CN101334521B - 照射光学系统和使用其的投射型图像显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供照射光学系统和使用其的投射型图像显示设备。所述照射光学系统被配置为：将来自光源单元的光通量引导到被照表面上，所述照射光学系统包括：压缩系统，被配置为：在第一截面和第二截面中以不同压缩率压缩光通量，所述第一截面和第二截面彼此正交；以及偏振光分离单元，包括偏振分离表面。所述第二截面包括垂直于所述偏振分离表面的直线。其中当在所述第一截面中的用于压缩光通量的压缩率是α，在所述第二截面中的压缩率是β，并且在所述第一截面和所述第二截面中根据入射在被照表面上的光通量的最大角度所计算的F数中的较小F数是Fno时，满足以下条件：-0.18＊(Fno) ²+1.245＊(Fno)-1.260＜α/β＜1，1.4≤Fno≤3.6。

Description

照射光学系统和使用其的投射型图像显示设备

技术领域

本发明涉及一种照射光学系统，其被配置为：以来自光源单元的光通量照射表面。更具体地说，本发明涉及一种投射型图像显示设备(例如液晶投影仪)，其被配置为：使用所述照射光学系统来照射在被照表面上所提供的诸如液晶板之类的图像显示元件，并且将来自所述图像显示元件的光投射到诸如屏幕之类的投射表面上。

背景技术

各种类型的传统投影仪利用投射透镜将光通量放大并且投射到屏幕上，所述光通量是已经通过使用诸如液晶显示元件之类的图像显示元件根据图像信息而被调制的。关于类似于此的投影仪，强烈期望投射在屏幕上的图像在整个图像上具有几乎均匀的亮度。

(使用反射型液晶显示元件的)传统图像投射型照射光学系统从其光源单元发射光通量作为由抛物面反射器所反射的基本平行的光。平行光通量在第一透镜阵列中被分离和聚光。每一分离的光通量被在第二透镜阵列的附近聚光，以形成光源单元图像(二次光源图像)。构成每一透镜阵列的透镜具有与作为被照表面的液晶板类似的矩形形状。

已经从第二透镜阵列出射的多个分离的光通量被聚光透镜聚光，并且经由色彩分离/组合光学系统被叠加到液晶显示元件上，以照射该液晶显示元件。

在色彩分离/组合光学系统中使用包括二向色膜和偏振分离膜的光学元件(二向色棱镜或偏振光束分离器)。

为了在类似于此的照射光学系统中增加光使用效率，入射在被照表面上的光通量的角度分布通常变得很大。相应地，在照射光学系统中使用具有敏感角度特性的光学元件的情况下，可能出现各种问题。

例如，在照射光学系统中可能使用诸如偏振分离膜(偏振光束分离器)之类的光学元件。当光通量入射在偏振分离膜上时，接收具有47度至49度的入射角的入射在偏振分离膜上的光通量的光学元件的角度特性低于接收具有45度角的入射在偏振分离膜上的光通量的光学元件。随着入射角与45度特定角的偏离变大，特性变得更严重地劣化。特性的劣化可能引起漏光现象，这可能导致图像质量的劣化。

日本专利申请特开第2000-206463号和日本专利申请特开第06-75200号讨论了使用非对称光学元件的照射光学系统，该非对称光学元件的角度分布在光学元件对于角度分布敏感的方向上相对小，而在光学元件对于角度分布不敏感的方向上相对大。

在如日本专利申请特开第2000-206463号中所讨论的反射型液晶投影仪中，孔径光阑的外部尺寸在光学元件对光通量的角度分布敏感的方向上较小，而在光学元件对光通量的角度分布不敏感的方向上较大。

在日本专利申请特开第2000-206463号中所讨论的照射光学系统中，因为在照射光学系统中所提供的第二复眼透镜实质上运行为孔径光阑，所以该第二复眼透镜具有非对称外部形状(尺寸)。在这样的第二复眼透镜中，入射在光学元件上的光通量的角度分布关于对于角度分布敏感的方向与对于角度分布不敏感的方向是不对称的。

然而，在日本专利申请特开第2000-206463号中所讨论的光学系统中，因为根据光阑来确定入射角，所以大量亮度倾向于损失。

在日本专利申请特开第06-75200号中所讨论的照射光学系统中，聚光透镜在液晶板紧之前对光通量聚光。相应地，不能防止图像质量劣化，该图像质量劣化可能是由于设置在聚光透镜之后的诸如液晶板或二向色镜之类的对于角度分布具有高敏感度的光学元件而发生的。因此，所照射的光通量在液晶板上的分布可能变化，这可能带来投射到投射屏幕上的图像的不均匀亮度。

发明内容

本发明旨在一种照射光学系统，其能够以高亮度级别均匀地照射图像显示元件，同时在光学元件的角度分布敏感的光学元件截面中保持小的角度分布。本发明还旨在一种投射型图像显示设备，其能够使用所述照射光学系统来投射具有高对比度和高亮度的图像。

本发明的第一方面提供一种照射光学系统，被配置为：将来自光源单元的光通量引导到被照表面上，所述照射光学系统包括：压缩系统，被配置为：在第一截面和第二截面中以不同压缩率压缩从所述光源单元发射的光通量，所述第一截面和第二截面彼此正交并且都包括所述照射光学系统的光轴；以及偏振光分离装置，包括偏振分离表面，其中所述第二截面是包括所述偏振分离表面的法线的平面；并且其中满足以下条件：

-0.18＊(Fno)²+1.245＊(Fno)-1.260＜α/β＜1

1.4≤Fno≤3.6，

其中α和β分别是在所述第一截面和所述第二截面中的用于压缩光通量的压缩率，并且Fno是在所述第一截面和所述第二截面中根据入射在被照表面上的光通量的最大角度所计算的两个F数中的较小F数。

根据本发明的第二方面，提供了一种投射型显示设备，包括：图像显示元件；如上所述的照射光学系统，被配置为：照射所述图像显示元件；以及投射光学系统，被配置为：对来自所述图像显示元件的图像光进行投射。

从以下结合附图对示例性实施例的详细描述，本发明的进一步的特征和方面将变得明了。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出本发明的示例性实施例、特征和方面，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明第一示例性实施例的照射光学系统的X-Z截面。

图2是根据本发明第一示例性实施例的照射光学系统的Y-Z截面。

图3是示出根据本发明第一示例性实施例的偏振光束分离器的示例的Y-Z截面。

图4示出根据本发明第一示例性实施例的第一复眼透镜的示例。

图5示出根据本发明第一示例性实施例的图4所示的第一复眼透镜的光学效果的示例。

图6示出根据本发明第一示例性实施例的第二复眼透镜的示例。

图7是示出根据本发明第一示例性实施例的从反射器到偏振转换元件的光路在X-Z截面中的放大视图。

图8是示出根据本发明第一示例性实施例的从反射器到偏振转换元件的光路在Y-Z截面中的放大视图。

图9示出根据本发明第一示例性实施例的照射光学系统的照射亮度的变化，该变化由F数(Fno)和非对称压缩率来指示。

图10示出在根据本发明第一示例性实施例的照射光学系统中的每一入射角的漏光率。

图11示出根据本发明第一示例性实施例的使用F数(Fno)和非对称压缩率来指示的照射光学系统的照射对比度的变化。

图12示出根据本发明第一示例性实施例的照射光学系统的亮度和对比度的变化。

图13示出根据本发明第一示例性实施例的使用Fno和非对称压缩率描绘的照射光学系统的亮度与对比度的乘积的变化。

图14示出根据本发明第一示例性实施例的照射光学系统中的非对称压缩率以及最佳压缩率的示例，以所述非对称压缩率使光通量非对称压缩有效，从而实现对于每一Fno的平衡的亮度和对比度。

