JP2012212144A - 照明光学系、画像投射用光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製作や設計が容易で、明るく高いコントラストを有する画像を投射可能な光学系を提供する
【解決手段】光源１から発した光束を、光分離作用を有する光学面７ａを介して画像形成素子８に導く照明光学系２〜７であって、該照明光学系における互いに直交する第１の断面ＸＺ及び第２の断面ＹＺにおいてそれぞれ光束幅を、入射前とは異なる光束幅に変換する変換系２〜４を有し、変換系による光束幅の変換率が、第１の断面と第２の断面とで互いに異なる。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶パネル等の画像形成素子を用いた画像投射装置に用いられる光学系に関する。

上記のような画像投射装置では、明るく高いコントラストを有する画像を投射できること、及び投射画像が全体に渡ってほぼ均一な明るさを有することが重要である。

反射型液晶パネル等の反射型画像形成素子を用いた画像投射装置（プロジェクタ）の照明光学系では、光源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のフライアイレンズによって分割及び集光され、各分割光束は、第２のフライアイレンズの近傍に集光されて光源の像（２次光源像）を形成する。各フライアイレンズを構成する微小レンズ（レンズセル）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のフライアイレンズ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パネル上で重ね合わされて該液晶パネルを照明する。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。

このような画像投射装置において、光源からの光の利用効率を高めようとすると、一般に光束の角度分布が大きくなる傾向がある。このため、色分解合成光学系内に角度特性の敏感な光学素子、すなわち光軸に対して傾いたダイクロイック膜や偏光分離膜を有する光学素子を配置した場合に、明るさむら（色むら）やコントラストの低下など、画質の劣化が発生する。

図２０及び図２１にはそれぞれ、偏光分離膜の角度依存特性（透過率特性及び反射率特性）の例を示す。偏光分離膜に４５°で入射した光に対する特性に比べて、偏光分離膜に４７°や４９°で入射した光に対する特性は低く、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、コントラストを低下させる。ダイクロイック膜を用いた場合は、入射角度がずれると、それは色むら（色味の変化）となって現れるため、本来表示したい色とは異なる色で画像が表示されてしまう。

特許文献１には、このような画質低下を防ぐため、光学素子における角度分布に敏感な方向においては入射光束の角度分布を小さくし、光束角度分布に鈍感な方向においては入射光束の角度分布を大きくした非対称な光学系が開示されている。

特許文献１では、光学素子における光束角度分布に敏感な方向において、第１のフライアイレンズを構成するレンズセルを、該第１のフライアイレンズが全体として正のパワーを有するように偏心させている。一方、同方向において、第２のフライアイレンズを構成するレンズセルを、該第２のフライアイレンズが全体として負のパワーを有するように偏心させている。このように、光束角度分布に敏感な方向においてのみリフレクタからの射出光束を圧縮することで、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なっている。
特開平７−１８１３９２号公報（段落００１９、図３等）

しかしながら、リフレクタからの射出光束を圧縮する際、光軸を含む一方の断面において圧縮するだけでは、他方の断面（前述の一方の断面に対して垂直な断面）における偏光分離膜への射角度分布を小さくすることができず、画質を向上させにくくなってしまう。また、射出光束の径を小さくするためにリフレクタを小さくすると暗くなってしまうため、リフレクタの外径は明るさを確保するためにはある程度大きくしておく必要がある。

そこで、本発明は、製作や設計が容易で、明るく高いコントラストを有する画像を投射可能な光学系及びこれを有する画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての光学系は、光源から発した光束を、光分離作用を有する光学面を介して画像形成素子に導く照明光学系である。照明光学系は、該照明光学系における互いに直交する第１の断面及び第２の断面においてそれぞれ光束幅を、入射前とは異なる光束幅に変換する変換系を有し、変換系による光束幅の変換率が、第１の断面と第２の断面とで互いに異なることを特徴とする。

また、本発明の他の側面としての光学系は、光源から射出した光束を収束光束として射出する光束集光手段と、該光束集光手段からの光束を平行光束として射出する平行化手段と、該平行化手段の光射出側又はその光路中に設けられ、偏光状態が揃った光束を射出する偏光変換素子と、該偏光変換素子からの光束を被照射面に設けた画像形成素子に入射させる偏光分離面を有する偏光分離手段と有する照明光学系である。該偏光分離面の法線と該照明光学系の光軸とを含む面を第１断面、該光軸を含み該第１断面と直交する面を第２断面とするとき、該平行化手段は入射光束を第１断面と該第２断面において互いに異なる圧縮率で圧縮して射出する。また、該第１、第２断面内における光束の圧縮率を各々ＨＸ、ＨＹとするとき、
ＨＸ＜ＨＹ
なる条件を満足することを特徴とする。

さらに、本発明の他の側面としての光学系は、光源から射出した光束を発散光として射出する光束発散手段と、該光束発散手段からの光束を平行光束として射出する平行化手段と、該平行化手段の光射出側又はその光路中に設けられ、偏光状態が揃った光束を射出する偏光変換素子と、該偏光変換素子からの光束を被照射面に設けた画像形成素子に入射させる偏光分離面を有する偏光分離手段とを有する照明光学系である。該偏光分離面の法線と該照明光学系の光軸とを含む面を第１断面とし、該光軸を含み該第１断面と直交する面を第２断面とするとき、該平行化手段は、入射光束を第１断面と該第２断面において互いに異なる伸長率で伸長する。そして、該第１及び第２断面内における光束の圧縮率をそれぞれ、ＨＸＸ、ＨＹＹとするとき、
ＨＸＸ＜ＨＹＹ
なる条件を満足することを特徴とする。

本発明によれば、コントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射することが可能な光学系を実現することができる。

本発明の実施例１である画像投射用光学系に用いられる照明光学系の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。 上記第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。 本発明の実施例２である画像投射用光学系に用いられる照明光学系の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。 本発明の実施例３である画像投射用光学系に用いられる照明光学系の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。 本発明の実施例４である画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 実施例２の照明光学系のＹＺ断面図。 実施例１〜５の画像投射用光学系を用いた本発明の実施例６である液晶プロジェクタの光学構成を示すＹＺ断面。 偏光ビームスプリッタの透過率特性例を示す図。 偏光ビームスプリッタの反射率特性例を示す図。 本発明の実施例７の画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 実施例７の照明光学系のＹＺ断面図。 図２２の一部分の変形例の説明図。 図２２の一部分の変形例の説明図。 実施例７の変形例のＸＺ断面図。 実施例７の変形例のＹＺ断面図。 本発明の実施例８の画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 実施例８の照明光学系のＹＺ断面図。 実施例８の照明光学系の変形例のＸＺ断面図。 実施例８の照明光学系の変形例のＹＺ断面図。 本発明の実施例９の照明光学系のＸＺ断面図。 実施例９の照明光学系のＹＺ断面図。 実施例７〜９の画像投射用光学系を用いた本発明の実施例１０である液晶プロジェクタの光学構成を示すＹＺ断面。 本発明の実施例１１である光学系の一部分のＸＺ断面図。 実施例１１の光学系の一部分のＹＺ断面図。 実施例１１の光学系における屈折力配置を示すＸＺ断面の模式図。 実施例１１の光学系における屈折力配置を示すＹＺ断面の模式図。 実施例の偏光変換素子の説明図。 本発明の実施例１２の照明光学系のＸＺ断面図。 実施例１２の照明光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例１３の照明光学系のＸＺ断面図。 実施例１３の照明光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例１４の照明光学系に用いられる光源ユニットを示す断面図。 図４３に示す光源ユニットを複数用いた光源ユニットを示す図。 実施例１４の照明光学系のＸＺ断面図。 実施例１４の照明光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例１５の照明光学系に用いられる光源ユニットを示す断面図。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例について説明する。

図１及び図２には、本発明の実施例１である画像投射用光学系に用いられる照明光学系の構成を示している。該照明光学系は、光源1からの光束を用いて偏光ビームスプリッタ７を介して被照明面に配置された反射型画像形成素子としての反射型液晶パネル（以下、単に液晶パネルという）８を照明する。

但し、液晶パネル８によって画像変調された光（画像光）は、再度偏光ビームスプリッタ７を介して不図示の投射レンズに導かれ、スクリーン等の被投射面に投射される。このように、本実施例の照明光学系は、画像光を偏光ビームスプリッタ７で検光して投射レンズに導く機能も含む。

本実施例では、照明光学系の光軸（例えば、コンデンサレンズ６の中心と液晶パネル８のパネル面中心を通る軸線によって定義される）をＺ軸とし、該Ｚ軸に平行な方向を光軸方向とする。また、光源ランプＬＰからの光束がコンデンサレンズ６及び偏光ビームスプリッタ７を介して液晶パネル８に向かって進むＺ軸に沿った方向を、光の進行方向ともいう。

図１は、Ｚ軸を含み（Ｚ軸と平行で）、かつ互いに直交する２つの面であるＸＺ断面とＹＺ断面のうち、液晶パネル８のパネル面に対する入射光束の角度分布が広い方の断面であるＸＺ断面（第１の断面）での光学構成を示す。このＸＺ断面は、液晶パネル８の長辺の方向（長辺が延びる方向）に平行な断面である。

また、図２には、パネル面に対する入射光束の角度分布が狭い方の断面であるＹＺ断面（第２の断面）での光学構成を示す。このＹＺ面は、液晶パネル８の短辺の方向（短辺が延びる方向）に平行な断面である。

なお、ＹＺ断面は、図３に示すように、光軸（Ｚ軸）と偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａの法線（Ｎ）とを含む面（図３の紙面）に平行な断面である。そして、このＹＺ断面は、偏光分離面７ａの法線Ｎと液晶パネル８のパネル面（入射出面）８ａの法線ＮＰとに平行な断面と言い換えることもできる。

また、ＸＺ断面は、ＹＺ断面に対して垂直で、Ｚ軸（光軸）と平行な断面であると言える。これらＺ軸、ＸＺ断面及びＹＺ断面の意味は、後述する以下の実施例２〜５でも同じである。

これらの図には、照明光学系の基本的な構成部品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及び偏光板等の各種光学素子も配置される。

高圧水銀放電管等の光源１から放射状に発せられた光束は、楕円リフレクタ（楕円ミラー）２によって収束する光束に変換される。光源１及びリフレクタ２により光源ランプＬＰが構成される。ここで、この楕円リフレクタは放物面リフレクタと凸レンズに置き換えてもよい。

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、該複数の分割光束は、第２のフライアイレンズ４と偏光変換素子５の近傍に、複数の２次光源像を形成する。

各２次光源像を形成した光束は、偏光変換素子５で所定の偏光方向を有する直線偏光（偏光状態が揃った光束）に変換された後、コンデンサレンズ６に入射する。偏光変換素子５は、複数の偏光分離面と、複数の反射面と、複数の１／２波長板とを有する。ここでの偏光変換素子５は、具体的には、偏光分離面と反射面（偏光分離面でも可）と１/２波長板とで１つの偏光変換素子部として構成し、この偏光変換素子部を光軸に対して略直交する方向に複数個配列したアレイ状の光学素子である。したがって、ここでの偏光変換素子は、偏光変換素子アレイと称してもよい。

この偏光変換素子５において、各偏光分離膜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、各偏光分離膜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、該偏光分離面で反射し、さらに反射面で反射する。そして、１／２波長板でその偏光方向が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する。

ここで、１／２波長板は偏光分離膜を透過した光の光路上にのみ配置していても構わない。また、この偏光変換素子は、色ごと（各パネルに対応する波長領域ごと）に無偏光を直線偏光にすれば良く、それらの直線偏光の方向は必ずしも同一である必要は無い。

すなわち、赤色光だけを後段の偏光ビームスプリッタ７に対してＳ偏光とし、緑色光と青色光を偏光ビームスプリッタ７に対してＰ偏光とする等、３色光のうち１つの色光の偏光方向と残りの２つの色光の偏光方向とを直交させてもよい。

具体的には、前述の偏光分離面に、緑色光と青色光のＳ偏光と赤色光のＰ偏光を反射し、緑色光と青色光のＰ偏光と赤色光のＳ偏光を透過する特性を持たせ、前述の偏光分離面で反射される光束の光路上に１/２波長板を配置すればよい。

コンデンサレンズ６から射出した複数の分割光束は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面（光学膜面、光学面）７ａを透過して液晶パネル８上で重ね合わされる。これにより、液晶パネル８は均一な強度分布を有する照明光束によって照明される。

偏光分離面７ａは、光分離作用を有する。液晶パネル８において画像変調及び反射された光は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａで反射されて不図示の投射レンズに導かれる。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の各色照明光を導き、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。

偏光ビームスプリッタ７は、照明光学系の光軸（Ｚ軸）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Ｚに対する傾きは、４５度に設定されるのが一般的であり、４２〜４８度の範囲に設定される場合が多い。

偏光分離膜は、可視光領域内の少なくとも一部の波長域（例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは４０ｎｍ以上の幅を有する波長域）の光に対して偏光方向による分離作用を有する。一般的には、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。

第１及び第２のフライアイレンズ３，４はそれぞれ、複数のレンズセルが２次元方向に（光軸と垂直な第１方向とそれと垂直な第２方向とに複数個ずつ配置するように）配列されて構成されている。各フライアイレンズの中心線方向はＺ軸に平行である。

前述したように、楕円リフレクタ２の第１焦点位置近傍で光源１から発せられた光束は、楕円リフレクタ２で反射して集光され、収束光束として第１のフライアイレンズ３に向かう。

図１に示すＸＺ断面において、図４に示すように、第１のフライアイレンズ３の複数のレンズセル３ａのうち中心のレンズセル以外のレンズセルの頂点はＸ方向外側に偏心している。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負（凹）レンズ作用を有する。

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２の中心レンズセル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。

外側レンズセル３ａ１，３ａ２の頂点（図中に示す点線、すなわち該２つのレンズセルの光軸ｏ１，ｏ２上の位置）は、各外側レンズセルの中心（図中の点線ｏ１′，ｏ２′上の位置）に対して外側に偏心している。レンズセルをＸ方向Ｙ方向各々に偶数個ずつ配列する場合には、すべてのレンズセルの頂点を各レンズセルの中心に対して外側に偏心させることが望ましい。

図５では、第１のフライアイレンズ３の焦点距離ｆをａとし、第１フライアイレンズ３（中心レンズセル３ａ０）から楕円リフレクタ２側に距離ａだけ離れた位置（入射側焦点位置）をラインＡで示す。

この場合、外側レンズセル３ａ１，３ａ２の光軸ｏ１，ｏ２上におけるラインＡとの交点Ｑ１，Ｑ２を通過した光線Ｌ１，Ｌ２は、これら外側レンズセル３ａ１，３ａ２の中心を通過すると、Ｚ軸に沿って進む平行な光線となって射出する。

ここで、光線Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、外側レンズセル３ａ１，３ａ２の中心を通過する光線である。さらに、図示しないが、中心レンズセル３ａ０の頂点は該中心レンズセル３ａ０の中心に位置し、該中心レンズセル３ａ０の中心に入射した光線もＺ軸に沿って平行に進む光線となって第１のフライアイレンズから射出する。

すなわち、第１のフライアイレンズ３は、各レンズセルの中心に入射する光線を光軸（Ｚ軸）と平行な光線に変換する機能を持っている。言い換えれば、第１のフライアイレンズは、楕円リフレクタからの収束光束を光軸と平行な複数の光束（平行光束）に分割し、その上で、その複数の分割光束各々を集光させて光源像を形成させる機能を有している。

また、第１のフライアイレンズは、楕円リフレクタからの収束光束全体に対しては負の光学パワーのレンズとして作用して平行光束に変換しており、且つ、各分割光束に対しては正の光学パワーのレンズとして作用してそれぞれの分割光束を集光させている。光学パワーは、焦点距離の逆数であり、屈折力と言い換えることもできる。

このように、第１のフライアイレンズ３は、ＸＺ断面において、楕円リフレクタ２からの収束光束を、光軸に平行な複数の光束として射出する凹レンズ作用を有する。

一方、図２に示すＹＺ断面において、図６に示すように、第２のフライアイレンズ４の複数のレンズセル４ａのうち中心レンズセル以外のレンズセルの頂点はＹ方向外側に偏心している。これにより、楕円リフレクタ２で反射して第２のフライアイレンズ４に入射した光束は、平行な光束となる。つまり、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）のレンズ作用を有する。このレンズ作用は、第１のフライアイレンズ３と同様にして得られる。

図７及び図８には、図１及び図２に示した楕円リフレクタ２から偏光変換素子５までの光路を拡大して示している。楕円リフレクタ２で反射した収束光束は、ＸＺ断面では第１のフライアイレンズ３で平行光束とし、ＹＺ断面では第２のフライアイレンズ４で平行光束としている。

すなわち、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とによって構成される圧縮系によって、また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とによって構成される圧縮系によってそれぞれ、光束の圧縮が行われる。

ここにいう光束の圧縮とは、光束径（言い換えれば光束幅）を縮小した後、平行光束化するまでをいう。また、本実施例にいう平行光束とは、完全な平行な光束だけでなく、光学性能的に平行とみなせる光束も含む。

具体的に言うと、圧縮系とは、光源側から順に、正の光学パワーを持つ第１の光学素子とＸＺ，ＹＺ断面において互いに異なる第１及び第２の負の光学パワーを持つ第２及び第３の又は第２の光学素子との組み合わせである。第１の光学素子は、楕円リフレクタ、凸レンズ等により構成することができる。また、第２及び第３の光学素子は、凹レンズや、凹レンズ作用を持つフライアイレンズ（レンズアレイ）により構成することができる。勿論、正のパワーを持つ光学素子（楕円リフレクタ、凸レンズ等）と正のパワーを持つ光学素子（凸レンズ等）との組み合わせであっても、圧縮系を射出した光束が平行光束になっていれば構わない。圧縮系をレンズ系のみで構成する場合は、圧縮系をアフォーカル系で構成することが望ましい。

このように、圧縮系は、ＸＺ断面及びＹＺ断面の両者（一方及び他方の断面）において、圧縮系への入射前（リフレクタへの入射）の光束の径（光束幅）よりも圧縮系から射出した光束の径の方を細くしている。

ここで、本実施例の圧縮系は、光源からの光束を液晶パネルに導く照明光学系中において、光源（発光部）と照明光学系の瞳位置（光源像が形成される位置、発光部の像が形成される位置）との間に配置されている。

この照明光学系の瞳位置は、本実施例においては偏光変換素子（小さな複数の偏光変換素子がアレイ状に配置されて構成されたもの）の近傍に位置しているが、偏光変換素子より一つ以上の光学素子を挟んで液晶パネル側に位置していても構わない。

また、ＸＺ断面内の光束径を圧縮するＸＺ断面用圧縮系とＹＺ断面内の光束を圧縮するＹＺ断面用圧縮系とは、同一の光学素子で構成してもよいし、光学素子の一部が重複してもよいし、互いに重複しない別々の光学素子で構成してもよい。

本実施例における圧縮系は、光源と偏光変換素子との間に配置されており、リフレクタで反射された時点での光束径をＸＺ断面及びＹＺ断面において圧縮している。

このようにすれば、光源からの光を液晶パネルに導く照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）における光束の径を細くすることができる。

そして、ＸＺ、ＹＺ断面において、光学素子の配置及び／又はこれらの光学素子のパワーが互いに異なるように配置することにより、偏光変換素子に入射する段階（圧縮系を射出した段階）での光束径がＸＺ断面、ＹＺ断面内とで互いに異なるようにしている。つまり、ＸＺ断面とＹＺ断面とで圧縮率を互いに異ならせている。

ここでは、主に偏光変換素子より光源側に圧縮系を配置している場合について記載しているが、圧縮系は、前述のように偏光変換素子よりも液晶パネル（投射光学系）側に配置しても構わない。

その場合、ＸＺ断面における照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）よりも光源側にＸＺ断面の光束径を圧縮するＸＺ断面用圧縮系を配置する。また、ＹＺ断面における照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）よりも光源側にＹＺ断面の光束径を圧縮するＹＺ断面用圧縮系を配置すればよい。これらは、後述する他の実施例でも同様である。

ここで、光束の圧縮率を、楕円リフレクタ２から射出（反射）する時点での光束の外径と圧縮系から射出した直後の光束の外径（又は偏光変換素子５に入射する光束の外径）との比として定義する。具体的には、実施例１〜５において、圧縮率とは、楕円リフレクタ２から射出する時点での光束の外径を圧縮系から射出した直後の光束の外径で割った値を意味する。尚、この実施例１〜５における圧縮率の定義と、実施例７以降での圧縮率の定義とは逆である。詳細は実施例７以降において説明する。

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に入射するので、結局、該圧縮率は楕円リフレクタ２とフライアイレンズ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Ｂ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Ｃ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率が異なる。具体的には、Ｂ／Ｃ＜１であるので、ＹＺ断面での光束の圧縮率がＸＺ断面での光束の圧縮率より大きい。

言い換えれば、ＸＺ断面での圧縮率をαとし、ＹＺ断面での圧縮率をβとすると、α≠βであって、
α／β＜１
（α≠０、β≠０、好ましくはα、β＞１）
となっている。

ここで、α、βで表す圧縮率は、前述した通り、楕円リフレクタ２から射出する時点での光束の外径を圧縮系から射出した直後の光束の外径で割った値である。つまり、圧縮系によって光束が圧縮されていれば、その圧縮率α、βは、必然的に１よりも大きくなる。

ここで、図１、図２を用いて、α、βについて説明する。まず、図１及び図２内に示したＬｒは、楕円リフレクタで反射される光束の幅（光軸と垂直な方向の幅）を示している。また、Ｌｘは、ＸＺ断面において、偏光変換素子の直前（偏光変換素子より光源側で最も偏光変換素子に近い光学素子と、偏光変換素子との間）での、光束の幅（光軸と垂直な方向の幅）を示している。

そして、Ｌｙは、ＹＺ断面において、偏光変換素子の直前（偏光変換素子より光源側で最も偏光変換素子に近い光学素子と、偏光変換素子との間）での、光束の幅（光軸と垂直な方向の幅）を示している。

ここで、α、βは以下のように表すことができる。

α＝Ｌｒ／Ｌｘ
β＝Ｌｒ／Ｌｙ
また、α、βは以下のように言い換えることもできる。フライアイレンズのうち軸外に配置されたレンズセルの中心に入射する光線が、リフレクタで反射される位置の高さ（光軸からの距離）をＨｒ、その光線が偏光変換素子に入射する時の高さをＨｘ（ＸＺ断面）、Ｈｙ（ＹＺ断面）とする。このとき、α、βは以下のように表すことができる。

α＝Ｈｒ／Ｈｘ
β＝Ｈｒ／Ｈｙ
ここで、前述のフライアイレンズのうち軸外に配置されたレンズセルの中心に入射する光線とは、第１のフライアイレンズ、第２のフライアイレンズのいずれに関しても、軸外に配置されたレンズセルの中心に入射していることが望ましい。さらに、その光線は偏光変換素子に対して垂直に（光軸と平行な状態で）入射する。

