JP2014174429A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度が調整された良好な画像の観察を可能にし、観察者に与える疲労を低減できる虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】画像表示装置８０が、観察者の眼が並ぶ方向に垂直な縦方向に相当する垂直方向よりも観察者の眼が並ぶ方向に平行な横方向に相当する水平方向について配光角が広い配光特性を有することで、水平方向についての配光角がより広い状態となるようにし、映像光の水平方向に関する射出角度によって輝度差が生じることを抑制できる。すなわち、映像光の輝度が調整された良好な画像の観察が可能となり、観察者に与える疲労を低減させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関し、特に観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに好適な虚像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

ＨＭＤ等の虚像表示装置については、映像光を広画角化することと、装置重量を低減することとが望まれている。

虚像表示装置において、良好な画像を視認させるためには、眼が並ぶ方向である水平方向について一定以上の輝度をある程度の角度範囲において確保することが重要となる。しかしながら、例えば装置全体の小型化を図る上では、液晶パネル等で構成される映像素子の小型化も必要であり、映像素子の表示画素が小さくなるほど、一定範囲以上の輝度が保たれる角度範囲が狭くなりやすい。また、視野角特性が狭くなるのは、バックライトや映像素子等によって定まる配光角が狭くなっていることに起因すると捉えることもできる。このように映像光の輝度が確保されず、輝度に差が生じると、例えば左右の眼で両眼視するタイプの虚像表示装置の場合、右側の映像と左側の映像とで輝度が異なってしまい、観察者に違和感を生じさせたり、疲労を感じやすくさせたりする可能性がある。

特許文献１では、回転非対称面を含む４面を用いたプリズムによって小さく軽量で、かつ、形状の自由度が高いプリズム光学系を提供することが提案されている。しかし、特許文献１のように小型である場合には、上記のように映像光の輝度を確保しにくく、また、映像光を取り込める範囲が限られるため、眼の位置の差による映像光の輝度の変化も大きくなりやすい。つまり、映像光の輝度の変化が生じやすく、例えば左右の両方の眼で観察を行うものである場合、右側と左側とで輝度が著しく異なる映像となってしまう可能性がある。

特開２０１２−２７３５０号公報

本発明は、輝度が調整された良好な画像の観察を可能にし、観察者に与える疲労を低減できる虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、映像素子からの映像光を導光させる導光部材とを備え、映像素子は、映像光の配光特性を、観察者の眼が並ぶ横方向に垂直な縦方向に相当する垂直方向よりも上記横方向に相当する水平方向について配光角が大きい状態にして射出する。

上記虚像表示装置では、観察者の眼が並ぶ方向に平行な横方向（左右方向）である水平方向に関して、観察者の眼が並ぶ方向に垂直な縦方向（上下方向）である垂直方向よりも配光角を大きくすることで、映像光の水平方向に関する射出角度によって生じる輝度の差（輝度差）を抑制できる。すなわち、縦横で配光のバランスをとることにより、映像光の輝度が調整された良好な画像の観察が可能となり、観察者に与える疲労を低減させることができる。

本発明の具体的な側面では、映像素子における画素の形状は、上記垂直方向に対応する第１方向よりも上記水平方向に対応する第２方向について大きい。この場合、画素ごとに映像光の広がりを調整できる。

本発明の別の側面では、映像素子が、照明光を空間的に変調して映像光を形成する液晶表示デバイスであり、液晶表示デバイスを構成する表示画素は、第１方向よりも第２方向について広い開口形状部を有している。この場合、液晶表示デバイスの開口形状部を調整することで所望の配光特性を得ることができる。

本発明のさらに別の側面では、液晶表示デバイスにおいて、表示画素が、カラーフィルター方式であり、少なくともＲＧＢの３つのサブピクセルを含んで１つのピクセルを構成し、当該３つのサブピクセルが第１方向よりも第２方向について広い開口形状部をそれぞれ有するとともに第１方向に配列されている。この場合、ＲＧＢの３つのサブピクセルが横方向（第２方向）にそれぞれ長く、縦方向（第１方向）に並ぶことで、１つのサブピクセルを構成することで、各色光が所望の配光特性となり、また、ピクセルの形状を正方又はこれに近い形状とすることができる。

本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置が、第１方向よりも第２方向について配光角が大きい配光特性を有する照明光を発生させ、当該照明光を液晶表示デバイスに照射するバックライトを含む照明装置をさらに備える。この場合、バックライトによって、映像光の配光特性を所望の状態となるように調整できる。

