专利名称：1/2波长板、光拾取装置、偏振转换元件及投影型显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及由石英这样具有双折射性和旋光性的无机晶体材料构成的1/2波长 板。此外，本发明还涉及使用了该1/2波长板的光拾取装置、偏振转换元件以及投影型显示装置。
背景技术：
以往，在用于光盘装置记录再现的光拾取装置、偏振转换元件、液晶投影仪等投影 型显示装置那样的光学装置中使用了 1/2波长板，该1/2波长板使入射光的线偏振光的偏 振面旋转了预定角度例如90°后作为线偏振光的出射光出射。一般，作为波长板的材质，使 用了通过延伸处理而具有双折射性的聚碳酸酯等有机类材料构成的树脂薄膜、用透明基板 夹持高分子液晶层的相位差板、石英等具有双折射性的无机晶体材料的晶体板(例如参照 专利文献1至4)。特别地，在用于光盘装置记录再现的光拾取装置中，为了实现记录的高密度化、大 容量化，采用了波长非常短且高输出的蓝紫色激光器。但是，上述有机类材料的树脂薄膜和 液晶材料具有容易吸收蓝色到紫外区域的光的物性。因此，可能吸收蓝紫色激光而发热，使 材质自身劣化而有损波长板的功能。此外，在蓝光标准的光盘记录再现装置中，在光拾取装置的激光光源附近配置1/2 波长板，1/2波长板在极高温的环境下长时间暴露。在液晶投影仪中，也紧靠白色光源配置 1/2波长板，1/2波长板同样长时间在高温环境下暴露。因此，在任意一种情况下，都要求 1/2波长板具有较高的耐光性和长期可靠性。在这方面，石英等无机晶体材料的耐光性极 高，尤其是在使用蓝紫色激光器这样的光学系统中，石英波长板是有利的。此外，石英不仅具有双折射性，针对晶体光学轴的方向还具有旋光性。广泛公知 该旋光性会根据石英板的切割角度对波长板的性能造成影响。为了消除该旋光性的影响， 提出了如下的波长板以光轴相互交叉的方式重合层叠由光学材料构成的2个波长板，两 波长板的相位差、光学轴方位角度、旋光率、以及旋转轴与中性轴所成的角满足预定的关系 式，由此，使宽频带中的特性优良(例如参照专利文献5)。专利文献1日本特开2005-208588号公报专利文献2日本特开2006-40343号公报专利文献3日本特公昭52-4948号公报专利文献4日本特公平3-58081号公报专利文献5日本特开2005-158121号公报但是，在石英单板的1/2波长板中，以下的设计方法至少在本申请发明人所了解 范围内，至今为止都没有被报告过除了考虑起因于双折射性的相位差引起的偏振状态的 变化以外，还考虑起因于旋光性的偏振面旋转引起的偏振状态的变化。因此，存在以下问 题在将石英1/2波长板的设计相位差设定为180°时，其转换效率根据石英板的切割角度 不一定成为100%。
使用图11的庞加莱球对石英单板的1/2波长板的偏振状态进行说明。在将线偏 振光的入射光的基准点设为Sl轴上的Ptl= (1,0,0)时，将旋转轴R1设定到以下位置从 Sl轴旋转角度2 θ 1( θ 石英板的光学轴方位角)，进而相对于S1/S2平面向北极(S3)方 向倾斜角度2Ρ (P 石英板的旋光角)。当以旋转轴R1为中心使点Ptl向右旋转相位差Γ =180°时，该AP1成为出射光的位置。在图11中，在光学轴方位角θ1 = 45°时，旋转轴R1处于S2/S3平面上，因此当以 旋转轴R1为中心将点Ptl向右旋转180°时，出射光的位置始终到达庞加莱球的赤道上的点 P1= (_1，0，0)。此时，石英波长板的转换效率为1。但是，在光学轴方位角θ2#45°时， 旋转轴&不到达S2/S3平面上，因此不处于庞加莱球的赤道上的点P2成为出射光的位置。 由此，石英波长板的转换效率降低。石英板的旋光率在石英的光学轴方向上最大。由此，越增大石英板的切割角度、即 石英板的光学轴和相对于石英板主面的法线所成的角度，旋光性的影响越小。