また、ここではＬｘ、Ｌｙを、偏光変換素子の直前の位置での光束径としたが、圧縮系を射出した直後の光束径としても構わない。

尚、図１、図２で示した実施例においては、α＝１．２１、β＝１．６７であり、αとβとが互いに異なる値であり、α／β＝０．７２（＜１）となる。

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、楕円リフレクタ２から第１及び第２のフライアイレンズ３，４までの距離差を利用して、ＸＺ断面よりも大きな光束圧縮率をＹＺ断面で得ている。
このため、第１のフライアイレンズと第２のフライアイレンズとの間で急激に光束を圧縮する従来の例に比べて、各フライアイレンズを構成するレンズセルの偏心量を大きくする必要がない。

したがって、各フライアイレンズの光軸方向での厚みの増加を抑えることができる。この結果、各フライアイレンズで発生する収差を低減することができ、照明効率を大きく低下させることなくＹＺ断面で必要な光束圧縮率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明るさむらやコントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射することができる。

しかも、偏光ビームスプリッタ７における光束角度分布に鈍感な方向（ＸＺ断面方向）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下の抑制に寄与することができる。

図９及び図１０には、本発明の実施例２である照明光学系を示す。図９は該照明光学系のＸＺ断面を、図１０はＹＺ断面をそれぞれ示す。
光源１１から発せられた白色光は、放物リフレクタ（放物ミラー）１２によって平行光束として射出される。光源１１と放物リフレクタ１２とにより光源ランプＬＰが構成される。該平行光束は、凸レンズ１３によって集光作用を受け、第１の凹シリンドリカルレンズ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、第２の凹シリンドリカルレンズ１６を通過した後、第２のフライアイレンズ１７及び偏光変換素子１８の近傍に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（光学面、光学膜面）２０ａが設けられている。

第１及び第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１１及び図１２には、図９及び図１０に示した放物リフレクタ１２から偏光変換素子１８までの光路を拡大して示している。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が、その後、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、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、ＸＺ断面では、凸レンズ（第１の光学素子）１３と第１の凹シリンドリカルレンズ（第２の光学素子）１４とにより構成される圧縮系によって光束の圧縮が行われる。また、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３の光学素子）１６とにより構成される圧縮系によって光束の圧縮が行われる。

ここで、光束の圧縮率を、前述と同様に、放物リフレクタ１２から射出する時点での光束の外径を圧縮系から射出した直後の光束の外径で割った値として定義する。

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、該圧縮率は凸レンズ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１１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Ｄである。また、図１２に示すように、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Ｅ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率が異なる。具体的には、Ｄ／Ｅ＜１であるので、ＹＺ断面での光束の圧縮率がＸＺ断面での光束の圧縮率より大きい。
言い換えれば、ＸＺ断面での圧縮率をαとし、ＹＺ断面での圧縮率をβとすると、
α／β＜１
（α≠０）
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、凸レンズ１３から第１及び第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率をＹＺ断面で得ている。

これにより、実施例１と同様に、第１及び第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率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明るさむらやコントラスト低下を抑制しながら、明るい画像を投射することができる。

しかも、偏光ビームスプリッタ２０における光束角度分布に鈍感な方向（ＸＺ断面方向）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下の抑制に寄与することができる。

なお、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が、フライアイレンズ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。

図１３及び図１４には、本発明の実施例３である照明光学系を示す。図１３は該照明光学系のＸＺ断面を、図１４はＹＺ断面をそれぞれ示す。

光源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。光源３１と放物リフレクタ３２とにより光源ランプＬＰが構成される。該平行光束は、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。ここで、両凸トーリックレンズ３３は、平凸形状でもメニスカス形状でもよい。また両凹トーリックレンズ３４は、平凹形状でもメニスカス形状でもよい。

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３６及び偏光変換素子３７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（光学面）３９ａが設けられている。

第１及び第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１５及び図１６には、図１３及び図１４に示した放物リフレクタ３２から偏光変換素子３７までの光路を拡大して示している。

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断面及び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断面及びＹＺ断面の双方において、両凸トーリックレンズ（第１の光学素子）３３と両凹トーリックレンズ（第２の光学素子）３４とにより構成される圧縮系によって光束の圧縮が行われる。

ここで、光束の圧縮率を、放物リフレクタ３２から射出する時点での光束の外径を圧縮系から射出した直後の光束の外径で割った値として定義する。

本実施例では、放物リフレクタ３２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、該圧縮率は、両凸トーリックレンズ３３及び両凹トーリックレンズ３４のＸＺ断面及びＹＺ断面での焦点距離で決まる。つまり、本実施例でも、ＸＺ断面での光束の圧縮率αとＹＺ断面での光束の圧縮率βとが互いに異なる。

ここで、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ＸＹＺ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、
Ｔ１ｘ／Ｔ１ｙ＞１
Ｔ２ｘ／Ｔ２ｙ＞１
の関係にある。また、各断面での圧縮率α、βは、
α＝Ｔ１ｘ／Ｔ２ｘ＞１
β＝Ｔ１ｙ／Ｔ２ｙ＞１
となる。ここで、ＹＺ断面での光束の圧縮率βがＸＺ断面での光束の圧縮率αより大きい。

言い換えれば、ＸＺ断面での圧縮率αとＹＺ断面での圧縮率βとの関係は、
α／β＜１
（α≠０）
となっている。

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で収束光束とする。そして、両凸トーリックレンズ３３及び両凹トーリックレンズ３４のＸＺ断面及び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率をＹＺ断面で得ている。

これにより、実施例１と同様に、第１及び第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率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明るさむらやコントラスト低下を抑制しながら、明るい画像を投射することができる。

しかも、偏光ビームスプリッタ３９における光束角度分布に鈍感な方向（ＸＺ断面方向）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下の抑制に寄与することができる。

図１７及び図１８には、本発明の実施例４である照明光学系を示す。図１７は該照明光学系のＸＺ断面を、図１８はＹＺ断面をそれぞれ示す。

光源５１から発せられた白色光は、楕円リフレクタ５２で反射されて収束光束となる。該収束光束は、第１のフライアイレンズ５３に入射する。光源５１と楕円リフレクタ５２とにより光源ランプＬＰが構成される。なお、楕円リフレクタ５２に代えて、放物リフレクタを用いてもよい。

本実施例では、第１のフライアイレンズ５３を構成する複数のレンズセルのそれぞれ（中心レンズセルを除く）を、ＸＺ断面とＹＺ断面とで異なる量偏心させて、第１のフライアイレンズ５３に全体としての両凸トーリックレンズ作用を付加している。

第１のフライアイレンズ５３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５３から射出した光束は、第２のフライアイレンズ５４及び不図示の偏光変換素子の近傍に２次光源像を形成する。

ここで、本実施例では、第２のフライアイレンズ５４を構成する複数のレンズセルのそれぞれ（中心レンズセルを除く）を、ＸＺ断面とＹＺ断面とで異なる量偏心させて、第２のフライアイレンズ５４に全体としての両凹トーリックレンズ作用を付加している。

偏光変換素子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５５によって集光され、偏光ビームスプリッタ５６の偏光分離膜（光学面）５６ａを透過して反射型液晶パネル５７上で重ね合わされる。

第１のフライアイレンズ５３の両凸トーリックレンズとしてのＸＺ断面及びＹＺ断面での焦点距離の関係と、第２のフライアイレンズ５４の両凹トーリックレンズとしてのＸＺ断面及びＹＺ断面での焦点距離の関係は、実施例３と同様である。

すなわち、ＸＺ断面での圧縮率をαとし、ＹＺ断面での圧縮率をβとすると、
α／β＜１
（α≠０）
となっている。

そして、本実施例でも、実施例３と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記各実施例では、偏光ビームスプリッタを用いた照明光学系について説明した。しかし、照明光学系の光軸に対して傾いて配置された色分離作用を有するダイクロイック膜面を備えたダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いる照明光学系に、本実施例の光束圧縮構成を適用することもできる。

以上の実施例１〜４について、圧縮率α、β、及びα／βの値を算出した表が以下の表１である。但し、ここでの数値は条件式の範囲内においては変更しても本願の効果が損なわれるものでは無い。したがって、実施例１の圧縮率を他の実施例に適用しても構わないし、その逆を行っても、本願の効果が損なわれるものではない。また、実施例５以降の実施例に関しても、この表１に記載した圧縮率を適用しても構わない。

ここで、α／β＜１である。より好ましくは、α／β＜０．９５、さらに好ましくはα／β＜０．９０とすることが望ましい。また、下限値は、α／β＞０．３、より好ましくはα／β＞０．５、さらに好ましくはα／β＞０．７とすることが望ましい。

また、α＞１であることは当然であるが、より好ましくはα＞１．０５、さらに好ましくはα＞１．１０を満足することが望ましい。また、βも同じくβ＞１であることは当然であるが、より望ましくはβ＞１．１０、さらに望ましくはβ＞１．２５を満足することが望ましい。

上記各実施例では、偏光変換素子よりも光源側に、ＸＺ断面とＹＺ断面とで光束の圧縮率を異ならせる圧縮系を設けた照明光学系について説明した。しかし、偏光変換素子よりも偏光ビームスプリッタ側に同様の作用を有する圧縮系を設けてもよい。

この場合も、ＹＺ断面での圧縮率がＸＺ断面での圧縮率よりも大きくなるように圧縮系を構成する。

以上説明した各実施例によれば、コントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射することが可能な画像投射用光学系を実現することができる。

以上の実施例１〜５に関しては、圧縮率を、圧縮系に入射する前（リフレクタから射出した直後）の光束径を、圧縮系から出射した直後の光束径で割った値として定義した。しかしながら、実施例７以降において用いる「圧縮率」及び「伸長率」と言う文言（以下、「変換率」とも称する）は、この定義の逆とする。すなわち、実施例７以降において用いる「圧縮率」及び「伸長率」（変換率）とは、圧縮系から出射した直後の光束径を、圧縮系に入射する前（リフレクタから射出した直後）の光束径で割った値として定義する。勿論、この「圧縮率」及び「伸長率」（変換率）は、実施例７以降で詳細に説明するように、圧縮系内の光学系の焦点距離を用いて定義しても構わない。

また、実施例１〜５におけるＸＺ断面、ＹＺ断面と、実施例７〜１５におけるＸＺ断面、ＹＺ断面とは互いに異なる断面（互いに逆の断面）を指している。つまり、実施例７〜１５におけるＸＺ断面とは、光学面（偏光分離面）の法線と平行な断面であり、ＹＺ断面はそのＸＺ断面と垂直な断面である。勿論、ＸＺ断面もＹＺ断面もＺ軸（すなわち照明光学系の光軸）に対しては平行である。

このように、圧縮率の定義を実施例７以降で用いる「圧縮率」や「伸長率」（変換率）の定義に基づいて、光学面（偏光分離面）の法線と平行な断面（実施例１〜５におけるＹＺ断面）における変換率をγ（ガンマ）とする。また、それと直交する断面（実施例１〜５におけるＸＺ断面）における変換率をδ（デルタ）とする。その時、上記の表１は、以下の表１Ａのように書き換えることができる。

この表１Ａにおいて、γが１未満であることは当然であるが、γは好ましくは０．９０未満、より好ましくは０．７５未満であることが望ましい。またδも１未満であることは当然であるが、δは好ましくは０．９５未満、より好ましくは０．９０未満であることが望ましい。これは、実施例１〜５は勿論のこと、実施例７〜１１に関しても同様のことが言える。但し、実施例１２〜１５に関しては、光束を伸長するため、γやδは共に１よりも大きな値となる。

また、γ／δも１未満であることは当然であるが、好ましくは０．９５未満、より好ましくは０．９０未満であることが望ましい。また、γ／δは、０．３より大きい、より好ましくは０．５よりも大きい値（更に好ましくは０．６以上）であることが望ましい。これは実施例１〜５は勿論のこと、実施例７〜１５に関しても同様のことが言える。

尚、実施例７以降においては、光学面（偏光分離面）の法線と平行な断面がＸＺ断面であり、それと垂直な断面がＹＺ断面と定義されている（実施例１〜５とは逆である）。すなわち、表１Ａ中のγに相当するのは、実施例７以降のＸＺ断面における変換率（圧縮率、伸長率）であり、表１Ａ中のδに相当するのは、実施例７以降のＹＺ断面における変換率である。言い換えれば、表１Ａのγは、実施例７以降のα、或いは平行化倍率ＨＸのことであり、表１Ａのδは、実施例７以降のβ、或いは平行化倍率ＨＹのことである。従って、表１Ａのγ／δは、実施例７以降で記載するα／β、或いはＨＸ／ＨＹと同意であり、数値範囲も同様の範囲に存在することが望ましい。

図１９には、上記実施例１で説明した照明光学系を用いた液晶プロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。図１９は、実施例１でいうＹＺ面を含む断面での構成を示している。なお、この液晶プロジェクタにおいて、照明光学系を実施例２〜５で説明したものに置き換えてもよい。

同図において、１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、２は光源１からの光を所定の方向に集光する楕円リフレクタである。光源１とリフレクタ２により光源ランプＬＰが構成される。

１００は実施例１で説明した照明光学系のうち光源ランプＬＰと偏光ビームスプリッタ７を除いた部分である。

１５８は青（Ｂ：４３０〜４９５ｎｍ）と赤（Ｒ：５９０〜６５０ｎｍ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ：５０５〜５８０ｎｍ）の波長領域の光を透過するダイクロイックミラーである。青、赤、緑の波長領域は以上の記載に限定されるものではなく、上記の領域のうち４０ｎｍ以上の幅を持った波長領域であればよい。１５９は透明基板に偏光素子を貼り付けたＧ用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光光のみを透過する。６０は多層膜により構成された偏光分離面においてＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッタである。

６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂはそれぞれ、入射した光を反射するとともに画像変調する光変調素子（若しくは画像形成素子）としての赤用反射型液晶パネル、緑用反射型液晶パネル及び青用反射型液晶パネルである。６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂはそれぞれ、赤用１／４波長板、緑用１／４波長板及び青用１／４波長板である。

６４は透明基板に偏光素子を貼り付けたＲＢ用入射側偏光板であり、Ｓ偏光のみを透過する。

６５はＢ光の偏光方向を９０度変換し、Ｒ光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板である。６６は偏光分離面においてＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２偏光ビームスプリッタである。６７はＲ光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板である。

６８はＲＢ用の射出側偏光板（偏光素子）であり、Ｓ偏光のみを透過する。６９は偏光分離面においてＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第３の偏光ビームスプリッタである。

以上のダイクロイックミラー１５８から第３の偏光ビームスプリッタ６９までの光学素子により、色分解合成光学系２００が構成される。

７０は投射レンズ（投射光学系）であり、上記照明光学系１００、色分解合成光学系２００及び投射レンズ７０により画像投射用光学系が構成される。ここで、投射レンズは、勿論ミラーとレンズを両方とも有していても構わないし、ミラーのみで構成されていても構わない。勿論、回折光学素子等を含んでいても構わない。

次に、照明光学系１００を通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。

ダイクロイックミラー１５８を透過したＧの光は入射側偏光板１５９に入射する。Ｇ光はダイクロイックミラー１５８によって分解された後もＳ偏光となっている。そして、Ｇ光は、入射側偏光板１５９から射出した後、第１の偏光ビームスプリッタ６０に対してＳ偏光として入射し、その偏光分離面で反射され、Ｇ用反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。

該プロジェクタの液晶駆動回路２５０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置３００が接続されている。プロジェクタと画像供給装置３００により画像表示システムが構成される。液晶駆動回路２５０は、画像供給装置３００から入力された画像情報（映像情報）に基づいて各反射型液晶パネルを駆動し、これらに各色用の原画を形成させる。これにより、各反射型液晶パネルに入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調（画像変調）される。

画像変調されたＧ光のうちＳ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面で反射し、光源側に戻されて投射光から除去される。一方、画像変調されたＧ光のうちＰ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面を透過し、投射光として第３の偏光ビームスプリッタ６９に向かう。このとき、すべての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル６１Ｇとの間に設けられた１／４波長板６２Ｇの遅相軸を所定の方向に調整する。これにより、第１の偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル６１Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。

第１の偏光ビームスプリッタ６０から射出したＧ光は、第３の偏光ビームスプリッタ６９に対してＰ偏光として入射し、第３の偏光ビームスプリッタ６９の偏光分離面を透過して投射レンズ７０へと至る。

一方、ダイクロイックミラー１５８を反射したＲとＢの光は、入射側偏光板６４に入射する。ＲとＢの光はダイクロイックミラー１５８によって分解された後もＳ偏光となっている。そして、Ｒ光とＢ光は、入射側偏光板６４から射出した後、第１の色選択性位相差板６５に入射する。第１の色選択性位相差板６５は、Ｂ光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢの光はＰ偏光として、Ｒ光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＲ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒへと至る。

また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＢ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過してＢ用反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。

Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲ光のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲ光のうちＰ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して投射光として第２の色選択性位相板６７に向かう。

また、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢ光のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢ光のうちＳ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射して投射光として第２の色選択性位相板６７に向かう。

このとき、第２の偏光ビームスプリッタ６６とＲ用及びＢ用反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｂの間に設けられた１／４波長板６２Ｒ，６２Ｂの遅相軸を調整することにより、Ｇの場合と同じようにＲ，Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行うことができる。

こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッタ６６から射出したＲ光とＢ光のうちＲ光は、第２の色選択性位相板６７によってその偏光方向が９０度回転されてＳ偏光成分となる。さらに、Ｒ光は、射出側偏光板６８で検光されて第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射する。

また、Ｂの光はＳ偏光のまま第２の色選択性位相板６７をそのまま透過し、さらに射出側偏光板６８で検光されて第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射する。尚、射出側偏光板６８で検光されることにより、ＲとＢの投射光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６とＲ用及びＢ用反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｂ、１／４波長板６２Ｒ、６２Ｂを通ることによって生じた無効な成分をカットされた光となる。

そして、第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射したＲとＢの投射光は第３の偏光ビームスプリッタ６９の偏光分離面で反射し、Ｇ光と合成されて投射レンズ７０に至る。

合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光（カラー画像）は、投射レンズ７０によってスクリーンなどの被投射面に拡大投射される。

以上説明した光路は反射型液晶パネルが白表示の場合である為、以下に反射型液晶パネルが黒表示の場合での光路を説明する。

まず、Ｇの光路について説明する。ダイクロイックミラー１５８を透過したＧ光のＳ偏光光は、入射側偏光板１５９に入射し、その後、第１の偏光ビームスプリッタ６０に入射して偏光分離面で反射され、Ｇ用反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。しかし、反射型液晶パネル６１Ｇが黒表示状態であるため、Ｇ光は画像変調されないまま反射される。したがって、反射型液晶パネル６１Ｇで反射された後もＧ光はＳ偏光光のままである。このため、再び第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面で反射し、入射側偏光板１５９を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。

次に、ＲとＢの光路について説明する。ダイクロイックミラー１５８で反射したＲとＢの光のＳ偏光光は、入射側偏光板６４に入射する。そして、Ｒ光とＢ光は、入射側偏光板６４から射出した後、第１の色選択性位相差板６５に入射する。第１の色選択性位相差板６５は、Ｂ光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢ光はＰ偏光として、Ｒ光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射する。

Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＲ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＢ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過してＢ用反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。

ここで、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒは黒表示状態であるため、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は画像変調されないまま反射される。したがって、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒで反射された後もＲ光はＳ偏光光のままである。このため、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射し、入射側偏光板６４を通過して光源側に戻され、投射光から除去される。

一方、Ｂ用の反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂが黒表示状態であるため、画像変調されないまま反射される。したがって、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂで反射された後も、Ｂ光はＰ偏光光のままである。このため、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過し、第１の色選択性位相差板６５によりＳ偏光に変換され、入射側偏光板６４を透過して光源側に戻されて投射光から除去される。これにより、黒表示が行われる。

本実施例においては、色分解合成系２００において、波長選択性位相差板を用いたが、これをなくしてもよい。この場合、色分解合成系２００内に配置された偏光ビームスプリッタが、可視領域内の特定の波長領域に対して偏光ビームスプリッタとして機能し、他の波長領域に対しては偏光方向に関わらず透過又は反射する特性を有する偏光分離膜を持つ構成とすればよい。

また、色分解合成系２００と投射レンズ７０との間に１／４位相差板を配置して、投射レンズ７０内のレンズ面で反射されて戻ってきた光が再反射されて、再びスクリーン方向に戻るのを防ぐようにしてもよい。

さらに、本実施例では、液晶パネルを３枚用いた場合について説明したが、本発明においては、１枚、２枚又は４枚以上を用いてもよい。

また、本実施例においてフライアイレンズと記載したものは、シリンドリカルレンズを２枚近接して配置したもの、或いは貼り合わせたもので代用しても構わない。

図２２、図２３は、本発明の実施例７の照明光学系を用いたプロジェクタ（画像投射装置）の要部概略図である。なお、以下の実施例では、ＸＺ断面及びＹＺ断面の定義及び圧縮率の意味が実施例１〜６と異なる。

図２２、図２３においては、４０１は高圧水銀放電管等の光源手段である。４０２は光束集光手段としての楕円リフレクタ（楕円ミラー）である。光源４０１の発光面４０１ａは、楕円リフレクタ４０２の第１焦点Ｐ１に配置されている。

光源４０１から放射状に発せられた光束は、楕円リフレクタ４０２によって収束する光束(収斂光)に変換されて、楕円リフレクタ４０２の第２焦点Ｐ２に集光する。

尚、楕円リフレクタ４０２は放物面リフレクタと正レンズに置き換えて構成してもよい。

楕円リフレクタ４０２の頂点Ｔから第２焦点Ｐ２までの距離ｆｐは光束集光手段４０２の焦点距離に相当している。すなわち、楕円リフレクタ（光束集光手段）４０２は、第１のレンズアレイ４０３よりも光源側の第２焦点の位置に、光源からの光束を集光させている。 尚、ここでの第２焦点とは、光源から発した光束が集光される位置のことであり、楕円リフレクタを用いない場合においては、単に集光点（集光位置）と言い換えてもよい。

第２焦点Ｐ２からの光束は、その第２焦点よりも偏光変換素子側に配置された第１のレンズアレイ４０３で複数の光束に分割される。その複数の分割光束は、第２のレンズアレイ４０４を介して偏光変換素子４０５の近傍または光入射側又は光射出側に、複数の２次光源像を形成する。

各２次光源像を形成した光束は、偏光変換素子４０５で所定の偏光方向を有する直線偏光に変換された後、コンデンサレンズ４０６に入射する。

コンデンサレンズ４０６から射出した複数の分割光束は、偏光ビームスプリッタ４０７の偏光分離面４０７ａを透過して被照射面に設けた液晶パネル４０８上で重ね合わされる。これにより、液晶パネル４０８は均一な強度分布を有する照明光束によって照明される。