本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置が、照明光を液晶表示デバイスに照射するためのバックライトと、バックライトと液晶表示デバイスとの間に配置され、バックライトから射出された照明光の配光特性を第１方向よりも第２方向について配光角が大きい状態にする制御を行う配光制御部とを含む照明装置をさらに備える。この場合、配光制御部によって、映像光の配光特性を所望の状態となるように調整できる。

本発明のさらに別の側面では、配光制御部が、レンズ、異方性拡散シート、ホログラフィックディフューザーのいずれかである。この場合、比較的簡易かつ確実に映像光の広がりを調整できる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子が、光射出側にレンズアレイを有する。この場合、レンズアレイによって映像光の配光特性に広がりを持たせた状態で映像光を射出させることができる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子において、レンズアレイが、垂直方向に対応する第１方向と水平方向に対応する第２方向とで異なる曲率を有する。この場合、レンズアレイの曲率が異なることで、映像光の配光角が水平方向についてより広がるようにできる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子が、水平方向について並列された一対構成であり、両眼視を可能とする。この場合、左右の眼で１つの画像を視認できる。特に、左右の眼での輝度差を抑制することで、良好な画像の認識が観察できる。

本発明に係る第２の虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、映像素子からの映像光を導光させる導光部材とを備え、映像素子は、観察者の眼が並ぶ横方向に相当する水平方向について並列された一対構成であり、両眼視の可能な虚像表示装置であって、映像素子と導光部材とを含んで構成される光学系の焦点距離をｆとし、光学系のレンズ主点から瞳位置までの距離をＤｉとしたときに、焦点距離ｆと距離Ｄｉとが等しい又は略等しい。

上記虚像表示装置では、光学系において焦点距離ｆと距離Ｄｉとが等しい又は略等しいテレセントリック或いはこれに近い状態で画像投射がなされるので、映像素子からの射出位置によって映像光の射出角度が変化することに伴う輝度低下の発生を回避できるので、両眼視が可能な場合における左右での輝度差を抑制できる。

本発明の具体的な側面では、映像素子と導光部材とを含んで構成される光学系において、パネル法線と水平方向について映像光が射出される角度の範囲内において、映像光の光線輝度の最大差を所定範囲以内とする。この場合、映像光が射出される角度の範囲内において、光線輝度の最大差を、例えば光線輝度の最大値に対して３０％以内とすることで、視聴した際にほとんど認識できないレベルの差異であるようにすることができ、良好な画像表示が可能となる。

本発明の別の側面では、映像素子と導光部材とを含んで構成される光学系において、アイリング径をＤｅとし、パネル法線と水平方向についての映像光の射出方向とのなす角の角度をθ_ｈとし、角度θ_ｈで射出される光線輝度Ｉθ_ｈについて、アイリング径の範囲における光線輝度の最大値をＩ_ｍａｘθ_ｈとし、最小値をＩ_ｍｉｎθ_ｈとし、さらに、焦点距離ｆと距離Ｄｉとの差に応じて定まる非テレセントリック性を示す最大テレセントリック角度をφ_ｍａｘとしたとき、

のとき、

を満たす。ここで、アイリング径とは、人間の個々の眼幅に対応するために虚像の取り込みを可能にする採光径を意味する。この場合、配光特性に起因する輝度差が著しく異なることを回避でき、例えば左右での輝度差を抑制することができる。

本発明の具体的な側面では、映像素子と導光部材とを含んで構成される光学系において、焦点距離ｆと距離Ｄｉとが等しく、最大テレセントリック角度φ_ｍａｘの値がゼロである。この場合、光学系がテレセントリックとなる。従って、例えば眼が標準的な位置であるアイリング径の中心にある場合、映像素子のどの位置から射出される映像光についても映像素子の法線方向に平行な方向から射出された成分を捉えるものにできる。

本発明の別の側面では、一対構成として水平方向について並列される右眼用の映像素子と左眼用の映像素子とにおいて、水平方向について対称な配光特性を有する映像光を射出する。この場合、観察者の眼が並ぶ方向である水平方向（左右方向）について右眼用の映像光と左眼用の映像光とを対称な状態とすることができる。これにより、配光特性による射出角度の変化に伴う輝度差が右眼側と左眼側とで一致するので、例えば眼が標準的な位置であるアイリング径の中心から外れた位置にある場合であっても、左右での相対的な輝度差を抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、一対構成として水平方向について並列される右眼用の映像素子と左眼用の映像素子とが、水平方向について中心対称に配列されている。この場合、一般に人間の眼が、鼻を中心にして略左右対称に配置されていることから、左右の眼に対称な位置に画像を形成させることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材が、映像光を導光させるとともに、外界光を通過させ、映像光と外界光とを視認させるプリズム型の部材である。

