叠层1/2波长板、光拾取装置、偏振光变换元件及投影型显示装置的制作方法

专利名称：叠层1/2波长板、光拾取装置、偏振光变换元件及投影型显示装置的制作方法
技术领域：
本发明特别涉及重叠配置由石英等具有多折射性的无机晶体材料构成的两个波 长板的叠层构造的1/2波长板，进一步涉及使用了这种1/2叠层波长板的光拾取装置、偏振 光变换元件及投影型显示装置。
背景技术：
一直以来，在用于光盘装置的记录再现的光拾取装置、偏振光变换元件、液晶投影 仪等投影型显示装置这样的光学装置中，广泛使用1/2波长板，该1/2波长板将入射光的线 偏振光形成为使其偏振面旋转了规定角度(例如90° )后的线偏振光的射出光而射出。对 于1/2波长板，已经提出了以使两个波长板的光轴交叉的方式将这两个波长板叠合而成的 各种叠层构造。一般情况下，1/2波长板具有相位差随波长变化而变化的波长依赖性，在目标波长 前后的波段中，相位差增大或减小。要求液晶投影仪的偏振光变换元件所使用的1/2波长 板能在400 700nm的宽波段内保持180°的相位差。因此，提出了如下的叠层波长板 该叠层波长板以使光轴方位角为9工的第一波长板与光轴方位角为92的第二波长板的 光轴彼此交叉的方式将该第一波长板与第二波长板贴合，且满足e2= 61+45° ,0< 0 <45°的关系，通过这种结构，该叠层波长板整体上可在上述宽波段内作为1/2波长板发 挥功能(例如参照专利文献1)。另外，在液晶投影仪及光拾取装置中，由于光发散地入射到1/2波长板，因此存在 入射角依赖性的问题，即，在波长板中心附近以外的区域中，相位差发生变动。因此，1/2波 长板的偏振光变换效率降低，即，将入射的P偏振的线偏振光变换为S偏振的线偏振光而射 出的比例降低，从而可能发生光量的损失。因此，提出了如下结构的高阶模式叠层波长板 该叠层波长板以使相位差为= 180° +360° Xn(其中，n为正整数)的第1波长板与 相位差为r2 = 180° +360° Xn的第2波长板的光轴交叉的方式将该第1及第2波长板 贴合在一起，将第1及第2波长板的面内方位角设为e工、9 2，将入射到叠层波长板的线偏 振光的偏振方向与射出的线偏振光的偏振方向所成的角度设为9，满足e2= 01+0/2，由 此，整体作为1/2波长板发挥功能(例如参照专利文献2)。而且，根据该文献，构成层叠波长板的第1及第2波长板可通过对n进行适当的设 定，来将其厚度形成为容易加工的大小。另外，在该层叠波长板中，通过构成为n = 5、e工= 22.5°、e2 = 67.5°，从而能够在可用于红蓝绿光这三原色的三波长对应型光拾取用波长 板所要求的波段405nm、660nm、785nm内，使波长-变换效率为1左右，能够抑制光量损失。同样，为了提高偏振光变换效率，提出了如下的叠层相位差板该叠层相位差板将 相位差ra = 180°的第1相位差板与相位差rb = 180°的第2相位差板贴合，第1及第 2相位差板的光轴方位角ea、eb满足eb= ea+a、o< ea<45°、40° < a <50°， 且相对于相位差1\的设计目标值的偏差量A 1\与相对于相位差rb的设计目标值的偏
4差量△ rb之间满足规定关系式，该叠层相位差板通过这种结构而作为1/2波长板发挥作 用(例如参照专利文献3)。该叠层相位差板通过上述规定的关系式，用相位差rb相对于 设计目标值的偏差量△ rb来抵消相位差ra相对于设计目标值的偏差量△ ra，由此能够 得到高的偏振光变换效率。专利文献1日本特开2004-170853号公报专利文献2日本特开2007-304572号公报专利文献3日本特开2008-268901号公报图16(A)、⑶示出了上述现有的叠层1/2波长板的典型例。该叠层1/2波长板1 具有从光的入射方向Li朝出射方向Lo配置的、由石英板等光学单轴晶体材料构成的第1 及第2波长板2、3。第1及第2波长板2、3以它们的晶体光轴4、5彼此交叉规定角度的方 式相贴合。此时，第1波长板2的相位差ri = 180° +niX360° (其中，叫为非负整数)， 第2波长板3的相位差r2= 180° +n2X360° (其中，n2为非负整数)。第1波长板2的 光轴方位角9工是晶体光轴4与入射到叠层1/2波长板1的线偏振光6的偏振面所成的角 度，第2波长板3的光轴方位角0 2是晶体光轴5与上述线偏振光的偏振面所成的角度。对于图16中的叠层1/2波长板1，入射的线偏振光6的偏振方向与射出的线偏振 光7的偏振方向所成的角度为90°。使用图17(A) (C)的庞加莱(poincare)球来说明 叠层1/2波长板1的偏振状态。图17(A)是用于说明入射到叠层1/2波长板1的线偏振光 在庞加莱球上的轨道推移的图。将线偏振光4在赤道上的入射位置设定为与S1轴之间的交 点Po。图17(B)是在图17(A)的庞加莱球上从S2轴方向观察入射到叠层1/2波长板1的 偏振光状态的轨跡的图，即，是向S1S3平面的投影图。图17(C)是在图17(A)所示的庞加 莱球上从S3轴方向观察入射到叠层1/2波长板1的偏振光状态的轨跡的图，即，是向S1S2 平面的投影图。将入射光的基准点设为S1轴上的& = (1，0，0)，将第1波长板2的旋转轴队设 定在从S1轴旋转了 2 0工的位置处，将第2波长板3的旋转轴R2设定在从S1轴旋转了 2 0 2 的位置处。当以旋转轴队为中心，使基准点&向右旋转了相位差^时，庞加莱球的赤道 上的点Pi= (0,1,0)为第1波长板2的出射光的位置。