液晶パネル４０８において画像変調及び反射された光は、偏光ビームスプリッタ４０７の偏光分離面４０７ａで反射されて投射レンズ４０９に導かれる。本実施例では、液晶パネル４０８を１枚のみ示しているが、実際の一般的なカラープロジェクタでは、画像形成素子として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４０７は、これら３つの液晶パネルに対してＲ，Ｇ，Ｂの各色照明光を導き、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。

尚、図２２は偏光ビームスプリッタ４０７の偏光分離面４０７ａの法線と、照明光学系の光軸ｏを含む第１断面（ＸＺ面）を示している。

ここで光軸ｏとは、例えば、コンデンサレンズ４０６の中心と液晶パネル４０８のパネル面中心を通る軸線によって定義される。また光軸ｏはＺ軸に相当する。

図２３は、照明光学系の光軸ｏを含む第１断面と直交する第２断面（ＹＺ面）を示している。

図２２は、長方形状の液晶パネル４０８の短辺方向に平行な断面である。

図２３は、液晶パネル４０８の長辺方向に平行な断面である。

このＸＺ断面は、偏光分離面４０７ａの法線と液晶パネル４０８のパネル面（入射出面）の法線とに平行な断面と言い換えることができる。また、ＹＺ断面は、ＸＺ断面に対して垂直で、Ｚ軸（光軸）と平行な断面であると言える。これらＺ軸、ＸＺ断面及びＹＺ断面の意味は、後述する以下の実施例でも同じである。

照明光学系は、光源手段からの光束を用いて偏光ビームスプリッタ４０７を介した照明光束による被照明面に配置された長方形状の反射型の画像形成素子としての反射型液晶パネル（液晶パネル）４０８を照明している。液晶パネル４０８によって画像変調された光（画像光）は、再度偏光ビームスプリッタ４０７を介して投射レンズ（投射光学系）４０９に導かれ、スクリーン等の被投射面に投射されている。

図２２の第１断面内において、第１のレンズアレイ４０３の光入射側は、第１断面内においてのみ正の屈折力を有するシリンドリカル面より構成されている。第１レンズアレイ４０３の光射出面はレンズアレイ面により構成されている。第２レンズアレイ４０４の入射面は、レンズアレイ面により構成されている。第２レンズアレイ４０４の光射出面は屈折力がない面である。

図２３の第２断面内において、第１レンズアレイ４０３の光入射面は屈折力のない面である。第１レンズアレイ４０３の光射出側は、レンズアレイ面により構成されている。第２レンズアレイ４０４の光入射面は、レンズアレイ面により構成されている。第２レンズアレイ４０４の光射出面は、第２断面内においてのみ正の屈折力を有するシリンドリカル面により構成されている。

第１断面内において、第１レンズアレイ４０３のシリンドリカル面の焦点距離をｆｘとするとき、第２焦点Ｐ２から第１レンズアレイ４０３までの距離はｆｘとなっている。第２焦点Ｐ２からの発散光束は第１レンズアレイ４０３を通過した後平行光束となり、平行光束の状態で第２レンズアレイ４０４と偏光変換素子４０５を通過してコンデンサレンズ４０６に入射する。

本実施例にいう平行光束とは、完全な平行な光束だけでなく、光学性能的に平行とみなせる光束も含む。

図２２において、点線は第１レンズアレイ４０３の中心（光軸上）を通過する光束である。実線は第１レンズアレイ４０３の中心以外を通過する光束である。実線の光束が、液晶パネル４０８上に重なっている状態を示している。第１断面内において、第１レンズアレイ４０３は平行化手段を構成する。

図２３の第２断面内において、第２レンズアレイ４０４の光射出面のシリンドリカル面における焦点距離をｆｙとする。

このとき、第２焦点Ｐ２から第２レンズアレイ４０４までの距離の空気換算値はｆｙである。

このため第２焦点Ｐ２からの発散光束のうち第１レンズアレイ４０３の光射出面のシリンドリカル面の中心と、第２レンズアレイ４０４の光入射面のシリンドリカル面の中心を通過した光束は第２レンズアレイ４０４の光射出面から射出するとき平行光束となる。

第１レンズアレイ４０３の光射出面と第２レンズアレイ４０４の光入射面に設けたレンズアレイ面によって複数の光源像が形成される。これらの複数の光源像は、コンデンサレンズ４０６の焦平面に形成される。

これらの複数の光源像からの光束は、偏光変換素子４０５を介し、コンデンサレンズ４０６によって、液晶パネル４０８上で重畳される。

第２断面内において第２レンズアレイ４０４は平行化手段を構成する。

図３９は偏光変換素子４０５の一部分の説明図である。

偏光変換素子４０５は、平行化手段の光射出側又はその光路中に設けて用いられる。

偏光変換素子４０５は、複数の偏光分離面４０５ａと、複数の反射面４０５ｂと、複数の１／２波長板４０５ｃとを有する。ここでの偏光変換素子４０５は、具体的には、偏光分離面４０５ａと反射面（偏光分離面でも可）４０５ｂと１/２波長板４０５ｃとを１つの偏光変換素子部として有する。そして、偏光変換素子４０５は、この偏光変換素子部を光軸に対して略直交する方向に複数個配列したアレイ状の光学素子である。したがって、ここでの偏光変換素子４０５は、偏光変換素子アレイと称してもよい。

この偏光変換素子４０５において、各偏光分離面４０５ａ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４０５から射出する。

一方、各偏光分離面４０５ａ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４０５ａで反射し、さらに反射面４０５ｂで反射する。そして、１／２波長板４０５ｃでその偏光方向が９０度変換されて偏光変換素子４０５から射出する。こうして、偏光変換素子４０５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する。

ここで、１／２波長板４０５ｃは偏光分離面４０５ａを透過した光の光路上にのみ配置していても構わない。また、この偏光変換素子５は、色ごと（各パネルに対応する波長領域ごと）に無偏光光を直線偏光光にすればよく、それらの直線偏光光の方向は必ずしも同一である必要は無い。

すなわち、赤色光だけを後段の偏光ビームスプリッタ４０７に対してＳ偏光とし、緑色光と青色光を偏光ビームスプリッタ４０７に対してＰ偏光とする等、３色光のうち１つの色光の偏光方向と残りの２つの色光の偏光方向とを直交させてもよい。

具体的には、前述の偏光分離面４０５ａに、緑色光と青色光のＳ偏光と赤色光のＰ偏光を反射し、緑色光と青色光のＰ偏光と赤色光のＳ偏光を透過する特性を持たせ、前述の偏光分離面４０５ａで反射される光束の光路上に１/２波長板４０５ｃを配置すればよい。

本実施例では、楕円リフレクタ（第１の光学素子）４０２で反射した収束光束（収斂光）は、図２２のＸＺ断面では第１のレンズアレイ（第２の光学素子）４０３で平行光束としている。又、図２３のＹＺ断面では第２のレンズアレイ（第３の光学素子）４０４で平行光束としている。すなわち、ＸＺ断面においては楕円リフレクタ４０２と第１のレンズアレイ４０３とによって構成される圧縮系によって光束を圧縮している。

また、ＹＺ断面においては楕円リフレクタ４０２と第２のフライアイレンズ４０４とによって構成される圧縮系によって、光束を圧縮している。

このように、本実施例では、楕円リフレクタ４０２から収束光束を射出させ、楕円リフレクタ４０２から第１及び第２のレンズアレイ４０３，４０４までの距離差を利用して、ＹＺ断面よりも大きな光束圧縮率（平行化倍率）をＸＺ断面で得ている。

このため、第１のレンズアレイ４０３と第２のレンズアレイ４０４との間で急激に光束を圧縮する従来の例に比べて、各レンズアレイを構成するレンズセルの偏心量を大きくする必要がない。したがって、各レンズアレイの光軸方向での厚みの増加を抑えることができる。この結果、各レンズアレイで発生する収差を低減することができる。また、照明効率を大きく低下させることなくＸＺ断面で必要な光束圧縮率（平行化倍率）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４０７における光束角度分布に敏感な方向（ＸＺ断面）での光束角度分布を小さくして明るさむらやコントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射している。

偏光ビームスプリッタ４０７における光束角度分布に鈍感な方向（ＹＺ断面）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下に寄与することができる。

本実施例では、液晶パネル４０８のパネル面に対する入射光束の角度分布は、図２２の液晶パネル４０８の短辺方向に平行なＸＺ断面（第１断面）に比べて、図２３の長辺方向に平行なＹＺ断面（第２断面）の方が大きい。

光源４０１と偏光ビームスプリッタ４０７との間に設けられ、照明光学系における互いに直交する第１断面（ＸＺ断面）及び第２断面（ＹＺ断面）においてそれぞれ光束を圧縮する平行化手段（第２及び第３の光学素子）４０３、４０４を有する。そして、平行化手段４０３、４０４による光束の圧縮率（平行化倍率）は、第１断面と第２断面とで互いに異なっている。

尚、光束の圧縮とは、光束集光手段４０２で光束径（言い換えれば光束幅）を縮小した後、平行化手段４０３、４０４で平行光束化するまでをいう。

そして、圧縮率とは、光束集光手段４０２で反射される光束径（光軸と垂直な方向の幅）Ｌｒに対する平行化手段４０３、４０４を通過した後の光束径Ｌ（Ｌx、Ｌy）との比Ｌ／Ｌｒをいう。

第１断面における光束の圧縮率をα、第２断面における光束の圧縮率βとする。

このとき、
α＝Ｌx／Ｌｒ
β＝Ｌy／Ｌｒ
である。ここで、
α≠β
α＜１、β＜１
α＜β
α／β＜１
である。

すなわち、図２２の第１断面における光束の圧縮率αの方が、図２３の第２断面における光束の圧縮率βよりも小さい。

例えば、
α＝０．６
β＝０．８３
α／β＝０．７２
である。
本実施例では、
α／β≦０．７５
となるように各要素を設定している。

より好ましくは、
０．５＜α／β≦０．７５
となるようにしている。

ここで、第１断面における圧縮率（変換率）α、第２断面における圧縮率（変換率）β、そしてその両者の比α／βそれぞれを、第１、２断面における平行化倍率ＨＸ、ＨＹ、ＨＸ／ＨＹで置き換えてもよい。そこで、以下記載するＨＸ、ＨＹに関しては、圧縮率（変換率）α（γ）、β（δ）とほぼ同じ意味であり、α（γ）、β（δ）、α／β（γ／δ）に関して規定した条件式は、ＨＸ、ＨＹ、ＨＸ／ＨＹにも適用できるものとする。したがって、γ／δの数値範囲と同様にＨＸ／ＨＹも１未満であることは当然であるが、好ましくは０．９５未満、より好ましくは０．９０未満であることが望ましく、更には前述したように０．７５以下であることが望ましい。また、ＨＸ／ＨＹは前述したように０．５より大きい（更に好ましくは０．６以上）ことが望ましいが、γ／δと同様に、少なくとも０．３より大きければ良い。

ここで、本実施例において第１断面（ＸＺ面）と第２断面（ＹＺ面）における、平行化倍率ＨＸ、ＨＹとは次のことをいう。

第１断面（図２２）における第１の平行化倍率（光束の圧縮率）ＨＸは、
ＨＸ＝｜ｆｘ／ｆｐ｜
である。

同様に第２断面（図２３）における第２の平行化倍率ＨＹは、
ＨＹ＝｜ｆｙ／ｆｐ｜
である。

図２２、図２３から第２のレンズアレイ４０４が第１のレンズアレイ４０３よりも第２の焦点Ｐ２に対して離れた位置に配置されるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。
よって、
ＨＹ＞ＨＸ
なる条件を満足することとなる。

これにより、光束集光手段４０２からの光束は第１、第２断面において異なる圧縮率で圧縮され、第１、第２断面において幅（径）が異なる光束に変換される。

ここで、本実施例では、偏光変換素子４０５は光束の広い図２３の第２断面内に偏光変換ユニットのアレイを構成し、偏光ビームスプリッタ４０７は光束の狭い第１断面方向に、偏光分離面４０７ａによる折り曲げを行う。これによれば、偏光分離面４０７ａで、明るさを損なうとこなく、コントラストを向上することができる。

ＸＺ断面内の光束径を圧縮するＸＺ断面用平行化手段とＹＺ断面内の光束を圧縮するＹＺ断面用平行化手段とは、同一の光学素子で構成してもよい。また、レンズアレイの配置により平行化手段を有するように光学素子の一部が重複してもよいし、又互いに重複しない別々の光学素子で構成してもよい。

本実施例における平行化手段は、光源と偏光変換素子との間に配置されており、リフレクタで反射された時点での光束径をＸＺ断面及びＹＺ断面において圧縮している。このようにすれば、光源からの光を液晶パネルに導く照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）における光束の径を細くすることができる。

そして、ＸＺ断面とＹＺ断面において、光学素子の配置及びこれらの光学素子のパワーが互いに異なるような配置のうち少なくとも一方により、偏光変換素子に入射する段階（平行化手段を射出した段階）での光束径が両断面内で互いに異なるようにしている。つまり、ＸＺ断面とＹＺ断面とで圧縮率を互いに異ならせている。

ここでは、主に偏光変換素子よりも光源側に平行化手段を配置している場合について記載しているが、平行化手段は、偏光変換素子よりも液晶パネル（投射光学系）側に配置しても構わない。

その場合、ＹＺ断面における照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）よりも光源側にＹＺ断面の光束径を圧縮するＹＺ断面用平行化手段を配置すればよい。また、ＸＺ断面における照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）よりも光源側にＸＺ断面の光束径を圧縮するＸＺ断面用平行化手段を配置すればよい。

これらは、後述する他の実施例でも同様である。

尚、他の実施例として、本実施例における平行化手段４０３、４０４による光束の圧縮の代わりに、圧縮とは逆に入射光束を第１断面と第２断面とで異なる比率で伸長してもよい。この場合、前述の実施例における圧縮系の代わりに、負の屈折力（光学パワー）を有する、すなわち光束発散作用を持つ光束発散手段と、その光束発散手段から射出する光束を平行にする正の屈折力を持つ平行化手段とにより構成される伸長系を用いる。光源及び光源からの光束を反射するリフレクタの外径が小さい場合（液晶パネル等の画像形成素子の大きさに比べて小さい、もしくは半分より小さい場合）、光束発散手段を用いる構成が望ましい。

この場合、第１断面と第２断面との光束の伸長率を各々ＨＸＸ、ＨＹＹとする。このとき、第２断面での光束の伸長率が第１断面よりも大きくなるようにすれば、光束を圧縮したのと同様の効果が得られる。

すなわち、
ＨＸＸ＜ＨＹＹ
とすればよい。

ここで、伸長率と圧縮率は、光束径（光束幅）が変換される比率としての変換率ということができる。また、伸長系及び圧縮系は、変換系ということができる。これらは後述する各実施例において全く同様である。

尚、平行化倍率ＨＸ、ＨＹを求めるときの各断面における焦点距離は、以下のように定義した値を用いればよい。

図２２、図２３において第１、第２レンズアレイ４０３、４０４では、１つの面にシリンドリカル面を設け、他の面にレンズアレイ面を設ける形態を示したが、シリンドリカル面とレンズアレイ面を一体化した形態でもよい。

図２４は、一体化したレンズアレイＡの例を示す。ここでは、レンズアレイＡの一方の光学面に、偏心した微小レンズ面（レンズセルＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ２′）を複数配置している。

このとき、レンズアレイＡ（光学面）の焦点距離は、計算上、図２４に示すようにレンズアレイ中心のレンズセルＬＡ１の中心を通過する光線と、それに隣接するレンズセルＬＡ２またはＬＡ２′の中心を通過する光線の集光点より定義できる。

レンズアレイＡを構成する各レンズセルを基準となる基準軸（照明光学系の光軸）ｏに垂直に配置したとき、基準軸ｏに平行な各レンズセル（ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ２′など）の面法線が各レンズセルの光軸（ｏ１，ｏ２，ｏ２′）と見なすことができる。

よって、図２４において各レンズセルＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ２’の中央（ｏ１，ｏ２，ｏ２’）を通過する基準軸ｏに平行な光線を追跡すると、レンズセルＬＡ２，ＬＡ２’では光線は屈折し、中央のレンズセルＬＡ１の光軸に対して所定の位置Ｑで交差する。

レンズセルＬＡ１のレンズ面から点Ｑまでの距離ｆｇはをそれぞれの断面におけるレンズアレイＡの焦点距離となる。

レンズセルＬＡ２とＬＡ２’が基準軸ｏに対して対称であるときには、レンズセルＬＡ２，ＬＡ２’の中心を通過する光線は１つの点で中央のレンズセルＬＡ１の光軸に対して交わり、非対称なときは異なる位置で交差する。このときは、異なる交差点の中間を用いてレンズアレイＡの焦点距離を定義すればよい。

さらに、図２５のように基準軸ｏ上にレンズセルがない場合は、基準軸ｏ近傍の２つのレンズセルＬＡ３，ＬＡ３’に対して同様な作図を行うことで、レンズセルＬＡ３，ＬＡ３’の中心を通る２つの光線の交点Ｑ’から焦点距離ｆｇ’を定義することができる。

図２６は、光束集光手段を、楕円リフレクタ（楕円ミラー）に代えて用いられる放物リフレクタ（対物ミラー）４０２ａと正レンズ４２０との組み合せで構成した例である。光源４０１からの光束は、放物リフレクタ４０２ａで反射して平行光束となり、正レンズ４２０に入射する。

正レンズ４２０の焦点位置を、図２２，図２３の第２焦点位置Ｐ２と一致させることにより、正レンズ４２０を通過した光束は第２焦点Ｐ２に集光する。これによって上記で説明した効果が同様に得られる。

このとき光束集光手段は、放物リフレクタ４０２ａと正レンズ４２０からなり、光束集光手段の焦点距離は正レンズ４２０の焦点距離ｆ_２０となる
また、図２７のように放物リフレクタ４０２ｂと正レンズ４２０ｂを組み合わせたときには、次の如く定義するのがよい。

すなわち、放物リフレクタ４０２ｂの頂点Ｔ１に焦点距離ｆｐのレンズがあり、さらに頂点Ｔ１から空気間隔ｄだけ間隔を空けて正レンズ（焦点距離＝ｆ_２０）４２０ｂがあるものとみなして、光束集光手段の焦点距離を定義すればよい。

尚、光束集光手段を楕円リフレクタと集光レンズとにより構成してもよい。

図２８、図２９は本発明の実施例８の照明光学系の要部断面図である。

図２８は第１断面（ＸＺ面）、図２９は第２断面（ＹＺ面）を示している。

実施例８は、図２２、図２３で説明した実施例７に比べて楕円リフレクタ４２１と第１レンズアレイ４２４との間に回転対称の負レンズ４２３を配置した点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。

図２８、図２９において図２２、図２３と同じ部材には同一符号を付す。

図２８、図２９において、４０１は光源、４２１は楕円リフレクタ、４２３は負レンズ、４２４は第１のレンズアレイ、４２５は第２のレンズアレイである。４０５は偏光変換素子、４０６はコンデンサレンズ、４０７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４０８は反射型の液晶パネル、４０９は投射レンズ、４１０は位相板である。

図２８、図２９において、楕円リフレクタ４２１と負レンズ４２３によって光源４０１の虚像が形成される点Ｐ２′が、図２２、図２３における第２の焦点Ｐ２に相当する。

したがって、本実施例では、基本的に図２８、図２９の点Ｐ２’が、図２２、図２３の第２の焦点Ｐ２であるとして取扱えばよい。

本実施例では、光源４０１の発光点は楕円リフレクタ４２１の第１焦点Ｐ１に配置され、楕円リフレクタ４２１の第２焦点Ｐ２に光源４０１からの光束が集光する。楕円リフレクタ４２１は光束集光手段を構成している。

このとき楕円リフレクタ４２１の頂点Ｔから第２焦点Ｐ２までの距離が光束集光手段の焦点距離ｆｐとなる。

楕円リフレクタ４２１から第２焦点Ｐ２との間に負レンズ４２３を設け、負レンズ４２３の負のパワーにより第２焦点（物点）Ｐ２を点Ｐ２’に結像させる。光束は点Ｐ２’から発散する光束となる。

第１レンズアレイ４２４の入射側の面は、図２８のＸＺ断面において正のパワーを有するレンズアレイ形状をしている。ここでは、図２６とは異なり、レンズセルの段差がないように配置しているが、レンズアレイにおける正のパワーの焦点距離の求め方は図２６と同じである。

この形状で得られる第１レンズアレイ４２４の焦点距離をｆｘとし、第１レンズアレイ４２４をＰ２‘からｆｘだけ離れた位置に配置することで、この断面で光束を平行化する作用を有する。

よって、負レンズ４２３と第１レンズアレイ４２４が、第１断面ＸＺの平行化手段を構成する。

第１断面（ＸＺ面）内の平行化手段の焦点距離は、負レンズ４２３の焦点距離ｆ２３と第１レンズアレイ４２４の焦点距離ｆｘ１によって決まる。

図２８の第１断面において、負レンズ４２３のレンズアレイ側の主平面位置から第１レンズアレイ面４２４までの空気換算距離をＬ１とする。負レンズ４２３と第１レンズアレイ４２４の合成の焦点距離は、
ｆｘ＝１／（１／ｆ２３＋１／ｆｘ１−Ｌ１／ｆ２３／ｆ１）
となる。

第２のレンズアレイ４２５の射出側は、図２９の断面ＹＺにおいて正のパワーを有するレンズアレイ形状をしている。

この形状で得られる第２レンズアレイ４２５の焦点距離をｆｙ１とし、第２レンズアレイ４２５を点Ｐ２‘から空気換算で距離ｆｙだけ離れた位置に配置することでこの断面ＹＺで光束を平行化する作用を有する。

よって負レンズ４２３と第２レンズアレイ４２５が第２断面ＹＺの平行化手段となる。

第２断面（ＹＺ面）内の平行化手段の焦点距離は、負レンズ４２３の焦点距離ｆ２３とそれぞれのレンズアレイ４２４、４２５の焦点距離ｆｙ１で決まる。

第２断面（図２９）においては、負レンズ４２３のレンズアレイ側主平面位置から第２レンズアレイ面４２５までの距離をＬ２とすると、負レンズ４２３と第２レンズアレイ４２５の合成の焦点距離は、
ｆｙ＝１／（１／ｆ２３＋１／ｆｙ１−Ｌ２／ｆ２３／ｆｙ１）
となる。