本発明のさらに別の側面では、導光部材が、映像光を導く光学系の一部として内部に中間像を形成させる。この場合、光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。

第１実施形態の虚像表示装置の外観を説明する斜視図である。 （Ａ）は、虚像表示装置を構成する第１表示装置の本体部分の平面視の断面図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。 （Ａ）は、画像表示装置の構成について説明する断面図であり、（Ｂ）は、表示画素の形状を示す正面図である。 一変形例の画像表示装置の構成について説明する断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、別の一変形例の画像表示装置の構成について説明する図である。 （Ａ）は、右眼側の映像素子の配光特性の一例について示すグラフであり、（Ｂ）は、左眼側の映像素子の配光特性の一例について示すグラフである。 第２実施形態に係る虚像表示装置の光学系について模式的に示す展開図である。 虚像表示装置の光学系と配光特性との関係を示す図である。 比較例の虚像表示装置の光学系と配光特性との関係を示す図である。 （Ａ）は、虚像表示装置の光学系におけるテレセントリック性について説明するための図であり、（Ｂ）は、虚像表示装置の光学系の他の一例の図である。 配光特性の一例を示すグラフにおける光線輝度の値を示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第１実施形態の虚像表示装置について詳細に説明する。

〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す本実施形態の虚像表示装置１００は、眼鏡のような外観を有する両眼視を可能にするヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置１００を装着した観察者に対して虚像に対応する画像光を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる。虚像表示装置１００は、観察者の眼前を覆う透視部材１０１と、透視部材１０１を支持するフレーム１０２と、フレーム１０２の左右両端のカバー部から後方のつる部分（テンプル）にかけての部分に付加された第１及び第２内蔵装置部１０５ａ，１０５ｂとを備える。ここで、透視部材１０１は、観察者の眼前を覆う肉厚で湾曲した光学部材（透過アイカバー）であり、第１光学部分１０３ａと第２光学部分１０３ｂとに分かれている。図面上で左側の第１光学部分１０３ａと第１内蔵装置部１０５ａとを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第２光学部分１０３ｂと第２内蔵装置部１０５ｂとを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。

〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２（Ａ）、２（Ｂ）等に示すように、第１表示装置１００Ａは、投射透視装置７０と、画像表示装置８０とを備える。このうち、投射透視装置７０は、導光部材１０と、光透過部材５０と、結像用の投射レンズ３０とを備える。導光部材１０と光透過部材５０とは接合によって一体化され、例えば導光部材１０の上面１０ｅとフレーム６１の下面６１ｅとが接するようにフレーム６１の下側にしっかりと固定されている。投射レンズ３０は、これを収納する鏡筒６２を介して導光部材１０の端部に固定されている。導光部材１０には、フレーム６１への取付けを可能にする取付部（不図示）が形成されている。投射透視装置７０のうち導光部材１０と光透過部材５０とは、図１における第１光学部分１０３ａに相当し、投射透視装置７０の投射レンズ３０と、画像表示装置８０とは、図１における第１内蔵装置部１０５ａに相当する。なお、図１に示す第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。

投射透視装置７０のうち、プリズム型の部材である導光部材１０は、平面視において顔面に沿うように湾曲した円弧状の部材であり、鼻に近い中央側の第１プリズム部分１１と、鼻から離れた周辺側の第２プリズム部分１２とに分けて考えることができる。第１プリズム部分１１は、光射出側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第１面Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３とを有し、第２プリズム部分１２は、光入射側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第４面Ｓ１４と、第５面Ｓ１５と、第６面Ｓ１６とを有する。このうち、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４とが隣接し、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とが隣接し、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間に第２面Ｓ１２が配置され、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５との間に第６面Ｓ１６が配置されている。また、導光部材１０は、第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６に隣接するとともに互いに対向する第１の側面１０ｅと第２の側面１０ｆとを有する。

導光部材１０において、第１面Ｓ１１は、Ｚ軸に平行な射出側光軸ＡＸＯを中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第２面Ｓ１２は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ１を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第３面Ｓ１３は、射出側光軸ＡＸＯを中心軸又は基準軸とする自由曲面である。第４面Ｓ１４は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ３，ＡＸ４の２等分線を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第５面Ｓ１５は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ４，ＡＸ５の２等分線を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第６面Ｓ１６は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ４を中心軸又は基準軸とする自由曲面である。なお、以上の第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ４等が通る基準面ＳＲを挟んで、鉛直（又は縦）のＹ軸方向に関して対称な形状を有している。

