專利名稱：1/2波長板、光拾取裝置、偏振轉(zhuǎn)換元件及投影型顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由石英這樣具有雙折射性和旋光性的無機(jī)晶體材料構(gòu)成的1/2波長 板。此外，本發(fā)明還涉及使用了該1/2波長板的光拾取裝置、偏振轉(zhuǎn)換元件以及投影型顯示裝置。
背景技術(shù)：
以往，在用于光盤裝置記錄再現(xiàn)的光拾取裝置、偏振轉(zhuǎn)換元件、液晶投影儀等投影 型顯示裝置那樣的光學(xué)裝置中使用了 1/2波長板，該1/2波長板使入射光的線偏振光的偏 振面旋轉(zhuǎn)了預(yù)定角度例如90°后作為線偏振光的出射光出射。一般，作為波長板的材質(zhì)，使 用了通過延伸處理而具有雙折射性的聚碳酸酯等有機(jī)類材料構(gòu)成的樹脂薄膜、用透明基板 夾持高分子液晶層的相位差板、石英等具有雙折射性的無機(jī)晶體材料的晶體板(例如參照 專利文獻(xiàn)1至4)。特別地，在用于光盤裝置記錄再現(xiàn)的光拾取裝置中，為了實(shí)現(xiàn)記錄的高密度化、大 容量化，采用了波長非常短且高輸出的藍(lán)紫色激光器。但是，上述有機(jī)類材料的樹脂薄膜和 液晶材料具有容易吸收藍(lán)色到紫外區(qū)域的光的物性。因此，可能吸收藍(lán)紫色激光而發(fā)熱，使 材質(zhì)自身劣化而有損波長板的功能。此外，在藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的光盤記錄再現(xiàn)裝置中，在光拾取裝置的激光光源附近配置1/2 波長板，1/2波長板在極高溫的環(huán)境下長時間暴露。在液晶投影儀中，也緊靠白色光源配置 1/2波長板，1/2波長板同樣長時間在高溫環(huán)境下暴露。因此，在任意一種情況下，都要求 1/2波長板具有較高的耐光性和長期可靠性。在這方面，石英等無機(jī)晶體材料的耐光性極 高，尤其是在使用藍(lán)紫色激光器這樣的光學(xué)系統(tǒng)中，石英波長板是有利的。此外，石英不僅具有雙折射性，針對晶體光學(xué)軸的方向還具有旋光性。廣泛公知 該旋光性會根據(jù)石英板的切割角度對波長板的性能造成影響。為了消除該旋光性的影響， 提出了如下的波長板以光軸相互交叉的方式重合層疊由光學(xué)材料構(gòu)成的2個波長板，兩 波長板的相位差、光學(xué)軸方位角度、旋光率、以及旋轉(zhuǎn)軸與中性軸所成的角滿足預(yù)定的關(guān)系 式，由此，使寬頻帶中的特性優(yōu)良(例如參照專利文獻(xiàn)5)。專利文獻(xiàn)1日本特開2005-208588號公報專利文獻(xiàn)2日本特開2006-40343號公報專利文獻(xiàn)3日本特公昭52-4948號公報專利文獻(xiàn)4日本特公平3-58081號公報專利文獻(xiàn)5日本特開2005-158121號公報但是，在石英單板的1/2波長板中，以下的設(shè)計(jì)方法至少在本申請發(fā)明人所了解 范圍內(nèi)，至今為止都沒有被報告過除了考慮起因于雙折射性的相位差引起的偏振狀態(tài)的 變化以外，還考慮起因于旋光性的偏振面旋轉(zhuǎn)引起的偏振狀態(tài)的變化。因此，存在以下問 題在將石英1/2波長板的設(shè)計(jì)相位差設(shè)定為180°時，其轉(zhuǎn)換效率根據(jù)石英板的切割角度 不一定成為100%。
使用圖11的龐加萊球?qū)κ伟宓?/2波長板的偏振狀態(tài)進(jìn)行說明。在將線偏 振光的入射光的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)為Sl軸上的Ptl= (1,0,0)時，將旋轉(zhuǎn)軸R1設(shè)定到以下位置從 Sl軸旋轉(zhuǎn)角度2 θ 1( θ 石英板的光學(xué)軸方位角)，進(jìn)而相對于S1/S2平面向北極(S3)方 向傾斜角度2Ρ (P 石英板的旋光角)。當(dāng)以旋轉(zhuǎn)軸R1為中心使點(diǎn)Ptl向右旋轉(zhuǎn)相位差Γ =180°時，該AP1成為出射光的位置。在圖11中，在光學(xué)軸方位角θ1 = 45°時，旋轉(zhuǎn)軸R1處于S2/S3平面上，因此當(dāng)以 旋轉(zhuǎn)軸R1為中心將點(diǎn)Ptl向右旋轉(zhuǎn)180°時，出射光的位置始終到達(dá)龐加萊球的赤道上的點(diǎn) P1= (_1，0，0)。此時，石英波長板的轉(zhuǎn)換效率為1。但是，在光學(xué)軸方位角θ2#45°時， 旋轉(zhuǎn)軸&不到達(dá)S2/S3平面上，因此不處于龐加萊球的赤道上的點(diǎn)P2成為出射光的位置。 由此，石英波長板的轉(zhuǎn)換效率降低。石英板的旋光率在石英的光學(xué)軸方向上最大。由此，越增大石英板的切割角度、即 石英板的光學(xué)軸和相對于石英板主面的法線所成的角度，旋光性的影響越小。圖12示出 了在設(shè)計(jì)相位差為180°的石英1/2波長板中，針對光學(xué)軸方位角θ =5°、10°、15°、 20°、25°、35°、40°、45°，與切割角度相關(guān)的轉(zhuǎn)換效率T的變化的模擬結(jié)果。從該圖可 知，在切割角度在30°以下時轉(zhuǎn)換效率顯著降低。由此，只要將切割角度設(shè)定得比30°大，就能夠得到接近1的高轉(zhuǎn)換效率。但是， 在切割角度為30 90°的范圍中，石英板的厚度薄到10 ^μπι左右。因此，石英板的強(qiáng) 度顯著降低，脆弱且易斷裂，因此在制造上和實(shí)際使用上的處理非常困難。此外，藍(lán)紫色激光器在使用時產(chǎn)生高熱而膨脹時，會產(chǎn)生振蕩激光的波長漂移 (變化)這樣的問題。因此，在用于光拾取裝置的光源的情況下，1/2波長板產(chǎn)生由于入射激 光的波長漂移而導(dǎo)致線偏振光的轉(zhuǎn)換效率劣化這樣的問題。