图15示出根据本发明第一示例性实施例的照射光学系统中的对于每一Fno的非对称压缩的更有用范围的示例。

图16A和图16B是分别示出根据本发明第一示例性实施例的数值示例1的示例性配置的截面。

图17A和图17B是分别示出根据本发明第一示例性实施例的数值示例2的示例性配置的截面。

图18A和图18B是分别示出根据本发明第一示例性实施例的数值示例3的示例性配置的截面。

图19是根据本发明第二示例性实施例的照射光学系统的X-Z截面。

图20是根据本发明第二示例性实施例的照射光学系统的Y-Z截面。

图21是示出根据本发明第二示例性实施例的从反射器到偏振转换元件的光路在X-Z截面中的放大视图。

图22是示出根据本发明第二示例性实施例的从反射器到偏振转换元件的光路在Y-Z截面中的放大视图。

图23A和图23B是分别示出根据本发明第二示例性实施例的数值示例4的示例性配置的截面。

图24A和图24B是分别示出根据本发明第二示例性实施例的数值示例5的示例性配置的截面。

图25是根据本发明第三示例性实施例的照射光学系统的X-Z截面。

图26是根据本发明第三示例性实施例的照射光学系统的Y-Z截面。

图27是示出根据本发明第三示例性实施例的从反射器到偏振转换元件的光路在X-Z截面中的放大视图。

图28是示出根据本发明第三示例性实施例的从反射器到偏振转换元件的光路在Y-Z截面中的放大视图。

图29A和图29B是分别示出根据本发明第三示例性实施例的数值示例6的示例性配置的截面。

图30A和图30B是分别示出根据本发明第三示例性实施例的数值示例7的示例性配置的截面。

图31示出根据本发明第一示例性实施例的图1所示的第二复眼透镜的光学效果的示例。

图32是示出根据本发明第二示例性实施例的照射光学系统的修改的示例的X-Z截面。

图33是示出根据本发明第二示例性实施例的照射光学系统的修改的示例的Y-Z截面。

图34是示出根据本发明示例性实施例的图1所示的偏振转换元件的示例性组件的截面。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。注意，在这些实施例中所阐述的组件的相对布置、数值表达式以及数值并非旨在限制本发明的范围。

以下描述本发明的示例性实施例。根据本发明示例性实施例的照射光学系统将来自光源单元的光通量引导到被照表面上，在所述被照表面上例如设置了液晶板。

所述照射光学系统包括压缩系统，所述压缩系统被配置为以对于第一截面和第二截面而言不同的压缩率来压缩从光源单元发射的光通量(光通量直径)，所述第一截面和第二截面彼此正交并且都包括照射光学系统的光轴。压缩系统被设置在比偏振转换元件的位置更接近于光源单元的位置，所述偏振转换元件稍后在下文中将详细描述。

进一步地，照射光学系统包括偏振转换元件和聚光透镜。所述偏振转换元件统一光通量的偏振状态，并且使得所述光通量从所述偏振转换元件出射。所述聚光透镜对来自所述偏振转换元件的光通量进行聚光，并且将所述光通量引导至被照表面上，在所述被照表面上设置了液晶板。更进一步地，所述照射光学系统包括偏振光分离单元。所述偏振光分离单元包括：偏振分离表面，其设置在所述聚光透镜与所述被照表面之间的光路内，在所述被照表面上，设置了诸如反射型液晶板之类的图像显示元件。

此外，根据本发明示例性实施例的投射型图像显示设备包括：所述照射光学系统；一个或多个图像显示元件；以及投射光学系统，其将所述一个或多个图像显示元件的图像投射到投射表面上。在此，图2所示的符号9是所述投射光学系统(投射透镜)，来自图像显示元件(图像调制元件)的图像光通量(调制的光通量)投射在投射表面上。

第一示例性实施例

以下描述本发明第一示例性实施例。图1和图2示出使用根据本示例性实施例的照射光学系统的投射型显示设备的组件。

参照图1和图2，照射光学系统OE包括：诸如高压汞放电管之类的光源单元1；以及椭圆反射器(光通量聚光单元)2，其具有凹反射表面(优选的，抛物面形或椭圆形)。

此外，照射光学系统OE包括：第一复眼透镜(透镜阵列)3和第二复眼透镜(透镜阵列)4，它们将光通量分离(分隔)为多个光通量。进一步地，照射光学系统OE包括：偏振转换元件5，其使得入射的偏振光通量或非偏振光通量作为具有预定偏振的线性偏振光通量从偏振转换元件5出射。聚光透镜6将已经从偏振转换元件5出射的部分光通量叠加在被照表面上。

此外，照射光学系统OE包括：偏振光束分离器(偏振光分离单元)7。聚光透镜6利用从偏振转换元件5出射的光经由偏振光束分离器7照射被提供在被照表面上的液晶板(图像显示元件)8。此外，照射光学系统OE包括投射透镜(投射光学系统)9，其将由液晶板8反射的光投射到投射表面(屏幕)上。

从光源单元1发射的光通量被椭圆反射器2转换为聚光光通量。在椭圆反射器2上反射的反射光然后被第一复眼透镜3分离为多个光通量。

被第一复眼透镜3所分离的多个光通量然后经由第二复眼透镜4在偏振转换元件5的光入射表面或光出射表面上或在其附近形成多个二次光源图像。

偏振转换元件5包括多个偏振分离表面5a(图34)和多个反射器5b(图34)以及多个1/2波长板5c(图34)。入射在偏振分离表面5a上的光中的具有预定偏振方向的偏振分量穿过偏振分离表面5a，以从偏振转换元件5出射。

另一方面，入射在偏振分离表面5a上的光中的具有与所述预定偏振方向正交的偏振方向的偏振分量被从偏振分离表面5a反射并反射到反射器5b上。然后，与所述预定偏振方向正交的偏振分量的偏振方向被1/2波长板5c改变90度，并且然后所述偏振分量从偏振转换元件5出射。

由此，偏振转换元件5将入射的非偏振光转换为具有预定偏振方向的线性偏振光。由偏振转换元件5所转换的光然后出射，并且入射在聚光透镜6上。

已经从偏振转换元件5出射的多个分离的光通量穿过偏振光束分离器7的偏振分离表面7a，以叠加在反射型液晶板8上。由此，以具有均匀光分布的照射光通量来照射液晶板8。

已经被图像调制并且由液晶板8反射的光然后再次入射在偏振光束分离器7上。然后，光被偏振光束分离器7的偏振分离表面7a反射，并且被引导到投射透镜9中。投射透镜9将第一复眼透镜3上形成的图像信息在y方向上投射在投射表面(屏幕)上。

在本示例性实施例中，照射光学系统OE的光轴O垂直地穿过液晶板8的板表面的中心。在本示例性实施例中，将光轴O取作Z轴。

在本示例性实施例中，如图3所示，将包括光轴(Z轴)和垂直于偏振光束分离器7的与光轴(Z轴)相交的偏振分离表面7a的直线N的平面(等同于图3的纸平面的平面)取作Y-Z截面(第二截面)。进一步地，将与Y-Z截面正交并且包括光轴的截面取作X-Z截面(第一截面)。注意，在本发明的以下示例性实施例的每一个中，也使用相同的Z轴、X-Z截面和Y-Z截面。

图1示出在X-Z侧(第一截面)上的每一构件的光学布置。X-Z截面是在液晶板8的较长边的方向上的截面。

图2示出在Y-Z截面(第二截面)上的每一构件的光学布置。Y-Z截面是在液晶板8的较短边的方向上的截面。

如图3所示，偏振光束分离器7包括偏振分离膜(偏振分离表面)7a，其由朝向照射光学系统OE的光轴(Z轴)O倾斜的多层膜构成。在本示例性实施例中，将偏振分离表面7a朝向照射光学系统OE的光轴O的倾斜度θ设置为45度。然而，对于角度θ，可以设置40度至50度。

偏振分离膜7a具有分离功能，该功能对在以预定角度入射的光的第一偏振方向上行进的光的80％或多于80％进行反射，并且对在与第一偏振方向正交的第二偏振方向上行进的光的80％或多于80％进行透射。

