JP5110979B2 - 照明光学系およびそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源手段から射出された光束を用いて被照明面を照明する照明光学系に関する。さらにはその照明光学系を用いて被照明面に設けた液晶パネル等の画像表示素子を照明し、画像表示素子からの光をスクリーン等の被投影面に投影する投射型表示装置（液晶プロジェクター等）に関する。

近年、液晶表示素子などの画像表示素子を用いて画像情報に対応して変調された光束を投射レンズによってスクリーンなどに拡大投射する構成のプロジェクタが種々と提案されている。このようなプロジェクタはスクリーンに投射された画像が画面全体に渡って均一に近い明るさを有していることが重要である。

反射型の液晶表示素子を用いた画像投射型（プロジェクター）の照明光学系では、光源手段から射出した光束が放物面リフレクタによって略平行光として射出される。この平行光束は、第１のレンズアレイによって分割および集光され、各分割光束は、第２のレンズアレイの近傍に集光されて光源手段の像（２次光源像）を形成する。各レンズアレイを構成するレンズは、被照明面である液晶パネルと相似形状である矩形を有する。

第２のレンズアレイを射出した複数の分割光束は、コンデンサレンズによって集光され、色分解合成光学系を介して液晶表示素子上で重ね合わされて該液晶表示素子を照明する。

色分解合成光学系には、ダイクロイック膜や偏光分離膜を備えた光学素子（ダイクロイックプリズムや偏光ビームスプリッタ等）が用いられる。

このような照明光学系において、光の利用効率を高めようとすると一般に被照射面に入射する光束の角度分布が大きくなる傾向がある。このため照明光学系内に角度特性の敏感な光学素子を用いたときには、種々と問題が生じてくる。

例えば偏光分離膜（偏光ビームスプリッター）等の光学素子を用いるときがある。

偏光分離膜に光束が入射するとき、偏光分離膜に入射角４５°で入射した光束に対する特性に比べて、偏光分離膜に入射角４７°や４９°で入射した光に対する特性は低くなる。入射角４５°からの入射角度のずれが大きい程、特性の低下度合いが大きい。この特性の低下がいわゆる漏れ光の原因となり、画質を低下させる。

この画質の劣化を防ぐべく、光学素子の角度分布に敏感な方向においては角度分布を小さくし、角度分布に敏感な方向においては角度分布を大きくした非対称な光学系を用いた照明光学系が知られている（特許文献１、２）
特開２０００−２０６４６３号公報 特開平０６−７５２００号公報

特許文献１に開示されている反射型液晶プロジェクタは、光学素子における光束角度分布に敏感な方向において、開口絞りの外形形状を小さくし、光学素子における光束角度分布に鈍感な方向においては、開口絞りの外形形状を大きくしている。

特許文献１では、照明光学系中に設けた第２フライアイレンズの外形形状は実質的に開口絞りとして機能するので、その形状を非対称としている。これにより、光学素子に入射する光束の角度分布が光束角度分布に敏感な方向と鈍感な方向とで非対称にしている。

しかしながら、特許文献１の光学系では、絞りによって入射角を決定しているために明るさの損失が大きくなる傾向があった。

特許文献２の照明光学系においては、液晶パネル面の直前で集光レンズによって光束を収束させるため、集光レンズの後ろにある液晶パネルやダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い光学素子による画質劣化は避けられない。このため液晶パネル上の照度分布も変動し、投射画面上にもムラとなってくる。

本発明は、光学素子の角度分布が敏感な断面において角度分布を小さくしながらも、画像表示素子を均一な明るさで明るく照明する照明光学系の提供と、その照明光学系を用いて明るく高コントラストな画像を投射する投射型表示装置の提供を目的とする。

本発明の照明光学系は、光源からの光束を被照射面に導光する照明光学系であって、
前記光源からの光束を反射して光束を出射するリフレクタと、
前記照明光学系の光軸を含み互いに直交する第１の断面と第２の断面において、光束径を互いに異なる圧縮比で圧縮する圧縮系と、
前記圧縮系から出射する光束の偏光状態を揃えて出射する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子を出射した光束が入射する偏光分離面を有し、
前記光源からの光束は平行光束とされて前記偏光変換素子に入射しており、
前記第２の断面は、前記偏光分離面の法線と前記照明光学系の光軸とに平行な断面であり、
αを、前記リフレクタの出射面における前記第１の断面での光束幅ＤＸと前記偏光変換素子の入射面における前記第１の断面での光束幅ＤＸ’との比ＤＸ／ＤＸ’、
βを、前記リフレクタの出射面における前記第２の断面での光束幅ＤＹと前記偏光変換素子の入射面における前記第２の断面での光束幅ＤＹ’との比ＤＹ／ＤＹ’ 、
前記第１の断面と前記第２の断面内における被照射面に入射する光束の最大角度から算出されるＦナンバーのうち小さい方のＦナンバーをＦｎｏとするとき、
０．７≦α／β＜１
１．４≦Ｆｎｏ≦３．６
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、光学素子の角度分布が敏感な断面において角度分布を小さくしながらも、画像表示素子を均一な明るさで明るく照明する照明光学系と、その照明光学系を用いて明るく高コントラストな画像を投射する投射型表示装置を実現することができる。

以下、本発明の照明光学系およびそれを有する投射型表示装置の実施例について図面を参照して説明する。

本発明の照明光学系は、光源手段と、光源手段からの光束を例えば液晶パネルが配置される被照射面に導光する光学系とを有している。

ここで光学系は、光学系の光軸を含む互いに直交する第１の断面と、第２の断面において光束径を互いに異なる圧縮比で圧縮する圧縮系を有している。この圧縮系は、後述する偏光変換素子よりも光源側に配置されている。

更に光束の偏光状態を揃えて出射する偏光変換素子と、偏光変換素子からの光束を集光し、液晶パネルが配置される被照射面に導光するコンデンサレンズとを有している。更に、このコンデンサレンズと反射型液晶パネル等の画像表示素子が配置された被照射面との間の光路中に配置された偏光分離面を含む偏光分離手段を有している。

又、投射型表示装置では、照明光学系と１以上の画像表示素子と画像表示素子の画像を被照射面に投射（投影、投映、投写）する投射光学系を有している。

図１および図２は、本発明の実施例１の照明光学系を用いた投射型表示装置の要部概略図である。

図１、図２においてＯＥは照明光学系である。１は高圧水銀放電管等の光源手段である。２は楕円形状の反射面を持つ楕円リフレクタ（光束集光手段）である。３と４は光束を複数の光束に分割する第１、第２のフライアイレンズ（第１、第２の光学素子）である。５は入射した偏光又は無偏光の光を所定の直線偏光として出射させる偏光変換素子である。６は偏光変換素子５からの部分光束を被照射面上で重ね合わせるためのコンデンサレンズである。７は偏光ビームスプリッタ（偏光分離手段）である。コンデンサレンズ６は、偏光変換素子５を出射した光で偏光ビームスプリッタ７を介して、被照射面に設けた液晶パネル（画像表示素子）８を照明している。９は液晶パネル８で反射した光を被照射面（スクリーン）に投射する投射レンズ（投射光学系）である。

尚、各部材１〜７は照明光学系ＯＥの一部を構成している。このうち部材３〜７は照明光学系ＯＥを構成する光学系を構成している。

各部材の光学作用について説明する。

光源手段１から放射状に発せられた光束は、楕円リフレクタ２によって収束する光束に変換される。

楕円リフレクタ２で反射された反射光は、第１のフライアイレンズ３で複数の光束に分割される。第１フライアイレンズ３で分割された複数の光束は、第２のフライアイレンズ４を介して偏光変換素子５の光入射面又は光出射面又はこれらの近傍に、複数の２次光源像を形成する。