導光部材（プリズム）１０は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば型内に熱可塑性樹脂を注入・固化させることにより、成形する。導光部材１０の本体部分１０ｓは、一体形成品とされているが、第１プリズム部分１１と第２プリズム部分１２とに分けて考えることができる。第１プリズム部分１１は、映像光ＧＬの導波及び射出を可能にするとともに、外界光ＨＬの透視を可能にする。第２プリズム部分１２は、映像光ＧＬの入射及び導波を可能にする。

第１プリズム部分１１において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを第１プリズム部分１１外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第１面Ｓ１１は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、観察者に対し凹面形状を成している。なお、第１面Ｓ１１は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。このハードコート層は、本体部分１０ｓの下地面上に樹脂等からなるコート剤をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。

第２面Ｓ１２は、ハーフミラー層１５を有している。このハーフミラー層１５は、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）である。ハーフミラー層（半透過反射膜）１５は、第２面Ｓ１２の全体ではなく、その部分領域ＰＡ上に形成されている。つまり、ハーフミラー層１５は、第２面Ｓ１２が広がる全体領域ＱＡを主に鉛直方向に関して狭めた部分領域ＰＡ上に形成されている。より詳細には、この部分領域ＰＡは、鉛直のＹ軸方向に関する中央側に配置されており、水平の基準面ＳＲに沿った方向に関して略全体に配置されている。ハーフミラー層１５は、本体部分１０ｓの下地面のうち部分領域ＰＡ上に、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＨＬの観察を容易にする観点で、想定される映像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、映像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。

第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。なお、第３面Ｓ１３は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。第３面Ｓ１３は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、第１面Ｓ１１と同様に観察者に対し凹面形状を成しており、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて外界光ＨＬを見たときに、視度が略０になっている。

第２プリズム部分１２において、第４面Ｓ１４及び第５面Ｓ１５は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能し、或いはミラー層１７で被覆されて反射面として機能する。なお、第４面Ｓ１４及び第５面Ｓ１５を全反射面として機能させる場合、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。

第６面Ｓ１６は、映像光ＧＬを第２プリズム部分１２内に入射させる屈折面として機能する。なお、第６面Ｓ１６は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできるが、さらに反射防止によってゴーストを抑制する目的で、本体部分１０ｓを多層膜で被覆することもできる。

光透過部材５０は、導光部材１０と一体的に固定されている。光透過部材５０は、導光部材（プリズム）１０の透視機能を補助する部材（補助プリズム）であり、光学的な機能を有する側面として、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを有する。ここで、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に第２透過面Ｓ５２が配置されている。第１透過面Ｓ５１は、導光部材１０の第１面Ｓ１１を延長した曲面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、当該第２面Ｓ１２に対して接着剤ＣＣによって接合され一体化されている曲面であり、第３透過面Ｓ５３は、導光部材１０の第３面Ｓ１３を延長した曲面上にある。このうち第２透過面Ｓ５２と導光部材１０の第２面Ｓ１２とは、接合によって一体化するため、略同じ曲率の形状を有する。

光透過部材（補助プリズム）５０は、可視域で高い光透過性を示し、導光部材（プリズム）１０の本体部分１０ｓと略同一の屈折率を有する樹脂材料で形成されている。光透過部材５０は、例えば熱可塑性樹脂の成形によって形成される。

投射レンズ３０は、鏡筒６２内に保持され、画像表示装置８０は、鏡筒６２の一端に固定されている。導光部材１０の第２プリズム部分１２は、投射レンズ３０を保持する鏡筒６２に連結され、投射レンズ３０及び画像表示装置８０を間接的に支持している。導光部材１０の周辺には、図２（Ａ）において破線で示すように、導光部材１０に外光が入射することを防止する追加の遮光部ＢＰを設けることができる。遮光部ＢＰは、例えば遮光性の塗装や光散乱層で構成することができ、投射レンズ３０から導光部材１０への映像光の入射に際して不要光成分を予め除去することができる。ただし、遮光部ＢＰは、映像光のうち必要光である有効光束の通過を妨げたり、意図しない反射をして新たな不要光成分を形成させたりすることのない範囲で設けられているものとする。なお、図示の遮光部ＢＰの形成位置は一例であり、このほかの場所に適宜設けることも可能である。