尤其是，高階模態(tài)的1/2波長 板的厚度較大，因此隨著相位差變大，相位差的變化量也變大，從而轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步劣化。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明正是鑒于上述現(xiàn)有問題點(diǎn)而完成的，其目的在于，在由單一晶體板形 成的1/2波長板中，使1/2波長板的轉(zhuǎn)換效率及光的利用效率提高，單一晶體板由具有雙折 射性和旋光性的無機(jī)材料構(gòu)成，具有在制造上能夠加工的比較容易處理的厚度。本發(fā)明的另一個目的在于，通過使用上述轉(zhuǎn)換效率高的1/2波長板，實(shí)現(xiàn)難以受 到波長漂移等引起的波長變動的影響，與以往相比能夠在更寬頻帶的波長范圍內(nèi)穩(wěn)定發(fā)揮 良好的性能，且適用于更高記錄密度的光盤裝置的光拾取裝置、能夠更高效利用光能的偏 振轉(zhuǎn)換元件，以及與以往相比提高了光的利用效率的反射型液晶顯示裝置。本申請發(fā)明人針對石英1/2波長板驗(yàn)證了相位差和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系。圖1示出了 在由以切割角度5°切出的單一石英板構(gòu)成的1/2波長板中，針對光學(xué)軸方位角θ =5°、 10°、15°、20°、25°、35°、40°、45°，與相位差相關(guān)的轉(zhuǎn)換效率T的變化的模擬結(jié)果。 從該圖可知，轉(zhuǎn)換效率根據(jù)光學(xué)軸方位角θ而變化，無論θ如何，都存在能夠得到1或接 近1的高轉(zhuǎn)換效率的相位差范圍。由此，即使轉(zhuǎn)換效率在設(shè)計(jì)相位差Γ =180°時下降，通 過對相位差增加適當(dāng)?shù)男Ｕ縼磉M(jìn)行調(diào)整，也能夠使轉(zhuǎn)換效率提高。接著，針對石英1/2波長板驗(yàn)證了相位差和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系。圖2示出了在由相同 的切割角度為5°的單板石英板構(gòu)成的1/2波長板中，針對光學(xué)軸方位角θ =5°、10°、15°、20°、25°、35°、40°、45°，與相位差的校正量相關(guān)的轉(zhuǎn)換效率提高比RT的變化的 模擬結(jié)果。此處，轉(zhuǎn)換效率提高比&是設(shè)計(jì)相位差Γ =180°時的轉(zhuǎn)換效率TO和校正后 的轉(zhuǎn)換效率Tl的比，稱作Τ1/Τ0。該圖示出了在& > 1的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率相比設(shè)計(jì)相位差Γ = 180°時得到改 善的情況，以及改善轉(zhuǎn)換效率所需的相位差校正量根據(jù)光學(xué)軸方位角θ而不同的情況。此 外，從該圖可知，在1的相位差校正量中存在最大值、最初值，在通過它們劃定的范圍 中能夠改善轉(zhuǎn)換效率。另一方面，在θ =25°時不存在&>1的范圍，不需要調(diào)整設(shè)計(jì)相 位差 Γ = 180°。本申請發(fā)明人根據(jù)這些模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過對相位差校正量加上以往的雙折射性 造成的相位變化量即180°來設(shè)為設(shè)計(jì)相位差，能夠校正旋光性引起的偏振狀態(tài)的變化，將 1/2波長板的轉(zhuǎn)換效率改善為1或極其接近1的值，相位差校正量將石英板的切割角度β 和光學(xué)軸方位角θ設(shè)為變量。因此，本申請發(fā)明進(jìn)一步將石英板的切割角度β設(shè)為參數(shù) 來進(jìn)行各種模擬和實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證了對應(yīng)于切割角度β的最佳設(shè)計(jì)相位差和光學(xué)軸方位 角的關(guān)系。圖3示出了針對相位差Γ = 180°，轉(zhuǎn)換效率提高比&大于1的相位差校正量 Γ a的最小值Γ ^iin以及最大值Γ ^iax與光學(xué)軸方位角θ的關(guān)系。在該圖中，當(dāng)相位差校 正量Γ a處于表示Γ amin的曲線和表示Γ amax的曲線之間時，即處于Γ amin < Γ a < Γ a_ 的范圍內(nèi)時，轉(zhuǎn)換效率提高。圖4示出了在切割角度β =5°、10°、20°、30°的情況下，光學(xué)軸方位角θ和 相位差校正量最小值I^min的關(guān)系。從該圖可知，校正量最小值決于切割角度β 和光學(xué)軸方位角θ，通過這些值被確定。圖5示出了在切割角度β =5°、10°、20°、30°的情況下，光學(xué)軸方位角θ和 相位差校正量最大值1^_的關(guān)系。從該圖可知，校正量最大值Γ^iax同樣取決于切割角度 β和光學(xué)軸方位角θ，通過這些值被確定。因此，根據(jù)這些關(guān)系，假定針對相位差Γ =180°，轉(zhuǎn)換效率提高比&大于1的相 位差校正量Γa和切割角度β及光學(xué)軸方位角θ的關(guān)系能夠用以下的關(guān)系式表示，通過 回歸計(jì)算算出各項(xiàng)常數(shù)AO Α15。Γ a = Ao+Ai θ +A2 β +A3 θ β +A4 θ 2+Α5 β 2+Α6 θ 2 β +A7 θ β 2+Α8 θ 2 β 2+Α9 θ 3+Α10 β '+A1 ! θ β 3+Α12 θ 2 β 3+Α13 θ 3 β +A14 θ 3 β 2+Α15 θ 3 β 3其結(jié)果，相關(guān)系數(shù)大于等于0.99，能夠得到與實(shí)測值良好的相關(guān)性。本發(fā)明正是為 了達(dá)到上述目的，根據(jù)相關(guān)知識而完成的。本發(fā)明是一種1/2波長板，該1/2波長板由例如石英的具有雙折射性和旋光性的 無機(jī)材料構(gòu)成的單一晶體板形成，使從該晶體板的入射面入射的線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)而 從晶體板的出射面出射，其特征在于，在將1/2波長板的相位差設(shè)為Γ，將相位差的校正量設(shè)為Γ a，將在入射面上投 影晶體板的光學(xué)軸而成的光學(xué)軸投影線與入射到入射面的線偏振光的偏振面所成的光學(xué) 軸方位角設(shè)為θ，將相對于晶體板入射面的法線與晶體板的光學(xué)軸所成的角度β設(shè)定在 5°彡β彡30°的范圍內(nèi)時，滿足下式Γ = 180° +Γ a