图4是示出根据本示例性实施例的第一复眼透镜3的一部分的透视图。图5是根据本示例性实施例的第一复眼透镜3的靠近光轴的一部分的X-Z截面。图6是示出根据本示例性实施例的第二复眼透镜4的一部分的透视图。

第一复眼透镜(第一光学元件)3和第二复眼透镜(第二光学元件)4构成压缩系统。压缩系统被设置在光源单元1(或椭圆反射器2)与偏振转换元件5之间。更具体地说，压缩系统被设置在如下位置，即，该位置比光源单元1的位置更接近于被照表面(诸如液晶板之类的图像显示元件)以及比偏振转换元件5的位置更接近于光源单元(光源侧)。

第一复眼透镜3在第一截面或第二截面中具有负折光力。第二复眼透镜4在另一截面中具有与第一复眼透镜3的负折光力不同的负折光力。

第一复眼透镜3由以二维阵列上布置的多个透镜单元3a构成。第二复眼透镜4由以二维阵列布置的多个透镜单元4a构成。第一复眼透镜3的透镜单元3a和第二复眼透镜4的透镜单元4a的光轴O平行于Z轴。

关于第一复眼透镜3，从图4和图5可见，除了被设置在多个透镜单元3a的中心(在光轴上)的透镜单元3a0之外的透镜单元(3a1、3a2等)的光轴O1和O2等中的每一个分别从光轴O1’和光轴O2’向X方向的外侧偏心。光轴O1和O2在Y方向上不偏心。由于这种配置，作为整体，第一复眼透镜3相对于来自椭圆反射器2的光通量而在X-Z截面中具有作为负(凹)透镜的透镜功能(发散功能)。在此，中心轴O1’和O2’指的是穿过透镜单元的外径的中心并且平行于光轴O的轴。

现在，以下将参照图5详细描述第一复眼透镜3的光学效果(透镜功能)。图5示出透镜单元3a0以及透镜单元(外部透镜单元)3a1和3a2，透镜单元3a0被设置在X-Z截面中的光轴O上的第一复眼透镜3的中心部分处，透镜单元3a1和3a2在X方向上与透镜单元3a0邻近。参照图5，分别穿过透镜单元3a1和3a2的中心(外部尺寸中心)P1和P2的会聚射线r1和r2在穿过透镜单元3a1和3a2之后变为平行于光轴O。

可以通过以下配置来实现上述光学效果(透镜功能)。在图5所示的示例中，将透镜单元3a1的表面顶点Q1和透镜单元3a2的表面顶点Q2中的每一个取作光轴O1和O2与透镜单元之间的相交位置。进一步地，在图5所示的示例中，将外部透镜单元3a1的中心P1和外部透镜单元3a2的中心P2中的每一个取作光轴O1’和O2’与透镜单元的表面之间的相交位置。表面顶点Q1(Q2)离开中心P1(P2)向光轴O的外侧偏心(以便从光轴O偏离)。

图6所示的第二复眼透镜4对应于当第一复眼透镜3(图4)绕着光轴O旋转90度时的状态。

关于第二复眼透镜4，除了透镜单元4a的中心透镜单元4a0之外的透镜单元4a1的光轴O3和透镜单元4a2的光轴O4中的每一个在Y方向上离开中心轴O3’和O4’向外部偏心。光轴O3和O4在X方向上不偏心，如图6和图31所示。采用这种配置，作为整体，第二复眼透镜4对于来自椭圆反射器2的光通量在Y-Z截面中具有负(凹)透镜的透镜功能(发散功能)。

现在，以下将参照图31详细描述第二复眼透镜4的光学效果(透镜功能)。图31示出透镜单元4a0以及透镜单元(外部透镜单元)4a1和4a2，透镜单元4a0被设置在Y-Z截面中的光轴O上的第二复眼透镜4的中心部分处，透镜单元4a1和4a2在Y方向上与透镜单元4a0邻近。参照图31，分别穿过透镜单元4a1的中心(外部尺寸中心)R1和透镜单元4a2的中心(外部尺寸中心)R2的会聚射线r3和r4中的每一个在穿过透镜单元4a1和4a2之后变为平行于光轴O。

可以通过以下配置来实现上述光学效果(透镜功能)。在图31所示的示例中，将透镜单元4a1和4a2的表面顶点S1和S2中的每一个取作光轴O3和O4与透镜单元之间的相交位置。进一步地，将外部透镜单元4a1和4a2的中心R1和R2中的每一个取作中心轴O3’和O4’与透镜单元的表面的相交位置。

表面顶点S1(S2)从光轴O向中心R1(R2)的外侧偏心。注意，在图31所示的第二复眼透镜4的示例性配置中，透镜单元的取向(光入射侧和光出射侧的取向)与图5所示的相反。偏心的效果在光入射侧和光出射侧是相同的。

在本示例性实施例中，在偏振光束分离器7对光通量的角度分布敏感的方向上(即在Y-Z截面的方向上)，光通量的角度分布较小。通过这种配置，可以抑制当经由偏振光束分离器7将显示在液晶板8上的图像投射到投射表面上时图像的不均匀的亮度或图像的对比度的劣化。相应地，本示例性实施例可以投射具有高亮度和高对比度的图像。

在本示例性实施例中，与在平行于液晶板8的较短边的Y-Z截面(图2中所示的第二截面)相比，在平行于液晶板8的较长边的X-Z截面(图1中所示的第一截面)中，在液晶板8的板表面上入射的光通量的角度分布更大。

在本示例性实施例中，第一复眼透镜3和第二复眼透镜4被提供在光源单元1与偏振光束分离器7之间作为压缩系统。作为压缩系统，第一复眼透镜3和第二复眼透镜4分别在照射光学系统OE的彼此正交的第一截面(X-Z截面)和第二截面(Y-Z截面)中压缩光通量。

关于光通量的压缩率(平行放大率)，第一截面(X-Z截面)中的压缩率α与第二截面(Y-Z截面)中的压缩率β不同。在本示例性实施例中，压缩率α和β的关系是α＜β。

现在，将描述根据本示例性实施例的第一复眼透镜3和第二复眼透镜4的光通量压缩功能。

图7和图8是示出关于本示例性实施例的组件(椭圆反射器2、第一复眼透镜3、第二复眼透镜4和偏振转换元件5(图1和图2))的光路的放大视图。

参照图7，已经在椭圆反射器2上被反射并且穿过第一复眼透镜3的透镜单元的中心的会聚射线在已经被第一复眼透镜3转换为平行于光轴O的射线之后从X-Z截面出射。另一方面，参照图8，穿过第二复眼透镜4的透镜单元的中心的会聚射线在已经被第二复眼透镜4转换为平行于光轴O的射线之后从Y-Z截面出射。

也就是说，在图7所示的示例中，光通量在X-Z截面中被椭圆反射器2和第一复眼透镜3压缩。另一方面，在图8所示的示例中，光通量在Y-Z截面中被椭圆反射器2和第二复眼透镜4压缩。

术语“光通量的压缩”指的是这样的过程：由椭圆反射器2减小光通量的宽度(光通量直径)，然后通过出射平行光线使得穿过第一复眼透镜3和第二复眼透镜4的透镜单元的中心的光变为平行。更进一步地，对光通量进行压缩的第一复眼透镜3和第二复眼透镜4被称为压缩光学系统(压缩系统)。不仅可以通过本示例性实施例而且还可以通过本发明的其它方面(将在以下详细描述)实现光通量压缩的过程。

光通量压缩率指的是被椭圆反射器2反射的(在垂直于光轴O的方向上的)光通量的宽度“D”与在穿过第一复眼透镜3或第二复眼透镜4之后的光通量的宽度“D’”的比率，即比率“D/D’”。也就是说，可以将压缩率获得为将在由压缩系统进行压缩之前的光通量的直径(宽度)除以在由压缩系统进行压缩之后的光通量的直径(宽度)的结果。例如，当在椭圆反射器2上被反射后即刻的光通量宽度D在穿过第一复眼透镜3(或第二复眼透镜4)之后即刻被减小到一半(D/2)时，压缩率是“2”。