偏光変換素子５は、図３４に示すように複数の偏光分離面５ａと、複数の反射面５ｂと、複数の１／２波長板５ｃとを有する。各偏光分離面５ａに入射した光のうち所定の偏光方向を有する偏光成分はこれを透過して偏光変換素子５から射出する。

一方、各偏光分離面５ａに入射した光のうち上記所定の偏光方向に直交する偏光方向を有する偏光成分は、該偏光分離面５ａで反射し、さらに反射面５ｂで反射する。そして、１／２波長板５ｃでその偏光方向が９０度変換されて偏光変換素子５から射出する。

こうして、偏光変換素子５は、入射した無偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換して射出する。偏光変換素子５から、所定の偏光方向を有する直線偏光となり射出される光はコンデンサレンズ６に入射する。

コンデンサレンズ６は偏光変換素子５からの複数の分割した光束は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａを透過して反射型の液晶パネル８上で重ね合わされる。これにより、液晶パネル８は均一な光量分布となる照明光束によって照明される。

液晶パネル８において画像変調および反射された光は、偏光ビームスプリッタ７に再入射し、その偏光分離面７ａで反射されて、投射レンズ９に導かれる。

投射レンズ９は液晶パネル８で形成される画像情報を投射面（スクリーン）に投射する。

本実施例では、照明光学系ＯＥの光軸Ｏは液晶パネル８のパネル面の中心を垂直に通過している。光軸ＯをZ軸とする。図３に示すように、光軸（Ｚ軸）と交わる偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａの法線（Ｎ）と、光軸（Z軸）を含む面（図３の紙面）をYZ断面（第２断面）とする。さらに、YZ断面に直交し、光軸を含む断面をXZ断面（第１断面）とする。

これらＺ軸、ＸＺ断面およびＹＺ断面の意味は、後述する以下の各実施例でも同じである。

図１は、ＸＺ面（第１の断面）での各部材の光学配置を示している。このＸＺ面は、液晶パネル８の長辺方向の断面である。

図２は、ＹＺ面（第２の断面）での各部材の光学配置を示している。このＹＺ面は、液晶パネル８の短辺方向の断面である。

次に各部材の構成の特徴について説明する。

図３に示すように、偏光ビームスプリッタ７は、照明光学系ＯＥの光軸（Ｚ軸）Ｏに対して傾いて配置された多層膜からなる偏光分離膜（偏光分離面）７ａを備えている。偏光分離面７ａの光軸Ｏに対する傾きθは、４５度に設定されているが、この角度θは、４０〜５０度の範囲であっても良い。

偏光分離膜７ａは、特定の角度で入射する光のうち、第１の偏光方向の光を８０％以上反射し、第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向の光を８０％以上透過するという分離作用を有する。

図４は第１のフライアイレンズ３の要部斜視図である。

図５は第１のフライアイレンズ３の光軸Ｚ近傍のＸＹ面での要部断面図である。

図６は第２のフライアイレンズ４の要部斜視図である。

ここで第１、第２の光学素子を構成する第１、第２のフライアイレンズ３、４は圧縮系を構成している。この圧縮系は、光源手段１（或いは楕円リフレクタ２）と偏光変換素子５との間、言い換えると光源手段１よりも被照射面（液晶パネル等の画像表示素子）側で、偏光変換素子５よりも光源手段側（光源側）に配置されている。

第１のフライアイレンズ３は第１、第２の断面内のうち一方の断面内において負の屈折力を有する。第２のフライアイレンズ４は他方の断面内において第１フライアイレンズ３の屈折力と異なる負の屈折力を有する。

第１および第２のフライアイレンズ３，４はそれぞれ、複数のレンズセル３ａ、４ａが２次元方向に配列されて構成されている。各フライアイレンズ３、４のレンズセル３ａ、４ａの光軸ＯはＺ軸に平行である。

第１のフライアイレンズ３は、図４、図５に示すように、複数のレンズセル３ａのうち中心（光軸Ｏ上）のレンズセル３ａＯ以外のレンズセル（３ａ１、３ａ２〜）の光軸Ｏ１、Ｏ２は中心軸Ｏ１’、Ｏ２’に対してＸ方向外側に偏心している。Ｙ方向には偏心していない。このため、第１のフライアイレンズ３は、楕円リフレクタ２からの光束に対して全体としてＸＺ断面内において負（凹）レンズ作用（発散作用）を有する。

ここで中心軸Ｏ１’、Ｏ２’とは、レンズセルの外径中心を通り光軸Ｏと平行な軸をいう。

次にこれを図５を用いて詳しく説明する。図５には、ＸＺ断面における第１のフライアイレンズ３の光軸Ｏ上の中心となるレンズセル３ａ０と、これにＸ方向にて隣接する２つのレンズセル（外側レンズセル）３ａ１，３ａ２とを示している。

各レンズセル３ａ１、３ａ２の中心（外形中心）Ｐ１、Ｐ２を通過する収束光線ｒ１、ｒ２はレンズセル３ａ１、３ａ２を通過後に光軸Ｏに対して平行な光線となる。

上記の光学作用を持たせるための構成は次のとおりである。外側のレンズセル３ａ１，３ａ２の面頂点Ｑ１、Ｑ２を図中に示す光軸Ｏ１，Ｏ２とレンズセルの面との交点位置とする。また各外側のレンズセル３ａ１、３ａ２の中心Ｐ１、Ｐ２を図中の中心軸Ｏ１’，Ｏ２’とレンズセルの面との交点の位置とする。

このとき面頂点Ｑ１（Ｑ２）は中心Ｐ１（Ｐ２）に対して光軸Ｏから外側に（離れるように）偏心している。

図６に示す第２のフライアイレンズ４の構成は、図４の第１フライアイレンズ３を光軸（Ｚ軸）Ｏを回転軸として９０度回転した状態に相当している。

第２のフライアイレンズ４は、図６、図３１に示すように、複数のレンズセル４ａのうち中心のレンズセル４ａＯ以外のレンズセル４ａ１、４ａ２の光軸Ｏ３、Ｏ４は中心軸Ｏ３’Ｏ４’に対してＹ方向外側に偏心している。Ｘ方向には偏心していない。これにより、第２のフライアイレンズ４は、ＹＺ断面において、楕円リフレクタ２からの光束に対して全体として負（凹）のレンズ作用（発散作用）を有する。

このレンズの作用を図３１を用いて説明する。図３１ではＹＺ断面における第２のフライアイレンズ２の光軸Ｏ上の中心のレンズセル４ａ０と、これにＹ方向にて隣接する２つのレンズセル（外側レンズセル）４ａ１、４ａ２とを示している。各レンズセル４ａ１、４ａ２の中心Ｒ１、Ｒ２を通過する収束光線ｒ３、ｒ４はレンズセル４ａ１、４ａ２を通過後に光軸Ｏに対して平行な光線となる。

上記の光学作用を持たせるための構成は次のとおりである。外側のレンズセル４ａ１，４ａ２の面頂点Ｓ１、Ｓ２を図中に示す光軸Ｏ３，Ｏ４とレンズセルの面との交点の位置とする。また各外側のレンズセル４ａ１、４ａ２の中心Ｒ１、Ｒ２を図中の中心軸Ｏ３’，Ｏ４’とレンズセルの面との交点の位置とする。