接着，当以旋转轴R2为中心，使点 Pi向右旋转了相位差r2时，庞加莱球的赤道上的点P2= (-1,0,0)为第2波长板3的出射 光的位置，即叠层1/2波长板1的出射光的位置。只要入射光Lo的波长不从目标值变化， 出射光的位置就始终位于庞加莱球的赤道上。但是，搭载在蓝光标准的光盘记录再现装置上的光拾取装置使用了短波长 (405nm)的蓝紫色激光，在使用时，当发出高热量而膨胀时，将产生振荡激光的波长发生漂 移(变化)的问题。因此，在用于光拾取装置中的情况下，1/2波长板会因入射激光的波长 漂移而产生线偏振光的变换效率劣化的问题。尤其，在1/2波长板为专利文献2所述的高 阶模式的情况下，由于其厚度大，因此随着相位差的变大，其变化量也变大，变换效率进一 步劣化。专利文献1公开了在波长变化时消除或降低其影响的方法。根据此方法，当设基 于波长变化的第1及第2波长板的相位差的偏差量为A rp A r2时，可通过设定为A q =A「2来抵消相位差的偏差，因此，出射光在庞加莱球上的位置P2始终位于赤道上。利用图17的庞加莱球来对此进行说明。第1波长板2的出射光位置为以旋转轴 对第1及第2波长板2、3的高阶模式阶次n、相位差r\、r2、光轴方位角度0工、 9 2进行设定，根据式(2)、(3)来求取米勒矩阵礼、1 2，设定入射光的偏振状态I，此时，通过 式(1)来计算出射光的偏振状态E。出射光的偏振光状态E被称为斯托克斯矢量，且由下式表不。
Ri为中心、从点Pi向右旋转了偏差量A ri后的点P/。第2波长板3的出射光位置为以 旋转轴R2为中心、使点P/向右旋转了相位差r2+A r2后的庞加莱球的赤道上的点p2'。 该点P2'是叠层1/2波长板1的出射光的位置。由该图可知，点P2'在赤道上偏离了点P2， 因此，出射光的偏振面的旋转偏离于90°。根据专利文献1，a r i和a r2越小，该出射光偏振面的旋转偏差的影响越小，因 此，希望将第1及第2波长板2、3形成为单模波长板以尽量减小其波长依赖性。尤其是，相 位差为180°的单模波长板在入射角度依赖性方面很出色，所以是优选的。但是，在该波长 板由石英板、尤其是切断角度为90° Z(即石英基板的主面法线方向与石英光轴(Z轴)所 成的角度为90° )的石英板形成的情况下，由于厚度非常薄而达到20i!m，所以很难进行制 造。专利文献3示出了这样的状况当第1相位差板的厚度的加工精度偏离了设计值 时，同样会产生在庞加莱球上第1相位差板的出射光位置发生偏移的问题。为了解决该问 题，在该文献中公开了通过对第2相位差板的厚度进行加工来抵消第1相位差板的出射光 位置的偏差的方法。但是，由于该文献的层叠相位差板的第1及第2相位差板也是由切断 角度为90° Z的石英板构成的单模波长板，所以同样存在制造困难的问题。另一方面，对于专利文献2所述的叠层1/2波长板，因为第1及第2波长板为高阶 模式，所以不存在制造困难的问题，但是，当第1及第2波长板的高阶模式阶次n过大时，将 产生这样的问题变换效率接近于1的波段宽度变窄，很难作为叠层1/2波长板来使用。这里，如该文献所述，变换效率是用于准确判定由两个波长板贴合而成的叠层1/2 波长板的出射光的偏振状态的评价值，是按照规定的计算方法计算出射光相对于入射光的 光量而得到的。下面进行简单的说明。在叠层1/2波长板1中，如果用礼表示第1波长板2的米勒矩阵、用R2表示第2 波长板3的米勒矩阵、用矢量I表示入射光的偏振状态、用矢量E表示出射光的偏振状态， 则透射过叠层1/2波长板1后的偏振光状态可用下式来表示。E = R2 队 I …(1)这里，礼、R2分别用下式来表示。
(2)
(3
6 这里，E的矩阵要素S^SmSm、被称为斯托克斯参数，表示偏振状态。接着，如 果将偏振器的矩阵P的透射轴设定为规定角度，并将表示上述出射光的偏振状态E的矩阵 E与偏振器的矩阵P之积设为T，则T由下式来表示。
(5) 该矩阵T表示变换效率，当用作为其要素的斯托克斯参数来表示时，如下式所示。
这里，矢量T的斯托克斯参数Sm表示光量，而在将入射光量设定为1时，斯托克斯 参数、为变换效率。因此，可以通过使第1及第2波长板2、3的高阶模式阶次n、规定波 长(例如波长405nm)下的相位差r\、r2以及光轴方位角0工、92进行各种变化，来对叠 层1/2波长板1的变换效率T进行仿真。图18示出了在设图16中的现有例的叠层1/2波长板1的设计波长的目标值K 为405nm的情况下，利用该计算方法对变换效率T相对于入射光波长的变化进行仿真得到 的结果。由该图可知，虽然现有例的变换效率在XQ = 405nm附近处近似为1，但随着与目 标值的距离变远，变换效率劣化。在将该叠层1/2波长板用于光拾取装置的情况下，线偏振 光的变换效率可能因入射的激光的波长漂移而劣化。

发明内容
本发明正是鉴于上述现有问题而完成的，其目的在于，在以第1及第2波长板的光 轴相互交叉的方式使该第1及第2波长板重合而成的叠层1/2波长板中，在更宽波段的波 长范围内将变换效率的劣化抑制为最小，能够根据需要实现良好的变换效率。另外，本发明的目的在于，通过使用该叠层1/2波长板，而提供不容易受到因波长 漂移等引起的波长变动的影响，能够在比以往更大的波长范围内稳定地发挥良好的性能的 光拾取装置、偏振光变换元件、投影型显示装置等光学装置。本发明人着眼于波长变动与变换效率之间的关系而进行了各种研究，从而想到， 只要进行如下设定，即可在更宽波段的波长范围内抑制变换效率的劣化，所述设定是减小 第1与第2波长板的光轴方位角e工、e 2之差，并在庞加莱球上使旋转轴礼与旋转轴R2相 互接近。因此，针对图16的叠层1/2波长板1，将第1及第2波长板的光轴方位角从e1 = 22.5°、e2 = 67. 5° 变更为 22. 5° < e < 45. 0° ,45. 0° < e 2 < 67. 5°，并使用上述 计算方法对变换效率进行了仿真。结果发现，虽然在目标波长X 0 = 405nm附近，变换效率比现有例略微劣化，但在 其两侧，变换效率为T = 1的波长位置被分成2处，对于整体而言，能够在更宽的波长范围 内得到良好的变换效率。本发明正是基于上述发现而完成的。