可以通过以下表达式来计算X-Z截面中的压缩率α和Y-Z截面中的压缩率β：

α＝DX/DX’

β＝DY/DY’

其中，“DX”表示在光通量从椭圆反射器2出射(被椭圆反射器2反射)时在X-Z截面(图7)中的光通量的宽度，“DY”表示在光通量从椭圆反射器2出射(被椭圆反射器2反射)时在Y-Z截面(图8)中的光通量的宽度，“DX’”表示在光通量入射在偏振转换元件5上时在X-Z截面(图7)中的光通量的宽度，“DY’”表示在光通量入射在偏振转换元件5上时在Y-Z截面(图8)中的光通量的宽度。

在本示例性实施例中，已经从第一复眼透镜3(第二复眼透镜4)出射的光通量作为平行光通量入射在偏振转换元件5上。因此，可以根据椭圆反射器2与第一复眼透镜3或第二复眼透镜4之间的距离(下文中简称为“压缩距离”)来确定压缩率α和压缩率β。

在图7所示的示例中，因为光通量被椭圆反射器2和第一复眼透镜3压缩，所以压缩距离等同于在X-Z截面中的距离L₁。另一方面，在图8所示的示例中，因为光通量被椭圆反射器2和第一复眼透镜4压缩，所以压缩距离等同于在Y-Z截面中的距离L₂。相应地，本示例性实施例对于X-Z截面和Y-Z截面使用不同的光通量压缩率。

更具体地说，可以通过以下表达式计算压缩率α：

α＝DX/DX’＝|f₂|/|f_f1|

其中，“f₂”表示椭圆反射器2的焦距，“f_f1”表示通过会聚透镜效果获得的第一复眼透镜3在X-Z截面中的焦距。

类似地，可以通过以下表达式计算压缩率β：

β＝DY/DY’＝|f₂|/|f_f2|

其中，“f_f2”表示通过会聚透镜效果获得的第二复眼透镜4在Y-Z截面中的焦距。更进一步地，可以将距离L₁和L₂表示如下：

L₁＝|f₂|-|f_f1|

L₂＝|f₂|-|f_f2|。

由于L₁/L₂＜1，因此Y-Z截面中的光通量压缩率β大于X-Z截面中的光通量压缩率α。也就是说，

α/β＜1。

如上所述，在本示例性实施例中，会聚光通量从椭圆反射器2出射。因此，本示例性实施例使用椭圆反射器2与第一复眼透镜3和第二复眼透镜4之间的距离差，来实现在Y-Z截面中比在X-Z截面中更大的光通量压缩率。相应地，在本示例性实施例中，亮度的损失小于使用通过第二复眼透镜的形状实现的孔径效应从而获得X-Z截面和Y-Z截面中的光通量角度分布的不同的设备。

在本示例性实施例中，在偏振光束分离器7对光通量的角度分布敏感的方向上(Y-Z截面的方向上)，光通量的角度分布较小。由此，本示例性实施例可以减少在经由偏振光束分离器7将显示在液晶板8上的图像投射到投射表面上时图像的不均匀亮度或图像的对比度劣化。相应地，本示例性实施例可以以高亮度和高对比度将图像投射到投射表面(屏幕表面)上。

可以基于入射在被照表面上的光通量的最大入射角计算照射光学系统的F数Fno(下文中简称为“Fno”)。也就是说，Fno被定义为除法“f_c/D”的商，其是通过将入射在偏振转换元件5上的光通量D的宽度除以聚光透镜6的焦距f_c而计算出的。

由于对于光通量宽度而言DX’＞DY’，因此X-Z截面中的Fno与Y-Z截面中的Fno不同。下文中，Fno是X-Z截面中的值，其比如上所述定义的Y-Z截面中的Fno更小。

在本示例性实施例中，投射图像的投射图像亮度L与Fno以及压缩率α与压缩率β之间的比率α/β有关。下文中，将压缩率α/β简称为“α/β”。

可以通过以下表达式来计算与Fno和α/β均有关的亮度L的程度：

L＝{-1.94＊(α/β)⁴+3.86＊(α/β)²}＊(1/Fno)。

随着Fno变大或者α/β变小，亮度L减小，并且投射图像的亮度降低。

图9示出根据本示例性实施例的在使用Fno和α/β作为参数的情况下的亮度L。

可以基于对于射线的每个入射角的漏光率来计算投射图像的对比度。“漏光率”指的是甚至当显示黑色图像时到达投射表面(屏幕)的光的比率。

图10示出根据本示例性实施例的射线的每个入射角的示例性漏光率。参照图10，该图的中央部分与垂直于液晶板8的直线的方向对应。入射角在外围部分较大，这表示随着入射角变大，漏光率变大。根据入射角确定漏光映射的值。因此，算出的对比度与Fno和α/β均有关，Fno和α/β确定从照射光学系统发射的光通量相对于液晶板的入射角，Fno和α/β在设计照射光学系统时被确定。

可以通过以下表达式来计算可以与Fno和α/β均有关地计算出的对比度C的程度：

C＝1-{(1.567＊(α/β)²+0.89)＊(1/Fno)^7/4}。

随着Fno变大或者α/β变小，所得到的对比度C增大，这表示对比度C变得更高。

图11示出根据本示例性实施例的在使用Fno和α/β作为参数的情况下的对比度C。在增大亮度L和对比度C两者的情况下，亮度L和对比度C两者均移动到坐标系的正方向，在所述坐标系中，将亮度L取作水平轴，将对比度C取作垂直轴。

图12示出根据本示例性实施例的将亮度L取作水平轴并将对比度C取作垂直轴的曲线图。参照图12，亮度L朝向右边变得更高，对比度C朝向上边变得更高。也就是说，亮度L和对比度C两者均朝向右上部变得更高。

参照图12，曲线M10表示当α/β＝1时的亮度和对比度。曲线M09表示当α/β＝0.9时的亮度和对比度。曲线M085表示当α/β＝0.85时的亮度和对比度。曲线M075表示当α/β＝0.75时的亮度和对比度。曲线M07表示当α/β＝0.7时的亮度和对比度。

在图12中，曲线M09位于上述这些曲线的最右上部。在与曲线M09对应的非对称光通量压缩的情况下，与对应于对称压缩的曲线M10相比，亮度L和对比度C两者均增大。进一步地，对于与位于曲线M10的右上部的曲线M085对应的压缩，根据光通量的非对称压缩的效果，亮度L和对比度C两者均比与曲线M10对应的压缩增大了。

另一方面，在与位于曲线M10的左下部的曲线M075对应的压缩的情况下，亮度L和对比度C两者均比与曲线M10对应的压缩减小了。也就是说，通过使用比1小的α/β，也就是通过使用光通量的非对称压缩的效果，亮度L和对比度C两者均增大。然而，在α/β的特定值(峰值)处，亮度L和对比度C两者均开始减小。存在表现出由于光通量非对称压缩而产生的效果的α/β的最小值。

本示例性实施例使用L＊C的乘积W(即亮度L和对比度C的乘积)作为估计函数。可以使用Fno和α/β作为参数来将乘积W表示为函数“W(Fno，α/β)”。如果亮度L和对比度C的乘积变大，则对应曲线上的乘积W在曲线图上移动到右上位置。也就是说，如果函数“W(Fno，α/β)”的值变大，则亮度L和对比度C两者均变高。

图13示出根据本示例性实施例的将Fno值取作其水平轴并且将函数W(Fno，α/β)的值取作其垂直轴的曲线图。参照图13，曲线W10示出当α/β＝1时的亮度和对比度的乘积。曲线W09示出当α/β＝0.9时的亮度和对比度的乘积。曲线W08示出当α/β＝0.8时的亮度和对比度的乘积。曲线W07表示当α/β＝0.7时的亮度和对比度的乘积。曲线W06表示当α/β＝0.6时的亮度和对比度的乘积。如果取当Fno＝2.25时的乘积W的值，则对于曲线W07至曲线W09中每一个的乘积W的值大于曲线W10的乘积W的值。对于曲线W06的乘积W的值小于曲线W10的乘积W的值。如果更仔细地检查曲线W07至曲线W09中的每一个，则发现曲线W08的乘积W的值是对于该Fno的乘积W的最大值。