图12示出 了在设计相位差为180°的石英1/2波长板中，针对光学轴方位角θ =5°、10°、15°、 20°、25°、35°、40°、45°，与切割角度相关的转换效率T的变化的模拟结果。从该图可 知，在切割角度在30°以下时转换效率显著降低。由此，只要将切割角度设定得比30°大，就能够得到接近1的高转换效率。但是， 在切割角度为30 90°的范围中，石英板的厚度薄到10 ^μπι左右。因此，石英板的强 度显著降低，脆弱且易断裂，因此在制造上和实际使用上的处理非常困难。此外，蓝紫色激光器在使用时产生高热而膨胀时，会产生振荡激光的波长漂移 (变化)这样的问题。因此，在用于光拾取装置的光源的情况下，1/2波长板产生由于入射激 光的波长漂移而导致线偏振光的转换效率劣化这样的问题。尤其是，高阶模态的1/2波长 板的厚度较大，因此随着相位差变大，相位差的变化量也变大，从而转换效率进一步劣化。
发明内容
因此，本发明正是鉴于上述现有问题点而完成的，其目的在于，在由单一晶体板形 成的1/2波长板中，使1/2波长板的转换效率及光的利用效率提高，单一晶体板由具有双折 射性和旋光性的无机材料构成，具有在制造上能够加工的比较容易处理的厚度。本发明的另一个目的在于，通过使用上述转换效率高的1/2波长板，实现难以受 到波长漂移等引起的波长变动的影响，与以往相比能够在更宽频带的波长范围内稳定发挥 良好的性能，且适用于更高记录密度的光盘装置的光拾取装置、能够更高效利用光能的偏 振转换元件，以及与以往相比提高了光的利用效率的反射型液晶显示装置。本申请发明人针对石英1/2波长板验证了相位差和转换效率的关系。图1示出了 在由以切割角度5°切出的单一石英板构成的1/2波长板中，针对光学轴方位角θ =5°、 10°、15°、20°、25°、35°、40°、45°，与相位差相关的转换效率T的变化的模拟结果。 从该图可知，转换效率根据光学轴方位角θ而变化，无论θ如何，都存在能够得到1或接 近1的高转换效率的相位差范围。由此，即使转换效率在设计相位差Γ =180°时下降，通 过对相位差增加适当的校正量来进行调整，也能够使转换效率提高。接着，针对石英1/2波长板验证了相位差和转换效率的关系。图2示出了在由相同 的切割角度为5°的单板石英板构成的1/2波长板中，针对光学轴方位角θ =5°、10°、15°、20°、25°、35°、40°、45°，与相位差的校正量相关的转换效率提高比RT的变化的 模拟结果。此处，转换效率提高比&是设计相位差Γ =180°时的转换效率TO和校正后 的转换效率Tl的比，称作Τ1/Τ0。该图示出了在& > 1的范围内，转换效率相比设计相位差Γ = 180°时得到改 善的情况，以及改善转换效率所需的相位差校正量根据光学轴方位角θ而不同的情况。此 外，从该图可知，在1的相位差校正量中存在最大值、最初值，在通过它们划定的范围 中能够改善转换效率。另一方面，在θ =25°时不存在&>1的范围，不需要调整设计相 位差 Γ = 180°。本申请发明人根据这些模拟结果发现，通过对相位差校正量加上以往的双折射性 造成的相位变化量即180°来设为设计相位差，能够校正旋光性引起的偏振状态的变化，将 1/2波长板的转换效率改善为1或极其接近1的值，相位差校正量将石英板的切割角度β 和光学轴方位角θ设为变量。因此，本申请发明进一步将石英板的切割角度β设为参数 来进行各种模拟和实验，从而验证了对应于切割角度β的最佳设计相位差和光学轴方位 角的关系。图3示出了针对相位差Γ = 180°，转换效率提高比&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与光学轴方位角θ的关系。在该图中，当相位差校 正量Γ a处于表示Γ amin的曲线和表示Γ amax的曲线之间时，即处于Γ amin < Γ a < Γ a_ 的范围内时，转换效率提高。