本发明的叠层1/2波长板的特征在于，其由第1波长板和第2波长板构成，并且， 以使上述第1波长板与上述第2波长板的光轴交叉的方式来配置上述第1波长板和上述第 2波长板，在设上述第1及第2波长板相对于波长\的相位差为rp r2、入射到上述叠层 1/2波长板的线偏振光的偏振面分别与上述第1及第2波长板的光轴所成的面内方位角为 e i、6 2、入射到上述叠层1/2波长板的线偏振光的偏振方向与从该叠层1/2波长板射出的 线偏振光的偏振方向所成的角度为V、光轴调节量为a时，该叠层1/2波长板满足以下各 式「！二川。。+nX360°，r2 = 180° +nX360°，0 ！ = ￥/4+a，0 2 = 3 ￥/4-a,其中，在r\、r2中，n均为非负整数。这样，与以往相比，通过减小第1与第2波长板的光轴的面内方位角e2之差， 能够在更宽波段的波长范围内，将变换效率的劣化抑制为最小，能够根据需要得到良好的 变换效率。因此，即使针对入射光的波长变动，也能够稳定地实现光利用效率非常高的叠层 1/2波长板。在某实施例中，优选设定为，角度V满足15° < < 90°。另外，在某实施例中，在第1及第2波长板的相位差rv r2中，可设定为n = l。 此时，将光轴调节量a设定为0° < a < a_，光轴调节量最大值根据下式来确定amax = Ao+Ai ￥+A2 ￥2A0 = -0. 06032= 0. 0717A2 = -0. 00035，此时，能够将各波长板设定为制造上可加工的厚度，并且，只要确定了角度V，即 可简单地设计出能在更宽波段内得到良好的变换效率的叠层1/2波长板。在另一实施例中，在第1及第2波长板的相位差rv r2中，可设定为n = 2。此 时，将光轴调节量a设定为0° < a < afflax,光轴调节量最大值根据下式来确定amax = Ao+Ai ￥+A2 ￥2A0 = -0. 15869= 0. 13912A2 = -0. 00066，此时，同样能够将各波长板设定为制造上可加工的厚度，并且，只要确定了角度 ￥，即可简单地设计出能在更宽波段内得到良好的变换效率的叠层1/2波长板。另外，在另一实施例中，优选面内方位角e^ 02分别满足22. 5° < e工< 45. 0° 以及 45. 0° < e2<67. 5°。在又一实施例中，第1及第2波长板是石英板，由此能够得到非常高的耐光性，因 此，在被用于使用了波长特别短且高输出的蓝紫色激光等的光学系统的情况下，也能够发 挥高可靠性。
根据本发明的另一侧面，提供一种光拾取装置，该光拾取装置具有光源；物镜， 其将从该光源射出的光会聚到记录介质上；以及检测器，其检测由记录介质反射的光，该光 拾取装置在光源与物镜之间的光路中配置了上述本发明的叠层1/2波长板。通过使用如上 地在宽波段的波长范围内将变换效率的劣化抑制为最小的叠层1/2波长板，实现了不容易 受到因使用时振荡激光的温度漂移等引起的波长变动的影响，能够在比以往更宽的波长范 围内稳定地发挥良好性能的光拾取装置。根据本发明的另一侧面，提供一种偏振光变换元件，该偏振光变换元件具有平板 状的透光性基材，其将第1主面作为光入射面，将第2主面作为光出射面；设置在上述基材 中的第1及第2光学薄膜；以及波长板，第1及第2光学薄膜相对于第1及第2主面倾斜地 配置，且彼此隔开间隔平行地交替配置，第1光学薄膜将从第1主面侧入射的光分离成相互 垂直的第1线偏振光和第2线偏振光，使第1线偏振光透过而将第2线偏振光反射，第2光 学薄膜使由第1光学薄膜反射后的第2线偏振光反射而从第2主面射出，波长板是上述本 发明的叠层1/2波长板，其被配置在使由第1光学薄膜分离出的第1或第2线偏振光透过 的位置处。在该偏振光变换元件中，在某实施例下，叠层1/2波长板被配置在第2主面的使透 过第1光学薄膜的第1线偏振光射出的部分上，或被配置在第2主面的使由第2光学薄膜反 射的第2线偏振光射出的部分上。在另一实施例中，叠层1/2波长板被设在透光性基材中， 且被层叠配置在第1光学薄膜的第1线偏振光的出射面上。在任何情况下，也是同样可以 通过使用如上地在宽波段的波长范围内将变换效率的劣化抑制为最小的叠层1/2波长板， 来实现在比以往更宽的波长范围内使得光利用效率非常高的偏振光变换元件。另外，根据本发明的另一侧面，提供一种投影型显示装置，该投影型显示装置具 有光源；上述本发明的偏振光变换元件，其将来自该光源的光变换为第2线偏振光而射 出；调制单元，其根据要投影的图像信息，对来自偏振光变换元件的出射光进行调制，该调 制单元例如是液晶面板；以及投影光学系统，其对该调制单元调制后的光进行投影。同样 地，通过采用上述那样地在比以往更大的波长范围内将变换效率的劣化抑制为最小的叠层 1/2波长板，能够利用相同输出的光源得到更亮的影像，或者，即使采用低输出的光源也能 够得到相同程度的明亮的影像，因此能够降低功耗。