このとき、第１断面（図２８）における第１の平行化倍率ＨＸは、
ＨＸ＝｜ｆｘ／ｆｐ｜
である。

同様に第２断面（図２９）における第２の平行化倍率ＨＹは、
ＨＹ＝｜ｆｙ／ｆｐ｜
である。

図２８，図２９から第２レンズアレイ４２５が第１レンズアレイ４２４よりも第２の焦点Ｐ２に対して離れた位置に配置されるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。よって、
ＨＹ＞ＨＸ
となり、光束集光手段からの光束は第１、第２断面において異なる圧縮率で圧縮され、第１、第２断面において幅（径）が異なる光束に変換される。
例えば、ｆ２３＝−５０ｍｍ、ｆｘ＝１５０ｍｍ、Ｌ１＝５０ｍｍ、ｆｙ＝２００ｍｍ、Ｌ２＝１００ｍｍとすると、
ｆｘ＝−１５０ｍｍ
ｆｙ＝−２００ｍｍ
となる。

ここで、
ＨＸ／ＨＹ＝｜ｆｘ／ｆｙ｜＝０．７５
となる。
(実施例８の変形例)
図３０、図３１は、実施例８の変形例であり、図２８、図２９に対応している。

図３０、図３１において、４０１は光源、４２１ａは楕円リフレクタ、４２３ａは回転対称の負レンズ、４２４ａは第１のレンズアレイ、４２５ａは第２のレンズアレイである。４０５は偏光変換素子、４０６はコンデンサレンズ、４０７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４０８は反射型の液晶パネル、４０９は投射レンズである。

図３０において、光源４０１は楕円リフレクタ４２１ａの第１焦点Ｐ１近傍に配置され、楕円リフレクタ４２１ａの第２焦点Ｐ２に光源４０１からの光束が集光するので、楕円リフレクタ４２１ａが光束集光手段となる。

このとき楕円リフレクタ４２１ａの頂点Ｔから第２焦点Ｐ２までの距離が光束集光手段の焦点距離ｆｐとなる。

楕円リフレクタから第２焦点Ｐ２の間に負レンズ４２３ａを設け、負レンズ４２３の負のパワーにより光束は平行化される。

図３０の第１断面において、第１のレンズアレイ４２４ａと、第２のレンズアレイ４２５ａは共にパワーを有していない（レンズセルが一様に並べられたレンズアレイである）。よって、負レンズ４２３ａが第１の方向の平行化手段となる。

図３１の第２断面では、第１のレンズアレイ４２４ａが負のパワーを有するレンズアレイの形状をしており、第２のレンズアレイ４２５ａが正のパワーを有するレンズアレイの形状をしている。

この形状で得られる第１のレンズアレイ４２４ａと第２のレンズアレイ４２５ａの焦点距離をそれぞれｆｙ１、ｆｙ２とする。そして、ｆｙ１、ｆｙ２に対応するそれぞれの焦点位置が点Ｒ１で一致するように第１のレンズアレイ４２４ａと第２のレンズアレイ４２５ａを配置する。これにより、この第２断面では、第１のレンズアレイ４２４ａで光束が発散したのち、再び第２のレンズアレイ４２５ａで光束を平行化する作用を有する。

よって、負レンズ４２３ａと第１のレンズアレイ４２４ａと第２のレンズアレイ４２５ａが第２断面内での平行化手段となる。

平行化手段の焦点距離ｆｘ，ｆｙは、負レンズ４２３ａの焦点距離ｆ２３とレンズアレイ４２４ａ、４２５ａのそれぞれの焦点距離ｆｙ１，ｆｙ２によって決まる。

第１断面（図３０）においては、負レンズ４２３ａの焦点距離と同じで、
ｆｘ＝ｆ２３
となる。

図３１において、第１のレンズアレイ４２４ａの焦点距離をｆｙ１、第２のレンズアレイ４２５ａの焦点距離をｆｙ２とする。このとき、第２断面（図３１）においては、３つの光学素子４２３ａ、４２４ａ、４２５ａの合成の焦点距離から、
ｆｙ＝ｆ２３＊｜ｆｙ２／ｆｙ１｜
となる。
このとき第１断面（図３０）における第１の平行化倍率ＨＸは、
ＨＸ＝｜ｆｘ／ｆｐ｜
である。

同様に第２断面（図３１）における第２の平行化倍率ＨＹは、
ＨＹ＝｜ｆｙ／ｆｐ｜
である。

図３１から｜ｆｙ２｜＞｜ｆｙ１｜であるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。よって、
ＨＹ＞ＨＸ
となり、光束集光手段４２１ａからの光束は第１、第２断面において異なる圧縮率で圧縮され、第１、第２断面において幅（径）が異なる光束に変換される。

図３２、図３３には、本発明の実施例９の照明光学系の要部断面図である。

図３２は第１断面（ＸＺ面）、図３３は第２断面（ＹＺ面）を示している。

図３２、図３３において、図２２、図２３と同じ部材には同一符号を付している。

図３２、図３３において、４０１は光源、４３２は楕円リフレクタ、４３３は第１のレンズアレイ、４３４は第２のレンズアレイである。４０５は偏光変換素子、４０６はコンデンサレンズ、４０７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４０８は反射型の液晶パネル、４０９は投射レンズ、４１０は位相板である。

図中、一点鎖線ｏは照明光学系の基準軸（光軸）で、楕円リフレクタ４３２の回転対称軸やコンデンサレンズ４０６の光軸と一致している。（但し、これらは必ずしも一致する必要はない。）
光源４０１は楕円リフレクタ４３２の第１焦点Ｐ１近傍に配置され、楕円リフレクタ４３２の第２焦点Ｐ２に光源４０１からの光束が集光する。楕円リフレクタ４３２が光束集光手段となる。

このとき楕円リフレクタ４３２の頂点Ｔから第２焦点Ｐ２までの距離が光束集光手段の焦点距離ｆｐとなる。

第２のレンズアレイ４３４の入射側が図３２の断面に負のレンズパワーを有するシリンダー形状をしている。

この形状で得られる第２のレンズアレイ４３４の焦点距離をｆｘとする。第２のレンズアレイ４３４を第２の焦点Ｐ２から距離ｆｘだけ離れた位置に配置することで、この断面で光束を平行化する作用を有する。

よって、第２のレンズアレイ４３４が第１断面内の平行化手段となる。

第１のレンズアレイ４３３の射出側が、図３３の断面に負のレンズパワーを有するシリンダー形状をしている。

この形状で得られる第１のレンズアレイ４３３の焦点距離をｆｙとし、第１のレンズアレイ４３３を第２の焦点Ｐ２から空気換算で距離ｆｙだけ離れた位置に配置することでこの断面で光束を平行化する作用を有する。

よって、第１のレンズアレイ４３３が第２断面内の平行化手段となる。

第１断面（図３２）における第１の平行化倍率ＨＸは、
ＨＸ＝｜ｆｘ／ｆｐ｜
である。

同様に第２断面（図３３）における第２の平行化倍率ＨＹは、
ＨＹ＝｜ｆｙ／ｆｐ｜
である。

図３２，３３から第１レンズアレイ４３３が第２レンズアレイ４３４よりも第２の焦点Ｐ２に対して離れた位置に配置されるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。よって、
ＨＹ＞ＨＸ
となり、光束集光手段からの光束は第１、第２断面において異なる圧縮率で圧縮され、第１、第２断面において幅（径）が異なる光束に変換される。

ここで、ｆｐ＝２００ｍｍ、ｆｘ＝９０ｍｍ、ｆｙ＝１５０ｍｍとすると、
ＨＸ＝０．４５、ＨＹ＝０．７５、ＨＸ／ＨＹ＝０．６となる。

図３４は、反射型の液晶パネルを３つ用いたカラープロジェクタ（画像投射装置）に実施例７〜９の照明光学系を適用したときの要部概略図である。

本実施例のプロジェクタは、図３４に示すように、コンデンサレンズ４０６とＰＢＳ４７１，４７２の間に色分解素子５０１を設け、偏光ビームスプリッタ４７１、４７２と投射レンズ４０９の間に色合成素子５０２を設けた３板式のプロジェクタである。

図３４において、図２２、図２３に示す各部材と同じ部材には同符番を付している。

図３４において、５０３，５０４，５０５はそれぞれＧ，Ｒ，Ｂ色光用の反射型の画像形成素子である。５０６，５０７，５０８はそれぞれＧ，Ｒ，Ｂ色光用の２分の１位相板である。４７１はＧ色光用のＰＢＳである。４７２はＲＢ色光用のＰＢＳである。５０９は色選択性位相板である。

また、画像形成素子は反射型に限らず透過型でもよい。透過型の場合は画像形成素子における相対的にコントラスト特性が低い側に対して、直交する２つの断面方向のうち圧縮された光束幅の比率が小さい方向を設定するのがよい。

各実施例において、光束平行化手段は、光束の圧縮比を計算するとき方向に寄らず一定の焦点距離として扱うのが望ましく、リフレクタから共通の正のパワーの光学素子までの光学系を光束圧縮系と考えればよい。

図３５、図３６は、放物リフレクタＲＦからの光を２つの断面（ＸＺ面、ＹＺ面）で正のパワーが異なる（ｆｘ、ｆｙ）トーリックレンズＴＬで集光する場合を示す。

図３７、図３８は、図３５、図３６の屈折力配置の模式図である。

この光学系では、図３７，３８のように正のパワーの小さい側の焦点距離（ｆｙ）をＸＺ断面とＹＺ断面とに共通の焦点距離としている。また、図３７のＸＺ断面では、正のパワーの強い側の焦点距離（ｆｘ）が、焦点距離ｆｙの正のレンズと焦点距離ｆｘ’の正のレンズとが間隔０で配置されることによって形成されていると考えられる。

このときには焦点距離ｆｘ’を平行化手段の一部と考えて合成の焦点距離の計算をすれば、各実施例の条件がそのまま適用できる。

高輝度の光源では熱的な問題より、リフレクタの大きさを小さくすることはできない。このため、例えば３０Ｗよりも高輝度のランプを使用し、かつ対角１インチ以下の小型の画像形成素子を使う場合は、リフレクタからの光束を狭めることが、効率アップに有効である。この場合は、平行化倍率ＨＹを、
ＨＹ＜１
となるようにするのがよい。

以上のように各実施例によれば、明るく高いコントラストを有する画像を投射できる照明光学系及びそれを有する画像投射装置が得られる。

本発明の実施例１２の概略図を図４０Ａ、４０Ｂに示す。この実施例１２は、光源（又はリフレクタ）から射出した光束の光束径を伸長する実施例である。このように光束径を伸長する実施例は、光源、或いはリフレクタの外径が小さい場合に特に有効である。

光源として、前述の実施例と同じく高圧水銀ランプを用いても構わないが、キセノンランプやレーザ光源等を用いた小型化が容易な光源を用いた場合に特に好適である。具体的には、画像形成素子の有効領域（画像表示領域）よりもリフレクタの外径やレーザ光源のレーザ発振領域が小さい場合、特に（各断面内で）リフレクタの外径やレーザ光源のレーザ発振領域が画像形成素子の有効領域の半分以下の場合に好適である。

ここで、図４０ＡはＸＺ断面図であり、液晶パネル（液晶表示素子、画像形成素子）の短辺方向と平行な断面であり、光束の伸長率が後述するＹＺ断面よりも低い（変換率が小さい）断面である。図４０ＢはＹＺ断面図であり、液晶パネルの長辺方向と平行な断面であり、図４０Ａの断面と比較して光束の伸長率が高い（変換率が大きい）断面である。

１００１は光源（発光点）であり、光を放射状に発している。１００２は放物面リフレクタ（放物面鏡）であり、光源から発した光束を平行光束に変換している。１００３は凹レンズ(第１の光学素子）であり、リフレクタから射出した平行光束を発散光束に変換している。ここで、放物面リフレクタ１００２は、楕円リフレクタであっても構わないし、また、リフレクタ１００２から反射される光束が発散光束となるように、光源の位置とリフレクタの位置を設定しても構わない。

図４０Ａの断面、すなわちＸＺ断面において、１００４は、複数の微小レンズセル（微小なシリンドリカルレンズセル）を備え、発散光束を平行化しつつ（平行光束に変換しつつ）複数の分割光束に分割する第１のレンズアレイである。１００５は、１００４と同じく複数の微小レンズセルを備え、複数の分割光束を後段の偏光変換素子アレイ１００６に導く第２のレンズアレイである。

１００７はコンデンサレンズ、１００８は偏光分離素子（偏光ビームスプリッタ）、１００９は１／４波長板、１０１０は液晶パネル、１０１１は投射レンズであり、これらの機能についての説明は前述の実施例と同じなので省略する。

図４０Ｂの断面、すなわちＹＺ断面において、１００４は、複数の微小レンズ（微小なシリンドリカルレンズ）を備え、発散光束を発散光束のまま射出する（平行化作用を持たない）第１のレンズアレイである。この第１のレンズアレイは、同時に発散光束を複数の分割光束に分割している。

１００５は、１００４と同じく複数の微小レンズセルを備え、発散光束を平行化しつつ（平行光束に変換しつつ）後段の偏光変換素子１００６に導く第２のレンズアレイである。１００７〜１０１１に関しては図４０Ａの断面（ＸＺ断面）と同じく、前述した実施例と同じ機能であるため、ここでは説明を省略する。

本実施例では、液晶パネル１０１０のパネル面に対する入射光束の角度分布は、図４０Ａの液晶パネル１０１０の短辺方向に平行なＸＺ断面（第１断面）に比べて、図４０Ｂの長辺方向に平行なＹＺ断面（第２断面）の方が大きい。

光源１００１と偏光ビームスプリッタ１００８との間に設けられ、照明光学系における互いに直交する第１断面（ＸＺ断面）及び第２断面（ＹＺ断面）においてそれぞれ光束を伸長する平行化手段（第２及び第３の光学素子）１００４、１００５を有する。平行化手段１００４、１００５は、伸長系とも言える。そして、平行化手段１００４、１００５による光束の伸長率（平行化倍率）は、第１断面と第２断面とで互いに異なっている。

尚、光束の伸長とは、光束発散手段１００３で光束径（光束幅）を拡大した後、平行化手段１００４、１００５で平行光束化するまでをいう。

そして、伸長率とは、光束発散手段１００３で拡大される光束径（光軸と垂直な方向の幅）Ｌｒに対する平行化手段１００４、１００５を通過した後の径をＬ（Ｌx、Ｌy）との比Ｌ／Ｌｒをいう。

第１断面における光束の伸長率をα、第２断面における光束の伸長率をβとする。

このとき、
α＝Ｌx／Ｌｒ
β＝Ｌy／Ｌｒ
である。ここで、
α≠β
α＞１、β＞１
α＜β
α/β＜1
である。

すなわち、図４０Ａの第１断面における光束の伸長率αの方が、図４０Ｂの第２断面における光束の伸長率βよりも小さい。

ここで、例えば、Ｌｒ＝３０ｍｍ、Ｌｘ＝１２ｍｍ、Ｌｙ＝１８ｍｍだとすると、
α＝０．４
β＝０．６
α／β＝０．６７
となる。

図４１及び図４２は、本発明の実施例１３である照明光学系を含む画像投射用光学系のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す図である。

図４１中、７０１は発散光を放射する光源ユニット、７０３は第１のレンズアレイ、７０４は第２のレンズアレイ、７０５は偏光変換素子、７０６はコンデンサレンズ、７０７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である。７０８は反射型液晶パネル、７０９は投射レンズ、７１０は位相板である。

光源ユニット７０１は、光を発する電極７１１，７１２が放物ミラー７１３と一体で構成されたキセノンランプ等の発光素子を備えた高出力発光可能な光源部７１４と、該光源部７１４からの光が放射する側に設けられた凹レンズ７１５とから構成されている。光源部７１４から放射された光束は、凹レンズ７１５により発散光束に変換される。

図中の一点鎖線ｏは、照明光学系の基準軸であり、放物ミラー７１３の回転対称軸やコンデンサレンズ７０６の光軸と一致している（ただし、これらは必ずしも一致する必要はない）。

第１のレンズアレイ７０３の入射側は、図４１のＸＺ断面において正の光学パワーを有するシリンダー形状を有する。

この形状の焦点距離をｆｘとし、焦点位置を凹レンズ７１５の焦点位置にほぼ配置することで、この断面で光束を平行化する作用を有する。

図中に太点線で示した光線は、レンズアレイの中心を通過する光線を表わしており、該光線は平行化されている。第１のレンズアレイ７０３以降に示した細実線は、分割された光束が、反射型液晶パネル７０８上で重なっている状態を表している。第１のレンズアレイ７０３は、ＸＺ断面での平行化手段となる。

第２のレンズアレイ７０４の出射側は、図４２のＹＺ断面において正の光学パワーを有するシリンダー形状を有する。

この形状の焦点距離をｆｙとし、焦点位置を凹レンズ７１５の焦点位置にほぼ配置することで、この断面で光束を平行化する作用を有する。すなわち、第２のレンズアレイ７０４がＹＺ断面での平行化手段となる。

図４１及び図４２から、第２のレンズアレイ７０４が第１のレンズアレイ７０３よりも凹レンズ７１５に対して離れた位置に配置されるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。よって、光束集光手段としての楕円リフレクタ７１３からの光束はＸＺ断面とＹＺ断面において幅（径）が異なる光束に変換される。

ここで、偏光変換素子７０５では、光束幅の広い第２の断面方向に偏光変換素子のアレイを構成する。また、偏光ビームスプリッタ７０７では、光束幅の狭い第１の断面方向に偏光分離面による光束の折り曲げを行う。これにより、明るさを損なうことなく、コントラストを向上させることができる。

ここで、図４１及び図４２には、各レンズアレイでは、一方の面にシリンダー形状を設け、他方の面にレンズアレイ形状を設ける場合を示したが、シリンダー形状とレンズアレイを一体化して一方の面に設けてもよい。

図４３には、本発明の実施例１４である照明光学系における光源ユニットを示す。

本実施例の光源ユニット７２１は、ＬＥＤやＬＤなどのチップ上の光源７２２から発散放射される光を、凸レンズ７２３により小さな発散角の光に変換して射出する構成を有する。図４３においては、射出する光を細実線で表わしている。

このような光源ユニット７２１は、１つの光源では光量が不足するので、図４４に示すように複数個並べた光源ユニット７３１として使用するのが望ましい。

図４５及び図４６には、図４４に示した光源ユニット７３１を用いた照明光学系を含む画像投射用光学系のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。光源ユニット以外は、実施例１３と同じであるので、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施例の光学系の光源として、電極を有しない放電光源を用いてもよい。

図４７には、本発明の実施例１５である照明光学系に用いられるさらに別の光源ユニットを示している。

本実施例では、複数の光源８４２から発せられた平行光束を、該複数の光源８４２に対応した複数のレンズセルを有するレンズアレイ８４３で、それぞれ一旦集光した後、発散光束として照明光学系に導く。光束を細実線で示している。

１，１１，３１，５１，４０１ 光源
２，１２，３２，５２，４０２ リフレクタ
３，１５，３５，５３，４０３ 第１のフライアイレンズ
４，１７，３６，５４，４０４ 第２のフライアイレンズ
５，１８，３７，４０５ 偏光変換素子
６，１９，３８，５５，４０６ コンデンサレンズ
７，２０，３９，５６，４０７ 偏光ビームスプリッタ
８，２１，４０，５７，４０８ 反射型液晶パネル
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

本発明は、液晶パネル等の画像形成素子を用いた画像投射装置に用いられる光学系に関する。

上記のような画像投射装置では、明るく高いコントラストを有する画像を投射できること、及び投射画像が全体に渡ってほぼ均一な明るさを有することが重要である。

反射型液晶パネル等の反射型画像形成素子を用いた画像投射装置（プロジェクタ）の照明光学系では、光源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のフライアイレンズによって分割及び集光され、各分割光束は、第２のフライアイレンズの近傍に集光されて光源の像（２次光源像）を形成する。各フライアイレンズを構成する微小レンズ（レンズセル）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のフライアイレンズ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パネル上で重ね合わされて該液晶パネルを照明する。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。

このような画像投射装置において、光源からの光の利用効率を高めようとすると、一般に光束の角度分布が大きくなる傾向がある。このため、色分解合成光学系内に角度特性の敏感な光学素子、すなわち光軸に対して傾いたダイクロイック膜や偏光分離膜を有する光学素子を配置した場合に、明るさむら（色むら）やコントラストの低下など、画質の劣化が発生する。

図２０及び図２１にはそれぞれ、偏光分離膜の角度依存特性（透過率特性及び反射率特性）の例を示す。偏光分離膜に４５°で入射した光に対する特性に比べて、偏光分離膜に４７°や４９°で入射した光に対する特性は低く、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、コントラストを低下させる。ダイクロイック膜を用いた場合は、入射角度がずれると、それは色むら（色味の変化）となって現れるため、本来表示したい色とは異なる色で画像が表示されてしまう。

特許文献１には、このような画質低下を防ぐため、光学素子における角度分布に敏感な方向においては入射光束の角度分布を小さくし、光束角度分布に鈍感な方向においては入射光束の角度分布を大きくした非対称な光学系が開示されている。

特許文献１では、光学素子における光束角度分布に敏感な方向において、第１のフライアイレンズを構成するレンズセルを、該第１のフライアイレンズが全体として正のパワーを有するように偏心させている。一方、同方向において、第２のフライアイレンズを構成するレンズセルを、該第２のフライアイレンズが全体として負のパワーを有するように偏心させている。このように、光束角度分布に敏感な方向においてのみリフレクタからの射出光束を圧縮することで、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なっている。
特開平７−１８１３９２号公報（段落００１９、図３等）

しかしながら、リフレクタからの射出光束を圧縮する際、光軸を含む一方の断面において圧縮するだけでは、他方の断面（前述の一方の断面に対して垂直な断面）における偏光分離膜への射角度分布を小さくすることができず、画質を向上させにくくなってしまう。また、射出光束の径を小さくするためにリフレクタを小さくすると暗くなってしまうため、リフレクタの外径は明るさを確保するためにはある程度大きくしておく必要がある。

そこで、本発明は、製作や設計が容易で、明るく高いコントラストを有する画像を投射可能な光学系及びこれを有する画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての光学系は、光源から発した光束を、照明光学系の光軸に対して 傾けて配置された多層膜からなる偏光分離面を備えた偏光ビームスプリッタを介して画像 形成素子に導く照明光学系であって、前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置 され、非偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を有し、前記偏光ビームスプリッタ の偏光分離面の法線と前記画像形成素子の入射出面の法線とに平行な断面を第１断面、前 記照明光学系の光軸を含み前記第１の断面に直交する断面を第２の断面とするとき、前記 光源と前記偏光変換素子との間に配置された光学系を有し、前記光学系は、少なくとも前 記第２の断面において前記光学系に入射する光束幅よりも広い光束幅の光束であって、且 つ、前記第１の断面における光束幅が前記第２の断面における光束幅よりも狭い光束を射 出する。そして、前記光学系は、光源側から順に、前記第１及び第２の断面において負の 光学パワーを有する第１の光学素子と、前記第１の断面において第１の正の光学パワーを 有する第２の光学素子と、前記第２の断面において前記第１の正の光学パワーよりも弱い 第２の正の光学パワーを有する第３の光学素子を含むことを特徴とする。