图4示出了在切割角度β =5°、10°、20°、30°的情况下，光学轴方位角θ和 相位差校正量最小值I^min的关系。从该图可知，校正量最小值决于切割角度β 和光学轴方位角θ，通过这些值被确定。图5示出了在切割角度β =5°、10°、20°、30°的情况下，光学轴方位角θ和 相位差校正量最大值1^_的关系。从该图可知，校正量最大值Γ^iax同样取决于切割角度 β和光学轴方位角θ，通过这些值被确定。因此，根据这些关系，假定针对相位差Γ =180°，转换效率提高比&大于1的相 位差校正量Γa和切割角度β及光学轴方位角θ的关系能够用以下的关系式表示，通过 回归计算算出各项常数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其结果，相关系数大于等于0.99，能够得到与实测值良好的相关性。本发明正是为 了达到上述目的，根据相关知识而完成的。本发明是一种1/2波长板，该1/2波长板由例如石英的具有双折射性和旋光性的 无机材料构成的单一晶体板形成，使从该晶体板的入射面入射的线偏振光的偏振面旋转而 从晶体板的出射面出射，其特征在于，在将1/2波长板的相位差设为Γ，将相位差的校正量设为Γ a，将在入射面上投 影晶体板的光学轴而成的光学轴投影线与入射到入射面的线偏振光的偏振面所成的光学 轴方位角设为θ，将相对于晶体板入射面的法线与晶体板的光学轴所成的角度β设定在 5°彡β彡30°的范围内时，满足下式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。
由此确定相位差校正量的最大值和最小值，并在该范围内确定相位差校正量，由 此能够使用在制造上能够加工且比较容易处理的厚度的晶体板，将该切割角度β及光学 轴方位角θ中的转换效率提高为1或接近1的值。由此，能够简单设计即使针对某种程度 的入射光的波长变动，也稳定且光利用效率非常高的1/2波长板。根据本发明的另一方面，提供一种1/2波长板，该1/2波长板由例如石英的具有双 折射性和旋光性的无机材料构成的单一晶体板形成，使从该晶体板的入射面入射的线偏振 光的偏振面旋转而从晶体板的出射面出射，其中，在将1/2波长板的相位差设为Γ，将相位差的校正量设为Γ a，将在入射面上投 影晶体板的光学轴而成的光学轴投影线与入射到入射面的线偏振光的偏振面所成的光学 轴方位角设为θ，将相对于晶体板入射面的法线与晶体板的光学轴所成的角度β设定在 5°彡β彡30°的范围内时，满足下式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。由此确定相位差校正量的最佳值，从而能够使用在制造上能够加工且比较容易处 理的厚度的晶体板，在晶体板的切割角度β及光学轴方位角θ上实现最大的转换效率。由 此，能够简单设计光利用效率最高的1/2波长板。在某个实施例中，通过具有形成在1/2波长板的入射面及出射面的至少任意一方 上的衍射光栅图案，能够用1个光学元件发挥1/2波长板和衍射光栅的2个功能，能够实现 部件个数的削减、小型化和成本降低。并且，根据本发明的另一方面，提供一种光拾取装置，其中，该光拾取装置具有 光源；物镜，其将从该光源出射的光会聚到记录介质上；检测器，其检测由记录介质反射的光；以及上述本发明的1/2波长板，其配置在光源和物镜之间的光路中。如上所述，通过使 用提高了转换效率的1/2波长板，能够实现在使用时难以受到振荡激光的温度漂移等引起 的波长变动的影响，与以往相比能够在更宽频带的波长范围内稳定发挥良好性能的光拾取