图1中，(A)图是从光的射出方向观察本发明的叠层1/2波长板的实施例的立体 图，(B)图是同样从射出方向进行观察的正面图。图2中，(A)图是表示图1的叠层1/2波长板的偏振状态的庞加莱球，⑶图是从 S2轴方向对其进行观察的图，(C)图是从S3轴方向进行观察的图。图3是示出叠层1/2波长板的相对于光轴调节量a的变换效率的线图。图4是针对不同的光轴调节量a，示出相对于叠层1/2波长板的波长的变换效率的 线图。图5是针对不同的偏振面旋转角度V，示出对叠层1/2波长板的相对于波长的变 换效率的线图。图6是示出变换效率相对于偏振面旋转角度V的最小值Tmin以及变换效率的最
9大值与最小值之差AT的线图。图7是示出变换效率相对于光轴调节量a的最小值Tmin以及变换效率的最大值 与最小值之差AT的线图。图8是示出相对于光轴调节量a的变换比率RT的线图。图9是针对不同的偏振面旋转角度V，示出相对于光轴调节量a的变换比率RT的 线图。图10是示出在高阶模式阶次n = 1的情况下，相比于a = 0°使得变换效率更加 良好的光轴调节量a的最大值\ 与偏振面旋转角度V之间的关系的线图。图11是示出在高阶模式阶次n = 2的情况下，相比于a = 0°使得变换效率更加 良好的光轴调节量a的最大值\ 与偏振面旋转角度V之间的关系的线图。图12是针对蓝/绿/红的各色光的波段，示出相对于波长的变换效率的线图。图13是示出使用了本发明的叠层1/2波长板的光拾取装置的实施例的结构的概 略图。图14是示出使用了本发明的叠层1/2波长板的偏振光变换元件的实施例的结构 的概略图。图15是示出使用了本发明的叠层1/2波长板的投影型显示装置的实施例的结构 的概略图。图16中，㈧图是从光的射出方向观察现有的叠层1/2波长板的实施例的立体图， (B)图是同样从射出方向进行观察的正面图。图17中，(A)图是示出图16中的叠层1/4波长板的偏振状态的庞加莱球，⑶图 是从S2轴方向对其进行观察的图，(C)图是从S3轴方向进行观察的图。图18是针对图16中的叠层1/4波长板的变换效率相对于波长的变化的线图。符号说明1,11...叠层 1/2 波长板；2，12...第 1 波长板；3，13...第 2 波长板；4，5，14， 15...晶体光轴；6，7，16，17...线偏振光；20...光拾取装置；21，41...光源；22...衍 射光栅；22a...衍射光栅部；22b. . . 1/2波长板；23...偏振光分束器；24...准直透镜； 25...光盘；26...反射镜；27，44. . . 1/4波长板；28...物镜；29...光检测器；30...监视 用光检测器；40,67.偏振光变换元件；41.棱镜阵列；41a...第1主面；41b. .第2 主面；42...偏振光分离膜；43...反射膜；50...投影型显示装置；51...照明光学系统； 52，53...分色镜；54 56...反射镜；57 61. . . A/2相位差板；62 64...液晶光阀； 65.交叉分色棱镜(cross dichroic prism) ；66.投影透镜系统。
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。图1(A)、⑶示出了本发明的叠层1/2波长板的实施例。本实施例的叠层1/2波 长板11具有从光的入射方向Li朝着出射方向Lo配置的、由石英板构成的第1及第2波长 板12、13。这些第1及第2波长板以它们的晶体光轴14、15彼此交叉规定角度的方式贴合
在一起。第1波长板12的相位差设定为r工=180° +nX360°，第2波长板13的相位差设定为r2=180° +nX360° (其中，r :、r 2中的n均为非负整数)。第1波长板12的 光轴方位角9 i是晶体光轴14与入射到层叠1/2波长板11的光的线偏振光16的偏振面 所成的角度。第2波长板13的光轴方位角0 2是晶体光轴15与上述入射光的线偏振光16 的偏振面所成的角度。对于叠层1/2波长板11，将入射的线偏振光16的偏振方向与射出的线偏振光17 的偏振方向所成的角度V设定为15° < V <90°。这里，在将光轴调节量设为a时，光 轴方位角、、9 2被设定为满足、=w/4+a, e2 = 3u//4-a。使用图2(A) (C)的庞加莱球来说明叠层1/2波长板11的偏振状态。图2(A) 是用于说明入射到叠层1/2波长板11的线偏振光在庞加莱球上的轨道推移的图。将线偏 振光在赤道上的入射位置设定为S1轴上的点&。图2(B)是在图2(A)的庞加莱球上从S2 轴方向观察入射到叠层1/2波长板11上的偏振光状态的轨跻的图，S卩，表示向S1S3平面的 投影图。图2(C)是在图2(A)的庞加莱球上从S3轴方向观察入射到叠层1/2波长板11的 偏振光状态的轨跡图，即，表示向S1S2平面的投影图。在图2中，为了便于与图17的现有 例进行比较而示出了 V =90°的情况。将入射光的基准点设为& = (1，0，0)，将第1波长板12的旋转轴Rn设定为从S1 轴旋转了 2 0工的位置处。在本实施例中，由于是如上所述地设定光轴方位角e ”因此，与图 17中的ei = 22.5°时的旋转轴Ri相比，旋转轴Rn到达进一步旋转了角度2a后的位置。 将第2波长板13的旋转轴R22同样地设定为从S1轴旋转了 2 0 2的位置处。通过如上所述 地设定光轴方位角02，与图17中的e2 = 67.5°时的旋转轴R2相比，旋转轴R22来到后退 了角度2a后的位置处。第1波长板12的出射光的位置是以旋转轴Rn为中心、使基准点&向右旋转了相 位差r i时在庞加莱球上描绘出的轨跡圆C1上的点。圆C1与包含S2轴和S3轴的S2-S3 平面相交于2点。