A11 θ β B11 θ β
f aIiiin < Γ a < Γ amax
Γ amin = Ao+Ai θ +A2 β +A3 θ β +A4 θ 2+Α5 β 2+Α6 θ 2 β +A7 θ β 2+Α8 θ 2 β 2+Α9 θ 3+Α10 β 3+
3+Α12 θ 2 β 3+Α13 θ 3 β +A14 θ 3 β 2+Α15 θ 3 β 3
其中，
10
=-58. 9286 =12.35938 =12. 8869 =-2. 75654 =-0· 571 =-0· 7629 =0.134076 =0.164482 =-0· 00816 =0.004949 =0.013294
A11 = -0· 00288 A12 = 0. 000144 A13 = -0· 0014 A14 = 0. 0000907 A15 = -0· 0000016
γ bmax = BJB1 θ +B2 β +B3 θ β +B4 θ 2+Β5 β 2+Β6 θ 2 β +B7 θ β 2+Β8 θ 2 β 2+Β9 θ 3+Β10 β 3+
3 Q 3
5+Β12 θ」β j+B13 θ j β +B14 θ J β」+Β15 θ j β 其中，
B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B1
=128.7937 =-20. 7435 =15. 2463 =3. 134559 =0.679509 =-0· 90929 =-0· 16465 =-0· 24201 =0.012904 =-0· 00617 ,=0.011497
B11 = 0. 005092 B12 = -0· 00026 B13 = 0. 001931 B14 = -0· 00016 B15 = 0. 00000323。
由此確定相位差校正量的最大值和最小值，并在該范圍內(nèi)確定相位差校正量，由 此能夠使用在制造上能夠加工且比較容易處理的厚度的晶體板，將該切割角度β及光學(xué) 軸方位角θ中的轉(zhuǎn)換效率提高為1或接近1的值。由此，能夠簡單設(shè)計(jì)即使針對某種程度 的入射光的波長變動，也穩(wěn)定且光利用效率非常高的1/2波長板。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種1/2波長板，該1/2波長板由例如石英的具有雙 折射性和旋光性的無機(jī)材料構(gòu)成的單一晶體板形成，使從該晶體板的入射面入射的線偏振 光的偏振面旋轉(zhuǎn)而從晶體板的出射面出射，其中，在將1/2波長板的相位差設(shè)為Γ，將相位差的校正量設(shè)為Γ a，將在入射面上投 影晶體板的光學(xué)軸而成的光學(xué)軸投影線與入射到入射面的線偏振光的偏振面所成的光學(xué) 軸方位角設(shè)為θ，將相對于晶體板入射面的法線與晶體板的光學(xué)軸所成的角度β設(shè)定在 5°彡β彡30°的范圍內(nèi)時，滿足下式Γ = 180° +Γ aΓ a = Ao+Ai θ +A2 β+A3 θ β +A4 θ 2+Α5 β 2+Α6 θ 2 β +A7 θ β 2+Α8 θ 2 β 2+Α9 θ 3+Α10 β '+A1 ! θ β 3+Α12 θ 2 β 3+Α13 θ 3 β +A14 θ 3 β 2+Α15 θ 3 β 3其中，A0 = -63. 635A1 = 6. 966A2 = 47. 038A3 = -0· 325A4 = -3. 038A5 = -3. 559A6 = 0.113A7 = 0. 213A8 = -0· 006A9 = -0· 004A10 = 0. 000A11 = -0· 001A12 = 0. 000A13 = 0. 000A14 = 0. 003A15 = 0.053。由此確定相位差校正量的最佳值，從而能夠使用在制造上能夠加工且比較容易處 理的厚度的晶體板，在晶體板的切割角度β及光學(xué)軸方位角θ上實(shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)換效率。由 此，能夠簡單設(shè)計(jì)光利用效率最高的1/2波長板。在某個實(shí)施例中，通過具有形成在1/2波長板的入射面及出射面的至少任意一方 上的衍射光柵圖案，能夠用1個光學(xué)元件發(fā)揮1/2波長板和衍射光柵的2個功能，能夠?qū)崿F(xiàn) 部件個數(shù)的削減、小型化和成本降低。并且，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種光拾取裝置，其中，該光拾取裝置具有 光源；物鏡，其將從該光源出射的光會聚到記錄介質(zhì)上；檢測器，其檢測由記錄介質(zhì)反射的光；以及上述本發(fā)明的1/2波長板，其配置在光源和物鏡之間的光路中。如上所述，通過使 用提高了轉(zhuǎn)換效率的1/2波長板，能夠?qū)崿F(xiàn)在使用時難以受到振蕩激光的溫度漂移等引起 的波長變動的影響，與以往相比能夠在更寬頻帶的波長范圍內(nèi)穩(wěn)定發(fā)揮良好性能的光拾取