直ο另外，根据本发明的另一方面，提供一种偏振转换元件，其中，该偏振转换元件具 有平板状的透光性基材，其将第1主面作为光入射面且将第2主面作为光出射面；第1光 学薄膜和第2光学薄膜，它们设置在该基材中；以及波长板，第1光学薄膜和第2光学薄膜 相对于第1主面和第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正交的第1线偏振光和第2线偏振光，使第1线偏振光 透过并反射第2线偏振光，第2光学薄膜对由第1光学薄膜反射后的第2线偏振光进行反 射，使其从第2主面出射，波长板是上述本发明的1/2波长板，其被配置在使由第1光学薄 膜分离的第1线偏振光或第2线偏振光透过的位置上。在该偏振转换元件中，在某个实施例中，1/2波长板配置在使透过第1光学薄膜的 第1线偏振光出射的第2主面部分、或使由第2光学薄膜反射的第2线偏振光出射的第2 主面部分上。在另一个实施例中，1/2波长板设置在透光性基材中，并层叠配置在第1光学 薄膜的第1线偏振光的出射面上。在任意一种情况下，都同样如上所述通过使用提高了转 换效率的1/2波长板，从而与以往相比能够在更宽频带中实现光利用效率非常高的偏振转 换元件。另外，根据本发明的另一方面，提供一种投影型显示装置，其中，该投影型显示装 置具有光源；上述本发明的偏振转换元件，其将来自该光源的光转换为第2线偏振光然后 出射；调制单元，其根据要投射的图像信息，调制来自该偏振转换元件的出射光，该调制单 元例如是液晶面板；以及投影光学系统，其投影由该调制单元调制后的光。同样，如上所述 通过使用与以往相比提高了转换效率的1/2波长板，能够利用相同输出的光源获得更明亮 的影像，或者即使光源低输出化也能够获得同样明亮的影像，因此能够降低功耗。
图1是示出在切割角度为5°的石英1/2波长板中，按照每个不同的光学轴方位角 θ与相位差相关的转换效率T的变化的线图。图2是示出在切割角度为5°的石英1/2波长板中，按照每个不同的光学轴方位角 θ与相位差校正量相关的转换效率提高比&的变化的线图。图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与光学轴方 位角θ的关系的线图。图4是示出光学轴方位角θ与相位差校正量最小值关系的线图。图5是示出光学轴方位角θ与相位差校正量最大值ra_的关系的线图。图6(A)是从光的出射方向观察到本发明的1/2波长板的实施例的立体图，图6(B) 是其侧视图，图6(C)是石英板的切割角度的说明图。图7(A)是示出本发明的1/2波长板的另一实施例的立体图，图7(B)是其部分放 大剖视图。图8是示出使用了本发明的1/2波长板的光拾取装置的实施例的结构的概略图。
图9是示出使用了本发明的1/2波长板的偏振转换元件的实施例的结构的概略 图。图10是示出使用了本发明的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11是示出以往的石英1/2波长板的偏振状态的庞加莱球。图12是表示以往的石英1/2波长板的与切割角度相关的变化效率T的线图。标号说明Ull :1/2波长板；la 入射面；Ib 出射面；2 晶体光学轴；3 偏振面的朝向；12 衍射光栅图案；13 蒸镀膜；20 光拾取装置；21、41 光源；22 衍射光栅；23 偏振光分束 器；24 准直透镜；25 光盘；26 镜；27,44 :1/4波长板；28 物镜；29 光检测器；30 监视 器用光检测器；40、67 偏振转换元件；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 分色镜力4 56 反射镜；57 61 λ /2相位差板；62 64 液晶光阀；65 交叉分光棱镜；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6(A)、图6(B)概略示出本发明的1/2波长板的实施例。本实施例的1/2波 长板1由厚度恒定的单一石英波长板形成。