投射レンズ３０は、入射側光軸ＡＸＩに沿って例えば３つのレンズ３１，３２，３３を有している。各レンズ３１，３２，３３は、軸対称なレンズであり、少なくとも１つ以上が非球面を有するものとなっている。投射レンズ３０は、画像表示装置８０から射出された映像光ＧＬを再結像させるために導光部材１０の第６面Ｓ１６を介して導光部材１０内に入射させる。つまり、投射レンズ３０は、映像表示素子８２の像面（表示位置）ＯＩ上の各点から射出された映像光又は画像光を導光部材１０内に再結像させるためのリレー光学系である。なお、導光部材１０の各面は、投射レンズ３０と協働することでリレー光学系の一部として機能する。

画像表示装置８０は、２次元的な照明光ＳＬを射出する照明装置８１と、透過型の空間光変調装置である映像表示素子８２と、照明装置８１及び映像表示素子８２の動作を制御する駆動制御部８４とを有する。

画像表示装置８０の照明装置８１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源８１ａと、光源８１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部８１ｂとを有する。映像表示素子８２は、例えば液晶表示デバイスで形成される映像素子であり、照明装置８１からの照明光ＳＬを空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部８４は、光源駆動回路８４ａと、液晶駆動回路８４ｂとを備える。光源駆動回路８４ａは、照明装置８１の光源８１ａに電力を供給して安定した輝度の照明光ＳＬを射出させる。液晶駆動回路８４ｂは、映像表示素子（映像素子）８２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路８４ｂに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。なお、詳しくは後述するが、本実施形態では、画像表示装置８０において、映像光を観察者の眼ＥＹが並ぶ横方向である水平方向（図中Ｘ方向）に関して、横方向に垂直な縦方向である垂直方向（図中Ｙ方向）よりも配光角を大きくするものとしている。

〔Ｃ．映像光等の光路〕
以下、虚像表示装置１００における映像光ＧＬ等の光路について説明する。

映像表示素子（映像素子）８２から射出された映像光ＧＬは、投射レンズ３０によって収束されつつ、導光部材１０に設けた比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ１６に入射する。

導光部材１０の第６面Ｓ１６を通過した映像光ＧＬは、収束しつつ進み、第２プリズム部分１２を通過する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５で反射され、比較的弱い負の屈折力を有する第４面Ｓ１４で反射される。

第２プリズム部分１２の第４面Ｓ１４で反射された映像光ＧＬは、第１プリズム部分１１において、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３に入射して全反射され、比較的弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１に入射して全反射される。なお、映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３を通過する前後において、導光部材１０中に中間像を形成する。この中間像の像面ＩＩは、映像表示素子８２の像面（表示位置）ＯＩに対応するものであるが、第３面Ｓ１３で折り返されたものとなっている。

第１面Ｓ１１で全反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射するが、特にハーフミラー層１５に入射した映像光ＧＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第１面Ｓ１１に再度入射して通過する。なお、ハーフミラー層１５は、ここで反射される映像光ＧＬに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第１面Ｓ１１は、これを通過する映像光ＧＬに対して負の屈折力を有するものとして作用する。

第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼ＥＹの瞳に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光ＧＬにより、映像表示素子８２上に形成された画像を観察することになる。

一方、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも＋Ｘ側に入射するものは、第１プリズム部分１１の第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、導光部材１０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。同様に、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも−Ｘ側に入射するもの、つまり、光透過部材５０に入射したものは、これに設けた第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。さらに、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２に対応する光透過部材５０に入射するものは、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、導光部材１０の第２面Ｓ１２と光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層ＣＣで充填されている。つまり、導光部材１０の第２面Ｓ１２や光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２は、外界光ＨＬに対して屈折面として作用しない。

ただし、ハーフミラー層１５に入射した外界光ＨＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、ハーフミラー層１５に対応する方向からの外界光ＨＬは、ハーフミラー層１５の透過率に弱められる。その一方で、ハーフミラー層１５に対応する方向からは、映像光ＧＬが入射するので、観察者は、ハーフミラー層１５の方向に映像表示素子８２上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。

導光部材１０内で伝搬されて第２面Ｓ１２に入射した映像光ＧＬのうち、ハーフミラー層１５で反射されなかったものは、光透過部材５０内に入射するが、光透過部材５０に設けた反射防止部（不図示）によって導光部材１０に戻ることが防止される。つまり、第２面Ｓ１２を通過した映像光ＧＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。また、光透過部材５０側から入射してハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬは、光透過部材５０に戻されるが、光透過部材５０に設けた不図示の反射防止部によって導光部材１０に射出されることが防止される。つまり、ハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。