また、本発明の他の側面としての光学系は、光源から発した光束を、照明光学系の光軸 に対して傾けて配置された多層膜からなる偏光分離面を備えた偏光ビームスプリッタを介 して画像形成素子に導く照明光学系であって、前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの 間に配置され、非偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を有し、前記偏光ビームス プリッタの偏光分離面の法線と前記画像形成素子の入射出面の法線とに平行な断面を第１ 断面、前記照明光学系の光軸を含み前記第１の断面に直交する断面を第２の断面とすると き、前記光源と前記偏光変換素子との間に配置され、前記第２の断面における光束幅を、 前記第１の断面における光束幅よりも広くする光学系を有する。そして、前記光学系は、 光源側から順に、前記第１の断面において第１の正の光学パワーを有する第２の光学素子 と、前記第２の断面において前記第１の正の光学パワーよりも弱い第２の正の光学パワー を有する第３の光学素子を含むことを特徴とする。

本発明によれば、コントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射することが可能な光学系を実現することができる。

本発明の参考例１である画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 参考例１の照明光学系のＹＺ断面図。 参考例１で用いられる偏光ビームスプリッタを示すＹＺ断面図。 参考例１で用いられる第１のフライアイレンズの斜視図。 上記第１のフライアイレンズの光学作用を説明する図。 参考例１で用いられる第２のフライアイレンズの斜視図。 参考例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。 参考例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。 本発明の参考例２である画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 参考例２の照明光学系のＹＺ断面図。 参考例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。 参考例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。 本発明の参考例３である画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 参考例３の照明光学系のＹＺ断面図。 参考例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。 参考例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。 本発明の参考例４である画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 参考例２の照明光学系のＹＺ断面図。 参考例１〜５の画像投射用光学系を用いた本発明の参考例６である液晶プロジェクタの光学構成を示すＹＺ断面。 偏光ビームスプリッタの透過率特性例を示す図。 偏光ビームスプリッタの反射率特性例を示す図。 本発明の実施例１の画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 実施例１の照明光学系のＹＺ断面図。 図２２の一部分の変形例の説明図。 図２２の一部分の変形例の説明図。 実施例１の変形例のＸＺ断面図。 実施例１の変形例のＹＺ断面図。 本発明の参考例７の画像投射用光学系に用いられる照明光学系のＸＺ断面図。 参考例７の照明光学系のＹＺ断面図。 参考例７の照明光学系の変形例のＸＺ断面図。 参考例７の照明光学系の変形例のＹＺ断面図。 本発明の参考例８の照明光学系のＸＺ断面図。 参考例８の照明光学系のＹＺ断面図。 実施例１、参考例７、８の画像投射用光学系を用いた本発明の参考例９である液晶プロジェクタの光学構成を示すＹＺ断面。 本発明の参考例１０である光学系の一部分のＸＺ断面図。 参考例１０の光学系の一部分のＹＺ断面図。 参考例１０の光学系における屈折力配置を示すＸＺ断面の模式図。 参考例１０の光学系における屈折力配置を示すＹＺ断面の模式図。 実施例の偏光変換素子の説明図。 本発明の実施例２の照明光学系のＸＺ断面図。 実施例２の照明光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例３の照明光学系のＸＺ断面図。 実施例３の照明光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例３の照明光学系に用いられる光源ユニットを示す断面図。 図４３に示す光源ユニットを複数用いた光源ユニットを示す図。 実施例４の照明光学系のＸＺ断面図。 実施例４の照明光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例５の照明光学系に用いられる光源ユニットを示す断面図。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例及び参考例について説明する。
[参考例１]

図１及び図２には、本発明の参考例１である画像投射用光学系に用いられる照明光学系の構成を示している。該照明光学系は、光源1からの光束を用いて偏光ビームスプリッタ７を介して被照明面に配置された反射型画像形成素子としての反射型液晶パネル（以下、単に液晶パネルという）８を照明する。

但し、液晶パネル８によって画像変調された光（画像光）は、再度偏光ビームスプリッタ７を介して不図示の投射レンズに導かれ、スクリーン等の被投射面に投射される。このように、本参考例の照明光学系は、画像光を偏光ビームスプリッタ７で検光して投射レンズに導く機能も含む。

本参考例では、照明光学系の光軸（例えば、コンデンサレンズ６の中心と液晶パネル８のパネル面中心を通る軸線によって定義される）をＺ軸とし、該Ｚ軸に平行な方向を光軸方向とする。また、光源ランプＬＰからの光束がコンデンサレンズ６及び偏光ビームスプリッタ７を介して液晶パネル８に向かって進むＺ軸に沿った方向を、光の進行方向ともいう。

図１は、Ｚ軸を含み（Ｚ軸と平行で）、かつ互いに直交する２つの面であるＸＺ断面とＹＺ断面のうち、液晶パネル８のパネル面に対する入射光束の角度分布が広い方の断面であるＸＺ断面（第１の断面）での光学構成を示す。このＸＺ断面は、液晶パネル８の長辺の方向（長辺が延びる方向）に平行な断面である。

また、図２には、パネル面に対する入射光束の角度分布が狭い方の断面であるＹＺ断面（第２の断面）での光学構成を示す。このＹＺ面は、液晶パネル８の短辺の方向（短辺が延びる方向）に平行な断面である。

なお、ＹＺ断面は、図３に示すように、光軸（Ｚ軸）と偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａの法線（Ｎ）とを含む面（図３の紙面）に平行な断面である。そして、このＹＺ断面は、偏光分離面７ａの法線Ｎと液晶パネル８のパネル面（入射出面）８ａの法線ＮＰとに平行な断面と言い換えることもできる。

また、ＸＺ断面は、ＹＺ断面に対して垂直で、Ｚ軸（光軸）と平行な断面であると言える。これらＺ軸、ＸＺ断面及びＹＺ断面の意味は、後述する以下の参考例２〜５でも同じである。

これらの図には、照明光学系の基本的な構成部品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及び偏光板等の各種光学素子も配置される。

高圧水銀放電管等の光源１から放射状に発せられた光束は、楕円リフレクタ（楕円ミラー）２によって収束する光束に変換される。光源１及びリフレクタ２により光源ランプＬＰが構成される。ここで、この楕円リフレクタは放物面リフレクタと凸レンズに置き換えてもよい。

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、該複数の分割光束は、第２のフライアイレンズ４と偏光変換素子５の近傍に、複数の２次光源像を形成する。

各２次光源像を形成した光束は、偏光変換素子５で所定の偏光方向を有する直線偏光（偏光状態が揃った光束）に変換された後、コンデンサレンズ６に入射する。偏光変換素子５は、複数の偏光分離面と、複数の反射面と、複数の１／２波長板とを有する。ここでの偏光変換素子５は、具体的には、偏光分離面と反射面（偏光分離面でも可）と１/２波長板とで１つの偏光変換素子部として構成し、この偏光変換素子部を光軸に対して略直交する方向に複数個配列したアレイ状の光学素子である。したがって、ここでの偏光変換素子は、偏光変換素子アレイと称してもよい。

この偏光変換素子５において、各偏光分離膜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、各偏光分離膜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、該偏光分離面で反射し、さらに反射面で反射する。そして、１／２波長板でその偏光方向が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、入射した非偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換する。

ここで、１／２波長板は偏光分離膜を透過した光の光路上にのみ配置していても構わない。また、この偏光変換素子は、色ごと（各パネルに対応する波長領域ごと）に無偏光を直線偏光にすれば良く、それらの直線偏光の方向は必ずしも同一である必要は無い。

すなわち、赤色光だけを後段の偏光ビームスプリッタ７に対してＳ偏光とし、緑色光と青色光を偏光ビームスプリッタ７に対してＰ偏光とする等、３色光のうち１つの色光の偏光方向と残りの２つの色光の偏光方向とを直交させてもよい。

具体的には、前述の偏光分離面に、緑色光と青色光のＳ偏光と赤色光のＰ偏光を反射し、緑色光と青色光のＰ偏光と赤色光のＳ偏光を透過する特性を持たせ、前述の偏光分離面で反射される光束の光路上に１/２波長板を配置すればよい。

コンデンサレンズ６から射出した複数の分割光束は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面（光学膜面、光学面）７ａを透過して液晶パネル８上で重ね合わされる。これにより、液晶パネル８は均一な強度分布を有する照明光束によって照明される。

偏光分離面７ａは、光分離作用を有する。液晶パネル８において画像変調及び反射された光は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａで反射されて不図示の投射レンズに導かれる。本参考例では、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の各色照明光を導き、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。

偏光ビームスプリッタ７は、照明光学系の光軸（Ｚ軸）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Ｚに対する傾きは、４５度に設定されるのが一般的であり、４２〜４８度の範囲に設定される場合が多い。

偏光分離膜は、可視光領域内の少なくとも一部の波長域（例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは４０ｎｍ以上の幅を有する波長域）の光に対して偏光方向による分離作用を有する。一般的には、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。

第１及び第２のフライアイレンズ３，４はそれぞれ、複数のレンズセルが２次元方向に（光軸と垂直な第１方向とそれと垂直な第２方向とに複数個ずつ配置するように）配列されて構成されている。各フライアイレンズの中心線方向はＺ軸に平行である。

前述したように、楕円リフレクタ２の第１焦点位置近傍で光源１から発せられた光束は、楕円リフレクタ２で反射して集光され、収束光束として第１のフライアイレンズ３に向かう。

図１に示すＸＺ断面において、図４に示すように、第１のフライアイレンズ３の複数のレンズセル３ａのうち中心のレンズセル以外のレンズセルの頂点はＸ方向外側に偏心している。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負（凹）レンズ作用を有する。

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２の中心レンズセル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。

外側レンズセル３ａ１，３ａ２の頂点（図中に示す点線、すなわち該２つのレンズセルの光軸ｏ１，ｏ２上の位置）は、各外側レンズセルの中心（図中の点線ｏ１′，ｏ２′上の位置）に対して外側に偏心している。レンズセルをＸ方向Ｙ方向各々に偶数個ずつ配列する場合には、すべてのレンズセルの頂点を各レンズセルの中心に対して外側に偏心させることが望ましい。

図５では、第１のフライアイレンズ３の焦点距離ｆをａとし、第１フライアイレンズ３（中心レンズセル３ａ０）から楕円リフレクタ２側に距離ａだけ離れた位置（入射側焦点位置）をラインＡで示す。

この場合、外側レンズセル３ａ１，３ａ２の光軸ｏ１，ｏ２上におけるラインＡとの交点Ｑ１，Ｑ２を通過した光線Ｌ１，Ｌ２は、これら外側レンズセル３ａ１，３ａ２の中心を通過すると、Ｚ軸に沿って進む平行な光線となって射出する。

ここで、光線Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、外側レンズセル３ａ１，３ａ２の中心を通過する光線である。さらに、図示しないが、中心レンズセル３ａ０の頂点は該中心レンズセル３ａ０の中心に位置し、該中心レンズセル３ａ０の中心に入射した光線もＺ軸に沿って平行に進む光線となって第１のフライアイレンズから射出する。

すなわち、第１のフライアイレンズ３は、各レンズセルの中心に入射する光線を光軸（Ｚ軸）と平行な光線に変換する機能を持っている。言い換えれば、第１のフライアイレンズは、楕円リフレクタからの収束光束を光軸と平行な複数の光束（平行光束）に分割し、その上で、その複数の分割光束各々を集光させて光源像を形成させる機能を有している。

また、第１のフライアイレンズは、楕円リフレクタからの収束光束全体に対しては負の光学パワーのレンズとして作用して平行光束に変換しており、且つ、各分割光束に対しては正の光学パワーのレンズとして作用してそれぞれの分割光束を集光させている。光学パワーは、焦点距離の逆数であり、屈折力と言い換えることもできる。

このように、第１のフライアイレンズ３は、ＸＺ断面において、楕円リフレクタ２からの収束光束を、光軸に平行な複数の光束として射出する凹レンズ作用を有する。

一方、図２に示すＹＺ断面において、図６に示すように、第２のフライアイレンズ４の複数のレンズセル４ａのうち中心レンズセル以外のレンズセルの頂点はＹ方向外側に偏心している。これにより、楕円リフレクタ２で反射して第２のフライアイレンズ４に入射した光束は、平行な光束となる。つまり、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）のレンズ作用を有する。このレンズ作用は、第１のフライアイレンズ３と同様にして得られる。

図７及び図８には、図１及び図２に示した楕円リフレクタ２から偏光変換素子５までの光路を拡大して示している。楕円リフレクタ２で反射した収束光束は、ＸＺ断面では第１のフライアイレンズ３で平行光束とし、ＹＺ断面では第２のフライアイレンズ４で平行光束としている。

すなわち、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とによって構成される圧縮系によって、また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とによって構成される圧縮系によってそれぞれ、光束の圧縮が行われる。

ここにいう光束の圧縮とは、光束径（言い換えれば光束幅）を縮小した後、平行光束化するまでをいう。また、本参考例にいう平行光束とは、完全な平行な光束だけでなく、光学性能的に平行とみなせる光束も含む。

具体的に言うと、圧縮系とは、光源側から順に、正の光学パワーを持つ第１の光学素子とＸＺ，ＹＺ断面において互いに異なる第１及び第２の負の光学パワーを持つ第２及び第３の又は第２の光学素子との組み合わせである。第１の光学素子は、楕円リフレクタ、凸レンズ等により構成することができる。また、第２及び第３の光学素子は、凹レンズや、凹レンズ作用を持つフライアイレンズ（レンズアレイ）により構成することができる。勿論、正のパワーを持つ光学素子（楕円リフレクタ、凸レンズ等）と正のパワーを持つ光学素子（凸レンズ等）との組み合わせであっても、圧縮系を射出した光束が平行光束になっていれば構わない。圧縮系をレンズ系のみで構成する場合は、圧縮系をアフォーカル系で構成することが望ましい。

このように、圧縮系は、ＸＺ断面及びＹＺ断面の両者（一方及び他方の断面）において、圧縮系への入射前（リフレクタへの入射）の光束の径（光束幅）よりも圧縮系から射出した光束の径の方を細くしている。

ここで、本参考例の圧縮系は、光源からの光束を液晶パネルに導く照明光学系中において、光源（発光部）と照明光学系の瞳位置（光源像が形成される位置、発光部の像が形成される位置）との間に配置されている。

この照明光学系の瞳位置は、本参考例においては偏光変換素子（小さな複数の偏光変換素子がアレイ状に配置されて構成されたもの）の近傍に位置しているが、偏光変換素子より一つ以上の光学素子を挟んで液晶パネル側に位置していても構わない。

また、ＸＺ断面内の光束径を圧縮するＸＺ断面用圧縮系とＹＺ断面内の光束を圧縮するＹＺ断面用圧縮系とは、同一の光学素子で構成してもよいし、光学素子の一部が重複してもよいし、互いに重複しない別々の光学素子で構成してもよい。

本参考例における圧縮系は、光源と偏光変換素子との間に配置されており、リフレクタで反射された時点での光束径をＸＺ断面及びＹＺ断面において圧縮している。

このようにすれば、光源からの光を液晶パネルに導く照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）における光束の径を細くすることができる。

そして、ＸＺ、ＹＺ断面において、光学素子の配置及び／又はこれらの光学素子のパワーが互いに異なるように配置することにより、偏光変換素子に入射する段階（圧縮系を射出した段階）での光束径がＸＺ断面、ＹＺ断面内とで互いに異なるようにしている。つまり、ＸＺ断面とＹＺ断面とで圧縮率を互いに異ならせている。

ここでは、主に偏光変換素子より光源側に圧縮系を配置している場合について記載しているが、圧縮系は、前述のように偏光変換素子よりも液晶パネル（投射光学系）側に配置しても構わない。

その場合、ＸＺ断面における照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）よりも光源側にＸＺ断面の光束径を圧縮するＸＺ断面用圧縮系を配置する。また、ＹＺ断面における照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）よりも光源側にＹＺ断面の光束径を圧縮するＹＺ断面用圧縮系を配置すればよい。これらは、後述する他の実施例または参考例でも同様である。

ここで、光束の圧縮率を、楕円リフレクタ２から射出（反射）する時点での光束の外径と圧縮系から射出した直後の光束の外径（又は偏光変換素子５に入射する光束の外径）との比として定義する。具体的には、参考例１〜５において、圧縮率とは、楕円リフレクタ２から射出する時点での光束の外径を圧縮系から射出した直後の光束の外径で割った値を意味する。尚、この参考例１〜５における圧縮率の定義と、実施例１以降での圧縮率の定義とは逆である。詳細は実施例１以降において説明する。

本参考例では、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に入射するので、結局、該圧縮率は楕円リフレクタ２とフライアイレンズ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Ｂ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Ｃである。

つまり、本参考例では、ＸＺ断面とＹＺ断面とで光束の圧縮率が異なる。具体的には、Ｂ／Ｃ＜１であるので、ＹＺ断面での光束の圧縮率がＸＺ断面での光束の圧縮率より大きい。

言い換えれば、ＸＺ断面での圧縮率をαとし、ＹＺ断面での圧縮率をβとすると、α≠βであって、
α／β＜１
（α≠０、β≠０、好ましくはα、β＞１）
となっている。

ここで、α、βで表す圧縮率は、前述した通り、楕円リフレクタ２から射出する時点での光束の外径を圧縮系から射出した直後の光束の外径で割った値である。つまり、圧縮系によって光束が圧縮されていれば、その圧縮率α、βは、必然的に１よりも大きくなる。

ここで、図１、図２を用いて、α、βについて説明する。まず、図１及び図２内に示したＬｒは、楕円リフレクタで反射される光束の幅（光軸と垂直な方向の幅）を示している。また、Ｌｘは、ＸＺ断面において、偏光変換素子の直前（偏光変換素子より光源側で最も偏光変換素子に近い光学素子と、偏光変換素子との間）での、光束の幅（光軸と垂直な方向の幅）を示している。

そして、Ｌｙは、ＹＺ断面において、偏光変換素子の直前（偏光変換素子より光源側で最も偏光変換素子に近い光学素子と、偏光変換素子との間）での、光束の幅（光軸と垂直な方向の幅）を示している。

ここで、α、βは以下のように表すことができる。

α＝Ｌｒ／Ｌｘ
β＝Ｌｒ／Ｌｙ
また、α、βは以下のように言い換えることもできる。フライアイレンズのうち軸外に配置されたレンズセルの中心に入射する光線が、リフレクタで反射される位置の高さ（光軸からの距離）をＨｒ、その光線が偏光変換素子に入射する時の高さをＨｘ（ＸＺ断面）、Ｈｙ（ＹＺ断面）とする。このとき、α、βは以下のように表すことができる。

α＝Ｈｒ／Ｈｘ
β＝Ｈｒ／Ｈｙ
ここで、前述のフライアイレンズのうち軸外に配置されたレンズセルの中心に入射する光線とは、第１のフライアイレンズ、第２のフライアイレンズのいずれに関しても、軸外に配置されたレンズセルの中心に入射していることが望ましい。さらに、その光線は偏光変換素子に対して垂直に（光軸と平行な状態で）入射する。

また、ここではＬｘ、Ｌｙを、偏光変換素子の直前の位置での光束径としたが、圧縮系を射出した直後の光束径としても構わない。

尚、図１、図２で示した参考例においては、α＝１．２１、β＝１．６７であり、αとβとが互いに異なる値であり、α／β＝０．７２（＜１）となる。

このように、本参考例では、楕円リフレクタ２から収束光束を射出させ、楕円リフレクタ２から第１及び第２のフライアイレンズ３，４までの距離差を利用して、ＸＺ断面よりも大きな光束圧縮率をＹＺ断面で得ている。
このため、第１のフライアイレンズと第２のフライアイレンズとの間で急激に光束を圧縮する従来の例に比べて、各フライアイレンズを構成するレンズセルの偏心量を大きくする必要がない。

したがって、各フライアイレンズの光軸方向での厚みの増加を抑えることができる。この結果、各フライアイレンズで発生する収差を低減することができ、照明効率を大きく低下させることなくＹＺ断面で必要な光束圧縮率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明るさむらやコントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射することができる。

しかも、偏光ビームスプリッタ７における光束角度分布に鈍感な方向（ＸＺ断面方向）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下の抑制に寄与することができる。
[参考例２]

図９及び図１０には、本発明の参考例２である照明光学系を示す。図９は該照明光学系のＸＺ断面を、図１０はＹＺ断面をそれぞれ示す。
光源１１から発せられた白色光は、放物リフレクタ（放物ミラー）１２によって平行光束として射出される。光源１１と放物リフレクタ１２とにより光源ランプＬＰが構成される。該平行光束は、凸レンズ１３によって集光作用を受け、第１の凹シリンドリカルレンズ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、第２の凹シリンドリカルレンズ１６を通過した後、第２のフライアイレンズ１７及び偏光変換素子１８の近傍に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、参考例１で説明したのと同様の偏光分離膜（光学面、光学膜面）２０ａが設けられている。

第１及び第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１１及び図１２には、図９及び図１０に示した放物リフレクタ１２から偏光変換素子１８までの光路を拡大して示している。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が、その後、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、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、ＸＺ断面では、凸レンズ（第１の光学素子）１３と第１の凹シリンドリカルレンズ（第２の光学素子）１４とにより構成される圧縮系によって光束の圧縮が行われる。また、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３の光学素子）１６とにより構成される圧縮系によって光束の圧縮が行われる。

ここで、光束の圧縮率を、前述と同様に、放物リフレクタ１２から射出する時点での光束の外径を圧縮系から射出した直後の光束の外径で割った値として定義する。

本参考例では、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、該圧縮率は凸レンズ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１１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Ｄである。また、図１２に示すように、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Ｅである。

つまり、本参考例では、ＸＺ断面とＹＺ断面とで光束の圧縮率が異なる。具体的には、Ｄ／Ｅ＜１であるので、ＹＺ断面での光束の圧縮率がＸＺ断面での光束の圧縮率より大きい。
言い換えれば、ＸＺ断面での圧縮率をαとし、ＹＺ断面での圧縮率をβとすると、
α／β＜１
（α≠０）
となっている。

このように、本参考例では、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、凸レンズ１３から第１及び第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率をＹＺ断面で得ている。

これにより、参考例１と同様に、第１及び第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率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明るさむらやコントラスト低下を抑制しながら、明るい画像を投射することができる。

しかも、偏光ビームスプリッタ２０における光束角度分布に鈍感な方向（ＸＺ断面方向）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下の抑制に寄与することができる。

なお、本参考例では、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が、フライアイレンズ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。
[参考例３]

図１３及び図１４には、本発明の参考例３である照明光学系を示す。図１３は該照明光学系のＸＺ断面を、図１４はＹＺ断面をそれぞれ示す。

光源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。光源３１と放物リフレクタ３２とにより光源ランプＬＰが構成される。該平行光束は、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。ここで、両凸トーリックレンズ３３は、平凸形状でもメニスカス形状でもよい。また両凹トーリックレンズ３４は、平凹形状でもメニスカス形状でもよい。