该石英波长板如图6(C)所示，从由竖立在其 入射面Ia(或出射面lb)上的法线和石英的晶体光学轴(Z轴)划定的切割角度β处于 5° 的范围内的石英板切出。特别地，通过将切割角度设定在该范围内，作为单 板的1/2波长板，能够加工在制造上加工和处理没有困难的具有充分强度的厚度的石英波 长板。将标准相位差设为180°，将相对于标准相位差的相位差校正量设为ra，用Γ = 180° +ra表示1/2波长板1的相位差Γ。将校正量最小值设为Γ Bmin，将校正量最大值 设为famax，则相位差校正量Γ a使用将1/2波长板1的切割角度β和光学轴方位角θ设 为变量的以下关系式确定，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。
如图6(A)所示，在从1/2波长板1的入射面Ia入射的线偏振光中，作用有石英的 双折射性引起的相位差和旋光性引起的偏振面旋转。但是，对于1/2波长板1的设计相位 差Γ，在用其切割角度β和光学轴方位角θ两个变量确定的相位差校正量的最大值和最 小值之间，适当选择相位差校正量Γ a，因此能够校正旋光性引起的偏振状态的变化。其结 果，将转换效率提高为1或接近1的值，即使入射光的线偏振光的波长在某种程度上变动， 也实质上作为线偏振光从出射面Ib出射。由此，当在蓝光标准的光盘记录再现用的光拾取装置或投影型显示装置中使用本 实施例的1/2波长板时，不仅能够得到优异的耐光性、长期可靠性，而且稳定且光利用效率 非常高，因此能够实现高效的光拾取装置或光学引擎。此外，由此能够实现功耗降低，因此
非常有利。此外，在本实施例中，在将标准相位差设为180°，将相对于标准相位差的相位差 校正量设为ra，用Γ = 180° +r a表示1/2波长板1的相位差Γ时，能够使用将1/2波
12长板1的切割角度β和光学轴方位角θ设为变量的以下关系式，确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由此确定相位差校正量的最佳值，从而能够在使用的石英晶体板的切割角度β 及光学轴方位角θ上实现最大的转换效率。由此，入射光的线偏振光作为大致线偏振光从 出射面Ib出射。其结果，能够得到光利用效率最高的1/2波长板，因此能够实现非常高效 的光拾取装置或光学引擎。图7(A)、图7(B)示出本发明的1/2波长板的另一实施例。本实施例的1/2波长板 11具有形成在图6所示的1/2波长板1的出射面上的衍射光栅图案12。衍射光栅图案12 通过在石英板的表面上将例如S^2等蒸镀膜图案形成为格子状来形成。在另一实施例中， 还能够通过蚀刻等在所述石英板的表面上加工格子状的槽来形成。该1/2波长板11当使激光从例如图中下侧朝上通过时，使入射的线偏振光的偏振 面旋转预定角度而作为线偏振光出射，此时，通过衍射光栅图案12分为3个激光、即1个主 光束LO和2个副光束L+l、L-I。由此，在本实施例中，用1个光学元件发挥1/2波长板和 衍射光栅的2个功能。由此，在光学头等光学装置中使用该1/2波长板11时，能够实现部 件个数的削减、小型化和成本降低。图8示出使用了本发明的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Blu-ray Disc (注册商标)等的光盘装置的记录再现，具有由激光二极管构成的 光源21，该激光二极管放射例如作为波长405nm的蓝紫色光的激光。光拾取装置20具有 衍射光栅22，其衍射来自光源21的激光；偏振光分束器23，其将透过该衍射光栅的激光分 离成P偏振光分量和S偏振光分量进行透射或反射；准直透镜M，其将被该偏振光分束器反射的激光变为平行光；镜沈，其将透过该准直透镜的激光向光盘25反射；1/4波长板27， 其将由该镜反射的线偏振光的激光转换为圆偏振光；物镜观，其会聚已透过该1/4波长板 的激光；以及光检测器四，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 器用光检测器30，该监视器用光检测器30检测从光源21出射并透过偏振光分束器23的激 光。