可以通过使用小于1的α/β来增大函数“W(Fno＝2.25，α/β)”的值。然而，在α/β＝0.8作为峰值的情况下，随着α/β变小，函数“W”的值减小。在α/β＝0.6附近，函数W(Fno＝2.25，α/β)的值变得比W(Fno＝2.25，α/β＝1)小，并且不能实现光通量的非对称压缩的效果。也就是说，存在表现出由于光通量非对称压缩而产生的效果的α/β的最小值。

在本示例性实施例中，Fno＝2.25。然而，Fno的值不限于2.25。进一步地，如果Fno＝2.25，则用于实现光通量的非对称压缩的效果的α/β的最小值是大约0.63。

也就是说，在设置Fno的任意值的情况下，α/β的值必需等于或大于特定最小值γ₁，以满足条件W(Fno，α/β)＞W(Fno，α/β＝1)，并且实现光通量的非对称压缩的效果。如果超出最小值γ₁，则不能实现光通量的非对称压缩的效果。相应地，在对光通量进行非对称压缩时，基于Fno值使用在γ₁＜α/β＜1的范围内的α/β是有用的。

图14示出根据本示例性实施例的指示每一Fno值的最小值γ₁的示例性曲线S1。

根据图14所示的曲线，具有最小值γ₁的非对称压缩率α/β可以被表示为Fno的函数：“α/β＝-0.18＊(Fno)²+1.245＊(Fno)-1.260”。在此，如果Fno＝2.25，则α/β＝0.63。

因此，在对光通量进行非对称压缩时，将压缩光学系统的压缩率α/β设置在可以满足以下表达式的范围内是有用的：

-0.18＊(Fno)²+1.245＊(Fno)-1.260＜α/β＜1                  (1)

其中，

1.4≤Fno≤3.6                                               (2)

1＜α＜β                                                   (3)。

进一步地，在α/β最大值γ₂处，可以获得函数W(Fno，α/β)的最大值。α/β最大值γ₂位于γ₁＜γ₂＜1的范围内。函数W(Fno，α/β)的值随着α/β更为靠近最大值γ₂而增大。

例如，如果Fno＝2.25，则γ₂(α/β)的值在0.80附近，如图13所示。相应地，如果压缩率α/β在γ₃≤α/β≤γ₄的范围内，其中，γ₃和γ₄可以满足γ₁＜γ₃＜γ₂＜γ₄＜1，则这更为有用。

图15示出根据本示例性实施例的分别指示每一Fno的示例性α/β最大值γ₁-γ₄的曲线S1-S4。

为了实现更高的光通量的非对称压缩的效果，更有用的是，将值γ₃设置为朝向γ₂比γ₁的值大20％，并且将值γ₄设置为朝向γ₂比1的值大20％。也就是说，γ₃＝0.8γ₁+0.2γ₂并且γ₄＝0.8+0.2γ₂。可以通过以下表达式将γ₃和γ₄表示为Fno的函数：

γ₃＝-0.159＊(Fno)²+1.101＊(Fno)-1.006

γ₄＝-0.011＊(Fno)²+0.082＊(Fno)+0.837。

因此，由于γ₃≤α/β≤γ₄，因此如果光通量压缩设置可以满足以下表达式，则这更为有用：

-0.159＊(Fno)²+1.101＊(Fno)-1.006≤α/β

≤-0.011＊(Fno)²+0.082＊(Fno)+0.837                          (1a)

更具体地说，如果α/β大于0.5并且小于0.95，则这是有用的。如果α/β大于0.6并且/或者小于0.92，则这更为有用。如果α/β大于0.69并且/或者小于0.89，则这甚至更为有用。

进一步地，如果压缩率α和β满足以下条件，则这是有用的：

1.05＜α

1.1＜β。

如果压缩率α大于1.11并且/或者小于1.5，则这更为有用。如果压缩率α大于1.23并且/或者小于1.37，则这甚至更为有用。对于压缩率β，如果压缩率β大于1.30并且/或者小于2.30，则这是有用的。如果压缩率β大于1.40并且/或者小于2.18，则这甚至更为有用。

在本示例性实施例中，仅描述了照射光学系统的基本组件。然而，在实际照射光学系统中，另外设置了各种光学元件，如用于折叠来自光源的光的光路的折叠镜、热射线截止滤波器以及偏振板。

更进一步地，在本示例性实施例中，使用一个液晶板8。然而，在实际普通投影仪中提供与红色、绿色和蓝色(R、G、B)光之中每一个对应的三个液晶板。偏振光束分离器7构成色彩分离/组合光学系统的一部分，所述色彩分离/组合光学系统将R、G、B的每一色彩的照射光引导至所述三个液晶板，并且组合来自所述三个液晶板的每一色彩图像光。

现在，将描述根据第一示例性实施例的照射光学系统的详细配置和数值示例。

数值示例1

图16A是根据数值示例1的照射光学系统的X-Z截面。图16B是根据数值示例1的照射光学系统的Y-Z截面。在图16A和16B中的每一个中，照射光学系统的组件与图1和图2所示的组件相同。该情况也适用于以下数值示例中的每一个。

椭圆反射器的第二焦距f₂＝230mm

椭圆反射器与第一复眼透镜之间的距离L₁＝46mm

椭圆反射器与第二复眼透镜之间的距离L₂＝87mm

其中，

在通过第一复眼透镜的偏心实现的凹透镜效果的情况下的焦距f_f1＝-184mm

在通过第二复眼透镜的偏心实现的凹透镜效果的情况下的焦距f_f2＝-143mm

因此

α＝|f₂|/|f_f1|＝1.25

β＝|f₂|/|f_f2|＝1.607

α/β＝0.78

其中，

聚光透镜焦距f_c＝100mm

入射在偏振转换元件上的光通量在X-Z截面中的宽度D₂＝42.5mm

因此

Fno＝f_c/D₂＝2.35

其中，

γ₁＝0.627，γ₃＝0.703，并且γ₄＝0.969。

因此，压缩率α/β满足以下条件：

γ₁＜γ₃＜α/β＜γ₄＜1。

数值示例1是高度考虑了对比度的平衡设计。

数值示例2

图17A是根据数值示例2的照射光学系统的X-Z截面。图17B是根据数值示例2的照射光学系统的Y-Z截面。

椭圆反射器的第二焦距f₂＝230mm

椭圆反射器与第一复眼透镜之间的距离L₁＝46mm

椭圆反射器与第二复眼透镜之间的距离L₂＝80.5mm

其中，

在通过第一复眼透镜的偏心实现的凹透镜效果的情况下的焦距f_f1＝-184mm

在通过第二复眼透镜的偏心实现的凹透镜效果的情况下的焦距f_f2＝-149.5mm

因此

α＝|f₂|/|f_f1|＝1.25

β＝|f₂|/|f_f2|＝1.538

α/β＝0.81

其中，

聚光透镜焦距f_c＝78.6mm

入射在偏振转换元件上的光通量在X-Z截面中的宽度D₂＝42.5mm

因此

Fno＝f_c/D₂＝1.85

其中，

γ₁＝0.427，γ₃＝0.487，并且γ₄＝0.951。

因此，压缩率α/β满足以下条件：

γ₁＜γ₃＜α/β＜γ₄＜1。

与数值示例1的设计相比，数值示例2是强调亮度的设计。

数值示例3

图18A是根据数值示例3的照射光学系统的X-Z截面。图18B是根据数值示例3的照射光学系统的Y-Z截面。

椭圆反射器的第二焦距f₂＝182.4mm

椭圆反射器与第一复眼透镜之间的距离L₁＝45.6mm

椭圆反射器与第二复眼透镜之间的距离L₂＝86.6mm

其中，

在通过第一复眼透镜的偏心实现的凹透镜效果的情况下的焦距f_f1＝-136.8mm

在通过第二复眼透镜的偏心实现的凹透镜效果的情况下的焦距f_f2＝-95.7mm

因此

α＝|f₂|/|f_f1|＝1.333

β＝|f₂|/|f_f2|＝1.906

α/β＝0.7

其中，

聚光透镜焦距f_c＝85mm

入射在偏振转换元件上的光通量在X-Z截面中的宽度D₂＝40.5mm

因此

Fno＝f_c/D₂＝2.1

其中，

γ₁＝0.561，γ₃＝0.605，并且γ₄＝0.961。

因此，压缩率α/β满足以下条件：

γ₁＜γ₃＜α/β＜γ₄＜1。

与数值示例2的设计相比，数值示例3是强调对比度的平衡设计。

第二示例性实施例

以下描述本发明第二示例性实施例。图19和图20示出根据本发明第二示例性实施例的照射光学系统OE的组件。本发明的第二示例性实施例可以实现与第一示例性实施例中所实现的类似光学效果。