直ο另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種偏振轉(zhuǎn)換元件，其中，該偏振轉(zhuǎn)換元件具 有平板狀的透光性基材，其將第1主面作為光入射面且將第2主面作為光出射面；第1光 學(xué)薄膜和第2光學(xué)薄膜，它們設(shè)置在該基材中；以及波長板，第1光學(xué)薄膜和第2光學(xué)薄膜 相對于第1主面和第2主面傾斜地配置，且彼此隔開間隔平行地交替配置，第1光學(xué)薄膜將 從第1主面?zhèn)热肷涞墓夥蛛x成相互正交的第1線偏振光和第2線偏振光，使第1線偏振光 透過并反射第2線偏振光，第2光學(xué)薄膜對由第1光學(xué)薄膜反射后的第2線偏振光進(jìn)行反 射，使其從第2主面出射，波長板是上述本發(fā)明的1/2波長板，其被配置在使由第1光學(xué)薄 膜分離的第1線偏振光或第2線偏振光透過的位置上。在該偏振轉(zhuǎn)換元件中，在某個實(shí)施例中，1/2波長板配置在使透過第1光學(xué)薄膜的 第1線偏振光出射的第2主面部分、或使由第2光學(xué)薄膜反射的第2線偏振光出射的第2 主面部分上。在另一個實(shí)施例中，1/2波長板設(shè)置在透光性基材中，并層疊配置在第1光學(xué) 薄膜的第1線偏振光的出射面上。在任意一種情況下，都同樣如上所述通過使用提高了轉(zhuǎn) 換效率的1/2波長板，從而與以往相比能夠在更寬頻帶中實(shí)現(xiàn)光利用效率非常高的偏振轉(zhuǎn) 換元件。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種投影型顯示裝置，其中，該投影型顯示裝 置具有光源；上述本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換元件，其將來自該光源的光轉(zhuǎn)換為第2線偏振光然后 出射；調(diào)制單元，其根據(jù)要投射的圖像信息，調(diào)制來自該偏振轉(zhuǎn)換元件的出射光，該調(diào)制單 元例如是液晶面板；以及投影光學(xué)系統(tǒng)，其投影由該調(diào)制單元調(diào)制后的光。同樣，如上所述 通過使用與以往相比提高了轉(zhuǎn)換效率的1/2波長板，能夠利用相同輸出的光源獲得更明亮 的影像，或者即使光源低輸出化也能夠獲得同樣明亮的影像，因此能夠降低功耗。
圖1是示出在切割角度為5°的石英1/2波長板中，按照每個不同的光學(xué)軸方位角 θ與相位差相關(guān)的轉(zhuǎn)換效率T的變化的線圖。圖2是示出在切割角度為5°的石英1/2波長板中，按照每個不同的光學(xué)軸方位角 θ與相位差校正量相關(guān)的轉(zhuǎn)換效率提高比&的變化的線圖。圖3是示出& > 1的相位差校正量的最小值Γ afflin以及最大值Γ afflax與光學(xué)軸方 位角θ的關(guān)系的線圖。圖4是示出光學(xué)軸方位角θ與相位差校正量最小值關(guān)系的線圖。圖5是示出光學(xué)軸方位角θ與相位差校正量最大值ra_的關(guān)系的線圖。圖6(A)是從光的出射方向觀察到本發(fā)明的1/2波長板的實(shí)施例的立體圖，圖6(B) 是其側(cè)視圖，圖6(C)是石英板的切割角度的說明圖。圖7(A)是示出本發(fā)明的1/2波長板的另一實(shí)施例的立體圖，圖7(B)是其部分放 大剖視圖。圖8是示出使用了本發(fā)明的1/2波長板的光拾取裝置的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖9是示出使用了本發(fā)明的1/2波長板的偏振轉(zhuǎn)換元件的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的概略 圖。圖10是示出使用了本發(fā)明的1/2波長板的投影型顯示裝置的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的概 略圖。圖11是示出以往的石英1/2波長板的偏振狀態(tài)的龐加萊球。圖12是表示以往的石英1/2波長板的與切割角度相關(guān)的變化效率T的線圖。標(biāo)號說明Ull :1/2波長板；la 入射面；Ib 出射面；2 晶體光學(xué)軸；3 偏振面的朝向；12 衍射光柵圖案；13 蒸鍍膜；20 光拾取裝置；21、41 光源；22 衍射光柵；23 偏振光分束 器；24 準(zhǔn)直透鏡；25 光盤；26 鏡；27,44 :1/4波長板；28 物鏡；29 光檢測器；30 監(jiān)視 器用光檢測器；40、67 偏振轉(zhuǎn)換元件；41 棱鏡陣列；41a 第1主面；41b 第2主面；42 偏振光分離膜；43 反射膜；50 投影型顯示裝置；51 照明光學(xué)系統(tǒng)；52 ；53 分色鏡力4 56 反射鏡；57 61 λ /2相位差板；62 64 液晶光閥；65 交叉分光棱鏡；66 投影透鏡 系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。圖6(A)、圖6(B)概略示出本發(fā)明的1/2波長板的實(shí)施例。本實(shí)施例的1/2波 長板1由厚度恒定的單一石英波長板形成。該石英波長板如圖6(C)所示，從由豎立在其 入射面Ia(或出射面lb)上的法線和石英的晶體光學(xué)軸(Z軸)劃定的切割角度β處于 5° 的范圍內(nèi)的石英板切出。特別地，通過將切割角度設(shè)定在該范圍內(nèi)，作為單 板的1/2波長板，能夠加工在制造上加工和處理沒有困難的具有充分強(qiáng)度的厚度的石英波 長板。將標(biāo)準(zhǔn)相位差設(shè)為180°，將相對于標(biāo)準(zhǔn)相位差的相位差校正量設(shè)為ra，用Γ = 180° +ra表示1/2波長板1的相位差Γ。將校正量最小值設(shè)為Γ Bmin，將校正量最大值 設(shè)為famax，則相位差校正量Γ a使用將1/2波長板1的切割角度β和光學(xué)軸方位角θ設(shè) 為變量的以下關(guān)系式確定，Γ afflin < ra< Γ afflaxΓ amin = Ao+Ai θ +A2 β+A3 θ β +A4 θ 2+Α5 β 2+Α6 θ 2 β +A7 θ β 2+Α8 θ 2 β 2+Α9 θ 3+Α10 β 3+ A11 θ β 3+Α12 θ 2 β 3+Α13 θ 3 β +A14 θ 3 β 2+Α15 θ 3 β 3其中，A0 = -58. 9286A1 = 12. 35938A2 = 12. 8869A3 = -2. 75654A4 = -0. 571A5 = -0. 7629A6 = 0. 134076A7 = 0. 164482B11 θ β 3+Β1 θ 2 β 3+βη θ 3 β +B14 θ 3 β 2+Β,, θ 3 β 3