衍射光栅22与图7关联由上述本发明的1/2波长板11构成。由此，即使在使用 光拾取装置20时激光的波长根据振荡激光的温度漂移而变动，也能够不使1/2波长板的转 换效率劣化或将该劣化抑制到最小限度，从而始终确保充分的光量。其结果，与使用的激光 的短波长化和高输出化对应，能够实现与以往相比能够在更宽频带的波长范围内稳定发挥 良好性能的光拾取装置。光拾取装置20如下进行动作。从光源21出射的线偏振光的激光，为了利用3光 束法来进行跟踪控制而在通过衍射格栅22分离成3个光束后，利用偏振光分束器23来反 射S偏振光分量，并利用准直透镜M成为平行光。平行光的激光经由镜沈来全反射，并通 过1/4波长板27从线偏振光转换为圆偏振光，然后利用物镜观会聚后，照射到形成在光盘 25上的信号记录层的坑上。该坑反射的激光透过所述物镜，利用1/4波长板27从圆偏振光 转换为线偏振光，并利用镜26进行全反射，然后透过准直透镜M以及偏振光分束器23，入 射到光检测器四进行检测。由此，进行记录在所述光盘上的信号的读取动作。另外，从光 源21出射的激光的P偏振光分量透过偏振光分束器23入射到监视器用光检测器30进行 检测。通过该检测输出，控制从所述激光二极管出射的激光的输出。本发明的1/2波长板因为光的利用效率非常高，所以适用于如液晶投影仪那样具 有液晶面板的投影型显示装置等。特别是在采用调制特定偏振方向的光束(S偏振光或P偏 振光)的类型的液晶面板的投影型显示装置中，一般是如下设定光学系统使线偏振光与P 偏振光或S偏振光的任意一方统一入射到液晶面板。因此，投影型显示装置安装有偏振转 换元件(PS转换元件)，该偏振转换元件的作用如下将来自光源的随机偏振光转换为P偏 振光或S偏振光的光束，以提高光的利用效率。图9㈧ (C)分别示出适用于液晶投影仪等投影型显示装置的、三个不同结构的 偏振转换元件40、40'、40"，它们都能够使用本发明的1/2波长板。由此，各偏振转换元件 40,40'、40"与以往相比能够在更宽频带内将转换效率的劣化抑制到最小限度，因此能够 更高效地利用光能。图9 (A)的偏振转换元件40具有棱镜阵列41，该棱镜阵列41由第1主面41a为光 入射面且第2主面41b为光出射面的平板状的透光性基材构成。在所述透光性基材中，将 相对于所述第1主面和第2主面倾斜的偏振光分离膜42和反射膜43彼此隔开预定间隔平 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的随机光分离成S偏振光 分量和P偏振光分量，使P偏振光分量透过且反射S偏振光分量。已透过偏振光分离膜42 的P偏振光分量直接经由第2主面41b从棱镜阵列41出射。被所述偏振光分离膜反射的 S偏振光分量借助反射膜43反射，并经由第2主面41b从棱镜阵列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波长板44。1/2波长板44 将入射的S偏振光的线偏振光转换为P偏振光后输出。由此，偏振转换元件40将入射光与P偏振光一齐出射，并且该偏振转换元件40适合搭载在P偏振光光学系统的投影型显示装 置上。图9(B)示出适合搭载在S偏振光光学系统的投影型显示装置上的偏振转换元件 40'的结构。在该偏振转换元件40'中，将1/2波长板44配置在出射已透过偏振光分离 膜42的P偏振光分量的第2主面41b的部分上。由此，已透过偏振光分离膜42的P偏振 光的线偏振光转换为S偏振光后出射。