因此，在相位差^与上述设定值一致的情况下，从庞加莱球上的点(0， 1,0)向与基准点&相反的方向略微偏移后的赤道上的点Pn为上述第1波长板的出射光的位置。第2波长板13的出射光的位置是以旋转轴R22为中心、使点Pn向右旋转了相位 差「2后的庞加莱球上的点。在相位差r2与上述设定值一致的情况下，从庞加莱球的点 p2(-I、O、O)向基准点&侧略微后退的赤道上的点P21为上述第2波长板的出射光的位置， 即叠层1/2波长板11的出射光的位置。其结果，出射光的偏振面的旋转偏离于所希望的角 度 V = 90°。为了使出射光的偏振面的旋转角度成为90°，需要使出射光在庞加莱球上的位置 到达点P2(-1，0，0)。在此情况下，第1波长板12的出射光的位置必须是以旋转轴R22为中 心、使点P2向反方向即左方向旋转了相位差「2后的庞加莱球上的点。此时，通过以旋转轴 R22为中心使点P2旋转而在庞加莱球上描绘出的轨跡圆C2相对于S2-S3平面，与圆C1成对 称关系，即，成镜像关系。圆C1与圆C2在S2-S3平面上具有两个交点P12、P13。由于第1波长板12与第2 波长板13相等地设定了相位差r工、r 2，因此，由入射光的波长偏差引起的相位差的偏差量 A r^ 相等。因此，在庞加莱球上，在第1波长板12的出射光的位置因相位差
的偏差而位于圆ci与圆C2之间的一个交点P12或P13上的情况下，第2波长板13的出射光的位置到达点P2 (_1，0，0)。其结果，对于叠层1/2波长板11的出射光，在以目标波长\为中心的其正负两 侧，各存在1点使偏振面的旋转角度成为所希望的角度V = 90°的波长。在叠层1/2波长 板11在目标波长、下发挥出作为1/2波长板所要求的充分功能的情况下，与作为偏差最 大值的相位差范围对应的波长范围被理解为以目标波长、为中心的叠层1/2波长板11所 能使用的波长范围，所述相位差的范围相对于设计相位差rp r2，至少容许包含庞加莱球 上的两点P12、P13处的相位差偏差量A r\、a r2。该能够发挥出作为1/2波长板所要求的功能的、所能使用的波长范围，由旋转轴 Rn> R22在庞加莱球上的设定位置决定，即，由光轴调节量a的设定值决定。因此，与现有技 术相关联地，利用上述计算方法对叠层1/2波长板11相对于光轴调节量a的变换效率进行 了仿真。图3示出了在0°彡a彡3.0°的范围内将使用波长范围设为405nm士20nm而计 算出的变换效率的平均值。如该图所示，因为存在变换效率取最大值的光轴调节量a，所以 推测认为，存在使变换效率的劣化为最小的a的最佳范围。此外，在以下说明中，是用相同 的计算方法对本发明的叠层1/2波长板的变换效率进行仿真。而且，设中心波长\ ^ = 405nm、波长范围355nm ^ A ^ 450nm,以0. 5°的步长使 光轴调节量a从0°到3. 5°对变换效率进行了仿真。图4示出其结果。由该图可知，光轴 调节量a越大，变换效率达到1时的波长位置向中心波长X。的正负两侧移动得越大，与此 相对，中心波长X ^处的变换效率劣化。在实际使用时，可根据叠层1/2波长板的用途、规格 来确定中心波长处的变换效率的容许值以及使用波段宽度等，并据此来确定光轴调节量a。第1及第2波长板12、13的相位差r工、r2的高阶模式阶次优选设定为n = 1或 2。当设定为n = 3以上时，能够得到1或接近1的良好的变换效率的波段变窄，很难充分 发挥本发明的宽波段的效果。在以下的仿真中，只要没有特别地明示，就是对高阶模式阶次 n = 1的情况进行说明。为了确定光轴调节量a的最佳范围，首先，针对出射光的偏振面旋转角度V对变 换效率的影响进行仿真。对中心波长为入(1 = 40511111、使用波长范围为37511111彡A彡435nm、 偏振面旋转角度V为5°、45°、90°时的变换效率进行了仿真。图5示出其结果。由该图 可知，角度V越大，变换效率相对于波长变化较大地降低。因此，推测认为，对于出射光的 偏振面旋转角度V，也存在使变换效率的劣化抑制为最小的最佳范围。因此，在中心波长为X 0 = 405nm、使用波长范围为375nm ^ A ^ 435nm的情况 下，对变换效率相对于出射光的偏振面旋转角度V的最小值Tmin进行了仿真。而且，对 变换效率相对于出射光的偏振面旋转角度V的最大值与最小值之差AT进行了仿真。图 6示出了这些结果。由该图可知，与图5相同，角度V越大，变换效率越低，变换效率的变 化也越大。此外在该图中，在角度V < 15°的情况下，变换效率的最小值Tmin、以及变换 效率的最大值与最小值之差AT均降低至误差水平。因此，确认到能够发挥出本发明的 将变换效率的劣化抑制为最小这一效果的出射光的偏振面旋转角度V优选如上地设定为 15° < V < 90°。接着，在将出射光的偏振面旋转角度固定为11/ =90°、且中心波长为、= 405nm、使用波长范围为375nm彡入彡435nm的情况下，对变换效率相对于光轴调节量 a(0°彡a彡8.0° )的最小值Tmin进行了仿真。而且，对变换效率相抵于光轴调节量a的最大值与最小值之差AT进行了仿真。图7示出了这些结果。由该图可明显看出，Tmin以 及AT均在a = 2°附近取最佳值。此外，该图还表示，使Tmin变大且使AT变小的光轴调 节量a为最佳值。 因此，将用变换效率的最小值Tmin除以变换效率的最大值与最小值之差A T所得 到的值称为变换比率RT，在将其用作变换效率的评价值时，图7可以如图8那样表示。艮口， 图8示出了变换比率RT相对于光轴调节量a的变化。由该图可知，相比于a = 0°，在0 <a<3.5°的范围中，变换比率更加良好，即变换效率更加良好。