更具体地说，图19是根据本示例性实施例的照射光学系统OE的X-Z截面。图19所示的X-Z截面等同于图1所示的X-Z截面。图20是根据本示例性实施例的照射光学系统OE的Y-Z截面。图20所示的Y-Z截面等同于图2所示的Y-Z截面。本示例性实施例使用与第一示例性实施例不同的压缩光学系统。

本示例性实施例使用作为第三光学元件的正透镜(凸透镜)13，以及作为第二光学元件14和16的两个负柱形透镜(凹柱形透镜)14和16，以压缩来自抛物面反射器12的光通量。

从光源单元11发射的白光作为平行光通量从抛物面反射器12出射。

所述平行光通量被在X-Z截面(第一截面)和Y-Z截面(第二截面)中具有相同级别的正折光力的凸透镜(正透镜(第三光学元件))13聚光(所述平行光通量经历凸透镜13的聚光效果)。注意，凸透镜13的正折光力在X-Z截面和Y-Z截面中并非必需相同。已经从凸透镜13出射的光通量穿过在X-Z截面中具有负折光力的第一凹柱形透镜(第一光学元件)14。然后，光通量入射在第一复眼透镜15上。

已经入射在第一复眼透镜15上的光通量然后被分离为多个光通量。每一分离的光通量被第一复眼透镜15聚光。已经从第一复眼透镜15出射的光通量然后入射到在Y-Z截面中具有负折光力的第二凹柱形透镜(第二光学元件)16上。

在已经穿过第二凹柱形透镜16之后，光通量经由第二复眼透镜17在偏振转换元件18的光入射表面或光出射表面上或在其附近形成多个二次光源图像。

已经从偏振转换元件18出射的多个分离的光通量(具有预定偏振方向的线性偏振光)被聚光透镜19聚光。然后，所述多个分离的光通量穿过偏振光束分离器20，并且在反射型液晶板21上被组合。

将与第一示例性实施例中所描述的类似的偏振分离膜20a提供给偏振光束分离器20。

第一复眼透镜15和第二复眼透镜17中的每一个包括被以二维阵列布置的多个透镜单元。

图21和图22中的每一个是示出对于本示例性实施例的组件(抛物面反射器12、凸透镜13、凹柱形透镜14、第一复眼透镜15、第二凹柱形透镜16、第二复眼透镜17以及偏振转换元件18(图19和图20))的光路的放大视图。

已经从抛物面反射器12出射的平行光通量被凸透镜13转换为会聚光通量。然后，该光通量被具有凹透镜效果的凹柱形透镜14在X-Z截面(图21)中转换为平行光通量。另一方面，来自凸透镜13的会聚光通量被具有凹透镜效果的第二凹柱形透镜16在Y-Z截面(图22)中转换为平行光通量。

也就是说，在图21所示的示例中，光通量在X-Z截面中被凸透镜(第三光学元件)13和凹柱形透镜(第一光学元件)14压缩。另一方面，在图22所示的示例中，光通量在Y-Z截面中被凸透镜13和第二凹柱形透镜(第二光学元件)16压缩。

可以通过以下表达式计算X-Z截面中的压缩率α和Y-Z截面中的压缩率β：

α＝DX/DX’

β＝DY/DY’

其中，“DX”表示在光通量从椭圆反射器12出射(被椭圆反射器12反射)时光通量在X-Z截面(图21)中的宽度，“DY”表示在光通量从椭圆反射器12出射(被椭圆反射器12反射)时光通量在Y-Z截面(图22)中的宽度，“DX’”表示在光通量入射在偏振转换元件18上时光通量在X-Z截面(图21)中的宽度，“DY’”表示在光通量入射在偏振转换元件18上时光通量在Y-Z截面(图22)中的宽度。

在本示例性实施例中，来自抛物面反射器12的平行光通量入射在凸透镜13上，并且已经从凹柱形透镜14和第二凹柱形透镜16出射的光通量作为平行光通量入射在偏振转换元件18上。因此，可以根据凸透镜13与凹柱形透镜14或第二凹柱形透镜16之间的距离(“压缩距离”)来确定压缩率。

在图21所示的示例中，因为光通量被凸透镜13和凹柱形透镜14压缩，所以压缩距离等同于X-Z截面中的距离L₃。另一方面，在图22所示的示例中，因为光通量被凸透镜13和第二凹柱形透镜16压缩，所以压缩距离等同于Y-Z截面中的距离L₄。相应地，本示例性实施例对于X-Z截面和Y-Z截面使用不同的光通量压缩率。

更具体地说，可以通过以下表达式来计算压缩率α：

DX/DX’＝|f_convex|/|f_concave1|

其中，“f_convex”表示凸透镜13的焦距，“f_concave1”表示凹柱形透镜14在X-Z截面中的焦距。

类似的，可以通过以下表达式来计算压缩率β：

DY/DY’＝|f_convex|/|f_concave2|

其中，“f_concave2”表示第二凹柱形透镜16在Y-Z截面中的焦距。

相应地，可以如下表示压缩率α和压缩率β：

压缩率α＝DX/DX’＝|f_convex|/|f_concave1|

压缩率β＝DY/DY’＝|f_convex|/|f_concave2|。

进一步地，可以将距离L₃和L₄表示如下：

L₃＝|f_convex|-|f_concave1|

L₄＝|f_convex|-|f_concave2|。

由于L₃/L₄＜1，因此Y-Z截面中的光通量压缩率β大于X-Z截面中的光通量压缩率α。即：

α/β＜1。

如上所述，在本示例性实施例中，已经从抛物面反射器12出射的平行光通量被凸透镜13转换为会聚光通量。因此，本示例性实施例通过使用凸透镜13与第一凹柱形透镜14和第二凹柱形透镜16之间的距离差，实现在Y-Z截面中比在X-Z截面中更大的光通量压缩率。相应地，与由第一示例性实施例实现的效果类似，本示例性实施例可以抑制第一复眼透镜15或第二复眼透镜17的厚度增大以及照射光学系统OE的照射效率的降低，同时实现在Y-Z截面中充分高的光通量压缩率。

在本示例性实施例中，在偏振光束分离器20对光通量的角度分布敏感的方向上(Y-Z截面的方向上)，光通量的角度分布较小。通过这种配置，本示例性实施例可以抑制在经由偏振光束分离器20将显示在液晶板上的图像投射到投射表面上时，图像的不均匀亮度或图像的对比度劣化。相应地，本示例性实施例可以以高亮度和高分辨率将图像投射到投射表面(屏幕表面)上。

第一示例性实施例与第二示例性实施例之间仅有的差别在于，确定压缩率α和压缩率β的根据第二示例性实施例的压缩光学系统具有不同的配置。因此，在第一示例性实施例中描述的每一条件表达式也可以在第二示例性实施例中成立。