另一方面，被所述偏振光分离膜反射的S偏振光分 量通过反射膜43进行反射，然后从棱镜阵列41直接出射该S偏振光。由此，入射到偏振转 换元件40'的光与S偏振光一齐出射。图9(C)示出在棱镜阵列41的所述透光性基材中配置有1/2波长板44的结构的 偏振转换元件40"。1/2波长板44与偏振光分离膜42的出射面层叠，并与反射膜43彼此 隔开预定间隔平行地交替配置。偏振光分离膜42将从第1主面41a入射的随机光分离成S偏振光分量和P偏振 光分量，并使P偏振光分量透过且反射S偏振光分量。被偏振光分离膜42反射的S偏振光 分量利用反射膜43进行反射，并经由第2主面41b从棱镜阵列41出射。已透过所述偏振 光分离膜的P偏振光分量直接入射到1/2波长板44转换为S偏振光，并经由所述第2主面 从棱镜阵列41出射。由此，入射到偏振转换元件40"的光与S偏振光一齐出射。图10概略示出使用了本发明的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具有照明光学系统51，分色镜52、53，反射镜M 56，λ /2相位差板57 61，液晶光阀62 64，交叉分光棱镜65以及投影透镜系统66。照明光学系统50为了照明 液晶光阀62 64而具有光源、偏振转换元件67、聚光透镜等。偏振转换元件67能够使用 图9的偏振转换元件，将来自所述光源的随机光转换为S偏振光后出射。从照明光学系统51出射的S偏振光的白色光中，红色光分量透过分色镜52，反射 蓝色光分量和绿色光分量。透过分色镜52的红色光利用反射镜M进行反射，通过λ/2相 位差板57转换为P偏振光，并入射到红色光用的液晶光阀62。利用分色镜52反射的绿色 光进一步经由分色镜53进行反射，并通过λ /2相位差板58转换为P偏振光，入射到绿色 光用的液晶光阀63。利用分色镜52反射的蓝色光透过分色镜53反射到反射镜55、56，通 过λ /2相位差板59转换为P偏振光，并入射到蓝色光用的液晶光阀64。液晶光阀62 64分别是根据给出的图像信息(图像信号)来调制各色的色光而 形成图像的光调制单元。交叉分光棱镜65是色合成单元，其合成从液晶光阀62、64出射的 S偏振光的红色光以及蓝色光和从液晶光阀63出射后转换为P偏振光的绿色光的色光，形 成彩色图像。该合成光通过λ/2相位差板61出射到投影透镜系统66。投影透镜系统66 是将该合成光投影到投影屏幕上显示彩色图像的投影光学系统。当确定λ/2相位差板61的光学轴的方向，以使S偏振光(红色光以及蓝色光) 和P偏振光(绿色光)的偏振方向分别变更约45°时，3色光的S偏振光分量和P偏振光 分量均为约1/2，所以能够将彩色影像清楚地投影到偏振光屏幕上。另外，可取代λ/2相位 差板61，使用λ/4相位差板。在此情况下，将红、绿、蓝这3色光分别转换为椭圆偏振光，优 选转换为圆偏振光，由此即使在投影屏幕使用了偏振光屏幕的情况下，也能够清楚地投影 彩色影像。λ /2相位差板57 61可使用本发明的1/2波长板。由此，投影型显示装置50在各λ/2相位差板中与以往相比提高了利用效率，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获得更亮的彩色影像，或者即使光源为低输出光源也能够获得同 样明亮的彩色影像，因此能够降低功耗。 本发明不限于上述实施例，可在其技术范围内增加各种变形或变更来进行实施。 例如，本发明的波长板能够由石英板以外的光学单轴性晶体材料来形成。另外，与上述实施 例不同结构的光拾取装置、偏振转换元件、投影型显示装置或其它光学装置，都同样能够适 用本发明。
权利要求