このとき面頂点Ｓ１（Ｓ２）は中心Ｒ１、Ｒ２に対して光軸Ｏから外側に偏心している。図３１の構成は図５の構成とはレンズセルの向きが入射側と射出側が逆となっている。偏心を与える効果は入射側と射出側とで変わらない。

本実施例では、偏光ビームスプリッタ７における光束角度分布に敏感な方向（ＹＺ断面）での光束角度分布を小さくしている。

これによって液晶パネル８に表示した画像を偏光ビームスプリッタ７を介して投射面に投射するときの投射が像の明るさむらやコントラストの低下を抑制しつつ、明るい画像を投射している。

本実施例では、液晶パネル８のパネル面に対する入射光束の角度分布は、図２の液晶パネル８の短辺方向に平行なＹＺ断面（第２断面）に比べて、図１の長辺方向に平行なＸＺ断面（第１断面）の方が大きい。

本実施例では、光源手段１と偏光ビームスプリッタ７との間に圧縮系として第１、第２のレンズアレイ３、４を設けている。そして照明光学系ＯＥにおける互いに直交する第１断面（ＸＺ断面）および第２断面（ＹＺ断面）においてそれぞれ光束を圧縮している。このとき光束の圧縮比（平行化倍率）は、第１断面（ＸＺ断面）の圧縮比αと第２断面（ＹＺ断面）の圧縮比βとで互いに異なっている。

本実施例では、α＜βとなっている。

次に第１、第２のレンズアレイ３、４による光束の圧縮作用について説明する。

図７および図８は、図１および図２に示した楕円リフレクタ２から偏光変換素子５までの各部材における光路の拡大図である。第１、第２のレンズアレイ３、４の各レンズセルの中心を通過する楕円リフレクタ２で反射した収束光線を、図７のＸＺ断面では第１のフライアイレンズ３で光軸Ｏに対して平行化して出射している。

一方、図８のＹＺ断面では第２のフライアイレンズ４で光軸Ｏに対して平行化して出射している。

すなわち、図７のＸＺ断面においては楕円リフレクタ２と第１のフライアイレンズ３とによって光束の圧縮が行われる。図８のＹＺ断面においては楕円リフレクタ２と第２のフライアイレンズ４とによって光束の圧縮が行われる。

ここにいう光束の圧縮とは、楕円リフレクタ２で光束幅（光束径）を縮小した後、第１、第２のレンズアレイ３、４の各レンズセルの中心を通過する光を平行化し、出射するまでをいう。光束の圧縮を行う光学部材３、４を圧縮光学系（圧縮系）という。これらは、後述する他の実施例でも同様である。

そして光束の圧縮比とは、楕円リフレクタ２で反射される光束の幅（光軸Ｏと垂直な方向の幅）Ｄに対する第１、第２のレンズアレイ３、４を通過した後の幅Ｄ’との比Ｄ／Ｄ’をいう。すなわち、圧縮比とは、圧縮系によって圧縮される前の光束径（光束幅）を、圧縮系によって圧縮された後の光束径（光束幅）で割った値とする。

例えば圧縮比２とは楕円リフレクタ２での反射直後の光束幅Ｄがレンズアレイを通過した直後の光束幅がＤ／２となることをいう。

楕円リフレクタ２から射出（反射）する時点でのＸＺ断面での光束の幅をＤＸ、図８のＹＺ断面での光束の幅をＤＹとする。

偏光変換素子５に入射するときの図７のＸＺ断面での光束の幅をＤＸ’、図８のＹＺ断面での光束の幅をＤＹ’とする。

このとき、ＸＺ断面の圧縮比をα、ＹＺ断面の圧縮比をβは次のとおりである。

α＝ＤＸ／ＤＸ’
β＝ＤＹ／ＤＹ’
本実施例では、フライアイレンズ３，４からの射出光束が平行光束として偏光変換素子５に入射する。結局、該圧縮比α、βは楕円リフレクタ２と第１、第２のフライアイレンズ３，４までの距離（以下、圧縮距離という）で決まる。

図７に示すように、ＸＺ断面では、光束の圧縮は楕円リフレクタ２と第１のフライアイレンズ３で行われるため、圧縮距離はＬ_１である。また、図８に示すように、ＹＺ断面では、光束の圧縮は楕円リフレクタ２と第２のフライアイレンズ４とで行われるため、圧縮距離はＬ_２である。つまり、本実施例では、ＸＺ断面とＹＺ断面とで光束の圧縮比が異なる。具体的には、楕円リフレクタ２の焦点距離ｆ_２とし、第１のフライアイレンズ３のＸＺ断面での凹レンズ効果による焦点距離をｆ_ｆ１とする。

このとき圧縮比αは

となる。

同様に第２のフライアイ４のＹＺ断面での凹レンズ効果による焦点距離をｆ_ｆ２とする。

このとき圧縮比βは

となる。

更には、
Ｌ_１＝｜ｆ_２｜−｜ｆ_ｆ１｜
であり、
Ｌ_２＝｜ｆ_２｜−｜ｆ_ｆ２｜
である。

Ｌ_１／Ｌ_２＜１
であるので、ＹＺ断面での光束の圧縮比βがＸＺ断面での光束の圧縮比αより大きい。

すなわち、
α／β＜１
となっている。

このように、本実施例では、楕円リフレクタ２から収束光束を射出させている。そして楕円リフレクタ２から第１および第２のフライアイレンズ３，４までの距離差を利用して、ＸＺ断面よりもＹＺ断面で大きな光束圧縮比を得ている。

このため、第2フライアイレンズの形状による絞り効果によって光束角度分布をＸＺ断面とＹＺ断面で異なるものとしている装置に比べて明るさの損失が少ない。

本実施例では、偏光ビームスプリッタ７における光束角度分布に敏感な方向（ＹＺ断面方向）での光束角度分布を小さくしている。

これによって偏光ビームスプリッタ７を介して画像を投射するときの投射画像の明るさむらやコントラストの低下を抑制しつつ、明るい画像を投射している。

ここで、照明光学系のＦナンバーＦｎｏ（以降単にＦｎｏと称する）は被照射面に入射する光束の最大角度から算出するものである。即ち偏光変換素子５に入射する光束の幅Ｄとコンデンサレンズ６の焦点距離ｆ_ｃとの商、ｆ_ｃ／Ｄで定義する。

光束の幅はＤＸ’＞ＤＹ’となっているためＸＺ断面とＹＺ断面ではＦｎｏが異なる。

これ以降、Ｆｎｏという場合は上記で定めたＸＺ断面とＹＺ断面内のＦｎｏのうち、値の小さなＸＺ断面での値とする。

本実施例における投射画像の明るさＬは、Ｆｎｏと圧縮比α、βとの比α／βにそれぞれ関連している。

以下、圧縮比α／βを単にα／βと称する。

Ｆｎｏとα／βの双方に関連して算出される明るさＬの度合いを、
Ｌ＝｛−１．９４＊（α／β）^４＋３．８６＊（α／β）^２｝＊（１／Ｆｎｏ）
で表す。Ｆｎｏが大きくなる、あるいはα／βが小さくなると明るさＬは減少し、投射画像は暗くなることを表している。

図９にＦｎｏとα／βをパラメータとしたときの明るさＬの様子を示す。

投射画像のコントラストに関しては、光線の入射角度ごとの漏れ光率から算出する。ここで漏れ光率とは黒を表示する際にもかかわらず投射面（スクリーン）に到達する光の割合である。図１０は光線の入射角度ごとの漏れ光率を表したものである。