除了复眼透镜(第一复眼透镜15和第二复眼透镜17)之外，并且与所述复眼透镜分离地，本示例性实施例使用凹柱形透镜(凹柱形透镜14和第二凹柱形透镜16)。然而，本发明不限于该实施例。也就是说，作为对本示例性实施例的修改，可以如在第一示例性实施例中那样，通过使得复眼透镜的透镜单元偏心来实现凹透镜效果。在通过偏心来提供凹透镜效果的情况下，部件的数量可以减少。因此，可以容易地组装照射光学系统，这可以降低制造成本。

图32和图33中的每一个示出当部分地修改根据本发明第二示例性实施例的图19和图20所示的配置时照射光学系统OE在X-Z截面和Y-Z截面中的组件。

在图32和图33所示的示例中，照射光学系统OE不包括根据第二示例性实施例的在图19和图20的示例中所提供的凹柱形透镜14和第二凹柱形透镜16。取而代之，在图32所示的示例中，照射光学系统OE通过使得第一复眼透镜15偏心而获得凹透镜效果。类似的，在图33所示的示例中，照射光学系统OE通过使得第二复眼透镜17偏心而获得凹透镜效果。

如果相对于第一复眼透镜15和第二复眼透镜17中的每一个的透镜单元表面而提供凹柱形表面，则也是有用的。

现在，以下将描述根据第二示例性实施例的照射光学系统的详细配置和数值示例。

数值示例4

图23A是根据数值示例4的照射光学系统的X-Z截面。图23B是根据数值示例4的照射光学系统的Y-Z截面。在图23A和23B中，照射光学系统的组件与第一示例性实施例中的图1和图2所示的组件相同。该情况也适用于第二示例性实施例的以下数值示例。

凸透镜与第一凹柱形透镜之间的距离L₁＝16.3mm

凸透镜与第二凹柱形透镜之间的距离L₂＝45.9mm

其中，

凸透镜焦距f_convex＝125mm

第一凹柱形透镜焦距f_concave1＝-108.7mm

第二凹柱形透镜焦距f_concave2＝-82.8mm

因此

α＝|f_convex|/|f_concave1|＝1.15

β＝|f_convex|/|f_concave2|＝1.58

α/β＝0.728

其中，

聚光透镜焦距f_c＝82mm

入射在偏振转换元件上的光通量在X-Z截面中的宽度D₆＝44.3mm

因此

Fno＝f_c/D₆＝1.85

其中，

γ₁＝0.427，γ₃＝0.487，并且γ₄＝0.951。

因此，压缩率α/β满足以下条件：

γ₁＜γ₃＜α/β＜γ₄＜1。

与数值示例1相比，数值示例4是强调亮度的设计。

数值示例5

图24A是根据数值示例5的照射光学系统的X-Z截面。图24B是根据数值示例5的照射光学系统的Y-Z截面。

凸透镜与第一凹柱形透镜之间的距离L₁＝19.5mm

凸透镜与第二凹柱形透镜之间的距离L₂＝65.1mm

其中，

凸透镜焦距f_convex＝195mm

第一凹柱形透镜焦距f_concave1＝-175.5mm

第二凹柱形透镜焦距f_concave2＝-129.9mm

因此

α＝|f_convex|/|f_concave1|＝1.111

β＝|f_convex|/|f_concave2|＝1.502

α/β＝0.74

其中，

聚光透镜焦距f_c＝115mm

入射在偏振转换元件上的光通量在X-Z截面中的宽度D₆＝46.9mm

因此

Fno＝f_c/D₆＝2.45

其中，

γ₁＝0.71，γ₃＝0.737，并且γ₄＝0.972。

因此，压缩率α/β满足以下条件：

γ₁＜γ₃＜α/β＜γ₄＜1。

与数值示例1相比，数值示例5是强调对比度的设计。

第三示例性实施例

以下描述本发明第三示例性实施例。图25和图26示出根据本发明第三示例性实施例的照射光学系统OE的组件。本发明第三示例性实施例可以实现与第一示例性实施例类似的光学效果。

更具体地说，图25是根据本示例性实施例的照射光学系统OE的X-Z截面。图25所示的X-Z截面等同于图1所示的X-Z截面。图26是根据本示例性实施例的照射光学系统OE的Y-Z截面。图26所示的Y-Z截面等同于图2所示的Y-Z截面。本示例性实施例使用与第一示例性实施例以及第二示例性实施例中不同的压缩光学系统。

本示例性实施例使用：复曲面透镜(toric lens)33，其两个表面都具有凸形状；以及复曲面透镜34，其两个表面都具有凹形状，以压缩光通量。本示例性实施例的压缩系统包括：第四光学元件33(复曲面透镜33)，其在第一截面和第二截面中具有不同的正折光力。进一步地，本示例性实施例的压缩系统包括：第五光学元件34(复曲面透镜34)，其在第一截面和第二截面中具有不同的负折光力。如上所述，第四光学元件和第五光学元件是复曲面透镜。

从光源单元31发射的白光作为平行光通量从抛物面反射器32出射。

所述平行光通量被两个表面都具有凸形状的双凸复曲面透镜33会聚。然后，会聚的光通量穿过双凹复曲面透镜34，然后入射在第一复眼透镜35上。已经入射在第一复眼透镜35上的光通量被分离为多个光通量，并且每一分离的光通量被第一复眼透镜35聚光。已经从第一复眼透镜35出射的光通量经由第二复眼透镜36在偏振转换元件37的光入射表面或光出射表面或在其附近形成多个二次光源图像。

已经从偏振转换元件37出射的多个分离的光通量(具有预定偏振方向的线性偏振光)被聚光透镜38聚光。然后，所述多个分离的光通量穿过偏振光束分离器39，并且在反射型液晶板40上被组合。在偏振光束分离器39中提供与第一示例性实施例所描述的类似的偏振分离膜39a。

第一复眼透镜35和第二复眼透镜36中的每一个包括被以二维阵列布置的多个透镜单元。

图27和图28是示出对于本示例性实施例的组件(抛物面反射器32、复曲面透镜33、复曲面透镜34、第一复眼透镜35和第二复眼透镜37(图25和图26))的光路的放大视图。

已经穿过双凸复曲面透镜33的会聚光通量然后被在X-Z截面和Y-Z截面中具有凹透镜效果的双凹复曲面透镜34转换为平行光通量。也就是说，在X-Z截面和Y-Z截面两者中，双凸复曲面透镜33和双凹复曲面透镜34都压缩光通量。

在此，可以通过以下表达式来计算X-Z截面中的压缩率α和Y-Z截面中的压缩率β：

α＝DX/DX’

β＝DY/DY’

其中，“DX”表示在光通量从椭圆反射器32出射(被椭圆反射器32反射)时光通量在X-Z截面(图27)中的宽度，“DY”表示在光通量从椭圆反射器32出射(被椭圆反射器32反射)时光通量在Y-Z截面(图28)中的宽度，“DX’”表示在光通量入射在偏振转换元件37上时光通量在X-Z截面(图27)中的宽度，“DY’”表示在光通量入射在偏振转换元件37上时光通量在Y-Z截面(图28)中的宽度。

在本示例性实施例中，来自抛物面反射器32的平行光通量入射在双凸复曲面透镜33上，并且已经从双凹复曲面透镜34出射的光通量作为平行光通量入射在偏振转换元件37上。因此，可以根据双凸复曲面透镜33与双凹复曲面透镜34之间的距离(“压缩距离”)来确定压缩率α和压缩率β。

更具体地说，可以通过以下表达式来计算压缩率α：

DX/DX’＝|T1x|/|T2X|

其中，“T1x”表示双凸复曲面透镜33在X-Z截面中的焦距，“T2x”表示双凹复曲面透镜34在X-Z截面中的焦距。类似的，可以通过以下表达式来计算压缩率β：

DY/DY’＝|T1y|/|T2y|

其中，“T1y”表示双凸复曲面透镜33在Y-Z截面中的焦距，“T2y”表示双凹复曲面透镜34在Y-Z截面中的焦距。

相应地，可以如下表示压缩率α和压缩率β：

压缩率α＝DX/DX’＝|T1x|/|T2x|

压缩率β＝DY/DY’＝|T1y|/|T2y|

进一步地，双凸复曲面透镜33和双凹复曲面透镜34的焦距具有由以下表达式所表示的关系：

T1x/T2x＞1

T1y/T2y＞1

T1x/T1y＞1

T2x/T2y＞1。

因此，Y-Z截面中的光通量压缩率β大于X-Z截面中的光通量压缩率α。虽然作为双凸复曲面透镜33和双凹复曲面透镜34之间的距离的距离L₅在X-Z截面中与在Y-Z截面中相同，但压缩率根据各个截面中的焦距而对于X-Z截面和Y-Z截面不同。