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３６及び偏光変換素子３７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、参考例１で説明したのと同様の偏光分離膜（光学面）３９ａが設けられている。

第１及び第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１５及び図１６には、図１３及び図１４に示した放物リフレクタ３２から偏光変換素子３７までの光路を拡大して示している。

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断面及び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断面及びＹＺ断面の双方において、両凸トーリックレンズ（第１の光学素子）３３と両凹トーリックレンズ（第２の光学素子）３４とにより構成される圧縮系によって光束の圧縮が行われる。

ここで、光束の圧縮率を、放物リフレクタ３２から射出する時点での光束の外径を圧縮系から射出した直後の光束の外径で割った値として定義する。

本参考例では、放物リフレクタ３２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、該圧縮率は、両凸トーリックレンズ３３及び両凹トーリックレンズ３４のＸＺ断面及びＹＺ断面での焦点距離で決まる。つまり、本参考例でも、ＸＺ断面での光束の圧縮率αとＹＺ断面での光束の圧縮率βとが互いに異なる。

ここで、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ＸＹＺ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、
Ｔ１ｘ／Ｔ１ｙ＞１
Ｔ２ｘ／Ｔ２ｙ＞１
の関係にある。また、各断面での圧縮率α、βは、
α＝Ｔ１ｘ／Ｔ２ｘ＞１
β＝Ｔ１ｙ／Ｔ２ｙ＞１
となる。ここで、ＹＺ断面での光束の圧縮率βがＸＺ断面での光束の圧縮率αより大きい。

言い換えれば、ＸＺ断面での圧縮率αとＹＺ断面での圧縮率βとの関係は、
α／β＜１
（α≠０）
となっている。

このように、本参考例では、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で収束光束とする。そして、両凸トーリックレンズ３３及び両凹トーリックレンズ３４のＸＺ断面及び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率をＹＺ断面で得ている。

これにより、参考例１と同様に、第１及び第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率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明るさむらやコントラスト低下を抑制しながら、明るい画像を投射することができる。

しかも、偏光ビームスプリッタ３９における光束角度分布に鈍感な方向（ＸＺ断面方向）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下の抑制に寄与することができる。
[参考例４]

図１７及び図１８には、本発明の参考例４である照明光学系を示す。図１７は該照明光学系のＸＺ断面を、図１８はＹＺ断面をそれぞれ示す。

光源５１から発せられた白色光は、楕円リフレクタ５２で反射されて収束光束となる。該収束光束は、第１のフライアイレンズ５３に入射する。光源５１と楕円リフレクタ５２とにより光源ランプＬＰが構成される。なお、楕円リフレクタ５２に代えて、放物リフレクタを用いてもよい。

本参考例では、第１のフライアイレンズ５３を構成する複数のレンズセルのそれぞれ（中心レンズセルを除く）を、ＸＺ断面とＹＺ断面とで異なる量偏心させて、第１のフライアイレンズ５３に全体としての両凸トーリックレンズ作用を付加している。

第１のフライアイレンズ５３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５３から射出した光束は、第２のフライアイレンズ５４及び不図示の偏光変換素子の近傍に２次光源像を形成する。

ここで、本参考例では、第２のフライアイレンズ５４を構成する複数のレンズセルのそれぞれ（中心レンズセルを除く）を、ＸＺ断面とＹＺ断面とで異なる量偏心させて、第２のフライアイレンズ５４に全体としての両凹トーリックレンズ作用を付加している。

偏光変換素子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５５によって集光され、偏光ビームスプリッタ５６の偏光分離膜（光学面）５６ａを透過して反射型液晶パネル５７上で重ね合わされる。

第１のフライアイレンズ５３の両凸トーリックレンズとしてのＸＺ断面及びＹＺ断面での焦点距離の関係と、第２のフライアイレンズ５４の両凹トーリックレンズとしてのＸＺ断面及びＹＺ断面での焦点距離の関係は、参考例３と同様である。

すなわち、ＸＺ断面での圧縮率をαとし、ＹＺ断面での圧縮率をβとすると、
α／β＜１
（α≠０）
となっている。

そして、本参考例でも、参考例３と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記各参考例では、偏光ビームスプリッタを用いた照明光学系について説明した。しかし、照明光学系の光軸に対して傾いて配置された色分離作用を有するダイクロイック膜面を備えたダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いる照明光学系に、本参考例の光束圧縮構成を適用することもできる。

以上の参考例１〜４について、圧縮率α、β、及びα／βの値を算出した表が以下の表１である。但し、ここでの数値は条件式の範囲内においては変更しても本願の効果が損なわれるものでは無い。したがって、参考例１の圧縮率を他の参考例に適用しても構わないし、その逆を行っても、本願の効果が損なわれるものではない。また、参考例１以降の実施例または参考例に関しても、この表１に記載した圧縮率を適用しても構わない。

ここで、α／β＜１である。より好ましくは、α／β＜０．９５、さらに好ましくはα／β＜０．９０とすることが望ましい。また、下限値は、α／β＞０．３、より好ましくはα／β＞０．５、さらに好ましくはα／β＞０．７とすることが望ましい。

また、α＞１であることは当然であるが、より好ましくはα＞１．０５、さらに好ましくはα＞１．１０を満足することが望ましい。また、βも同じくβ＞１であることは当然であるが、より望ましくはβ＞１．１０、さらに望ましくはβ＞１．２５を満足することが望ましい。
[参考例５]

上記各参考例では、偏光変換素子よりも光源側に、ＸＺ断面とＹＺ断面とで光束の圧縮率を異ならせる圧縮系を設けた照明光学系について説明した。しかし、偏光変換素子よりも偏光ビームスプリッタ側に同様の作用を有する圧縮系を設けてもよい。

この場合も、ＹＺ断面での圧縮率がＸＺ断面での圧縮率よりも大きくなるように圧縮系を構成する。

以上説明した各参考例によれば、コントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射することが可能な画像投射用光学系を実現することができる。

以上の参考例１〜５に関しては、圧縮率を、圧縮系に入射する前（リフレクタから射出した直後）の光束径を、圧縮系から出射した直後の光束径で割った値として定義した。しかしながら、実施例１以降において用いる「圧縮率」及び「伸長率」と言う文言（以下、「変換率」とも称する）は、この定義の逆とする。すなわち、実施例１以降において用いる「圧縮率」及び「伸長率」（変換率）とは、圧縮系から出射した直後の光束径を、圧縮系に入射する前（リフレクタから射出した直後）の光束径で割った値として定義する。勿論、この「圧縮率」及び「伸長率」（変換率）は、実施例１以降で詳細に説明するように、圧縮系内の光学系の焦点距離を用いて定義しても構わない。

また、参考例１〜５におけるＸＺ断面、ＹＺ断面と、実施例１〜５または参考例６〜１０におけるＸＺ断面、ＹＺ断面とは互いに異なる断面（互いに逆の断面）を指している。つまり、実施例１〜５または参考例６〜１０におけるＸＺ断面とは、光学面（偏光分離面）の法線と平行な断面であり、ＹＺ断面はそのＸＺ断面と垂直な断面である。勿論、ＸＺ断面もＹＺ断面もＺ軸（すなわち照明光学系の光軸）に対しては平行である。

このように、圧縮率の定義を実施例１以降で用いる「圧縮率」や「伸長率」（変換率）の定義に基づいて、光学面（偏光分離面）の法線と平行な断面（参考例１〜５におけるＹＺ断面）における変換率をγ（ガンマ）とする。また、それと直交する断面（参考例１〜５におけるＸＺ断面）における変換率をδ（デルタ）とする。その時、上記の表１は、以下の表１Ａのように書き換えることができる。

この表１Ａにおいて、γが１未満であることは当然であるが、γは好ましくは０．９０未満、より好ましくは０．７５未満であることが望ましい。またδも１未満であることは当然であるが、δは好ましくは０．９５未満、より好ましくは０．９０未満であることが望ましい。これは、参考例１〜５は勿論のこと、実施例１または参考例７〜１０に関しても同様のことが言える。但し、実施例２〜５に関しては、光束を伸長するため、γやδは共に１よりも大きな値となる。

また、γ／δも１未満であることは当然であるが、好ましくは０．９５未満、より好ましくは０．９０未満であることが望ましい。また、γ／δは、０．３より大きい、より好ましくは０．５よりも大きい値（更に好ましくは０．６以上）であることが望ましい。これは参考例１〜５は勿論のこと、実施例１〜５または参考例７〜１０に関しても同様のことが言える。

尚、実施例１以降においては、光学面（偏光分離面）の法線と平行な断面がＸＺ断面であり、それと垂直な断面がＹＺ断面と定義されている（参考例１〜５とは逆である）。すなわち、表１Ａ中のγに相当するのは、実施例１以降のＸＺ断面における変換率（圧縮率、伸長率）であり、表１Ａ中のδに相当するのは、実施例７以降のＹＺ断面における変換率である。言い換えれば、表１Ａのγは、実施例１以降のα、或いは平行化倍率ＨＸのことであり、表１Ａのδは、実施例１以降のβ、或いは平行化倍率ＨＹのことである。従って、表１Ａのγ／δは、実施例１以降で記載するα／β、或いはＨＸ／ＨＹと同意であり、数値範囲も同様の範囲に存在することが望ましい。
[参考例６]

図１９には、上記参考例１で説明した照明光学系を用いた液晶プロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。図１９は、参考例１でいうＹＺ面を含む断面での構成を示している。なお、この液晶プロジェクタにおいて、照明光学系を参考例２〜５で説明したものに置き換えてもよい。

同図において、１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、２は光源１からの光を所定の方向に集光する楕円リフレクタである。光源１とリフレクタ２により光源ランプＬＰが構成される。

１００は参考例１で説明した照明光学系のうち光源ランプＬＰと偏光ビームスプリッタ７を除いた部分である。

１５８は青（Ｂ：４３０〜４９５ｎｍ）と赤（Ｒ：５９０〜６５０ｎｍ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ：５０５〜５８０ｎｍ）の波長領域の光を透過するダイクロイックミラーである。青、赤、緑の波長領域は以上の記載に限定されるものではなく、上記の領域のうち４０ｎｍ以上の幅を持った波長領域であればよい。１５９は透明基板に偏光素子を貼り付けたＧ用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光光のみを透過する。６０は多層膜により構成された偏光分離面においてＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッタである。

６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂはそれぞれ、入射した光を反射するとともに画像変調する光変調素子（若しくは画像形成素子）としての赤用反射型液晶パネル、緑用反射型液晶パネル及び青用反射型液晶パネルである。６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂはそれぞれ、赤用１／４波長板、緑用１／４波長板及び青用１／４波長板である。

６４は透明基板に偏光素子を貼り付けたＲＢ用入射側偏光板であり、Ｓ偏光のみを透過する。

６５はＢ光の偏光方向を９０度変換し、Ｒ光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板である。６６は偏光分離面においてＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２偏光ビームスプリッタである。６７はＲ光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板である。

６８はＲＢ用の射出側偏光板（偏光素子）であり、Ｓ偏光のみを透過する。６９は偏光分離面においてＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第３の偏光ビームスプリッタである。

以上のダイクロイックミラー１５８から第３の偏光ビームスプリッタ６９までの光学素子により、色分解合成光学系２００が構成される。

７０は投射レンズ（投射光学系）であり、上記照明光学系１００、色分解合成光学系２００及び投射レンズ７０により画像投射用光学系が構成される。ここで、投射レンズは、勿論ミラーとレンズを両方とも有していても構わないし、ミラーのみで構成されていても構わない。勿論、回折光学素子等を含んでいても構わない。

次に、照明光学系１００を通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。

ダイクロイックミラー１５８を透過したＧの光は入射側偏光板１５９に入射する。Ｇ光はダイクロイックミラー１５８によって分解された後もＳ偏光となっている。そして、Ｇ光は、入射側偏光板１５９から射出した後、第１の偏光ビームスプリッタ６０に対してＳ偏光として入射し、その偏光分離面で反射され、Ｇ用反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。

該プロジェクタの液晶駆動回路２５０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置３００が接続されている。プロジェクタと画像供給装置３００により画像表示システムが構成される。液晶駆動回路２５０は、画像供給装置３００から入力された画像情報（映像情報）に基づいて各反射型液晶パネルを駆動し、これらに各色用の原画を形成させる。これにより、各反射型液晶パネルに入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調（画像変調）される。

画像変調されたＧ光のうちＳ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面で反射し、光源側に戻されて投射光から除去される。一方、画像変調されたＧ光のうちＰ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面を透過し、投射光として第３の偏光ビームスプリッタ６９に向かう。このとき、すべての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル６１Ｇとの間に設けられた１／４波長板６２Ｇの遅相軸を所定の方向に調整する。これにより、第１の偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル６１Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。

第１の偏光ビームスプリッタ６０から射出したＧ光は、第３の偏光ビームスプリッタ６９に対してＰ偏光として入射し、第３の偏光ビームスプリッタ６９の偏光分離面を透過して投射レンズ７０へと至る。

一方、ダイクロイックミラー１５８を反射したＲとＢの光は、入射側偏光板６４に入射する。ＲとＢの光はダイクロイックミラー１５８によって分解された後もＳ偏光となっている。そして、Ｒ光とＢ光は、入射側偏光板６４から射出した後、第１の色選択性位相差板６５に入射する。第１の色選択性位相差板６５は、Ｂ光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢの光はＰ偏光として、Ｒ光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＲ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒへと至る。

また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＢ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過してＢ用反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。

Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲ光のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲ光のうちＰ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して投射光として第２の色選択性位相板６７に向かう。

また、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢ光のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢ光のうちＳ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射して投射光として第２の色選択性位相板６７に向かう。

このとき、第２の偏光ビームスプリッタ６６とＲ用及びＢ用反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｂの間に設けられた１／４波長板６２Ｒ，６２Ｂの遅相軸を調整することにより、Ｇの場合と同じようにＲ，Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行うことができる。

こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッタ６６から射出したＲ光とＢ光のうちＲ光は、第２の色選択性位相板６７によってその偏光方向が９０度回転されてＳ偏光成分となる。さらに、Ｒ光は、射出側偏光板６８で検光されて第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射する。

また、Ｂの光はＳ偏光のまま第２の色選択性位相板６７をそのまま透過し、さらに射出側偏光板６８で検光されて第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射する。尚、射出側偏光板６８で検光されることにより、ＲとＢの投射光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６とＲ用及びＢ用反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｂ、１／４波長板６２Ｒ、６２Ｂを通ることによって生じた無効な成分をカットされた光となる。

そして、第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射したＲとＢの投射光は第３の偏光ビームスプリッタ６９の偏光分離面で反射し、Ｇ光と合成されて投射レンズ７０に至る。

合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光（カラー画像）は、投射レンズ７０によってスクリーンなどの被投射面に拡大投射される。

以上説明した光路は反射型液晶パネルが白表示の場合である為、以下に反射型液晶パネルが黒表示の場合での光路を説明する。

まず、Ｇの光路について説明する。ダイクロイックミラー１５８を透過したＧ光のＳ偏光光は、入射側偏光板１５９に入射し、その後、第１の偏光ビームスプリッタ６０に入射して偏光分離面で反射され、Ｇ用反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。しかし、反射型液晶パネル６１Ｇが黒表示状態であるため、Ｇ光は画像変調されないまま反射される。したがって、反射型液晶パネル６１Ｇで反射された後もＧ光はＳ偏光光のままである。このため、再び第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面で反射し、入射側偏光板１５９を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。

次に、ＲとＢの光路について説明する。ダイクロイックミラー１５８で反射したＲとＢの光のＳ偏光光は、入射側偏光板６４に入射する。そして、Ｒ光とＢ光は、入射側偏光板６４から射出した後、第１の色選択性位相差板６５に入射する。第１の色選択性位相差板６５は、Ｂ光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢ光はＰ偏光として、Ｒ光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射する。

Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＲ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＢ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過してＢ用反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。

ここで、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒは黒表示状態であるため、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は画像変調されないまま反射される。したがって、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒで反射された後もＲ光はＳ偏光光のままである。このため、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射し、入射側偏光板６４を通過して光源側に戻され、投射光から除去される。

一方、Ｂ用の反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂが黒表示状態であるため、画像変調されないまま反射される。したがって、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂで反射された後も、Ｂ光はＰ偏光光のままである。このため、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過し、第１の色選択性位相差板６５によりＳ偏光に変換され、入射側偏光板６４を透過して光源側に戻されて投射光から除去される。これにより、黒表示が行われる。

本参考例においては、色分解合成光学系２００において、波長選択性位相差板を用いたが、これをなくしてもよい。この場合、色分解合成光学系２００内に配置された偏光ビームスプリッタが、可視領域内の特定の波長領域に対して偏光ビームスプリッタとして機能し、他の波長領域に対しては偏光方向に関わらず透過又は反射する特性を有する偏光分離膜を持つ構成とすればよい。

また、色分解合成光学系２００と投射レンズ７０との間に１／４位相差板を配置して、投射レンズ７０内のレンズ面で反射されて戻ってきた光が再反射されて、再びスクリーン方向に戻るのを防ぐようにしてもよい。

さらに、本参考例では、液晶パネルを３枚用いた場合について説明したが、本発明においては、１枚、２枚又は４枚以上を用いてもよい。

また、本参考例においてフライアイレンズと記載したものは、シリンドリカルレンズを２枚近接して配置したもの、或いは貼り合わせたもので代用しても構わない。

図２２、図２３は、本発明の実施例１の照明光学系を用いたプロジェクタ（画像投射装置）の要部概略図である。なお、以下の実施例では、ＸＺ断面及びＹＺ断面の定義及び圧縮率の意味が実施例１〜６と異なる。

図２２、図２３においては、４０１は高圧水銀放電管等の光源手段である。４０２は光束集光手段としての楕円リフレクタ（楕円ミラー）である。光源４０１の発光面４０１ａは、楕円リフレクタ４０２の第１焦点Ｐ１に配置されている。

光源４０１から放射状に発せられた光束は、楕円リフレクタ４０２によって収束する光束(収斂光)に変換されて、楕円リフレクタ４０２の第２焦点Ｐ２に集光する。

尚、楕円リフレクタ４０２は放物面リフレクタと正レンズに置き換えて構成してもよい。

楕円リフレクタ４０２の頂点Ｔから第２焦点Ｐ２までの距離ｆｐは光束集光手段４０２の焦点距離に相当している。すなわち、楕円リフレクタ（光束集光手段）４０２は、第１のレンズアレイ４０３よりも光源側の第２焦点の位置に、光源からの光束を集光させている。 尚、ここでの第２焦点とは、光源から発した光束が集光される位置のことであり、楕円リフレクタを用いない場合においては、単に集光点（集光位置）と言い換えてもよい。

第２焦点Ｐ２からの光束は、その第２焦点よりも偏光変換素子側に配置された第１のレンズアレイ４０３で複数の光束に分割される。その複数の分割光束は、第２のレンズアレイ４０４を介して偏光変換素子４０５の近傍または光入射側又は光射出側に、複数の２次光源像を形成する。

各２次光源像を形成した光束は、偏光変換素子４０５で所定の偏光方向を有する直線偏光に変換された後、コンデンサレンズ４０６に入射する。

コンデンサレンズ４０６から射出した複数の分割光束は、偏光ビームスプリッタ４０７の偏光分離面４０７ａを透過して被照射面に設けた液晶パネル４０８上で重ね合わされる。これにより、液晶パネル４０８は均一な強度分布を有する照明光束によって照明される。

液晶パネル４０８において画像変調及び反射された光は、偏光ビームスプリッタ４０７の偏光分離面４０７ａで反射されて投射レンズ４０９に導かれる。本実施例では、液晶パネル４０８を１枚のみ示しているが、実際の一般的なカラープロジェクタでは、画像形成素子として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４０７は、これら３つの液晶パネルに対してＲ，Ｇ，Ｂの各色照明光を導き、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。

尚、図２２は偏光ビームスプリッタ４０７の偏光分離面４０７ａの法線と、照明光学系の光軸ｏを含む第１断面（ＸＺ面）を示している。

ここで光軸ｏとは、例えば、コンデンサレンズ４０６の中心と液晶パネル４０８のパネル面中心を通る軸線によって定義される。また光軸ｏはＺ軸に相当する。

図２３は、照明光学系の光軸ｏを含む第１断面と直交する第２断面（ＹＺ面）を示している。

図２２は、長方形状の液晶パネル４０８の短辺方向に平行な断面である。

図２３は、液晶パネル４０８の長辺方向に平行な断面である。

このＸＺ断面は、偏光分離面４０７ａの法線と液晶パネル４０８のパネル面（入射出面）の法線とに平行な断面と言い換えることができる。また、ＹＺ断面は、ＸＺ断面に対して垂直で、Ｚ軸（光軸）と平行な断面であると言える。これらＺ軸、ＸＺ断面及びＹＺ断面の意味は、後述する以下の実施例でも同じである。

照明光学系は、光源手段からの光束を用いて偏光ビームスプリッタ４０７を介した照明光束による被照明面に配置された長方形状の反射型の画像形成素子としての反射型液晶パネル（液晶パネル）４０８を照明している。液晶パネル４０８によって画像変調された光（画像光）は、再度偏光ビームスプリッタ４０７を介して投射レンズ（投射光学系）４０９に導かれ、スクリーン等の被投射面に投射されている。

図２２の第１断面内において、第１のレンズアレイ４０３の光入射側は、第１断面内においてのみ正の屈折力を有するシリンドリカル面より構成されている。第１レンズアレイ４０３の光射出面はレンズアレイ面により構成されている。第２レンズアレイ４０４の入射面は、レンズアレイ面により構成されている。第２レンズアレイ４０４の光射出面は屈折力がない面である。

図２３の第２断面内において、第１レンズアレイ４０３の光入射面は屈折力のない面である。第１レンズアレイ４０３の光射出側は、レンズアレイ面により構成されている。第２レンズアレイ４０４の光入射面は、レンズアレイ面により構成されている。第２レンズアレイ４０４の光射出面は、第２断面内においてのみ正の屈折力を有するシリンドリカル面により構成されている。

第１断面内において、第１レンズアレイ４０３のシリンドリカル面の焦点距離をｆｘとするとき、第２焦点Ｐ２から第１レンズアレイ４０３までの距離はｆｘとなっている。第２焦点Ｐ２からの発散光束は第１レンズアレイ４０３を通過した後平行光束となり、平行光束の状態で第２レンズアレイ４０４と偏光変換素子４０５を通過してコンデンサレンズ４０６に入射する。

本実施例にいう平行光束とは、完全な平行な光束だけでなく、光学性能的に平行とみなせる光束も含む。

図２２において、点線は第１レンズアレイ４０３の中心（光軸上）を通過する光束である。実線は第１レンズアレイ４０３の中心以外を通過する光束である。実線の光束が、液晶パネル４０８上に重なっている状態を示している。第１断面内において、第１レンズアレイ４０３は平行化手段を構成する。