図の中心が液晶パネル８の法線方向に対応し、外側ほど入射角度が大きく、入射角度が大きいほど漏れ光率が大きくなっている。

漏れ効率のマップの値は入射角度で決まっているので、算出されるコントラストは設計された照明光学系の液晶パネルに対する入射角度を決めるＦｎｏとα／βの双方に関連する。

Ｆｎｏとα／βの双方に関連して算出されるコントラストＣの度合いを、
Ｃ＝１−｛（１．５６７＊（α／β）２＋０．８９）＊（１／Ｆｎｏ）７／４｝
で表す。Ｆｎｏが大きくなる、あるいはα／βが小さくなるとコントラストＣは増加し、コントラストが高くなることを表している。

図１１にFnoとα/βをパラメータとしたときのコントラストＣの様子を示す。

明るさＬとコントラストＣの双方を増加させるということは横軸にＬ、縦軸にＣを取った座標系において明るさＬとコントラストＣが共に正の方向へ移動する状態である。

図１２に横軸を明るさＬ、縦軸をコントラストＣとしたグラフを示す。

図１２において、明るければ図の右に位置し、コントラストが高いと図の上に位置する。つまり、より右上である程、明るさＬとコントラストＣの双方が高いことを示す。

図１２において
Ｍ１０はα／β＝１の明るさとコントラストを示す曲線である。
Ｍ０９はα／β＝０．９の明るさとコントラストを示す曲線である。
Ｍ０８５はα／β＝０．８５の明るさとコントラストを示す曲線である。
Ｍ０７５はα／β＝０．７５の明るさとコントラストを示す曲線である。
Ｍ０７はα／β＝０．７の明るさとコントラストを示す曲線である。

図１２においては、曲線Ｍ０９が最も右上となり、光束の非対称圧縮によって対称な圧縮である曲線Ｍ１０に比べて、明るさＬとコントラストＣの双方が増加している。また、曲線Ｍ０８５についても曲線Ｍ１０より右上となり、光束の非対称圧縮の効果によって、明るさＬとコントラストＣが増加している。

一方、曲線Ｍ０７５では曲線Ｍ１０と比べて、左下となり明るさＬとコントラストＣが減少している。

つまり、α／βの値を１から減少させ、非対称圧縮にする事で明るさＬとコントラストＣが増加するが、あるα／βの値をピークに減少する。そして、光束の非対称圧縮による効果を得られるα／βの最小値がある。

ここで本実施例では、評価関数として、明るさＬとコントラストＣの積Ｗ＝Ｌ＊Ｃを用いる。ＷはＦｎｏとα／βをパラメータとしてＷ（Ｆｎｏ，α／β）と表される。明るさＬとコントラストＣの積Ｗが大きければより右上に位置するので、Ｗ（Ｆｎｏ，α／β）の値が大きいほど明るさＬとコントラストＣが高くなることを表している。

図１３に横軸をＦｎｏ、縦軸をＷ（Ｆｎｏ，α／β） としたグラフを示す。

図１３において、
Ｗ１０はα／β＝１での明るさとコントラストとの積を示す曲線である。
Ｗ０９はα／β＝０．９での明るさとコントラストとの積を示す曲線である。
Ｗ０８はα／β＝０．８での明るさとコントラストとの積を示す曲線である。
Ｗ０７はα／β＝０．７での明るさとコントラストとの積を示す曲線である。
Ｗ０６はα／β＝０．６での明るさとコントラストとの積を示す曲線である
Ｆｎｏ＝２．２５での値に注目すると、曲線Ｗ０７〜Ｗ０９についてはＷ１０の曲線の値より高く、曲線Ｗ０６については曲線Ｗ１０の値より低い。曲線Ｗ０７〜Ｗ０９についてさらに詳しく見ると、曲線Ｗ０８が最大値となっている。

Ｗ（Ｆｎｏ＝２．２５，α／β）の値はα／βを１から小さくすることで増加するが、α／β＝０．８をピークにα／βを小さくすると共に減少する。

α／β＝０．６近傍でＷ（Ｆｎｏ＝２．２５，α／β＝１）よりも減少し、非対称圧縮の効果を得られなくなる。

つまり、非対称圧縮の効果を得られるα／βの最小値がある。ここではＦｎｏ＝２．２５の例で説明したが、Ｆｎｏの値は２．２５に限定されるものではない。

尚、Ｆｎｏ＝２．２５のとき圧縮効果の得られないα／βは約０．６３である。

つまり、任意のＦｎｏにおいて、Ｗ（Ｆｎｏ，α／β）＞Ｗ（Ｆｎｏ，α／β＝１）となる非対称圧縮効果を得られるα／βの最小値γ_１がある。この最小値γ_１より大きいと非対称圧縮する効果が得られない。

そこで、非対称圧縮をする際はＦｎｏの値に基づいてγ_１＜α／β＜１の範囲で行うとよい。

図１４において曲線Ｓ１は、Ｆｎｏごとの最小値γ_１を示している。

最小値γ_１となる非対称圧縮の比率α／βは図１４の曲線より
α／β＝−０．１８＊（Ｆｎｏ）^２＋１．２４５＊（Ｆｎｏ）−１．２６０
としてＦｎｏの関数として表される。

ここでＦｎｏ＝２．２５のときα／β＝０．６３となる。

よって、非対称圧縮を行う際は
−０．１８＊（Ｆｎｏ）^２＋１．２４５＊（Ｆｎｏ）−１．２６０＜α／β＜１‥（１）
ただし、
１．４≦Ｆｎｏ≦３．６ ‥‥（２）
１＜α＜β ‥‥（３）
を満足するような範囲で非対称となる圧縮光学系を設定するのが良い。具体的には条件式（１）は
０．７≦α／β＜１ ・・・（１ｃ）
とするのが良い。

さらに、Ｗ（Ｆｎｏ，α／β）の値を最大とするα／βの最大値γ_２がある。ただし、最大値γ_２はγ_１＜γ_２＜１の範囲にあり、α／βが最大値γ_２の値に近付くほどＷ（Ｆｎｏ，α／β）の値は増加する。

例えばＦｎｏ＝２．２５のときは、図１３より最大値γ_２（α／β）の値は０．８０近傍の値となる。

そこで、より望ましい非対称圧縮比の範囲は、γ_１＜γ_３＜γ_２＜γ_４＜１を満たすγ_３、γ_４でγ_３≦α／β≦γ_４の範囲とすればよい。

図１５の曲線Ｓ１〜Ｓ４はＦｎｏごとのγ_１〜γ_４を示している。
より非対称圧縮の効果を得るためには、γ_３はγ_１からγ_２側へ２０％増やした値γ_３＝０．８γ_１＋０．２γ_２とし、γ_４は１からγ_２側へと２０％減らした値γ_４＝０．８＋０．２γ_２とするとよい。

γ_３、γ_４はＦｎｏの関数として
γ_３＝−０．１５９＊（Ｆｎｏ）^２＋１．１０１＊（Ｆｎｏ）−１．００６
γ_４＝−０．０１１＊（Ｆｎｏ）^２＋０．０８２＊（Ｆｎｏ）＋０．８３７
と表される。

