形成した形態としても構わない。
【００３１】
以上説明の如く、本実施の形態の光学素子を構成することで、従来の方法と比べ、液晶光学素子を構成するガラス基板に位相差板を貼り付けるための余分な接着面や、位相差板を付加しなくて済む。その結果、この光学素子は、生産性が良く薄型で軽量になり、例えこの光学素子が高温環境下に長時間置かれたとしても、光学素子を通過する直線偏光の波面の乱れを生じにくい光学素子とすることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の光学素子の他の構成例について説明をする。図２は、本発明における第２の実施形態の光学素子の構造を示す断面図である。
本実施形態においても、光学素子は、２枚のガラス基板２０１に複屈折材料２０２が挟まれた液晶光学素子を有する。そして、２枚のガラス基板２０１の内、一方のガラス基板には、矩形波状の一次元位相格子２０３が刻まれている。
【００３３】
更にその一次位相格子が形成されたガラス基板表面に、基準波長に対するフィルム四分の一波長板２０４が貼り合わされている。前述したように、一次元位相格子のピッチを入射直線偏光の半波長程度以下に選び、溝の深さや屈折率を基準波長の二分の一波長板となるように設計し、位相格子の格子ベクトルとフィルム四分の一波長板２０４の方位を、５０度以上７０度以下あるいは１４０度以上１６０度以下の範囲で適当に選べば、特定の２波長以上に対してほぼ四分の一波長板となる広帯域四分の一波長板として機能させることができる。四分の一波長板として、フィルム以外の水晶等の複屈折を持つ材料を用いても良い。
【００３４】
上記構成を採用すれば、第１の実施の形態の効果に加えて、従来の多波長対応型の光ピックアップで用いられていた広帯域四分の一波長板の構成に比べて、フィルム、または水晶四分の一波長板の１枚分が必要なくなり、その厚み分と、波長板を貼り合せる接着剤の分の薄型化が見込める。
【００３５】
（第３の実施形態）
次に、本発明の光学素子の他の構成例について説明をする。図３（ａ）は、本発明にお
ける第３の実施形態の光学素子の構造を示した斜視図である。
図３（ａ）に示す様に、本発明の光学素子は、他の実施形態と同様に、２枚のガラス基板３０１に複屈折材料３０２が挟まれた液晶光学素子を有する。その一方のガラス基板には、三角波状の一次元位相格子３０３が刻まれ、その形状加工された表面に基準波長に対する水晶四分の一波長板３０４が貼り合わされている。
【００３６】
前述した様に、一次元位相格子３０３のピッチを入射直線偏光の半波長程度以下に選び、溝の深さや屈折率を基準波長の二分の一波長板となるように設計し、位相格子の格子ベクトルとフィルム四分の一波長板３０４の方位を、５０度以上７０度以下、あるいは１４０度以上１６０度以下の範囲で適当に選べば、第２の実施の形態と同様に、特定の２波長以上に対してほぼ四分の一波長板となる広帯域四分の一波長板として機能する。
【００３７】
図３（ｂ）は、三角波状の一次元位相格子の断面図の一部を表したものである。その格子ピッチＰは、入射光波長の半分程度以下となる様に設計されている。ここで、媒質の屈折率をｎ１、その他の領域の屈折率をｎ２（通常は空気層でｎ２＝１）とする。この時、三角形の頂点からＬだけ進んだＹ軸方向の直線偏光に対するｎ１の屈折率層の断面積をＳ１、ｎ２の屈折率層の断面積をＳ２とし、（数３）により、平均屈折率が表される。
【００３８】
【数３】
2005215359.tif 000005
【００３９】
したがって、進んだ距離ｚに関して積分すれば、Ｙ軸方向の偏光に対する光路長を得る事ができる。また、（数３）により得られる平均屈折率は、ｚに対し徐々に変化するため、境界面での屈折率の不連続が発生しない。そのため、この構成における一次元位相格子３０３の形状加工が施された三角形状は、無反射コートの役割も果たす。また、この一次元位相格子３０３に形成する形状に、三角形状の代わりに正弦波状の格子を用いてもよい。この場合は、位相型感光材料に対し平面波の二光束干渉法により正弦波位相構造を容易に作成する事ができるという利点を有する。
【００４０】
本実施の形態の光学素子を採用すれば、先に説明をした第２の実施の形態の効果に加えて、更に光損失の少ない光学素子とすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態における光学素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態における光学素子の構成を示す断面図である。
【図３（ａ）】本発明の第３の実施形態における光学素子の構成を示す斜視図である。
【図３（ｂ）】本発明の第３の実施形態における三角波状の一次元位相格子の断面図の要部拡大図である。
【図４】四分の一波長板の機能を説明するための図である。
【図５】背景技術に示す広帯域位相差板が貼り合わされた光学素子を示す断面図である。
【図６（ａ）】構造性複屈折における位相差板の作用を説明するための平面図である。
【図６（ｂ）】構造性複屈折における位相差板の作用を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１、２０１、３０１、６０１，ガラス基板
１０２、２０２、３０２、複屈折材料
１０３、２０３、３０３、６０２、一次元位相格子
２０４、５０２，フィルム二分の一波長板
５０３、フィルム四分の一波長板
４０１、波長板
４０２、直線偏光
５０１、液晶光学素子
６０３、ｎの屈折率を見ながら進む光
６０４、ｎｂの屈折率を見ながら進む光
【図１】
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【図２】
2005215359.tif 000007
【図３（ａ）】
2005215359.tif 000008
【図３（ｂ）】
2005215359.tif 000009
【図４】
2005215359.tif 000010
【図５】
2005215359.tif 000011
【図６（ａ）】
2005215359.tif 000012
【図６（ｂ）】
2005215359.tif 000013