而且，在中心波长为\ Q = 405nm、使用波长范围为375nm彡A ( 435nm、偏振面旋 转角度V为15°、30°、45°、60°、75°、90°的情况下，对变换比率RT相对于光轴调节量 a的变化进行了仿真。图9示出其结果。根据该图确认到，对于各个偏振面旋转角度V，存 在相比于a = 0°，使得变换比率更加良好的光轴调节量a的最大值a_。从图9中提取出相比于a = 0°使变换比率提高的各偏振面旋转角度V的光轴 调节量最大值a_，图10中表示其相关关系。当利用近似式来表示该相关关系时，如下式所 示amax = Ao+Ai ￥+A2 ￥2A。= -0.06032= 0. 0717A2 =-0.00035。通过使用该关系式，在本发明的叠层1/2波长板的高阶模式阶次n = 1的情况下， 只要对偏振面旋转角度V进行设定，即可在更宽波段的波长范围内将变换效率的劣化抑 制为最小，能够简单地确定用于得到良好的变换效率的光轴调节量a的最大值a_。另外，针对叠层1/2波长板的高阶模式阶次n = 2的情况，也同样地设偏振面旋转 角度V设为15°、30°、45°、60°、75°、90°而对变换比率RT相对于光轴调节量a的变 化进行了仿真。针对各个偏振面旋转角度V，从其仿真结果中提取出相比于a = 0°使得 变换比率更加良好的光轴调节量a的最大值a_。图11示出了该偏振面旋转角度V与光轴调节量最大值之间的相关关系。根 据图11所示，光轴调节量a的最大值\ 的范围如下0 < afflax < 7. 0o根据图11，当用近似式来表示偏振面旋转角度V与光轴调节量最大值之间的 相关关系时，如下式所示amax = Ao+Ai ￥+A2 ￥2A。=-0. 15869kx = 0. 13912A2 =-0.00066。通过使用该关系式，在本发明的叠层1/2波长板的高阶模式阶次n = 2的情况下， 也是只要对偏振面旋转角度V进行设定，即可在更宽波段的波长范围内将变换效率的劣 化抑制为最小，能够简单地确定用于得到良好的变换效率的光轴调节量a的最大值a_。上述仿真都是针对以405nm为中心波长的波段进行的，但本发明同样适用于其它 波段。在图12中，除了中心波长为405nm的蓝光波段之外，还针对分别以530nm以及660nm
13为中心波长的绿光及红光的各个波段，示出了变换效率相对于波长的变化。在该图中，用实 线表示的各个线是在将本发明分别应用于蓝/绿/红的各色光、并将上述第1及第2波长 板的光轴调节量a设定为适当值时得到的变换效率。与此相对，用虚线表示的各个线是针 对未对光轴调节量a进行设定的现有技术的第1及第2波长板而得到的变换效率。由该图 可知，针对绿光及红光的各个波段，也能够在更宽波段的波长范围内将变换效率的劣化抑 制为最小，从而得到接近于1的良好的变换效率。图13示出使用了本发明的叠层1/2波长板的光拾取装置的实施例。该光拾取装 置20例如用于蓝光盘(Blu-ray Disc:商标)等光盘的记录再现，具有例如由放射出波长 为405nm的蓝紫色的激光的激光二极管构成的光源21。光拾取装置20具有衍射光栅22， 其对来自光源21的激光进行衍射；偏振光分束器23，其将透过该衍射光栅的激光分离成P 偏振光成分和S偏振光成分而进行透射或反射；准直透镜24，其使被该偏振光分束器反射 的激光成为平行光；反射镜26，其将透过该准直透镜后的激光向光盘25进行反射；1/4波 长板27，其将由该反射镜反射的作为线偏振光的激光变换为圆偏振光；物镜28，其对透过 该1/4波长板的激光进行会聚；以及光检测器29，其检测从光盘25反射的激光。此外，光 拾取装置20还具有监视用光检测器30，其检测从光源21射出且透过偏振光分束器23后的 激光。下面说明光拾取装置20的动作。从光源21射出的线偏振光的激光为了进行三光 束法的跟踪控制而被衍射光栅22分离成3个光束，然后该激光的S偏振光成分被偏振光分 束器23反射，并在准直透镜24的作用下变为平行光。平行光的激光被反射镜26进行全反 射，并被1/4波长板27从线偏振光变换为圆偏振光，然后经物镜28会聚而照射到形成在光 盘25上的信号记录层的凹坑(pit)上。被该凹坑反射的激光透过上述物镜，被1/4波长板 27从圆偏振光变换为线偏振光，经反射镜26全反射后，透过准直透镜24以及偏振光分束器 23而入射到光检测器29，从而被检测到。通过这种方式来进行记录在上述光盘上的信号的 读取动作。另外，从光源21射出的激光的P偏振光成分透过偏振光分束器23，然后入射到 监视用光检测器30而被检测到。通过该检测输出来控制从上述激光二极管射出的激光的 输出。衍射光栅22由以下部件构成衍射光栅部22a，其按上述方式来对激光进行分离； 以及1/2波长板22b，其将入射激光变换为旋转了规定角度后的线偏振光。1/2波长板22b 采用本发明的叠层1/2波长板。由此，在光拾取装置20的使用时，即使因振荡激光的温度 漂移而使激光波长发生变动，也不会导致1/2波长板22b的变换效率劣化或者能够将其劣 化抑制为最小，从而能够始终确保充分的光量。其结果，能够实现如下的光拾取装置，即，该 光拾取装置能够应对使用的激光的短波长化以及高输出化，在比以往更宽波段的波长范围 内，稳定地发挥良好的性能。对于本发明的叠层1/2波长板，由于它的光利用效率非常高，因此适合在例如液 晶投影仪那样的具有液晶面板的投影型显示装置等中使用。尤其，在使用了对特定偏振方 向上的光束(s偏振光或p偏振光)进行调制的类型的液晶面板的投影型显示装置中，通常 对光学系统进行这样的设定使线偏振光统一成P偏振光或S偏振光中的某一方而入射到 液晶面板。因此，在投影型显示装置中，安装有偏振光变换元件(PS变换元件)，该偏振光变 换元件的作用是将来自光源的随机偏振光变换为P偏振或S偏振的光束，来提高光利用效