以上からより望ましくは、γ_３≦（α／β）≦γ_４より
−０．１５９＊（Ｆｎｏ）^２＋１．１０１＊（Ｆｎｏ）−１．００６≦α／β≦−０．０１１＊（Ｆｎｏ）^２＋０．０８２＊（Ｆｎｏ）＋０．８３７ ‥‥‥（１ａ）
の範囲で圧縮した設定とするとよい。

具体的な値で記載するとすれば、α／βは、０．５より大きく０．９５より小さいことが望ましい。より好ましくは、０．６（更に好ましくは０．６９）より大きく、及び／又は０．９２（更に好ましくは０．８９）より小さいことが望ましい。

又、圧縮比α、βは
１．０５＜α
１．１＜β
とするのが良い。

ここで、より好ましくは、αは１．１１（更に好ましくは１．２３）より大きく、及び／又は１．５（更に好ましくは１．３７）より小さいことが望ましい。また、βの値は、より好ましくは１．３０（更に好ましくは１．４０）より大きく、及び／又は２．３０（更に好ましくは２．１８）より小さいことが望ましい。

本実施例では照明光学系の基本的な構成部品のみしか示していないが、実際には、光源からの光路を折り曲げるミラーや、熱線カットフィルタおよび偏光板等の各種光学素子も配置される。

また、本実施例では、液晶パネル８を１枚のみ示しているが、実際の一般的なプロジェクタでは、Ｒ，Ｇ，Ｂ色光に対応した３つの液晶パネルが設けられる。偏光ビームスプリッタ７は、これら３つの液晶パネルに対してＲ，Ｇ，Ｂ色光の各色の照明光を導き、３つの液晶パネルからの各色画像光を合成する、いわゆる色分解合成光学系の一部を構成する。

次に本発明の照明光学系の実施例１の具体的な光学系の概略図及び数値実施例を示す。

［数値実施例１］
図１６（Ａ）、（Ｂ）は本発明の照明光学系の数値実施例１のＸＺ断面とＹＺ断面の概略図である。

図中の符番で示す部材は図１、図２で示す符番の部材と同じである。以下における数値実施例においても同様である。

楕円リフレクタ 第2焦点距離 ｆ_２＝230mm
楕円リフレクタと第1フライアイレンズ間距離 L_１＝46mm
楕円リフレクタと第2フライアイレンズ間距離 L_２＝87mm
このとき、
第1フライアイレンズの偏心による凹レンズ効果の焦点距離 ｆ_ｆ１＝-184mm
第2フライアイレンズの偏心による凹レンズ効果の焦点距離 ｆ_ｆ２＝-143mm
以上からα＝|ｆ_２|/|ｆ_f1|＝1.25 β＝|ｆ_２|/|ｆ_f２|＝1.607 α/β=0.78
さらに、
コンデンサレンズの焦点距離 ｆ_ｃ=100
偏光変換素子に入射するXZ断面の光束幅 D_２=42.5
よって、Fno=ｆ_ｃ/D_２＝2.35
このとき、γ_１＝0.627、γ_３＝0.703、γ_４＝0.969であり、条件である。
γ_１＜γ_３＜α/β＜γ_４＜１を満たしている。

これは、コントラストを重視したバランス設計である。

［数値実施例２］
図１７（Ａ）、（Ｂ）は本発明の照明光学系の数値実施例２のＸＺ断面とＹＺ断面の概略図である。

楕円リフレクタ 第2焦点距離 ｆ_２＝230mm
楕円リフレクタと第1フライアイレンズ間距離L_１＝46mm
楕円リフレクタと第2フライアイレンズ間距離L_２＝80.5mm
このとき、
第1フライアイレンズの偏心による凹レンズ効果の焦点距離 ｆ_ｆ１＝-184mm
第2フライアイレンズの偏心による凹レンズ効果の焦点距離 ｆ_ｆ２＝-149.5mm
以上から、α＝|ｆ_２|/|ｆ_f1|＝1.25 β＝|ｆ_２|/|ｆ_f２|＝1.538 α/β=0.81
さらに、
コンデンサレンズの焦点距離 ｆ_ｃ=78.6mm
偏光変換素子に入射するXZ断面の光束幅 D_２=42.5mm
よって、Fno=ｆ_ｃ/D_２＝1.85
このとき、γ_１＝0.427、γ_３＝0.487、γ_４＝0.951であり、条件である。
γ_１＜γ_３＜α/β＜γ_４＜１を満たしている。

これは、数値実施例１に比べて、明るさを重視した設計である。

［数値実施例３］
図１８（Ａ）、（Ｂ）は本発明の照明光学系の数値実施例３のＸＺ断面とＹＺ断面の概略図である。

楕円リフレクタ 第2焦点距離 ｆ_２＝182.4mm
楕円リフレクタと第1フライアイレンズ間距離L_１＝45.6mm
楕円リフレクタと第2フライアイレンズ間距離L_２＝86.6mm
このとき、
第1フライアイレンズの偏心による凹レンズ効果の焦点距離 ｆ_ｆ１＝-136.8mm
第2フライアイレンズの偏心による凹レンズ効果の焦点距離 ｆ_ｆ２＝-95.7mm
以上から、α＝|ｆ_２|/|ｆ_f1|＝1.333 β＝|ｆ_２|/|ｆ_f２|＝1.906 α/β=0.7
さらに、
コンデンサレンズの焦点距離 ｆ_ｃ=85mm
偏光変換素子に入射するXZ断面の光束幅 D_２=40.5mm
よって、Fno=ｆ_ｃ/D_２＝2.1
このとき、γ_１＝0.561、γ_３＝0.605、γ_４＝0.961であり、条件である。
γ_１＜γ_３＜α/β＜γ_４＜１を満たしている。

これは、数値実施例２よりコントラストを重視したバランス設計である。

図１９、図２０は本発明の照明光学系ＯＥの実施例２の要部概略図である。

本発明の実施例２は、実施例１と同様の光学作用を果たす。

図１９は該照明光学系ＯＥのＸＺ断面であり、図１に相当している。図２０は照明光学系のＹＺ断面であり、図２に相当している。実施例２は圧縮光学系が実施例１に比べて異なっている。

本実施例では、放物リフレクタ１２からの光束を第３の光学素子としての正レンズ（凸レンズ）１３と第１、第２の光学素子としての２つの負シリンドリカルレンズ（凹シリンドリカルレンズ）１４、１６を用いて圧縮している。

光源手段１１から発せられた白色光は、放物リフレクタ１２によって平行光束として射出される。

該平行光束は、ＸＺ断面（第１の断面）及びＹＺ断面（第２の断面）の両者において同一の正の屈折力を持つ（同じで無くても良い）凸レンズ（正レンズ、第３の光学素子）１３によって集光作用を受ける。そして、その凸レンズ１３を出射した光束が、ＸＺ断面において負の屈折力を有する第１の凹シリンドリカルレンズ（第１の光学素子）１４を通過して第１のフライアイレンズ１５に入射する。第１のフライアイレンズ１５に入射した光束は、複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。第１のフライアイレンズ１５から射出した光束は、ＹＺ断面において負の屈折力を有する第２の凹シリンドリカルレンズ（第２の光学素子）１６に入射する。その第２の凹シリンドリカルレンズを通過した後、第２のフライアイレンズ１７を介して偏光変換素子１８の光入射面又は光出射面又はそれらの近傍に複数の２次光源像を形成する。

偏光変換素子１８から射出した複数の分割光束（所定の偏光方向を有する直線偏光）は、コンデンサレンズ１９によって集光され、偏光ビームスプリッタ２０を透過して反射型の液晶パネル２１上で重ね合わされる。