0125]
0126]
0127]
0128]
0129]
0130]
0131]
0132]
0133]
A8 = -0· 00816 A9 = 0. 004949 A10 = 0. 013294 A11 = -0· 00288 A12 = 0. 000144 A13 = -0· 0014 A14 = 0. 0000907 A15 = -0· 0000016
Γ Bmax = BJB1 θ +B2 β +B3 θ β +B4 θ」+Β5 β '+B6 θ」β +B7 θ β」+Β8 θ Δ β」+Β9 θ 斗B10 β
11
0134]
0135]
0136]
0137]
0138]
0139]
0140]
0141]
0142]
0143]
0144]
0145]
0146]
0147]
0148]
0149]
0150]
0151]
J12 υUu υ H U14 υ H U15
其中，
B0 = 128. 7937 B1 = -20. 7435 B2 = 15. 2463 B3 = 3. 134559 B4 = 0. 679509 B5 = -0. 90929 B6 = -0. 16465 B7 = -0. 24201 B8 = 0. 012904 B9 = -0· 00617 B10 = 0. 011497 B11 = 0. 005092 B12 = -0· 00026 B13 = 0. 001931 B14 = -0· 00016 B15 = 0. 00000323。
如圖6(A)所示，在從1/2波長板1的入射面Ia入射的線偏振光中，作用有石英的 雙折射性引起的相位差和旋光性引起的偏振面旋轉(zhuǎn)。但是，對于1/2波長板1的設(shè)計(jì)相位 差Γ，在用其切割角度β和光學(xué)軸方位角θ兩個變量確定的相位差校正量的最大值和最 小值之間，適當(dāng)選擇相位差校正量Γ a，因此能夠校正旋光性引起的偏振狀態(tài)的變化。其結(jié) 果，將轉(zhuǎn)換效率提高為1或接近1的值，即使入射光的線偏振光的波長在某種程度上變動， 也實(shí)質(zhì)上作為線偏振光從出射面Ib出射。由此，當(dāng)在藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的光盤記錄再現(xiàn)用的光拾取裝置或投影型顯示裝置中使用本 實(shí)施例的1/2波長板時，不僅能夠得到優(yōu)異的耐光性、長期可靠性，而且穩(wěn)定且光利用效率 非常高，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光拾取裝置或光學(xué)引擎。此外，由此能夠?qū)崿F(xiàn)功耗降低，因此
非常有利。此外，在本實(shí)施例中，在將標(biāo)準(zhǔn)相位差設(shè)為180°，將相對于標(biāo)準(zhǔn)相位差的相位差 校正量設(shè)為ra，用Γ = 180° +r a表示1/2波長板1的相位差Γ時，能夠使用將1/2波
12長板1的切割角度β和光學(xué)軸方位角θ設(shè)為變量的以下關(guān)系式，確定相位差校正量的最佳值。Γ a = Ao+Ai θ +A2 β +A3 θ β +A4 θ 2+Α5 β 2+Α6 θ 2 β +A7 θ β 2+Α8 θ 2 β 2+Α9 θ 3+Α10 β '+A1 ! θ β 3+Α12 θ 2 β 3+Α13 θ 3 β +A14 θ 3 β 2+Α15 θ 3 β 3其中，A0 = -63. 635A1 = 6. 966A2 = 47. 038A3 = -O. 325A4 = -3. 038A5 = -3. 559a6 = 0.113A7 = 0. 213A8 = -0. 006A9 = -0. 004A10 = 0. 000A11 = -0. 001A12 = 0. 000A13 = 0. 000A14 = 0. 003A15 = 0.053由此確定相位差校正量的最佳值，從而能夠在使用的石英晶體板的切割角度β 及光學(xué)軸方位角θ上實(shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)換效率。由此，入射光的線偏振光作為大致線偏振光從 出射面Ib出射。其結(jié)果，能夠得到光利用效率最高的1/2波長板，因此能夠?qū)崿F(xiàn)非常高效 的光拾取裝置或光學(xué)引擎。圖7(A)、圖7(B)示出本發(fā)明的1/2波長板的另一實(shí)施例。本實(shí)施例的1/2波長板 11具有形成在圖6所示的1/2波長板1的出射面上的衍射光柵圖案12。衍射光柵圖案12 通過在石英板的表面上將例如S^2等蒸鍍膜圖案形成為格子狀來形成。在另一實(shí)施例中， 還能夠通過蝕刻等在所述石英板的表面上加工格子狀的槽來形成。該1/2波長板11當(dāng)使激光從例如圖中下側(cè)朝上通過時，使入射的線偏振光的偏振 面旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度而作為線偏振光出射，此時，通過衍射光柵圖案12分為3個激光、即1個主 光束LO和2個副光束L+l、L-I。