14
图14(A) (C)分别示出了适合在液晶投影仪等投影型显示装置中使用的三个不 同结构的偏振光变换元件40、40’、40”，它们均可以使用本发明的叠层1/2波长板。由此，各 偏振光变换元件40、40’、40”能够在比以往更宽的波段中将变换效率的劣化抑制为最小，因 此能够更高效地利用光能。图14㈧的偏振光变换元件40具有由平板状的透光性基材构成的棱镜阵列41，该 棱镜阵列41的第1主面41a为光入射面，且第2主面41b为光出射面。在上述透光性基材 中，相对于上述第1及第2主面倾斜的偏振光分离膜42与反射膜43彼此隔开规定的间隔 平行地交替配置。偏振光分离膜42将从第1主面41a入射到棱镜阵列41上的随机光分离成S偏振 光成分和P偏振光成分，使P偏振光成分透过且将S偏振光成分反射。透过偏振光分离膜 42后的P偏振光成分直接经由第2主面41b从棱镜阵列41射出。由上述偏振光分离膜反 射的S偏振光成分被反射膜43反射而经由第2主面41b从棱镜阵列41射出。在第2主面 41b的射出被上述反射膜反射的S偏振光成分的部分上，配置1/2波长板44。1/2波长板 44将入射的S偏振的线偏振光变换为P偏振光而将其射出。这样，偏振光变换元件40将入 射光统一成P偏振而将其射出，该偏振光变换元件40适合于安装在P偏振光学系统的投影 型显示装置中。图14(B)示出了适合于安装在S偏振光学系统的投影型显示装置中的偏振光变换 元件40，的结构。在该偏振光变换元件40，中，1/2波长板44被配置在第2主面41b的、透 过偏振光分离膜42后的P偏振光成分所射出的部分上。由此，透过偏振光分离膜42后的P 偏振的线偏振光被变换为S偏振光而射出。另一方面，由上述偏振光分离膜反射的S偏振 光成分被反射膜43反射，然后保持S偏振光而从棱镜阵列41射出。因此，入射到偏振光变 换元件40’的光被统一成S偏振光而射出。图14(C)示出了偏振光变换元件40”，在该偏振光变换元件40”的结构中，将1/2 波长板44配置在棱镜阵列41的上述透光性基材中。1/2波长板44被层叠在偏振光分离膜 42的出射面上，与反射膜43隔开规定间隔且与其交替地平行配置。偏振光分离膜42将从第1主面41a入射的随机光分离成S偏振光成分和P偏振 光成分，使P偏振光成分透过且使S偏振光成分反射。由偏振光分离膜42反射的S偏振光 成分被反射膜43反射，经由第2主面41b从棱镜阵列41射出。透过上述偏振光分离膜的 P偏振光成分直接入射到1/2波长板44而被变换为S偏振光，经由上述第2主面从棱镜阵 列41射出。这样，入射到偏振光变换元件40"的光被统一成S偏振光而射出。在将本发明的叠层1/2波长板用于偏振光变换元件40”的1/2波长板44的情况 下，构成该叠层1/2波长板的上述第1及第2波长板只要在透射光的前进方向上，即，在相 对于第1及第2主面41a、41b成45°的方向上，以使它们的相位差r :、r2满足以下条件 的方式来设定各自的板厚即可= 180° +nX360°r2 = 180° +nX360°其中，r\、r2中的n均为非负整数。而且，上述第1及第2波长板的光轴方位角只要设定为，使它们的光轴向第1主面41a的投影角度e2满足以下关系即可0!￥/'4+a
023￥/4-a
22.)<e: < 45.0°
45.0°<0 2 < 67.5° 0此时，上述第1及第2波长板的光轴的面内方位角比向上述第1及第2主面投影 的投影角度小。图15概略性地示出使用了本发明的叠层1/2波长板的投影型显示装置的实施例。 该投影型显示装置50具备照明光学系统51、分色镜52、53、反射镜54 56、A /2相位差 板57 61、液晶光阀62 64、交叉分色棱镜65以及投影透镜系统66。照明光学系统50 具有光源、偏振光变换元件67以及会聚透镜等，用以对液晶光阀62 64进行照明。偏振 光变换元件67可使用图14的偏振光变换元件，将来自上述光源的随机光变换为S偏振光 而射出。对于从照明光学系统51射出的S偏振的白光，其红光成分透过分色镜52，其蓝光 成分和绿光成分则被反射。透过分色镜52的红光经反射镜54反射，通过\ /2相位差板57 而被变换为P偏振光，入射到红光用液晶光阀62。被分色镜52反射的绿光进一步被分色镜 53反射，通过\ /2相位差板58而被变换为P偏振光，入射到绿光用液晶光阀63。被分色 镜52反射的蓝光透过分色镜53而后被反射镜55、56反射，通过\ /2相位差板59而被变 换为P偏振光，入射到蓝光用液晶光阀64。液晶光阀62 64分别是根据所给的图像信息(图像信号)来对各色的彩色光进 行调制而形成图像的光调制单元。交叉分色棱镜65是颜色合成单元，其对从液晶光阀62、 64射出的S偏振的红光和蓝光以及在从液晶光阀63射出后被变换为P偏振光的绿色彩色 光进行合成，形成彩色图像。该合成光通过X/2相位差板61而向投影透镜系统66射出。 投射透镜系统66是将该合成光投影到投影屏幕上来显示彩色图像的投影光学系统。A /2相位差板61以使S偏振光(红光及蓝光)和P偏振光(绿光)的偏振方向 分别变更大致45°的方式来确定其光轴的方向，此时，由于3种颜色的光的S偏振光成分和 P偏振光成分分别为1/2左右，因此，能够在偏振光屏幕上清晰地投影出彩色影像。另外，也 可以不使用X/2相位差板61，而是使用X/4相位差板。在此情况下，通过将红、绿、蓝这 3种颜色的光分别变换为椭圆偏振光，优选为圆偏振光，从而即使在投影屏幕采用了偏振光 屏幕的情况下，也能够清晰地投影出彩色影像。A /2相位差板57 61可使用本发明的叠层1/2波长板。由此，投影型显示装置 50能够在各个X/2相位差板上，在比以往更大的波长范围内将变换效率的劣化抑制为最 小，因此能够进一步提高光的利用效率。其结果，能够利用相同输出的光源得到更亮的彩色 影像，或者，即使采用低输出的光源也能够得到相同程度的明亮的彩色影像，因此能够降低 功耗。本发明不限于上述实施例，可以在其技术范围内施加各种变形或变更来进行实 施。例如，第1及第2波长板可以由石英板以外的光学单轴晶体材料来形成。另外，与上述 实施例不同结构的光拾取装置、偏振光变换元件、投影型显示装置或其它光学装置，也同样 能够应用本发明。