如上所述，在本示例性实施例中，已经从抛物面反射器32出射的平行光通量被双凸复曲面透镜33转换为会聚光通量。因此，本示例性实施例通过使用在X-Z截面中和Y-Z截面中双凸复曲面透镜33和双凹复曲面透镜34的焦距之间的差，实现了在Y-Z截面中比在X-Z截面中更大的光通量压缩率。相应地，与由第一示例性实施例实现的效果类似，本示例性实施例可以抑制第一复眼透镜35或第二复眼透镜36的厚度增大以及照射光学系统OE的照射效率的降低，同时实现在Y-Z截面中足够高的光通量压缩率。

在本示例性实施例中，在偏振光束分离器39对光通量的角度分布敏感的方向上(在Y-Z截面的方向上)，光通量的角度分布较小。通过这种配置，本示例性实施例可以抑制在经由偏振光束分离器39将显示在液晶板上的图像投射到投射表面上时图像的不均匀亮度或图像的对比度劣化。相应地，本示例性实施例可以以高亮度和高对比度将图像投射到投射表面(屏幕表面)上。

与第二示例性实施例类似，第一示例性实施例与第三示例性实施例之间仅有的差别在于，确定压缩率α和压缩率β的根据第三示例性实施例的压缩光学系统具有不同的配置。因此，在第一示例性实施例中描述的每一条件表达式也可以在第三示例性实施例中成立。

现在将描述根据第三示例性实施例的照射光学系统的详细配置和数值示例。

数值示例6

图29A是根据数值示例6的照射光学系统的X-Z截面。图29B是根据数值示例6的照射光学系统的Y-Z截面。在图29A和29B中，照射光学系统的组件与第一示例性实施例中的图1和图2所示的组件相同。该情况也适用于第三示例性实施例的以下数值示例。

复曲面透镜之间的距离L₅＝40mm

双凸复曲面透镜在X-Z截面中的焦距T1x＝200mm

双凸复曲面透镜在Y-Z截面中的焦距T1y＝135.1mm

双凹复曲面透镜在X-Z截面中的焦距T2x＝160mm

双凹复曲面透镜在Y-Z截面中的焦距T2y＝95.1mm

因此

α＝|T1x|/|T2x|＝1.25

β＝|T1y|/|T2y|＝1.42

α/β＝0.88

其中，

聚光透镜焦距f_c＝119mm

入射在偏振转换元件上的光通量在X-Z截面中的宽度D₁₀＝43.3mm

因此

Fno＝f_c/D₁₀＝2.75

其中，

γ₁＝0.803，γ₃＝0.819，并且γ₄＝0.979。

因此，压缩率α/β满足以下条件：

γ₁＜γ₃＜α/β＜γ₄＜1。

与数值示例1相比，数值示例6是强调对比度的设计。

数值示例7

图30A是根据数值示例7的照射光学系统的X-Z截面。图30B是根据数值示例7的照射光学系统的Y-Z截面。

复曲面透镜之间的距离L₅＝60mm

双凸复曲面透镜在X-Z截面中的焦距T1x＝240mm

双凸复曲面透镜在Y-Z截面中的焦距T1y＝112.1mm

双凹复曲面透镜在X-Z截面中的焦距T2x＝180mm

双凹复曲面透镜在Y-Z截面中的焦距T2y＝52.1mm

因此

α＝|T1x|/|T2x|＝1.333

β＝|T1y|/|T2y|＝2.15

α/β＝0.62

进一步地，

聚光透镜焦距f_c＝85mm

入射在偏振转换元件上的光通量在X-Z截面中的宽度D₁₀＝40.6mm

因此

Fno＝f_c/D₁₀＝2.1

其中，

γ₁＝0.561，γ₃＝0.605，并且γ₄＝0.961。

因此，压缩率α/β满足以下条件：

γ₁＜γ₃＜α/β＜γ₄＜1。

数值示例7是考虑亮度与对比度之间的平衡的设计。

通过上述配置，本示例性实施例可以实现甚至以高亮度级别的亮度来照射图像显示元件的照射光学系统，其光通量角度分布在光学元件对光通量角度分布敏感的面中较小。进一步地，通过上述配置，本示例性实施例可以实现投射型显示设备，其使用上述照射光学系统来投射具有高亮度和高对比度的图像。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被给予最宽泛的解释，从而包括所有修改，等同的结构以及功能。

Claims (10)

1.一种照射光学系统，被配置为：将来自光源单元的光通量引导到被照表面上，所述照射光学系统包括：

压缩系统，被配置为：在第一截面和第二截面中以不同压缩率压缩从所述光源单元发射的光通量，所述第一截面和第二截面彼此正交并且都包括所述照射光学系统的光轴；

偏振转换元件，被配置为：统一来自所述压缩系统的光通量的偏振状态；以及

偏振光分离装置，包括偏振分离表面，其中

所述第二截面是包括所述偏振分离表面的法线的平面；并且

其中满足以下条件：

-0.18*(Fno)²+1.245*(Fno)-1.260＜α/β＜1

1.4≤Fno≤3.6，

其中α和β分别是在所述第一截面和所述第二截面中的用于压缩光通量的压缩率，并且Fno是在所述第一截面和所述第二截面中根据入射在被照表面上的光通量的最大角度所计算的两个F数中的较小F数。

2.如权利要求1所述的照射光学系统，进一步包括：

聚光透镜，被配置为：对来自所述偏振转换元件的光通量进行聚光，并且将光通量引导到所述被照表面上，其中，

所述偏振分离表面被设置在所述聚光透镜和所述被照表面之间。

3.如权利要求2所述的照射光学系统，其中，所述压缩系统使得从所述光源单元发射的光通量作为平行光通量入射在所述偏振转换元件上。

4.如前述权利要求中任一项所述的照射光学系统，其中，所述压缩系统包括：

第一光学元件，其在所述第一截面和所述第二截面之中的任一截面中具有负折光力；以及

第二光学元件，其在另一截面中具有与所述第一光学元件的折光力不同的负折光力。

5.如权利要求4所述的照射光学系统，其中，

所述第一光学元件和所述第二光学元件中的每一个包括：具有多个透镜单元的透镜阵列，并且

其中，所述多个透镜单元中的一部分是偏心的。

6.如权利要求1所述的照射光学系统，其中，从所述光源单元开始，所述压缩系统按顺序包括：

第一光学元件，其在所述第一截面和所述第二截面中均具有相同的正折光力；

第二光学元件，其在所述第一截面和所述第二截面之中的任一截面中具有负折光力；以及

第三光学元件，其在另一截面中具有与所述第二光学元件的折光力不同的负折光力。

7.如权利要求1所述的照射光学系统，其中，所述压缩系统进一步包括：

第四光学元件，其在所述第一截面和所述第二截面中具有相互不同的正折光力；以及

第五光学元件，其在所述第一截面和所述第二截面中具有相互不同的负折光力。

8.如权利要求7所述的照射光学系统，其中，所述第四光学元件和所述第五光学元件中的每一个是复曲面透镜。

9.如权利要求1所述的照射光学系统，其中，所述压缩率α和β满足以下条件：

1.05＜α，以及

1.1＜β。

10.一种投射型显示设备，包括：

图像显示元件；

如权利要求1至9中任一项所述的照射光学系统，被配置为：照射所述图像显示元件；以及

投射光学系统，被配置为：对来自所述图像显示元件的图像光进行投射。

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