偏光ビームスプリッタ２０には、実施例１で説明したのと同様の偏光分離膜２０ａが設けられている。

第１および第２のフライアイレンズ１５，１７はそれぞれ、複数のレンズセルが２次元方向に配列されて構成されている。

図２１および図２２には、図１９および図２０に示した放物リフレクタ１２から偏光変換素子１８までの各部材における光路の拡大図である。放物リフレクタ１２から射出した平行光束は、凸レンズ１３によって収束光束とされる。

その後、図２１のＸＺ断面では凹レンズ作用を有する第１の凹シリンドリカルレンズ１４で平行光束とされる。

一方、図２２のＹＺ断面では、凸レンズ１３からの収束光束は、凹レンズ作用を有する第２の凹シリンドリカルレンズ１６で平行光束とされる。

すなわち、図２１のＸＺ断面では凸レンズ（第３の光学素子）１３と第１の凹シリンドリカルレンズ（第１の光学素子）１４とによって、光束の圧縮が行われる。又、図２２のＹＺ断面では凸レンズ１３と第２の凹シリンドリカルレンズ（第２の光学素子）１６とによってそれぞれ、光束の圧縮が行われる。

ここでＸＺ断面とＹＺ断面における光束の圧縮比α、βは次のとおりである。

放物リフレクタ１２から射出する時点でのＸＺ断面の光束の幅をＤＸ、ＹＺ断面の光束の幅をＤＹとする。偏光変換素子１８に入射するＸＺ断面の光束の幅をＤＸ’、ＹＺ断面の光束の幅をＤＹ’とする。このとき、ＸＺ断面の圧縮比αと、ＹＺ断面の圧縮比βは
α＝ＤＸ／ＤＸ’
β＝ＤＹ／ＤＹ’
である。

本実施例では、放物リフレクタ１２から凸レンズ１３に平行光束が入射し、凹シリンドリカルレンズ１４，１６からの射出光束が平行光束として偏光変換素子１８に入射する。このため、該圧縮比は凸レンズ１３と凹シリンドリカルレンズ１４，１６までの距離（圧縮距離）で決まる。

図２１に示すように、ＸＺ断面での光束の圧縮は、凸レンズ１３と第１の凹シリンドリカルレンズ１４とで行われるため、圧縮距離はＬ_３である。また、図２２におけるＹＺ断面での光束の圧縮は、凸レンズ１３と第２の凹シリンドリカルレンズ１６とで行われるため、圧縮距離はＬ_４である。

つまり、本実施例では、ＸＺ断面とＹＺ断面とで光束の圧縮比が異なる。具体的には、凸レンズ１３の焦点距離ｆ_凸とし、凹シリンドリカルレンズ１４のＸＺ断面での焦点距離をｆ_凹１とすると、
ＤＸ／ＤＸ’＝｜ｆ_凸｜／｜ｆ_凹１｜
となる。

同様に凹シリンドリカルレンズ１６のＹＺ断面での焦点距離をｆ_凹２とすると、
ＤＹ／ＤＹ’＝｜ｆ_凸｜／｜ｆ_凹２｜
となる。

結局、
圧縮比α＝ ＤＸ／ＤＸ’＝｜ｆ_凸｜／｜ｆ_凹１｜、
圧縮比β＝ ＤＹ／ＤＹ’＝｜ｆ_凸｜／｜ｆ_凹２｜
と表される。

更には、
Ｌ_３＝｜ｆ_凸｜−｜ｆ_凹１｜
であり、
Ｌ_４＝｜ｆ_凸｜−｜ｆ_凹２｜
である。

Ｌ_３／Ｌ_４＜１
であるので、ＹＺ断面での光束の圧縮比βがＸＺ断面での光束の圧縮比αより大きい。すなわち、
α／β＜１
となっている。

このように、本実施例では、放物リフレクタ１２から射出した平行光束を凸レンズ１３で収束光束としている。凸レンズ１３から第１および第２の凹シリンドリカルレンズ１４，１６までの距離差を利用して、ＸＺ断面よりも大きな光束圧縮比をＹＺ断面で得ている。

このため、実施例１と同様に、第１および第２のフライアイレンズ１５，１７の厚み増加やこれに伴う照明効率の低下を抑制しつつ、ＹＺ断面で必要な光束圧縮比を実現することができる。

これにより、偏光ビームスプリッタ２０における光束角度分布に敏感な方向（ＹＺ断面方向）での光束角度分布を小さくして、投射画像の明るさむらやコントラストの低下を抑制しながら、明るい画像を投射面（スクリーン面）に投射することができる。

本実施例については実施例１に比べて圧縮比αとβを決定する圧縮光学系の構成が異なるだけである。従って実施例１で示した各条件式の関係が成り立つ。

本実施例では、フライアイレンズとは別のレンズとしての凹シリンドリカルレンズを用いた場合について説明した。変形例として、実施例１のようにフライアイレンズのレンズセルを偏心させることで凹レンズ作用を与えてもよい。偏心によって凹レンズ作用を与える場合、部品点数の削減となり、容易に構成することができる。

図３２、図３３は実施例２において一部を変更したときのＸＺ断面とＹＺ断面の要部概略図である。

図３２、図３３の実施例では、図１９、図２０の実施例２に比べて第１、第２の凹シリンドリカルレンズ１４、１６を除去している。それに代わり、図３２では第１のフライアイレンズ１５の偏心によって凹レンズ作用を持たせている。又、図３３では第２のフライアイレンズ１７の偏心によって凹レンズ作用を持たせている。

また、フライアイレンズ１５、１７におけるレンズセル面とは反対側の面に凹シリンドリカル面を設けてもよい。

次に本発明の照明光学系の実施例２の具体的な光学系の概略図及び数値実施例を示す。

［数値実施例４］
図２３（Ａ）、（Ｂ）は本発明の照明光学系の数値実施例４のＸＺ断面とＹＺ断面の概略図である。

凸レンズと第1凹シリンドリカルレンズ間距離 L_１＝16.3mm
凸レンズと第2凹シリンドリカルレンズ間距離 L_２＝45.9mm
このとき、
凸レンズの焦点距離 ｆ_凸＝125mm
第1凹シリンドリカルレンズの焦点距離 ｆ_凹1＝-108.7mm
第2凹シリンドリカルレンズの焦点距離 ｆ_凹２＝-82.8mm
以上から、α＝|ｆ_凸|/|ｆ_凹1|＝1.15 β＝|ｆ_凸|/|ｆ_凹２|＝1.58 α/β=0.728
さらに、
コンデンサレンズの焦点距離 ｆ_ｃ=82mm
偏光変換素子に入射するXZ断面の光束幅 D_６=44.3mm
よって、Fno=ｆ_ｃ/D_６＝1.85
このとき、γ_１＝0.427、γ_３＝0.487、γ_４＝0.951であり、条件である。
γ_１＜γ_３＜α/β＜γ_４＜１を満たしている。