由此，在本實(shí)施例中，用1個光學(xué)元件發(fā)揮1/2波長板和 衍射光柵的2個功能。由此，在光學(xué)頭等光學(xué)裝置中使用該1/2波長板11時，能夠?qū)崿F(xiàn)部 件個數(shù)的削減、小型化和成本降低。圖8示出使用了本發(fā)明的1/2波長板的光拾取裝置的實(shí)施例。該光拾取裝置20 例如用于Blu-ray Disc (注冊商標(biāo))等的光盤裝置的記錄再現(xiàn)，具有由激光二極管構(gòu)成的 光源21，該激光二極管放射例如作為波長405nm的藍(lán)紫色光的激光。光拾取裝置20具有 衍射光柵22，其衍射來自光源21的激光；偏振光分束器23，其將透過該衍射光柵的激光分 離成P偏振光分量和S偏振光分量進(jìn)行透射或反射；準(zhǔn)直透鏡M，其將被該偏振光分束器反射的激光變?yōu)槠叫泄?；鏡沈，其將透過該準(zhǔn)直透鏡的激光向光盤25反射；1/4波長板27， 其將由該鏡反射的線偏振光的激光轉(zhuǎn)換為圓偏振光；物鏡觀，其會聚已透過該1/4波長板 的激光；以及光檢測器四，其檢測從光盤25反射的激光。此外，光拾取裝置20還具有監(jiān)視 器用光檢測器30，該監(jiān)視器用光檢測器30檢測從光源21出射并透過偏振光分束器23的激 光。衍射光柵22與圖7關(guān)聯(lián)由上述本發(fā)明的1/2波長板11構(gòu)成。由此，即使在使用 光拾取裝置20時激光的波長根據(jù)振蕩激光的溫度漂移而變動，也能夠不使1/2波長板的轉(zhuǎn) 換效率劣化或?qū)⒃摿踊种频阶钚∠薅龋瑥亩冀K確保充分的光量。其結(jié)果，與使用的激光 的短波長化和高輸出化對應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與以往相比能夠在更寬頻帶的波長范圍內(nèi)穩(wěn)定發(fā)揮 良好性能的光拾取裝置。光拾取裝置20如下進(jìn)行動作。從光源21出射的線偏振光的激光，為了利用3光 束法來進(jìn)行跟蹤控制而在通過衍射格柵22分離成3個光束后，利用偏振光分束器23來反 射S偏振光分量，并利用準(zhǔn)直透鏡M成為平行光。平行光的激光經(jīng)由鏡沈來全反射，并通 過1/4波長板27從線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，然后利用物鏡觀會聚后，照射到形成在光盤 25上的信號記錄層的坑上。該坑反射的激光透過所述物鏡，利用1/4波長板27從圓偏振光 轉(zhuǎn)換為線偏振光，并利用鏡26進(jìn)行全反射，然后透過準(zhǔn)直透鏡M以及偏振光分束器23，入 射到光檢測器四進(jìn)行檢測。由此，進(jìn)行記錄在所述光盤上的信號的讀取動作。另外，從光 源21出射的激光的P偏振光分量透過偏振光分束器23入射到監(jiān)視器用光檢測器30進(jìn)行 檢測。通過該檢測輸出，控制從所述激光二極管出射的激光的輸出。本發(fā)明的1/2波長板因?yàn)楣獾睦眯史浅８?，所以適用于如液晶投影儀那樣具 有液晶面板的投影型顯示裝置等。特別是在采用調(diào)制特定偏振方向的光束(S偏振光或P偏 振光)的類型的液晶面板的投影型顯示裝置中，一般是如下設(shè)定光學(xué)系統(tǒng)使線偏振光與P 偏振光或S偏振光的任意一方統(tǒng)一入射到液晶面板。因此，投影型顯示裝置安裝有偏振轉(zhuǎn) 換元件(PS轉(zhuǎn)換元件)，該偏振轉(zhuǎn)換元件的作用如下將來自光源的隨機(jī)偏振光轉(zhuǎn)換為P偏 振光或S偏振光的光束，以提高光的利用效率。圖9㈧ (C)分別示出適用于液晶投影儀等投影型顯示裝置的、三個不同結(jié)構(gòu)的 偏振轉(zhuǎn)換元件40、40'、40"，它們都能夠使用本發(fā)明的1/2波長板。由此，各偏振轉(zhuǎn)換元件 40,40'、40"與以往相比能夠在更寬頻帶內(nèi)將轉(zhuǎn)換效率的劣化抑制到最小限度，因此能夠 更高效地利用光能。圖9 (A)的偏振轉(zhuǎn)換元件40具有棱鏡陣列41，該棱鏡陣列41由第1主面41a為光 入射面且第2主面41b為光出射面的平板狀的透光性基材構(gòu)成。在所述透光性基材中，將 相對于所述第1主面和第2主面傾斜的偏振光分離膜42和反射膜43彼此隔開預(yù)定間隔平 行地交替配置。偏振光分離膜42將從第1主面41a入射到棱鏡陣列41的隨機(jī)光分離成S偏振光 分量和P偏振光分量，使P偏振光分量透過且反射S偏振光分量。已透過偏振光分離膜42 的P偏振光分量直接經(jīng)由第2主面41b從棱鏡陣列41出射。被所述偏振光分離膜反射的 S偏振光分量借助反射膜43反射，并經(jīng)由第2主面41b從棱鏡陣列41出射。在第2主面 41b中出射被所述反射膜反射的S偏振光分量的部分配置有1/2波長板44。1/2波長板44 將入射的S偏振光的線偏振光轉(zhuǎn)換為P偏振光后輸出。由此，偏振轉(zhuǎn)換元件40將入射光與P偏振光一齊出射，并且該偏振轉(zhuǎn)換元件40適合搭載在P偏振光光學(xué)系統(tǒng)的投影型顯示裝 置上。圖9(B)示出適合搭載在S偏振光光學(xué)系統(tǒng)的投影型顯示裝置上的偏振轉(zhuǎn)換元件 40'的結(jié)構(gòu)。在該偏振轉(zhuǎn)換元件40'中，將1/2波長板44配置在出射已透過偏振光分離 膜42的P偏振光分量的第2主面41b的部分上。由此，已透過偏振光分離膜42的P偏振 光的線偏振光轉(zhuǎn)換為S偏振光后出射。另一方面，被所述偏振光分離膜反射的S偏振光分 量通過反射膜43進(jìn)行反射，然后從棱鏡陣列41直接出射該S偏振光。由此，入射到偏振轉(zhuǎn) 換元件40'的光與S偏振光一齊出射。圖9(C)示出在棱鏡陣列41的所述透光性基材中配置有1/2波長板44的結(jié)構(gòu)的 偏振轉(zhuǎn)換元件40"。1/2波長板44與偏振光分離膜42的出射面層疊，并與反射膜43彼此 隔開預(yù)定間隔平行地交替配置。