以上のような虚像表示装置１００において、良好な画像を視認させるためには、特に、眼ＥＹが並ぶ横方向である水平方向（図中Ｘ方向）について一定以上の輝度をある程度の角度範囲において確保することが重要となる。横方向は、これに垂直な縦方向（図中Ｙ方向）に比べて眼が良く動く方向であり、また、両眼視が可能である場合には、横方向の眼幅に個人差があるため、ある程度のマージンを要するからである。ここで、画像表示装置８０から射出される映像光には、配光特性がある。配光特性は、例えばバックライトとして機能する照明装置８１や映像表示素子８２の構成等によって定まる、すなわち、画像表示装置８０の構成によって定まる。しかしながら、虚像表示装置１００の小型化を図る上では、液晶パネル等で構成される映像表示素子８２延いては画像表示装置８０の小型化も必要であり、映像表示素子８２の表示画素が小さくなるほど、一定範囲以上の輝度が保たれる角度範囲が狭くなりやすい、すなわち、配光角が狭くなりやすく映像光の輝度を確保しにくくなる。

これに対して、本実施形態では、映像表示素子８２を含む画像表示装置８０において、映像光の配光特性を、観察者の眼ＥＹが並ぶ横方向に垂直な縦方向に相当する垂直方向（Ｙ方向）よりも、横方向に相当する水平方向（Ｘ方向）について配光角が大きい状態にして射出することで、映像光の水平方向に関する射出角度によって生じる輝度差を抑制している。ここでは、特に液晶表示デバイスである映像表示素子（映像素子）８２において、映像表示素子８２を構成する表示画素が、垂直方向よりも水平方向について広い開口形状部を有するものとすることで、映像光の配光特性を水平方向について配光角が大きい状態にしている。

以下、図３（Ａ）等を参照して、画像表示装置８０のうち映像表示素子８２等の構成について説明する。図３（Ａ）は、画像表示装置８０を構成する照明装置８１及び映像表示素子８２の構造について説明するための断面図である。なお、図３（Ｂ）は、映像表示素子８２における１つの表示画素ＥＥの形状を示す正面図である。

既述のように、画像表示装置８０は、照明光ＳＬを射出する照明装置８１と、映像表示素子８２とを有し、照明装置８１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源８１ａと、光源８１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部８１ｂとを有する。

映像表示素子８２は、液晶層７１と、液晶層７１を挟んで入射側にＴＦＴ（薄膜トランジスター）層７２と、射出側に電極層７３とを備え、さらに、電極層７３の射出側にカラーフィルター層７４を備える。なお、図示を省略するが、映像表示素子８２は、ＴＦＴ層７２のさらに入射側に配置される第１基板と、カラーフィルター層７４のさらに射出側に配置される射出側に第２基板とを備える。また、必要に応じて偏光板が形成されている。

映像表示素子８２において、ＴＦＴ層７２には、マトリクス状に配置された複数の透明画素電極７５と、各透明画素電極７５に電気的に接続されている薄膜トランジスター（不図示）と、配光膜７６とが形成されている。また、ＴＦＴ層７２には、複数の透明画素電極７５を区画するとともに薄膜トランジスターに向かう不要光を予め遮光するためのブラックマトリクスＢＭが設けられている。一方、電極層７３には、透明画素電極７７（共通電極）と、配光膜７８とが形成されている。つまり、映像表示素子８２のうち、液晶層７１とこれを挟むＴＦＴ層７２と電極層７３とは、光能動素子として入射光の偏光状態を入力信号に応じて変調するための液晶表示デバイスとして機能する部分である。

また、カラーフィルター層７４には、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色用のカラーフィルター部ＲＦ，ＧＦ，ＢＦが設けられている。カラーフィルター部ＲＦ，ＧＦ，ＢＦは、シェード層７９によって区切られている。なお、図３（Ａ）では、１組のカラーフィルター部ＲＦ，ＧＦ，ＢＦのみが示されているが、このようなカラーフィルター部ＲＦ，ＧＦ，ＢＦが図３（Ｂ）に示す表示画素ＥＥを形成し、これを１つの単位としてマトリクス状に多数配置されている。つまり、映像表示素子８２は、カラーフィルター方式である。より具体的には、図３（Ａ）に示すように、シェード層７９によって区切られたカラーフィルター部ＲＦ，ＧＦ，ＢＦは、図３（Ｂ）に示すように、３つの横長の開口形状部ＯＰを有する各色のサブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰとなっており、サブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰによって１つの正方形状のピクセルすなわち表示画素ＥＥが構成されるものとなっている。シェード層７９は、各サブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰ間にサブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰの混色を回避している。