これは、数値実施例１に対して明るさを重視した設計である。

［数値実施例５］
図２４（Ａ）、（Ｂ）は本発明の照明光学系の数値実施例５のＸＺ断面とＹＺ断面の概略図である。

凸レンズと第1凹シリンドリカルレンズ間距離 L_１＝19.5 mm
凸レンズと第2凹シリンドリカルレンズ間距離 L_２＝65.1mm
このとき、
凸レンズの焦点距離 ｆ_凸＝195mm
第1凹シリンドリカルレンズの焦点距離 ｆ_凹１＝-175.5mm
第2凹シリンドリカルレンズの焦点距離 ｆ_凹２＝-129.9mm
以上から、α＝|ｆ_凸|/|ｆ_凹1|＝1.111 β＝|ｆ_凸|/|ｆ_凹２|＝1.502 α/β=0.74
さらに、
コンデンサレンズの焦点距離 ｆ_ｃ=115mm
偏光変換素子に入射するXZ断面の光束幅 D_６=46.9mm
よって、Fno=ｆ_ｃ/D_６＝2.45
このとき、γ_１＝0.71、γ_３＝0.737、γ_４＝0.972であり、条件である。
γ_１＜γ_３＜α/β＜γ_４＜１を満たしている。

これは、数値実施例１に対してコントラストを重視した設計である。本実施例において好ましくは条件式（１）は、
０．７２８≦α／β＜１ ・・・（１ｄ）
とするのが良い。

図２５、図２６は本発明の照明光学系の実施例３の要部概略図である。

本発明の実施例３は実施例１と同様の光学作用を果たす。図２５は照明光学系ＯＥのＸＺ断面であり、図１に相当している。図２６は照明光学系ＯＥのＹＺ断面であり、図２に相当している。実施例３は圧縮光学系が実施例１、２と異なっている。

本実施例では両凸形状のトーリックレンズ３３と両凹形状のトーリックレンズ３４を用いて光束を圧縮している。

本実施例の圧縮系は、第１、第２の断面内において互いに正の屈折力が異なる第４の光学素子３３と、第１、第２の断面において互いに負の屈折力が異なる第５の光学素子３４とを有している。

ここで第４、第５の光学素子はいずれもトーリックレンズである。

光源手段３１から発せられた白色光は、放物リフレクタ３２によって平行光束として射出される。

平行光束は、両凸トーリックレンズ３３によって収束光束とされ、さらに両凹トーリックレンズ３４を透過して第１のフライアイレンズ３５に入射する。第１のフライアイレンズ３５に入射した光束は、複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。第１のフライアイレンズ３５から射出した光束は、第２のフライアイレンズ１７を介して偏光変換素子３７、光入射面又は光出射面又はその近傍に２次光源像を形成する。

偏光変換素子３７から射出した複数の分割光束（所定の偏光方向を有する直線偏光）は、コンデンサレンズ３８によって集光され、偏光ビームスプリッタ３９を透過して反射型の液晶パネル４０上で重ね合わされる。偏光ビームスプリッタ３９には、実施例１で説明したのと同様の偏光分離膜３９ａが設けられている。

第１および第２のフライアイレンズ３５，３６はそれぞれ、複数のレンズセルが２次元方向に配列されて構成されている。

図２７および図２８には、図２５および図２６に示した放物リフレクタ３２から偏光変換素子３７までの各部材における光路の拡大図である。

両凸トーリックレンズ３３を通過した光束は収束光束であるが、ＸＺ断面およびＹＺ断面において凹レンズ作用を有する両凹トーリックレンズ３４によって平行光束とされる。

すなわち、ＸＺ断面およびＹＺ断面の双方において、両凸トーリックレンズ３３と両凹トーリックレンズ３４とによって光束の圧縮が行われる。

ここでＸＺ断面とＹＺ断面における光束の圧縮比α、βは次のとおりである。

放物リフレクタ３２から射出する時点でのＸＺ断面の光束の幅をＤＸ、ＹＺ断面の光束の幅をＤＹとする。偏光変換素子１８に入射するＸＺ断面の光束の幅をＤＸ’、ＹＺ断面の光束の幅をＤＹ’とする。このとき、ＸＺ断面の圧縮比αと、ＹＺ断面の圧縮比βは
α＝ＤＸ／ＤＸ’
β＝ＤＹ／ＤＹ’
である。

本実施例では、放物リフレクタ１２から両凸トーリックレンズ３３に平行光束が入射し、両凹トーリックレンズ３４からの射出光束が平行光束として偏光変換素子３７に入射する。

このため、該圧縮比は、両凸トーリックレンズ３３および両凹トーリックレンズ３４のＸＺ断面およびＹＺ断面での焦点距離で決まる。

具体的には、両凸トーリックレンズ３３のＸＺ断面での焦点距離をＴ１ｘとし、ＹＺ断面での焦点距離をＴ１ｙとする。また、両凹トーリックレンズ３４のＸＺ断面での焦点距離をＴ２ｘとし、ＹＺ断面での焦点距離をＴ２ｙとする。

この場合、
ＤＸ／ＤＸ’＝｜Ｔ１ｘ｜／｜Ｔ２ｘ｜となり、ＤＹ／ＤＹ’＝｜Ｔ１ｙ｜／｜Ｔ２ｙ｜
となる。

結局、
圧縮比（圧縮率）α＝ＤＸ／ＤＸ’＝｜Ｔ１ｘ｜／｜Ｔ２ｘ｜、
圧縮比（圧縮率）β＝ＤＹ／ＤＹ’＝｜Ｔ１ｙ｜／｜Ｔ２ｙ｜
と表される。さらに、トーリックレンズ３３、３４の焦点距離は、
Ｔ１ｘ／Ｔ２ｘ＞１
Ｔ１ｙ／Ｔ２ｙ＞１
Ｔ１ｘ／Ｔ１ｙ＞１
Ｔ２ｘ／Ｔ２ｙ＞１
の関係にある。

したがって、ＹＺ断面での光束の圧縮比βがＸＺ断面での光束の圧縮比αより大きい。両凸トーリックレンズ３３から両凹レンズ３４までの距離L５は同じであるが、各断面の焦点距離によって圧縮比が変わる。

このように、本実施例では、放物リフレクタ３２から射出した平行光束を両凸トーリックレンズ３３で収束光束としている。

両凸トーリックレンズ３３および両凹トーリックレンズ３４のＸＺ断面およびＹＺ断面での焦点距離の差を利用して、ＸＺ断面よりも大きな光束圧縮比をＹＺ断面で得ている。このため、実施例１と同様に、第１および第２のフライアイレンズ３５，３７の厚み増加やこれに伴う照明効率の低下を抑制しつつ、ＹＺ断面で必要な光束圧縮比を実現することができる。

これにより、偏光ビームスプリッタ３９における光束角度分布に敏感な方向（ＹＺ断面方向）での光束角度分布を小さくして投射画像の明るさむらやコントラストの低下を抑制しながら、明るい画像を投射面に投射することができる。

また、本実施例についても圧縮比αとβを決定する圧縮光学系の構成が異なるだけであるから実施例１で示した各条件式の関係が成り立つ。

次に本発明の照明光学系の実施例３の具体的な光学系の概略図及び数値実施例を示す。

［数値実施例６］
図２９（Ａ）、（Ｂ）は本発明の数値実施例６のＸＺ断面とＹＺ断面の概略図である。
トーリックレンズ間距離 L_５＝40mm
両凸トーリックレンズのxz断面焦点距離 T1x＝200mm
両凸トーリックレンズのyz断面焦点距離 T1y＝135.1mm
両凹トーリックレンズのxz断面焦点距離 T2x＝160mm
両凹トーリックレンズのyz断面焦点距離 T2y＝95.1
以上から、α=|T1ｘ|/|T2ｘ|＝1.25 β=|T1y|/|T2ｙ|＝1.42 α/β=0.88
さらに、
コンデンサレンズの焦点距離 ｆ_ｃ=119mm
偏光変換素子に入射するXZ断面の光束幅 D_１０=43.3mm
よって、Fno=ｆ_ｃ/D_１０＝2.75
このとき、γ_１＝0.803、γ_３＝0.819、γ_４＝0.979であり、条件である。
γ_１＜γ_３＜α/β＜γ_４＜１を満たしている。
これは、数値実施例１に比べ、コントラストに比重を置いた設計である。