図２３の第２断面内において、第２レンズアレイ４０４の光射出面のシリンドリカル面における焦点距離をｆｙとする。

このとき、第２焦点Ｐ２から第２レンズアレイ４０４までの距離の空気換算値はｆｙである。

このため第２焦点Ｐ２からの発散光束のうち第１レンズアレイ４０３の光射出面のシリンドリカル面の中心と、第２レンズアレイ４０４の光入射面のシリンドリカル面の中心を通過した光束は第２レンズアレイ４０４の光射出面から射出するとき平行光束となる。

第１レンズアレイ４０３の光射出面と第２レンズアレイ４０４の光入射面に設けたレンズアレイ面によって複数の光源像が形成される。これらの複数の光源像は、コンデンサレンズ４０６の焦平面に形成される。

これらの複数の光源像からの光束は、偏光変換素子４０５を介し、コンデンサレンズ４０６によって、液晶パネル４０８上で重畳される。

第２断面内において第２レンズアレイ４０４は平行化手段を構成する。

図３９は偏光変換素子４０５の一部分の説明図である。

偏光変換素子４０５は、平行化手段の光射出側又はその光路中に設けて用いられる。

偏光変換素子４０５は、複数の偏光分離面４０５ａと、複数の反射面４０５ｂと、複数の１／２波長板４０５ｃとを有する。ここでの偏光変換素子４０５は、具体的には、偏光分離面４０５ａと反射面（偏光分離面でも可）４０５ｂと１/２波長板４０５ｃとを１つの偏光変換素子部として有する。そして、偏光変換素子４０５は、この偏光変換素子部を光軸に対して略直交する方向に複数個配列したアレイ状の光学素子である。したがって、ここでの偏光変換素子４０５は、偏光変換素子アレイと称してもよい。

この偏光変換素子４０５において、各偏光分離面４０５ａ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４０５から射出する。

一方、各偏光分離面４０５ａ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４０５ａで反射し、さらに反射面４０５ｂで反射する。そして、１／２波長板４０５ｃでその偏光方向が９０度変換されて偏光変換素子４０５から射出する。こうして、偏光変換素子４０５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する。

ここで、１／２波長板４０５ｃは偏光分離面４０５ａを透過した光の光路上にのみ配置していても構わない。また、この偏光変換素子５は、色ごと（各パネルに対応する波長領域ごと）に無偏光光を直線偏光光にすればよく、それらの直線偏光光の方向は必ずしも同一である必要は無い。

すなわち、赤色光だけを後段の偏光ビームスプリッタ４０７に対してＳ偏光とし、緑色光と青色光を偏光ビームスプリッタ４０７に対してＰ偏光とする等、３色光のうち１つの色光の偏光方向と残りの２つの色光の偏光方向とを直交させてもよい。

具体的には、前述の偏光分離面４０５ａに、緑色光と青色光のＳ偏光と赤色光のＰ偏光を反射し、緑色光と青色光のＰ偏光と赤色光のＳ偏光を透過する特性を持たせ、前述の偏光分離面４０５ａで反射される光束の光路上に１/２波長板４０５ｃを配置すればよい。

本実施例では、楕円リフレクタ（第１の光学素子）４０２で反射した収束光束（収斂光）は、図２２のＸＺ断面では第１のレンズアレイ（第２の光学素子）４０３で平行光束としている。又、図２３のＹＺ断面では第２のレンズアレイ（第３の光学素子）４０４で平行光束としている。すなわち、ＸＺ断面においては楕円リフレクタ４０２と第１のレンズアレイ４０３とによって構成される圧縮系によって光束を圧縮している。

また、ＹＺ断面においては楕円リフレクタ４０２と第２のレンズアレイ４０４（フライアイレンズ）とによって構成される圧縮系によって、光束を圧縮している。

このように、本実施例では、楕円リフレクタ４０２から収束光束を射出させ、楕円リフレクタ４０２から第１及び第２のレンズアレイ４０３，４０４までの距離差を利用して、ＹＺ断面よりも大きな光束圧縮率（平行化倍率）をＸＺ断面で得ている。

このため、第１のレンズアレイ４０３と第２のレンズアレイ４０４との間で急激に光束を圧縮する従来の例に比べて、各レンズアレイを構成するレンズセルの偏心量を大きくする必要がない。したがって、各レンズアレイの光軸方向での厚みの増加を抑えることができる。この結果、各レンズアレイで発生する収差を低減することができる。また、照明効率を大きく低下させることなくＸＺ断面で必要な光束圧縮率（平行化倍率）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４０７における光束角度分布に敏感な方向（ＸＺ断面）での光束角度分布を小さくして明るさむらやコントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射している。

偏光ビームスプリッタ４０７における光束角度分布に鈍感な方向（ＹＺ断面）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下に寄与することができる。

本実施例では、液晶パネル４０８のパネル面に対する入射光束の角度分布は、図２２の液晶パネル４０８の短辺方向に平行なＸＺ断面（第１断面）に比べて、図２３の長辺方向に平行なＹＺ断面（第２断面）の方が大きい。

光源４０１と偏光ビームスプリッタ４０７との間に設けられ、照明光学系における互いに直交する第１断面（ＸＺ断面）及び第２断面（ＹＺ断面）においてそれぞれ光束を圧縮する平行化手段（第２及び第３の光学素子）４０３、４０４を有する。そして、平行化手段４０３、４０４による光束の圧縮率（平行化倍率）は、第１断面と第２断面とで互いに異なっている。

尚、光束の圧縮とは、光束集光手段４０２で光束径（言い換えれば光束幅）を縮小した後、平行化手段４０３、４０４で平行光束化するまでをいう。

そして、圧縮率とは、光束集光手段４０２で反射される光束径（光軸と垂直な方向の幅）Ｌｒに対する平行化手段４０３、４０４を通過した後の光束径Ｌ（Ｌx、Ｌy）との比Ｌ／Ｌｒをいう。

第１断面における光束の圧縮率をα、第２断面における光束の圧縮率βとする。

このとき、
α＝Ｌx／Ｌｒ
β＝Ｌy／Ｌｒ
である。ここで、
α≠β
α＜１、β＜１
α＜β
α／β＜１
である。

すなわち、図２２の第１断面における光束の圧縮率αの方が、図２３の第２断面における光束の圧縮率βよりも小さい。

例えば、
α＝０．６
β＝０．８３
α／β＝０．７２
である。
本実施例では、
α／β≦０．７５
となるように各要素を設定している。

より好ましくは、
０．５＜α／β≦０．７５
となるようにしている。

ここで、第１断面における圧縮率（変換率）α、第２断面における圧縮率（変換率）β、そしてその両者の比α／βそれぞれを、第１、２断面における平行化倍率ＨＸ、ＨＹ、ＨＸ／ＨＹで置き換えてもよい。そこで、以下記載するＨＸ、ＨＹに関しては、圧縮率（変換率）α（γ）、β（δ）とほぼ同じ意味であり、α（γ）、β（δ）、α／β（γ／δ）に関して規定した条件式は、ＨＸ、ＨＹ、ＨＸ／ＨＹにも適用できるものとする。したがって、γ／δの数値範囲と同様にＨＸ／ＨＹも１未満であることは当然であるが、好ましくは０．９５未満、より好ましくは０．９０未満であることが望ましく、更には前述したように０．７５以下であることが望ましい。また、ＨＸ／ＨＹは前述したように０．５より大きい（更に好ましくは０．６以上）ことが望ましいが、γ／δと同様に、少なくとも０．３より大きければ良い。

ここで、本実施例において第１断面（ＸＺ面）と第２断面（ＹＺ面）における、平行化倍率ＨＸ、ＨＹとは次のことをいう。

第１断面（図２２）における第１の平行化倍率（光束の圧縮率）ＨＸは、
ＨＸ＝｜ｆｘ／ｆｐ｜
である。

同様に第２断面（図２３）における第２の平行化倍率ＨＹは、
ＨＹ＝｜ｆｙ／ｆｐ｜
である。

図２２、図２３から第２のレンズアレイ４０４が第１のレンズアレイ４０３よりも第２の焦点Ｐ２に対して離れた位置に配置されるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。
よって、
ＨＹ＞ＨＸ
なる条件を満足することとなる。

これにより、光束集光手段４０２からの光束は第１、第２断面において異なる圧縮率で圧縮され、第１、第２断面において幅（径）が異なる光束に変換される。

ここで、本実施例では、偏光変換素子４０５は光束の広い図２３の第２断面内に偏光変換ユニットのアレイを構成し、偏光ビームスプリッタ４０７は光束の狭い第１断面方向に、偏光分離面４０７ａによる折り曲げを行う。これによれば、偏光分離面４０７ａで、明るさを損なうとこなく、コントラストを向上することができる。

ＸＺ断面内の光束径を圧縮するＸＺ断面用平行化手段とＹＺ断面内の光束を圧縮するＹＺ断面用平行化手段とは、同一の光学素子で構成してもよい。また、レンズアレイの配置により平行化手段を有するように光学素子の一部が重複してもよいし、又互いに重複しない別々の光学素子で構成してもよい。

本実施例における平行化手段は、光源と偏光変換素子との間に配置されており、リフレクタで反射された時点での光束径をＸＺ断面及びＹＺ断面において圧縮している。このようにすれば、光源からの光を液晶パネルに導く照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）における光束の径を細くすることができる。

そして、ＸＺ断面とＹＺ断面において、光学素子の配置及びこれらの光学素子のパワーが互いに異なるような配置のうち少なくとも一方により、偏光変換素子に入射する段階（平行化手段を射出した段階）での光束径が両断面内で互いに異なるようにしている。つまり、ＸＺ断面とＹＺ断面とで圧縮率を互いに異ならせている。

ここでは、主に偏光変換素子よりも光源側に平行化手段を配置している場合について記載しているが、平行化手段は、偏光変換素子よりも液晶パネル（投射光学系）側に配置しても構わない。

その場合、ＹＺ断面における照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）よりも光源側にＹＺ断面の光束径を圧縮するＹＺ断面用平行化手段を配置すればよい。また、ＸＺ断面における照明光学系の瞳位置（光源像形成位置）よりも光源側にＸＺ断面の光束径を圧縮するＸＺ断面用平行化手段を配置すればよい。

これらは、後述する他の実施例でも同様である。

尚、他の実施例として、本実施例における平行化手段４０３、４０４による光束の圧縮の代わりに、圧縮とは逆に入射光束を第１断面と第２断面とで異なる比率で伸長してもよい。この場合、前述の実施例における圧縮系の代わりに、負の屈折力（光学パワー）を有する、すなわち光束発散作用を持つ光束発散手段と、その光束発散手段から射出する光束を平行にする正の屈折力を持つ平行化手段とにより構成される伸長系を用いる。光源及び光源からの光束を反射するリフレクタの外径が小さい場合（液晶パネル等の画像形成素子の大きさに比べて小さい、もしくは半分より小さい場合）、光束発散手段を用いる構成が望ましい。

この場合、第１断面と第２断面との光束の伸長率を各々ＨＸＸ、ＨＹＹとする。このとき、第２断面での光束の伸長率が第１断面よりも大きくなるようにすれば、光束を圧縮したのと同様の効果が得られる。

すなわち、
ＨＸＸ＜ＨＹＹ
とすればよい。

ここで、伸長率と圧縮率は、光束径（光束幅）が変換される比率としての変換率ということができる。また、伸長系及び圧縮系は、変換系ということができる。これらは後述する各実施例において全く同様である。

尚、平行化倍率ＨＸ、ＨＹを求めるときの各断面における焦点距離は、以下のように定義した値を用いればよい。

図２２、図２３において第１、第２レンズアレイ４０３、４０４では、１つの面にシリンドリカル面を設け、他の面にレンズアレイ面を設ける形態を示したが、シリンドリカル面とレンズアレイ面を一体化した形態でもよい。

図２４は、一体化したレンズアレイＡの例を示す。ここでは、レンズアレイＡの一方の光学面に、偏心した微小レンズ面（レンズセルＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ２′）を複数配置している。

このとき、レンズアレイＡ（光学面）の焦点距離は、計算上、図２４に示すようにレンズアレイ中心のレンズセルＬＡ１の中心を通過する光線と、それに隣接するレンズセルＬＡ２またはＬＡ２′の中心を通過する光線の集光点より定義できる。

レンズアレイＡを構成する各レンズセルを基準となる基準軸（照明光学系の光軸）ｏに垂直に配置したとき、基準軸ｏに平行な各レンズセル（ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ２′など）の面法線が各レンズセルの光軸（ｏ１，ｏ２，ｏ２′）と見なすことができる。

よって、図２４において各レンズセルＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ２’の中央（ｏ１，ｏ２，ｏ２’）を通過する基準軸ｏに平行な光線を追跡すると、レンズセルＬＡ２，ＬＡ２’では光線は屈折し、中央のレンズセルＬＡ１の光軸に対して所定の位置Ｑで交差する。

レンズセルＬＡ１のレンズ面から点Ｑまでの距離ｆｇはをそれぞれの断面におけるレンズアレイＡの焦点距離となる。

レンズセルＬＡ２とＬＡ２’が基準軸ｏに対して対称であるときには、レンズセルＬＡ２，ＬＡ２’の中心を通過する光線は１つの点で中央のレンズセルＬＡ１の光軸に対して交わり、非対称なときは異なる位置で交差する。このときは、異なる交差点の中間を用いてレンズアレイＡの焦点距離を定義すればよい。

さらに、図２５のように基準軸ｏ上にレンズセルがない場合は、基準軸ｏ近傍の２つのレンズセルＬＡ３，ＬＡ３’に対して同様な作図を行うことで、レンズセルＬＡ３，ＬＡ３’の中心を通る２つの光線の交点Ｑ’から焦点距離ｆｇ’を定義することができる。

図２６は、光束集光手段を、楕円リフレクタ（楕円ミラー）に代えて用いられる放物リフレクタ（対物ミラー）４０２ａと正レンズ４２０との組み合せで構成した例である。光源４０１からの光束は、放物リフレクタ４０２ａで反射して平行光束となり、正レンズ４２０に入射する。

正レンズ４２０の焦点位置を、図２２，図２３の第２焦点位置Ｐ２と一致させることにより、正レンズ４２０を通過した光束は第２焦点Ｐ２に集光する。これによって上記で説明した効果が同様に得られる。

このとき光束集光手段は、放物リフレクタ４０２ａと正レンズ４２０からなり、光束集光手段の焦点距離は正レンズ４２０の焦点距離ｆ２０となる
また、図２のように放物リフレクタ４０２ｂと正レンズ４２０ｂを組み合わせたときには、次の如く定義するのがよい。

すなわち、放物リフレクタ４０２ｂの頂点Ｔ１に焦点距離ｆｐのレンズがあり、さらに頂点Ｔ１から空気間隔ｄだけ間隔を空けて正レンズ（焦点距離＝ｆ２０）４２０ｂがあるものとみなして、光束集光手段の焦点距離を定義すればよい。

尚、光束集光手段を楕円リフレクタと集光レンズとにより構成してもよい。
[参考例７]

図２８、図２９は本発明の参考例７の照明光学系の要部断面図である。

図２８は第１断面（ＸＺ面）、図２９は第２断面（ＹＺ面）を示している。

参考例７は、図２２、図２３で説明した実施例１に比べて楕円リフレクタ４２１と第１レンズアレイ４２４との間に回転対称の負レンズ４２３を配置した点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。

図２８、図２９において図２２、図２３と同じ部材には同一符号を付す。

図２８、図２９において、４０１は光源、４２１は楕円リフレクタ、４２３は負レンズ、４２４は第１のレンズアレイ、４２５は第２のレンズアレイである。４０５は偏光変換素子、４０６はコンデンサレンズ、４０７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４０８は反射型の液晶パネル、４０９は投射レンズ、４１０は位相板である。

図２８、図２９において、楕円リフレクタ４２１と負レンズ４２３によって光源４０１の虚像が形成される点Ｐ２′が、図２２、図２３における第２の焦点Ｐ２に相当する。

したがって、本参考例では、基本的に図２８、図２９の点Ｐ２’が、図２２、図２３の第２の焦点Ｐ２であるとして取扱えばよい。

本参考例では、光源４０１の発光点は楕円リフレクタ４２１の第１焦点Ｐ１に配置され、楕円リフレクタ４２１の第２焦点Ｐ２に光源４０１からの光束が集光する。楕円リフレクタ４２１は光束集光手段を構成している。

このとき楕円リフレクタ４２１の頂点Ｔから第２焦点Ｐ２までの距離が光束集光手段の焦点距離ｆｐとなる。

楕円リフレクタ４２１から第２焦点Ｐ２との間に負レンズ４２３を設け、負レンズ４２３の負のパワーにより第２焦点（物点）Ｐ２を点Ｐ２’に結像させる。光束は点Ｐ２’から発散する光束となる。

第１レンズアレイ４２４の入射側の面は、図２８のＸＺ断面において正のパワーを有するレンズアレイ形状をしている。ここでは、図２６とは異なり、レンズセルの段差がないように配置しているが、レンズアレイにおける正のパワーの焦点距離の求め方は図２６と同じである。

この形状で得られる第１レンズアレイ４２４の焦点距離をｆｘとし、第１レンズアレイ４２４をＰ２‘からｆｘだけ離れた位置に配置することで、この断面で光束を平行化する作用を有する。

よって、負レンズ４２３と第１レンズアレイ４２４が、第１断面ＸＺの平行化手段を構成する。

第１断面（ＸＺ面）内の平行化手段の焦点距離は、負レンズ４２３の焦点距離ｆ２３と第１レンズアレイ４２４の焦点距離ｆｘ１によって決まる。

図２８の第１断面において、負レンズ４２３のレンズアレイ側の主平面位置から第１レンズアレイ面４２４までの空気換算距離をＬ１とする。負レンズ４２３と第１レンズアレイ４２４の合成の焦点距離は、
ｆｘ＝１／（１／ｆ２３＋１／ｆｘ１−Ｌ１／ｆ２３／ｆ１）
となる。

第２のレンズアレイ４２５の射出側は、図２９の断面ＹＺにおいて正のパワーを有するレンズアレイ形状をしている。

この形状で得られる第２レンズアレイ４２５の焦点距離をｆｙ１とし、第２レンズアレイ４２５を点Ｐ２‘から空気換算で距離ｆｙだけ離れた位置に配置することでこの断面ＹＺで光束を平行化する作用を有する。

よって負レンズ４２３と第２レンズアレイ４２５が第２断面ＹＺの平行化手段となる。

第２断面（ＹＺ面）内の平行化手段の焦点距離は、負レンズ４２３の焦点距離ｆ２３とそれぞれのレンズアレイ４２４、４２５の焦点距離ｆｙ１で決まる。

第２断面（図２９）においては、負レンズ４２３のレンズアレイ側主平面位置から第２レンズアレイ面４２５までの距離をＬ２とすると、負レンズ４２３と第２レンズアレイ４２５の合成の焦点距離は、
ｆｙ＝１／（１／ｆ２３＋１／ｆｙ１−Ｌ２／ｆ２３／ｆｙ１）
となる。

このとき、第１断面（図２８）における第１の平行化倍率ＨＸは、
ＨＸ＝｜ｆｘ／ｆｐ｜
である。

同様に第２断面（図２９）における第２の平行化倍率ＨＹは、
ＨＹ＝｜ｆｙ／ｆｐ｜
である。

図２８，図２９から第２レンズアレイ４２５が第１レンズアレイ４２４よりも第２の焦点Ｐ２に対して離れた位置に配置されるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。よって、
ＨＹ＞ＨＸ
となり、光束集光手段からの光束は第１、第２断面において異なる圧縮率で圧縮され、第１、第２断面において幅（径）が異なる光束に変換される。
例えば、ｆ２３＝−５０ｍｍ、ｆｘ＝１５０ｍｍ、Ｌ１＝５０ｍｍ、ｆｙ＝２００ｍｍ、Ｌ２＝１００ｍｍとすると、
ｆｘ＝−１５０ｍｍ
ｆｙ＝−２００ｍｍ
となる。

ここで、
ＨＸ／ＨＹ＝｜ｆｘ／ｆｙ｜＝０．７５
となる。
(参考例７の変形例)
図３０、図３１は、参考例７の変形例であり、図２８、図２９に対応している。

図３０、図３１において、４０１は光源、４２１ａは楕円リフレクタ、４２３ａは回転対称の負レンズ、４２４ａは第１のレンズアレイ、４２５ａは第２のレンズアレイである。４０５は偏光変換素子、４０６はコンデンサレンズ、４０７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４０８は反射型の液晶パネル、４０９は投射レンズである。

図３０において、光源４０１は楕円リフレクタ４２１ａの第１焦点Ｐ１近傍に配置され、楕円リフレクタ４２１ａの第２焦点Ｐ２に光源４０１からの光束が集光するので、楕円リフレクタ４２１ａが光束集光手段となる。

このとき楕円リフレクタ４２１ａの頂点Ｔから第２焦点Ｐ２までの距離が光束集光手段の焦点距離ｆｐとなる。

楕円リフレクタから第２焦点Ｐ２の間に負レンズ４２３ａを設け、負レンズ４２３の負のパワーにより光束は平行化される。

図３０の第１断面において、第１のレンズアレイ４２４ａと、第２のレンズアレイ４２５ａは共にパワーを有していない（レンズセルが一様に並べられたレンズアレイである）。よって、負レンズ４２３ａが第１の方向の平行化手段となる。

図３１の第２断面では、第１のレンズアレイ４２４ａが負のパワーを有するレンズアレイの形状をしており、第２のレンズアレイ４２５ａが正のパワーを有するレンズアレイの形状をしている。

この形状で得られる第１のレンズアレイ４２４ａと第２のレンズアレイ４２５ａの焦点距離をそれぞれｆｙ１、ｆｙ２とする。そして、ｆｙ１、ｆｙ２に対応するそれぞれの焦点位置が点Ｒ１で一致するように第１のレンズアレイ４２４ａと第２のレンズアレイ４２５ａを配置する。これにより、この第２断面では、第１のレンズアレイ４２４ａで光束が発散したのち、再び第２のレンズアレイ４２５ａで光束を平行化する作用を有する。

よって、負レンズ４２３ａと第１のレンズアレイ４２４ａと第２のレンズアレイ４２５ａが第２断面内での平行化手段となる。

平行化手段の焦点距離ｆｘ，ｆｙは、負レンズ４２３ａの焦点距離ｆ２３とレンズアレイ４２４ａ、４２５ａのそれぞれの焦点距離ｆｙ１，ｆｙ２によって決まる。

第１断面（図３０）においては、負レンズ４２３ａの焦点距離と同じで、
ｆｘ＝ｆ２３
となる。

図３１において、第１のレンズアレイ４２４ａの焦点距離をｆｙ１、第２のレンズアレイ４２５ａの焦点距離をｆｙ２とする。このとき、第２断面（図３１）においては、３つの光学素子４２３ａ、４２４ａ、４２５ａの合成の焦点距離から、
ｆｙ＝ｆ２３＊｜ｆｙ２／ｆｙ１｜
となる。
このとき第１断面（図３０）における第１の平行化倍率ＨＸは、
ＨＸ＝｜ｆｘ／ｆｐ｜
である。