以上において、カラーフィルター層７４にシェード層７９が設けられていることで、照明光ＳＬが各カラーフィルター部ＲＦ，ＧＦ，ＢＦを通過するに際して、意図しない部分に入射しないものとなっている。しかし、シェード層７９は、各カラーフィルター部ＲＦ，ＧＦ，ＢＦにおいて取り込める光の範囲を制限するものともなっている。例えば、図示において照明光ＳＬのうち緑色光として取り込まれる成分（サブピクセルＧＰを通過できる成分）は、矢印で示す範囲となる。サブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰを小さくした小型のものにする場合であっても、シェード層７９を混色防止として機能させるためには、最低限度の幅を確保する必要がある。すなわち、映像表示素子８２を小さくするほど、カラーフィルター層７４におけるシェード層７９の相対的な割合が多くなってしまう。つまり、映像表示素子８２は、小型になるほど配光角が狭くなりやすいことになる。

これに対して、本実施形態では、配光角が水平方向について広くなる状態を確保するように横長の開口形状部ＯＰを有するサブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰを配置している。具体的に説明すると、まず、図３（Ｂ）に示すサブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰの配置において、ｙ方向（第１方向）は、図２（Ａ）のＹ方向に対応する方向すなわち観察者の眼ＥＹが並ぶ方向に垂直な縦方向に対応する方向であり、図中ｘ方向（第２方向）は、図２（Ａ）のＸ方向に対応する方向すなわち観察者の眼ＥＹが並ぶ方向に平行なＸ方向に対応する方向である。図示のように、３つのサブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰは、垂直方向に対応する縦方向である第１方向（ｙ方向）よりも水平方向に対応する横方向である第２方向（ｘ方向）について大きい同一の開口形状部ＯＰを有するものとなっている。さらに、３つの横長のサブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰは、縦方向である第１方向（ｙ方向）に並ぶように配列され、ボーダー型となって正方形状のピクセルである表示画素ＥＥを構成している。

各サブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰについてのより具体的な寸法の一例としては、縦方向（ｙ方向）の幅Ｗｙが１．７μｍ、横方向（ｘ方向）の幅Ｗｘが７．０μｍとなっている。また、１つの画素すなわち１つの表示画素ＥＥは、一辺の長さＬが９．６μｍの正方画素となっている。この場合、縦方向（垂直方向）については、各サブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰの開口幅が小さく配光角が狭くなるのに対して、横方向（水平方向）については、各サブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰの開口幅が大きく確保でき、配光角を広くすることができる。

以上のように、本実施形態では、表示画素ＥＥを構成するサブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰが、観察者の眼が並ぶ方向に垂直な縦方向に相当する垂直方向に対応する第１方向よりも観察者の眼が並ぶ方向に平行な横方向に相当する水平方向に対応する第２方向について広い開口形状部を有することで、水平方向についての配光角が広い状態となるようにし、映像光の水平方向に関する射出角度によって輝度差が生じることを抑制できる。すなわち、映像光の輝度が調整された良好な画像の観察が可能となり、観察者に与える疲労を低減させることができる。この場合、特に両眼視を可能にする一対構成の虚像表示装置１００において、左右での輝度差を抑えることが可能となるので、右眼側と左眼側とでの輝度差によって、観察者が違和感を生じたり、疲労を感じやすくなったりすることを回避できる。また、上記では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つのサブピクセルＲＰ，ＧＰ，ＢＰで１つのピクセルを構成しているが、例えばこれら３つに加え、さらにＷ（白）或いはＹ（黄）を追加した４つ以上のサブピクセルで１つのピクセルを構成してもよい。

なお、照明装置８１において、バックライトを構成するバックライト導光部８１ｂにおいて光の拡散方向を調整することにより、配光特性を第１方向（縦方向）よりも第２方向（横方向）について配光角が大きい状態にすることも可能である。例えば、バックライトの部分に異方性を持たせた拡散フィルムや、第１方向と第２方向とに対応する方向について互いに異なる特性を持たせた２枚のプリズムシートを用いることで、所望の配光角をもたせることができる。