［数値実施例７］
図３０（Ａ）、（Ｂ）は本発明の参考例としての数値実施例７のＸＺ断面とＹＺ断面の概略図である。
トーリックレンズ間距離 L_５＝60mm
両凸トーリックレンズのxz断面焦点距離 T1x＝240mm
両凸トーリックレンズのyz断面焦点距離 T1y＝112.1mm
両凹トーリックレンズのxz断面焦点距離 T2x＝180mm
両凹トーリックレンズのyz断面焦点距離 T2y＝52.1
以上から、α=|T1ｘ|/|T2ｘ|＝1.333 β=|T1y|/|T2ｙ|＝2.15 α/β=0.62
さらに、
コンデンサレンズの焦点距離 ｆ_ｃ=85mm
偏光変換素子入射するXZ断面の光束幅 D_１０=40.6mm
よって、Fno=ｆ_ｃ/D_１０＝2.1
このとき、γ_１＝0.561、γ_３＝0.605、γ_４＝0.961であり、条件である。
γ_１＜γ_３＜α/β＜γ_４＜１を満たしている。
これは、明るさとコントラスト双方をバランスした設計である。

本発明の実施例１である照明光学系のＸＺ断面図 実施例１の照明光学系のＹＺ断面図 実施例１で用いられる偏光ビームスプリッタを示すＹＺ断面図 実施例１で用いられる第１のフライアイレンズの斜視図 図４の第１のフライアイレンズの光学作用を説明する図 実施例１で用いられる第２のフライアイレンズの斜視図 実施例１におけるリフレクタから偏光変換素子までの光路のＸＺ断面拡大図 実施例１におけるリフレクタから偏光変換素子までの光路のＹＺ断面拡大図 照明光学系の明るさの変化をＦｎｏと非対称圧縮比で表した図 照明光学系の入射角度ごとの漏れ光率を表す図 照明光学系のコントラストの変化をＦｎｏと非対称圧縮比で表した図 照明光学系の明るさとコントラストの変化を表した図 照明光学系の明るさとコントラストの積の変化をＦｎｏと非対称圧縮比で表した図 照明光学系のＦｎｏごとに明るさとコントラストの両立に非対称圧縮が有効となる非対称圧縮比と最適な圧縮比を示す図 照明光学系のＦｎｏごとに非対称圧縮のより望ましい範囲を示す図 数値実施例１の構成を表す断面図 数値実施例２の構成を表す断面図 数値実施例３の構成を表す断面図 本発明の実施例２である照明光学系のＸＺ断面図 実施例２の照明光学系のＹＺ断面図 実施例２におけるリフレクタから偏光変換素子までの光路のＸＺ断面拡大図 実施例２におけるリフレクタから偏光変換素子までの光路のＹＺ断面拡大図 数値実施例４の構成を表す断面図 数値実施例５の構成を表す断面図 本発明の実施例３である照明光学系のＸＺ断面図。 実施例３の照明光学系のＹＺ断面図。 実施例３におけるリフレクタから偏光変換素子までの光路のＸＺ断面拡大図 実施例３におけるリフレクタから偏光変換素子までの光路のＹＺ断面拡大図 数値実施例６の構成を表す断面図 数値実施例７の構成を表す断面図 図１の第２のフライアイレンズの光学作用を説明する図 本発明の実施例２である照明光学系の変形例を示すＸＺ断面図 実施例２の照明光学系の変形例を示すＹＺ断面図 図１の偏光変換素子の要部断面図

符号の説明

１，１１，３１ 光源
２，１２，３２ リフレクタ
３，１５，３５ 第１のフライアイレンズ
４，１７，３６ 第２のフライアイレンズ
５，１８，３７ 偏光変換素子
６，１９，３８ コンデンサレンズ
７，２０，３９ 偏光ビームスプリッタ
８，２１，４０ 反射型液晶パネル
９ 投射レンズ
１３ 凸レンズ
１４，１６ 凹シリンドリカルレンズ
３３ 両凸トーリックレンズ
３４ 両凹トーリックレンズ

Claims (10)

1. 光源からの光束を被照射面に導光する照明光学系であって、
   前記光源からの光束を反射して光束を出射するリフレクタと、
   前記照明光学系の光軸を含み互いに直交する第１の断面と第２の断面において、光束径を互いに異なる圧縮比で圧縮する圧縮系と、
   前記圧縮系から出射する光束の偏光状態を揃えて出射する偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子を出射した光束が入射する偏光分離面を有し、
   前記光源からの光束は平行光束とされて前記偏光変換素子に入射しており、
   前記第２の断面は、前記偏光分離面の法線と前記照明光学系の光軸とに平行な断面であり、
   αを、前記リフレクタの出射面における前記第１の断面での光束幅ＤＸと前記偏光変換素子の入射面における前記第１の断面での光束幅ＤＸ’との比ＤＸ／ＤＸ’、
   βを、前記リフレクタの出射面における前記第２の断面での光束幅ＤＹと前記偏光変換素子の入射面における前記第２の断面での光束幅ＤＹ’との比ＤＹ／ＤＹ’、
   前記第１の断面と前記第２の断面内における被照射面に入射する光束の最大角度から算出されるＦナンバーのうち小さい方のＦナンバーをＦｎｏとするとき、
   ０．７≦α／β＜１
   １．４≦Ｆｎｏ≦３．６
   なる条件を満足することを特徴とする照明光学系。
2. 前記圧縮系は、
   前記第１、第２の断面内のうち一方において負の屈折力を有する第１の光学素子と、
   他方において前記第１の光学素子の屈折力とは異なる負の屈折力を有する第２の光学素子を有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記圧縮系は、前記光源側から順に、
   前記第１、第２の断面内で同一の正の屈折力を有する第３の光学素子と、
   前記第１、第２の断面内のうち一方において負の屈折力を有する第１の光学素子と、
   他方において前記第１の光学素子の屈折力とは異なる負の屈折力を有する第２の光学素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記第１、第２の光学素子は、それぞれ複数のレンズセルより成るレンズアレイから成り、該複数のレンズセルのうち一部のレンズセルは偏心していることを特徴とする請求項２又は３に記載の照明光学系。
5. 前記圧縮系は、
   前記第１、第２の断面内において互いに正の屈折力が異なる第４の光学素子と、
   前記第１、第２の断面において互いに負の屈折力が異なる第５の光学素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
6. 前記第４、第５の光学素子はいずれもトーリックレンズであることを特徴とする請求項５の照明光学系。
7. 前記偏光変換素子からの光束を集光し、前記被照射面に導光するコンデンサレンズを有し、
   前記偏光分離面が、前記コンデンサレンズと前記被照射面との間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の照明光学系。
8. 前記圧縮系は、前記光源からの光束を平行光束として前記偏光変換素子に入射していることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の照明光学系。
9. 前記圧縮比α、βは、
   １．０５＜α
   １．１＜β
   であることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の照明光学系。
10. 請求項１乃至９いずれかに記載のいずれか１項に記載の照明光学系と、
    １以上の画像表示素子と、
    前記画像表示素子の画像を投射する投射光学系を有することを特徴とする投射型表示装置。