1权利要求
一种叠层1/2波长板，其由第1波长板和第2波长板构成，并且，以使上述第1波长板与上述第2波长板的光轴交叉的方式来配置上述第1波长板和上述第2波长板，该叠层1/2波长板的特征在于，在设上述第1及第2波长板相对于波长λ的相位差为Γ1、Γ2、入射到上述叠层1/2波长板的线偏振光的偏振面分别与上述第1及第2波长板的光轴所成的面内方位角为θ1、θ2、入射到上述叠层1/2波长板的线偏振光的偏振方向与从该叠层1/2波长板射出的线偏振光的偏振方向所成的角度为ψ、光轴调节量为a时，该叠层1/2波长板满足以下各式Γ1＝180°+n×360°，Γ2＝180°+n×360°，θ1＝ψ/4+a，θ2＝3ψ/4-a，其中，在Γ1、Γ2中，n均为非负整数。
2.根据权利要求1所述的叠层1/2波长板，其特征在于， 上述角度Ψ满足15°彡Ψ彡90°。
3.根据权利要求1或2所述的叠层1/2波长板，其特征在于， 在上述第1及第2波长板的相位差Γ\、Γ2中，η = 1。
4.根据权利要求1或2所述的叠层1/2波长板，其特征在于， 在上述第1及第2波长板的相位差Γ\、Γ2中，η = 2。
5.根据权利要求3所述的叠层1/2波长板，其特征在于，将光轴调节量a设定为0° < a < amax，光轴调节量最大值amax由下式确定 amax = AJA1 · Ψ+A2 · Ψ2，其中， A0 = -0· 06032 A1 = 0. 0717 A2 = -0· 00035。
6.根据权利要求4所述的叠层1/2波长板，其特征在于，将光轴调节量a设定为0° < a < amax，光轴调节量最大值amax由下式确定 amax = AJA1 · Ψ+A2 · Ψ2，其中， A0 = -0. 15869 A1 = 0. 13912 A2 = -0· 00066。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的叠层1/2波长板，其特征在于，上述面内方位角θ^ 92分别满足22. 5° < ei<45. 0°以及45. 0° < θ2<67. 5°。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的叠层1/2波长板，其特征在于， 上述第1及第2波长板由石英板构成。
9.一种光拾取装置，其特征在于，该光拾取装置具有 光源；物镜，其将从上述光源射出的光会聚到记录介质上； 检测器，其检测由上述记录介质反射的光；以及配置在上述光源与上述物镜之间的光路中的权利要求1至8中任意一项所述的叠层1/2波长板。
10.一种偏振光变换元件，其特征在于，该偏振光变换元件具有平板状的透光性基材，其将第1主面作为光入射面，将第2主 面作为光出射面；设置在上述基材中的第1及第2光学薄膜；以及波长板，上述第1及第2光学薄膜相对于上述第1及第2主面倾斜地配置，且彼此隔开间隔平 行地交替配置，上述第1光学薄膜将从上述第1主面侧入射的光分离成相互垂直的第1线偏振光和第 2线偏振光，使上述第1线偏振光透过而将第2线偏振光反射，上述第2光学薄膜使由上述第1光学薄膜反射后的第2线偏振光反射而从上述第2主 面射出，上述波长板是权利要求1至8中任意一项所述的叠层1/2波长板，其被配置在使由上 述第1光学薄膜分离出的上述第1或第2线偏振光透过的位置处。
11.一种投影型显示装置，其特征在于，该投影型显示装置具有光源；权利要求10所述的偏振光变换元件，其将来自上述光源的光变换为上述第2线偏振光 而将其射出；调制单元，其根据所要投影的图像信息，对来自上述偏振光变换元件的出射光进行调 制；以及投影光学系统，其对由上述调制单元调制后的光进行投影。
12.根据权利要求11所述的投影型显示装置，其特征在于，上述调制单元是液晶面板。
全文摘要
叠层1/2波长板、光拾取装置、偏振光变换元件及投影型显示装置。其课题在于，在以第1及第2波长板的光轴相互交叉的方式使该第1及第2波长板重合而成的叠层1/2波长板中，在更宽波段的波长范围内将变换效率的劣化抑制为最小，实现良好的变换效率。作为解决手段，设第1及第2波长板(12、13)相对于波长λ的相位差为Γ1＝180°+n×360°、Γ2＝180°+n×360°(n为非负整数)，第1及第2波长板的光轴的面内方位角θ1、θ2、入射到叠层1/2波长板(11)的线偏振光的偏振方向与射出的线偏振光的偏振方向所成的角度ψ以及光轴调节量a构成为满足θ1＝ψ/4+a、θ2＝3ψ/4-a、15°≤ψ≤90°。
文档编号G02B5/30GK101852883SQ20101015875
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者大户正之 申请人:爱普生拓优科梦株式会社