偏振光分離膜42將從第1主面41a入射的隨機(jī)光分離成S偏振光分量和P偏振 光分量，并使P偏振光分量透過且反射S偏振光分量。被偏振光分離膜42反射的S偏振光 分量利用反射膜43進(jìn)行反射，并經(jīng)由第2主面41b從棱鏡陣列41出射。已透過所述偏振 光分離膜的P偏振光分量直接入射到1/2波長板44轉(zhuǎn)換為S偏振光，并經(jīng)由所述第2主面 從棱鏡陣列41出射。由此，入射到偏振轉(zhuǎn)換元件40"的光與S偏振光一齊出射。圖10概略示出使用了本發(fā)明的1/2波長板的投影型顯示裝置的實(shí)施例。該投影 型顯示裝置50具有照明光學(xué)系統(tǒng)51，分色鏡52、53，反射鏡M 56，λ /2相位差板57 61，液晶光閥62 64，交叉分光棱鏡65以及投影透鏡系統(tǒng)66。照明光學(xué)系統(tǒng)50為了照明 液晶光閥62 64而具有光源、偏振轉(zhuǎn)換元件67、聚光透鏡等。偏振轉(zhuǎn)換元件67能夠使用 圖9的偏振轉(zhuǎn)換元件，將來自所述光源的隨機(jī)光轉(zhuǎn)換為S偏振光后出射。從照明光學(xué)系統(tǒng)51出射的S偏振光的白色光中，紅色光分量透過分色鏡52，反射 藍(lán)色光分量和綠色光分量。透過分色鏡52的紅色光利用反射鏡M進(jìn)行反射，通過λ/2相 位差板57轉(zhuǎn)換為P偏振光，并入射到紅色光用的液晶光閥62。利用分色鏡52反射的綠色 光進(jìn)一步經(jīng)由分色鏡53進(jìn)行反射，并通過λ /2相位差板58轉(zhuǎn)換為P偏振光，入射到綠色 光用的液晶光閥63。利用分色鏡52反射的藍(lán)色光透過分色鏡53反射到反射鏡55、56，通 過λ /2相位差板59轉(zhuǎn)換為P偏振光，并入射到藍(lán)色光用的液晶光閥64。液晶光閥62 64分別是根據(jù)給出的圖像信息(圖像信號)來調(diào)制各色的色光而 形成圖像的光調(diào)制單元。交叉分光棱鏡65是色合成單元，其合成從液晶光閥62、64出射的 S偏振光的紅色光以及藍(lán)色光和從液晶光閥63出射后轉(zhuǎn)換為P偏振光的綠色光的色光，形 成彩色圖像。該合成光通過λ/2相位差板61出射到投影透鏡系統(tǒng)66。投影透鏡系統(tǒng)66 是將該合成光投影到投影屏幕上顯示彩色圖像的投影光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)確定λ/2相位差板61的光學(xué)軸的方向，以使S偏振光(紅色光以及藍(lán)色光) 和P偏振光(綠色光)的偏振方向分別變更約45°時，3色光的S偏振光分量和P偏振光 分量均為約1/2，所以能夠?qū)⒉噬跋袂宄赝队暗狡窆馄聊簧稀Ａ硗?，可取代?2相位 差板61，使用λ/4相位差板。在此情況下，將紅、綠、藍(lán)這3色光分別轉(zhuǎn)換為橢圓偏振光，優(yōu) 選轉(zhuǎn)換為圓偏振光，由此即使在投影屏幕使用了偏振光屏幕的情況下，也能夠清楚地投影 彩色影像。λ /2相位差板57 61可使用本發(fā)明的1/2波長板。由此，投影型顯示裝置50在各λ/2相位差板中與以往相比提高了利用效率，能夠進(jìn)一步提高光的利用效率。其結(jié)果， 能夠利用相同輸出的光源獲得更亮的彩色影像，或者即使光源為低輸出光源也能夠獲得同 樣明亮的彩色影像，因此能夠降低功耗。 本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，可在其技術(shù)范圍內(nèi)增加各種變形或變更來進(jìn)行實(shí)施。 例如，本發(fā)明的波長板能夠由石英板以外的光學(xué)單軸性晶體材料來形成。另外，與上述實(shí)施 例不同結(jié)構(gòu)的光拾取裝置、偏振轉(zhuǎn)換元件、投影型顯示裝置或其它光學(xué)裝置，都同樣能夠適 用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1. 一種1/2波長板，所述1/2波長板由具有雙折射性和旋光性的無機(jī)材料構(gòu)成的單一 晶體板形成，使從所述晶體板的入射面入射的線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)而從所述晶體板的出 射面出射，其特征在于，在將所述1/2波長板的相位差設(shè)為Γ，將相位差的校正量設(shè)為Γ a，將在所述入射面上 投影所述晶體板的所述光學(xué)軸而成的光學(xué)軸投影線與入射到所述入射面的所述線偏振光 的偏振面所成的光學(xué)軸方位角設(shè)為θ，將相對于所述晶體板的所述入射面的法線與所述晶 體板的光學(xué)軸所成的角度β設(shè)定在5° < β <30°的范圍內(nèi)時，滿足下式 Γ = 180° +raF aIiiin < Γ a < Γ amaxΓ amin = Ao+Ai θ +A2 β +A3 θ β +A4 θ 2+Α5 β 2+Α6 θ 2 β +A7 θ β 2+Α8 θ 2 β 2+Α9 θ 3+Α10 β '+A1! θ β 3+Α12 θ 2 β 3+Α13 θ 3 β +A14 θ 3 β 2+Α15 θ 3 β 3 其中，A0 = -58. 9286 A1 = 12. 35938 A2 = 12. 8869 A3 = -2. 75654 A4 = -0· 571 A5 = -0. 7629 A6 = 0. 134076 A7 = 0. 164482 A8 = -0· 00816 A9 = 0. 004949 A10 = 0. 013294 A11 = -0· 00288 A12 = 0. 000144 A13 = -0· 0014 Ali = 0. 0000907 A15 = -0· 0000016Γ Bmax = BJB1 θ +B2 β +B3 θ β +B4 θ 2+Β5 β 2+Β6 θ 2 β +B7 θ β 2+Β8 θ 2 β 2+Β9 θ 3+Β10 β 3+Βη θ β 3+Β12 θ 2 β 3+Β13 θ 3 β +B14 θ 3 β 2+Β15 θ 3 β 3 其中，B0=128.7937B1=-20. 7435B2=15. 2463B3=3. 134559B4=0.679509B5=-0· 90929B6=-0· 16465B7=-0· 24201B8 = 0. 012904 B9 = -0. 00617 B10 = 0. 011497 B11 = 0. 005092 B12 = -0. 00026 B13 = 0. 001931 B14 = -0. 00016 B15 = 0. 00000323。