1. 一种1/2波长板，所述1/2波长板由具有双折射性和旋光性的无机材料构成的单一 晶体板形成，使从所述晶体板的入射面入射的线偏振光的偏振面旋转而从所述晶体板的出 射面出射，其特征在于，在将所述1/2波长板的相位差设为Γ，将相位差的校正量设为Γ a，将在所述入射面上 投影所述晶体板的所述光学轴而成的光学轴投影线与入射到所述入射面的所述线偏振光 的偏振面所成的光学轴方位角设为θ，将相对于所述晶体板的所述入射面的法线与所述晶 体板的光学轴所成的角度β设定在5° < β <30°的范围内时，满足下式 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.—种1/2波长板，所述1/2波长板由具有双折射性和旋光性的无机材料构成的单一 晶体板形成，使从所述晶体板的入射面入射的线偏振光的偏振面旋转而从所述晶体板的出 射面出射，其特征在于，在将所述1/2波长板的相位差设为Γ，将相位差的校正量设为Γ a，将在所述入射面上 投影所述晶体板的所述光学轴而成的光学轴投影线与入射到所述入射面的所述线偏振光 的偏振面所成的光学轴方位角设为θ，将相对于所述晶体板的所述入射面的法线与所述晶 体板的光学轴所成的角度β设定在5° < β <30°的范围内时，满足下式 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.根据权利要求1或2所述的1/2波长板，其特征在于，所述1/2波长板具有形成在所 述入射面和所述出射面的至少任意一方上的衍射光栅图案。
4.根据权利要求1 3中的任意一项所述的1/2波长板，其特征在于，所述晶体板由石 英构成。
5.一种光拾取装置，其特征在于，所述光拾取装置具有光源；物镜，其将从所述光源 出射的光会聚到记录介质上；检测器，其检测由所述记录介质反射的光；以及权利要求1 4中的任意一项所述的1/2波长板，其配置在所述光源与所述物镜之间的光路中。
6.一种偏振转换元件，其特征在于，所述偏振转换元件具有平板状的透光性基材，其将第1主面作为光入射面且将第2主 面作为光出射面；第1光学薄膜和第2光学薄膜，它们设置在所述基材中；以及波长板，所述第1光学薄膜和第2光学薄膜相对于所述第1主面和第2主面倾斜且彼此隔开间 隔平行地交替配置，所述第1光学薄膜将从所述第1主面侧入射的光分离成相互正交的第1线偏振光和第 2线偏振光，使所述第1线偏振光透过并反射第2线偏振光，所述第2光学薄膜对由所述第1光学薄膜反射后的第2线偏振光进行反射，使其从所 述第2主面出射，所述波长板是权利要求1 4中的任意一项所述的1/2波长板，其配置在使由所述第 1光学薄膜分离后的所述第1线偏振光或第2线偏振光透过的位置上。
7.一种投影型显示装置，其特征在于，所述投影型显示装置具有光源；权利要求6所 述的偏振转换元件，其将来自所述光源的光转换为所述第2线偏振光后出射；调制单元，其 根据要投影的图像信息，调制来自所述偏振转换元件的出射光；以及投影光学系统，其投影 由所述调制单元调制后的光。
8.根据权利要求7所述的投影型显示装置，其特征在于，所述调制单元是液晶面板。
全文摘要
本发明提供一种1/2波长板、光拾取装置、偏振转换元件以及投影型显示装置，能够提高由单一晶体板形成的1/2波长板的转换效率，单一晶体板由具有双折射性和旋光性的无机材料构成。在由使从入射面入射的线偏振光的偏振面旋转而从出射面出射的石英板构成的1/2波长板中，在将其相位差设为Г＝180°+校正量Гa，将相对于入射面的法线与光学轴所成的石英板的切割角度β设定为5°≤β≤30°时，依照预定的多项式确定校正量Гa，该多项式将在入射面上投影光学轴而成的光学轴投影线与入射到该入射面的线偏振光的偏振面所成的光学轴方位角θ、切割角度β作为变量。
文档编号G03B21/00GK102073087SQ20101053548
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月1日 优先权日2009年11月2日
发明者大户正之 申请人:精工爱普生株式会社