同様に第２断面（図３１）における第２の平行化倍率ＨＹは、
ＨＹ＝｜ｆｙ／ｆｐ｜
である。

図３１から｜ｆｙ２｜＞｜ｆｙ１｜であるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。よって、
ＨＹ＞ＨＸ
となり、光束集光手段４２１ａからの光束は第１、第２断面において異なる圧縮率で圧縮され、第１、第２断面において幅（径）が異なる光束に変換される。
[参考例８]

図３２、図３３には、本発明の参考例８の照明光学系の要部断面図である。

図３２は第１断面（ＸＺ面）、図３３は第２断面（ＹＺ面）を示している。

図３２、図３３において、図２２、図２３と同じ部材には同一符号を付している。

図３２、図３３において、４０１は光源、４３２は楕円リフレクタ、４３３は第１のレンズアレイ、４３４は第２のレンズアレイである。４０５は偏光変換素子、４０６はコンデンサレンズ、４０７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４０８は反射型の液晶パネル、４０９は投射レンズ、４１０は位相板である。

図中、一点鎖線ｏは照明光学系の基準軸（光軸）で、楕円リフレクタ４３２の回転対称軸やコンデンサレンズ４０６の光軸と一致している。（但し、これらは必ずしも一致する必要はない。）
光源４０１は楕円リフレクタ４３２の第１焦点Ｐ１近傍に配置され、楕円リフレクタ４３２の第２焦点Ｐ２に光源４０１からの光束が集光する。楕円リフレクタ４３２が光束集光手段となる。

このとき楕円リフレクタ４３２の頂点Ｔから第２焦点Ｐ２までの距離が光束集光手段の焦点距離ｆｐとなる。

第２のレンズアレイ４３４の入射側が図３２の断面に負のレンズパワーを有するシリンダー形状をしている。

この形状で得られる第２のレンズアレイ４３４の焦点距離をｆｘとする。第２のレンズアレイ４３４を第２の焦点Ｐ２から距離ｆｘだけ離れた位置に配置することで、この断面で光束を平行化する作用を有する。

よって、第２のレンズアレイ４３４が第１断面内の平行化手段となる。

第１のレンズアレイ４３３の射出側が、図３３の断面に負のレンズパワーを有するシリンダー形状をしている。

この形状で得られる第１のレンズアレイ４３３の焦点距離をｆｙとし、第１のレンズアレイ４３３を第２の焦点Ｐ２から空気換算で距離ｆｙだけ離れた位置に配置することでこの断面で光束を平行化する作用を有する。

よって、第１のレンズアレイ４３３が第２断面内の平行化手段となる。

第１断面（図３２）における第１の平行化倍率ＨＸは、
ＨＸ＝｜ｆｘ／ｆｐ｜
である。

同様に第２断面（図３３）における第２の平行化倍率ＨＹは、
ＨＹ＝｜ｆｙ／ｆｐ｜
である。

図３２，３３から第１レンズアレイ４３３が第２レンズアレイ４３４よりも第２の焦点Ｐ２に対して離れた位置に配置されるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。よって、
ＨＹ＞ＨＸ
となり、光束集光手段からの光束は第１、第２断面において異なる圧縮率で圧縮され、第１、第２断面において幅（径）が異なる光束に変換される。

ここで、ｆｐ＝２００ｍｍ、ｆｘ＝９０ｍｍ、ｆｙ＝１５０ｍｍとすると、
ＨＸ＝０．４５、ＨＹ＝０．７５、ＨＸ／ＨＹ＝０．６となる。
[参考例９]

図３４は、反射型の液晶パネルを３つ用いたカラープロジェクタ（画像投射装置）に実施例１または参考例７、８の照明光学系を適用したときの要部概略図である。

本参考例のプロジェクタは、図３４に示すように、コンデンサレンズ４０６と偏光ビームスプリッタ４７１，４７２（ＰＢＳ）の間に色分解素子５０１を設け、偏光ビームスプリッタ４７１、４７２と投射レンズ４０９の間に色合成素子５０２を設けた３板式のプロジェクタである。

図３４において、図２２、図２３に示す各部材と同じ部材には同符番を付している。

図３４において、５０３，５０４，５０５はそれぞれＧ，Ｒ，Ｂ色光用の反射型の画像形成素子である。５０６，５０７，５０８はそれぞれＧ，Ｒ，Ｂ色光用の２分の１位相板である。４７１はＧ色光用のＰＢＳである。４７２はＲＢ色光用のＰＢＳである。５０９は色選択性位相板である。

また、画像形成素子は反射型に限らず透過型でもよい。透過型の場合は画像形成素子における相対的にコントラスト特性が低い側に対して、直交する２つの断面方向のうち圧縮された光束幅の比率が小さい方向を設定するのがよい。

各実施例又は参考例において、光束平行化手段は、光束の圧縮比を計算するとき方向に寄らず一定の焦点距離として扱うのが望ましく、リフレクタから共通の正のパワーの光学素子までの光学系を光束圧縮系と考えればよい。
[参考例１０]

図３５、図３６は、放物リフレクタＲＦからの光を２つの断面（ＸＺ面、ＹＺ面）で正のパワーが異なる（ｆｘ、ｆｙ）トーリックレンズＴＬで集光する場合を示す。

図３７、図３８は、図３５、図３６の屈折力配置の模式図である。

この光学系では、図３７，３８のように正のパワーの小さい側の焦点距離（ｆｙ）をＸＺ断面とＹＺ断面とに共通の焦点距離としている。また、図３７のＸＺ断面では、正のパワーの強い側の焦点距離（ｆｘ）が、焦点距離ｆｙの正のレンズと焦点距離ｆｘ’の正のレンズとが間隔０で配置されることによって形成されていると考えられる。

このときには焦点距離ｆｘ’を平行化手段の一部と考えて合成の焦点距離の計算をすれば、各実施例または参考例の条件がそのまま適用できる。

高輝度の光源では熱的な問題より、リフレクタの大きさを小さくすることはできない。このため、例えば３０Ｗよりも高輝度のランプを使用し、かつ対角１インチ以下の小型の画像形成素子を使う場合は、リフレクタからの光束を狭めることが、効率アップに有効である。この場合は、平行化倍率ＨＹを、
ＨＹ＜１
となるようにするのがよい。

以上のように各実施例または参考例によれば、明るく高いコントラストを有する画像を投射できる照明光学系及びそれを有する画像投射装置が得られる。

本発明の実施例２の概略図を図４０Ａ、４０Ｂに示す。この実施例２は、光源（又はリフレクタ）から射出した光束の光束径を伸長する実施例である。このように光束径を伸長する実施例は、光源、或いはリフレクタの外径が小さい場合に特に有効である。

光源として、前述の実施例または参考例と同じく高圧水銀ランプを用いても構わないが、キセノンランプやレーザ光源等を用いた小型化が容易な光源を用いた場合に特に好適である。具体的には、画像形成素子の有効領域（画像表示領域）よりもリフレクタの外径やレーザ光源のレーザ発振領域が小さい場合、特に（各断面内で）リフレクタの外径やレーザ光源のレーザ発振領域が画像形成素子の有効領域の半分以下の場合に好適である。

ここで、図４０ＡはＸＺ断面図であり、液晶パネル（液晶表示素子、画像形成素子）の短辺方向と平行な断面であり、光束の伸長率が後述するＹＺ断面よりも低い（変換率が小さい）断面である。図４０ＢはＹＺ断面図であり、液晶パネルの長辺方向と平行な断面であり、図４０Ａの断面と比較して光束の伸長率が高い（変換率が大きい）断面である。

１００１は光源（発光点）であり、光を放射状に発している。１００２は放物面リフレクタ（放物面鏡）であり、光源から発した光束を平行光束に変換している。１００３は凹レンズ(第１の光学素子）であり、リフレクタから射出した平行光束を発散光束に変換している。ここで、放物面リフレクタ１００２は、楕円リフレクタであっても構わないし、また、放物面リフレクタ１００２から反射される光束が発散光束となるように、光源の位置とリフレクタの位置を設定しても構わない。

図４０Ａの断面、すなわちＸＺ断面において、１００４は、複数の微小レンズセル（微小なシリンドリカルレンズセル）を備え、発散光束を平行化しつつ（平行光束に変換しつつ）複数の分割光束に分割する第１のレンズアレイである。１００５は、１００４と同じく複数の微小レンズセルを備え、複数の分割光束を後段の偏光変換素子１００６に導く第２のレンズアレイである。

１００７はコンデンサレンズ、１００８は偏光分離素子（偏光ビームスプリッタ）、１００９は１／４波長板、１０１０は液晶パネル、１０１１は投射レンズであり、これらの機能についての説明は前述の実施例または参考例と同じなので省略する。

図４０Ｂの断面、すなわちＹＺ断面において、１００４は、複数の微小レンズ（微小なシリンドリカルレンズ）を備え、発散光束を発散光束のまま射出する（平行化作用を持たない）第１のレンズアレイである。この第１のレンズアレイは、同時に発散光束を複数の分割光束に分割している。

１００５は、１００４と同じく複数の微小レンズセルを備え、発散光束を平行化しつつ（平行光束に変換しつつ）後段の偏光変換素子１００６に導く第２のレンズアレイである。１００７〜１０１１に関しては図４０Ａの断面（ＸＺ断面）と同じく、前述した実施例ま たは参考例と同じ機能であるため、ここでは説明を省略する。

本実施例では、液晶パネル１０１０のパネル面に対する入射光束の角度分布は、図４０Ａの液晶パネル１０１０の短辺方向に平行なＸＺ断面（第１断面）に比べて、図４０Ｂの長辺方向に平行なＹＺ断面（第２断面）の方が大きい。

光源１００１と偏光ビームスプリッタ１００８との間に設けられ、照明光学系における互いに直交する第１断面（ＸＺ断面）及び第２断面（ＹＺ断面）においてそれぞれ光束を伸長する平行化手段（第２及び第３の光学素子）１００４、１００５を有する。平行化手段１００４、１００５は、伸長系とも言える。そして、平行化手段１００４、１００５による光束の伸長率（平行化倍率）は、第１断面と第２断面とで互いに異なっている。

尚、光束の伸長とは、光束発散手段１００３で光束径（光束幅）を拡大した後、平行化手段１００４、１００５で平行光束化するまでをいう。

そして、伸長率とは、光束発散手段１００３で拡大される光束径（光軸と垂直な方向の幅）Ｌｒに対する平行化手段１００４、１００５を通過した後の径をＬ（Ｌx、Ｌy）との比Ｌ／Ｌｒをいう。

第１断面における光束の伸長率をα、第２断面における光束の伸長率をβとする。

このとき、
α＝Ｌx／Ｌｒ
β＝Ｌy／Ｌｒ
である。ここで、
α≠β
α＞１、β＞１
α＜β
α/β＜1
である。

すなわち、図４０Ａの第１断面における光束の伸長率αの方が、図４０Ｂの第２断面における光束の伸長率βよりも小さい。

ここで、例えば、Ｌｒ＝３０ｍｍ、Ｌｘ＝１２ｍｍ、Ｌｙ＝１８ｍｍだとすると、
α＝０．４
β＝０．６
α／β＝０．６７
となる。

図４１及び図４２は、本発明の実施例３である照明光学系を含む画像投射用光学系のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す図である。

図４１中、７０１は発散光を放射する光源ユニット、７０３は第１のレンズアレイ、７０４は第２のレンズアレイ、７０５は偏光変換素子、７０６はコンデンサレンズ、７０７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である。７０８は反射型液晶パネル、７０９は投射レンズ、７１０は位相板である。

光源ユニット７０１は、光を発する電極７１１，７１２が放物ミラー７１３と一体で構成されたキセノンランプ等の発光素子を備えた高出力発光可能な光源部７１４と、該光源部７１４からの光が放射する側に設けられた凹レンズ７１５とから構成されている。光源部７１４から放射された光束は、凹レンズ７１５により発散光束に変換される。

図中の一点鎖線ｏは、照明光学系の基準軸であり、放物ミラー７１３の回転対称軸やコンデンサレンズ７０６の光軸と一致している（ただし、これらは必ずしも一致する必要はない）。

第１のレンズアレイ７０３の入射側は、図４１のＸＺ断面において正の光学パワーを有するシリンダー形状を有する。

この形状の焦点距離をｆｘとし、焦点位置を凹レンズ７１５の焦点位置にほぼ配置することで、この断面で光束を平行化する作用を有する。

図中に太点線で示した光線は、レンズアレイの中心を通過する光線を表わしており、該光線は平行化されている。第１のレンズアレイ７０３以降に示した細実線は、分割された光束が、反射型液晶パネル７０８上で重なっている状態を表している。第１のレンズアレイ７０３は、ＸＺ断面での平行化手段となる。

第２のレンズアレイ７０４の出射側は、図４２のＹＺ断面において正の光学パワーを有するシリンダー形状を有する。

この形状の焦点距離をｆｙとし、焦点位置を凹レンズ７１５の焦点位置にほぼ配置することで、この断面で光束を平行化する作用を有する。すなわち、第２のレンズアレイ７０４がＹＺ断面での平行化手段となる。

図４１及び図４２から、第２のレンズアレイ７０４が第１のレンズアレイ７０３よりも凹レンズ７１５に対して離れた位置に配置されるために、
｜ｆｙ｜＞｜ｆｘ｜
である。よって、光束集光手段としての楕円リフレクタ７１３からの光束はＸＺ断面とＹＺ断面において幅（径）が異なる光束に変換される。

ここで、偏光変換素子７０５では、光束幅の広い第２の断面方向に偏光変換素子のアレイを構成する。また、偏光ビームスプリッタ７０７では、光束幅の狭い第１の断面方向に偏光分離面による光束の折り曲げを行う。これにより、明るさを損なうことなく、コントラストを向上させることができる。

ここで、図４１及び図４２には、各レンズアレイでは、一方の面にシリンダー形状を設け、他方の面にレンズアレイ形状を設ける場合を示したが、シリンダー形状とレンズアレイを一体化して一方の面に設けてもよい。

図４３には、本発明の実施例４である照明光学系における光源ユニットを示す。

本実施例の光源ユニット７２１は、ＬＥＤやＬＤなどのチップ上の光源７２２から発散放射される光を、凸レンズ７２３により小さな発散角の光に変換して射出する構成を有する。図４３においては、射出する光を細実線で表わしている。

このような光源ユニット７２１は、１つの光源では光量が不足するので、図４４に示すように複数個並べた光源ユニット７３１として使用するのが望ましい。

図４５及び図４６には、図４４に示した光源ユニット７３１を用いた照明光学系を含む画像投射用光学系のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。光源ユニット以外は、実施例３と同じであるので、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施例の光学系の光源として、電極を有しない放電光源を用いてもよい。

図４７には、本発明の実施例５である照明光学系に用いられるさらに別の光源ユニットを示している。

本実施例では、複数の光源８４２から発せられた平行光束を、該複数の光源８４２に対応した複数のレンズセルを有するレンズアレイ８４３で、それぞれ一旦集光した後、発散光束として照明光学系に導く。光束を細実線で示している。

１，１１，３１，５１，４０１ 光源
２，１２，３２，５２，４０２ リフレクタ
３，１５，３５，５３，４０３ 第１のフライアイレンズ
４，１７，３６，５４，４０４ 第２のフライアイレンズ
５，１８，３７，４０５ 偏光変換素子
６，１９，３８，５５，４０６ コンデンサレンズ
７，２０，３９，５６，４０７ 偏光ビームスプリッタ
８，２１，４０，５７，４０８ 反射型液晶パネル
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 (25)

1. 光源から発した光束を、光分離作用を有する光学面を介して画像形成素子に導く照明光学系であって、
   前記照明光学系は、互いに直交する第１の断面及び第２の断面においてそれぞれ光束幅を、入射前とは異なる光束幅に変換する変換系を有し、
   前記変換系による光束幅の変換率が、前記第１の断面と前記第２の断面とで互いに異なることを特徴とする照明光学系。
2. 無偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を有し、
   前記変換系が、前記光源と前記偏光変換素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記第１の断面は、前記光学面の法線と前記画像形成素子の入射出面の法線とに平行な断面であり、前記第２の断面は、前記第１の断面に直交する断面であり、かつ以下の条件を満足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。
   α／β＜１
   但し、αは前記変換系の前記第１の断面での前記変換率、βは前記第２の断面での前記変換率である。
4. 前記変換系は、前記第１の断面及び第２の断面においてそれぞれ光束幅を圧縮する圧縮系であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の照明光学系。
5. 前記圧縮系は、光源側から順に、前記第１及び第２の断面において同一の正の光学パワーを有する第１の光学素子と、前記第１及び第２の断面のうち一方において第１の負の光学パワーを有する第２の光学素子と、前記第１及び第２の断面のうち他方において前記第１の負の光学パワーとは異なる第２の負の光学パワーを有する第３の光学素子とを含むことを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
6. 前記第１の光学素子は、前記光源から発する光束を反射する楕円リフレクタであることを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
7. 前記第２及び第３の光学素子はそれぞれ、複数のレンズセルを有するレンズアレイであり、該複数のレンズセルのうち少なくとも一部のレンズセルが偏心することで前記光学パワーを有することを特徴とする請求項５又は６に記載の照明光学系。
8. 前記圧縮系は、光源側から順に、前記第１の断面において第１の正の光学パワーを有し、かつ前記第２の断面において前記第１の正の光学パワーとは異なる第２の正の光学パワーを有する第１の光学素子と、前記第１の断面において第１の負の光学パワーを有し、かつ前記第２の断面において前記第１の負の光学パワーとは異なる第２の負の光学パワーを有する第２の光学素子とを含むことを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
9. 前記第１及び第２の光学素子はそれぞれ、複数のレンズセルを有するレンズアレイであり、該複数のレンズセルのうち少なくとも一部のレンズセルが偏心することで前記光学パワーを有することを特徴とする請求項８に記載の照明光学系。
10. 前記圧縮系は、光源側から順に、前記第１及び第２の断面において同一の正の光学パワーを有する第１の光学素子と、前記第１及び第２の断面のうち一方において第１の正の光学パワーを有する第２の光学素子と、前記第１及び第２の断面のうち他方において前記第１の正の光学パワーとは異なる第２の正の光学パワーを有する第３の光学素子とを含むことを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
11. 前記圧縮系は、光源側から順に、前記第１及び第２の断面において同一の負の光学パワーを有する第１の光学素子と、前記第１及び第２の断面のうち一方において第１の正の光学パワーを有する第２の光学素子と、前記第１及び第２の断面のうち他方において前記第１の正の光学パワーとは異なる第２の正の光学パワーを有する第３の光学素子とを含むことを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
12. 前記変換系は、前記第１の断面及び第２の断面においてそれぞれ光束幅を伸長する伸長系であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の照明光学系。
13. 前記伸長系は、光源側から順に、前記第１及び第２の断面において同一の負の光学パワーを有する第１の光学素子と、前記第１及び第２の断面のうち一方において第１の正の光学パワーを有する第２の光学素子と、前記第１及び第２の断面のうち他方において前記第１の正の光学パワーとは異なる第２の正の光学パワーを有する第３の光学素子とを含むことを特徴とする請求項１２に記載の照明光学系。
14. 光源から射出した光束を収束光束として射出する光束集光手段と、
    該光束集光手段からの光束を平行光束として射出する平行化手段と、
    該平行化手段の光射出側又はその光路中に設けられ、偏光状態が揃った光束を射出する偏光変換素子と、
    該偏光変換素子からの光束を被照射面に設けた画像形成素子に入射させる偏光分離面を有する偏光分離手段と有する照明光学系であって、
    該偏光分離面の法線と該照明光学系の光軸とを含む面を第１断面、該光軸を含み該第１断面と直交する面を第２断面とするとき、
    該平行化手段は入射光束を第１断面と該第２断面において互いに異なる圧縮率で圧縮して射出し、
    該第１、第２断面内における光束の圧縮率をそれぞれＨＸ、ＨＹとするとき、
    ＨＸ＜ＨＹ
    なる条件を満足することを特徴とする照明光学系。
15. 前記光束集光手段は、楕円ミラー又は、楕円ミラーと正レンズ、又は放物ミラーと正レンズより構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の照明光学系。
16. 前記平行化手段は、
    前記第１断面内と第２断面内において互いに正の屈折力が異なるレンズアレイを有していることを特徴とする請求項１４又は１５に記載２の照明光学系。
17. 前記平行化手段は、
    前記第１断面内と第２断面内において負の屈折力を有するレンズと、前記第１断面内と第２断面内において互いに正の屈折力が異なるレンズアレイを有していることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の照明光学系。
18. 前記平行化手段は、
    前記第１断面内と第２断面内において負の屈折力を有するレンズと、該第２断面内においてのみ正の屈折力を有するレンズアレイとにより構成されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の照明光学系。
19. 前記光束集光手段が、前記光束集光手段から射出する光束を、前記平行化手段よりも前記光源側において集光させることを特徴とする請求項１４から１８のいずれか１つに記載の照明光学系。
20. 前記光束集光手段が、光束を集光しつつ分割する作用を持つ光学面を有することを特徴とする請求項１４から１９のいずれか１つに記載の照明光学系。
21. 前記平行化手段が、複数の偏心した微小レンズ面を有する光学面を有することを特徴とする請求項１４から２０のいずれか１つに記載の照明光学系。
22. 光源から射出した光束を発散光として射出する光束発散手段と、
    該光束発散手段からの光束を平行光束として射出する平行化手段と、
    該平行化手段の光射出側又はその光路中に設けられ、偏光状態が揃った光束を射出する偏光変換素子と、
    該偏光変換素子からの光束を被照射面に設けた画像形成素子に入射させる偏光分離面を有する偏光分離手段とを有する照明光学系であって、
    該偏光分離面の法線と該照明光学系の光軸とを含む面を第１断面とし、該光軸を含み該第１断面と直交する面を第２断面とするとき、
    該平行化手段は、入射光束を第１断面と該第２断面において互いに異なる伸長率で伸長し、
    該第１及び第２断面内における光束の圧縮率をそれぞれ、ＨＸＸ、ＨＹＹとするとき、
    ＨＸＸ＜ＨＹＹ
    なる条件を満足することを特徴とする照明光学系。
    
23. 請求項１から２２のいずれか１つに記載の照明光学系と、
    前記画像形成素子からの光束を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする画像投射用光学系。
24. 請求項２３に記載の画像投射用光学系を有することを特徴とする画像投射装置。
25. 請求項２４に記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像情報を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。