2.—種1/2波長板，所述1/2波長板由具有雙折射性和旋光性的無機(jī)材料構(gòu)成的單一 晶體板形成，使從所述晶體板的入射面入射的線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)而從所述晶體板的出 射面出射，其特征在于，在將所述1/2波長板的相位差設(shè)為Γ，將相位差的校正量設(shè)為Γ a，將在所述入射面上 投影所述晶體板的所述光學(xué)軸而成的光學(xué)軸投影線與入射到所述入射面的所述線偏振光 的偏振面所成的光學(xué)軸方位角設(shè)為θ，將相對于所述晶體板的所述入射面的法線與所述晶 體板的光學(xué)軸所成的角度β設(shè)定在5° < β <30°的范圍內(nèi)時，滿足下式 Γ = 180° +raΓ a = Ao+Ai θ +A2 β +A3 θ β +A4 θ 2+Α5 β 2+Α6 θ 2 β +A7 θ β 2+Α8 θ 2 β 2+Α9 θ 3+Α10 β 3+Αη θ β 3+Α12 θ 2 β 3+Α13 θ 3 β +A14 θ 3 β 2+Α15 θ 3 β 3 其中，A0 = -63. 635 A1 = 6. 966 A2 = 47. 038 A3 = -0· 325 A4 = -3. 038 A5 = -3. 559 A6 = 0. 113 A7 = 0. 213 A8 = -0· 006 A9 = -0· 004 A10 = 0. 000 A11 = -0· 001 A12 = 0. 000 A13 = 0. 000 A14 = 0. 003 A15 = 0. 053。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的1/2波長板，其特征在于，所述1/2波長板具有形成在所 述入射面和所述出射面的至少任意一方上的衍射光柵圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任意一項(xiàng)所述的1/2波長板，其特征在于，所述晶體板由石 英構(gòu)成。
5.一種光拾取裝置，其特征在于，所述光拾取裝置具有光源；物鏡，其將從所述光源 出射的光會聚到記錄介質(zhì)上；檢測器，其檢測由所述記錄介質(zhì)反射的光；以及權(quán)利要求1 4中的任意一項(xiàng)所述的1/2波長板，其配置在所述光源與所述物鏡之間的光路中。
6.一種偏振轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，所述偏振轉(zhuǎn)換元件具有平板狀的透光性基材，其將第1主面作為光入射面且將第2主 面作為光出射面；第1光學(xué)薄膜和第2光學(xué)薄膜，它們設(shè)置在所述基材中；以及波長板，所述第1光學(xué)薄膜和第2光學(xué)薄膜相對于所述第1主面和第2主面傾斜且彼此隔開間 隔平行地交替配置，所述第1光學(xué)薄膜將從所述第1主面?zhèn)热肷涞墓夥蛛x成相互正交的第1線偏振光和第 2線偏振光，使所述第1線偏振光透過并反射第2線偏振光，所述第2光學(xué)薄膜對由所述第1光學(xué)薄膜反射后的第2線偏振光進(jìn)行反射，使其從所 述第2主面出射，所述波長板是權(quán)利要求1 4中的任意一項(xiàng)所述的1/2波長板，其配置在使由所述第 1光學(xué)薄膜分離后的所述第1線偏振光或第2線偏振光透過的位置上。
7.一種投影型顯示裝置，其特征在于，所述投影型顯示裝置具有光源；權(quán)利要求6所 述的偏振轉(zhuǎn)換元件，其將來自所述光源的光轉(zhuǎn)換為所述第2線偏振光后出射；調(diào)制單元，其 根據(jù)要投影的圖像信息，調(diào)制來自所述偏振轉(zhuǎn)換元件的出射光；以及投影光學(xué)系統(tǒng)，其投影 由所述調(diào)制單元調(diào)制后的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的投影型顯示裝置，其特征在于，所述調(diào)制單元是液晶面板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種1/2波長板、光拾取裝置、偏振轉(zhuǎn)換元件以及投影型顯示裝置，能夠提高由單一晶體板形成的1/2波長板的轉(zhuǎn)換效率，單一晶體板由具有雙折射性和旋光性的無機(jī)材料構(gòu)成。在由使從入射面入射的線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)而從出射面出射的石英板構(gòu)成的1/2波長板中，在將其相位差設(shè)為Г＝180°+校正量Гa，將相對于入射面的法線與光學(xué)軸所成的石英板的切割角度β設(shè)定為5°≤β≤30°時，依照預(yù)定的多項(xiàng)式確定校正量Гa，該多項(xiàng)式將在入射面上投影光學(xué)軸而成的光學(xué)軸投影線與入射到該入射面的線偏振光的偏振面所成的光學(xué)軸方位角θ、切割角度β作為變量。
文檔編號G03B21/00GK102073087SQ20101053548
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者大戶正之 申請人:精工愛普生株式會社