図４は、本実施形態の一変形例の画像表示装置８０の構成について説明するための断面図である。具体的には、本変形例では、画像表示装置８０の照明装置８１において、液晶表示デバイスである映像表示素子８２に照射するためのバックライトを構成するである光源及びバックライト導光部８１ｂに加え、照明光の配光特性を第１方向（縦方向）よりも第２方向（横方向）について配光角が大きい状態にする制御を行う配光制御部８１ｃを有している。配光制御部８１ｃは、バックライト導光部８１ｂと映像表示素子８２との間に配置されている。配光制御部８１ｃは、バックライト導光部８１ｂから射出された照明光ＳＬの配光特性を第１方向（縦方向）よりも第２方向（横方向）について配光角が大きい状態にする。配光制御部８１ｃは、例えばレンズ、異方性拡散シート、ホログラフィックディフューザーのいずれかで構成することで、所望の広がりを有する配光特性となるように照明光ＳＬを制御できる。

図５は、本実施形態の別の一変形例の画像表示装置８０の構成について説明する図である。具体的には、図５（Ａ）に示すように、本変形例において、映像表示素子８２は、光射出側にレンズアレイＭＬを有している。具体的には、レンズアレイＭＬは、複数のレンズ要素ＭＬａで構成され、これらのレンズ要素ＭＬａを、各色のカラーフィルター部ＲＦ，ＧＦ，ＢＦの配列にそれぞれ対応させている。つまり、１つのカラーフィルター部（サブピクセル）に１つのレンズ要素ＭＬａが対応するものとなっている。また、図５（Ｂ）及び５（Ｃ）に示すように、レンズアレイＭＬを構成する各レンズ要素ＭＬａは、垂直方向に対応する第１方向（ｙ方向）と水平方向に対応する第２方向（ｘ方向）とで異なる曲率を有するものとなっている。この場合、レンズ要素ＭＬａから射出される光が水平方向に対応する第２方向（ｘ方向）について映像光ＧＬが所望の角度に広がるように曲率が調整されていることで、水平方向についての輝度を確保することができる。

なお、本実施形態では、一対の表示装置１００Ａ，１００Ｂを備える虚像表示装置１００について説明しているが、単一の表示装置とできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設けるのではなく、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設け、画像を片眼視する構成にしてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であるため、全体及び各部の説明を省略する。

図６のグラフは、本実施形態に係る虚像表示装置の映像表示素子から射出される映像光の配光特性の一例を示すグラフである。より具体的に説明すると、本実施形態に係る虚像表示装置は、右眼用の映像表示素子（映像素子）と左眼用の映像表示素子（映像素子）とを有する一対構成となっており、図６（Ａ）は、右眼側での配光特性の一例を示し、図６（Ｂ）は、左眼側での配光特性の一例を示している。図６（Ａ）及び６（Ｂ）に示すグラフにおいて、横軸は、観察者の眼が並ぶ方向に平行な横方向に相当する水平方向についての映像光の射出角度である。すなわち、横軸は、映像表示素子の法線に対する角度を示している。一方、縦軸は、映像光の輝度（光線輝度）である。グラフから分かるように、本実施形態の映像表示素子では、配光特性が映像表示素子の法線の方向に対してやや傾斜しておりピークが中心から若干外れたものとなっている。また、映像光の輝度は、ピーク位置に対して角度が大きくなるほど下がっている。図６で例示した場合のように、ピークの位置が映像表示素子の法線の方向から外れた方向にあり、また、配光特性のピークから外れるにしたがって輝度が比較的急激に低下するような配光特性の場合、右眼側と左眼側とで、輝度差が著しく異なってしまいやすく、輝度差が大きいと、観察者が違和感を生じたり、疲労を感じやすくなったりすることになる。これに対して、本実施形態では、配光特性に起因する右側と左側とでの輝度差を抑制するものとなっている。このため、詳しくは後述するが、映像表示素子の法線の方向に対する傾斜の度合について、図６（Ａ）及び６（Ｂ）において角度αで示すように、右眼側と左眼側とで傾斜の仕方が正負反転した左右対称な配光特性を有する状態となっている。

図７は、虚像表示装置１００の光学系について簡略化して模式的に示す展開図である。ここでは、右眼側の光学系を光学系１００Ｒとし、左眼側の光学系を光学系１００Ｌとする。各光学系１００Ｒ，１００Ｌは、仮想的な凸レンズＲＬ，ＬＬによって表されるものとし、図２（Ａ）に示した各光軸ＡＸＩ，ＡＸＯ等が、光軸ＡＸによって示されているものとする。また、図示のように、虚像表示装置１００は、左右一対の画像表示装置８０Ｒ，８０Ｌを有し、右眼用の画像表示装置８０Ｒ及び左眼用の画像表示装置８０Ｌをそれぞれ構成する右眼用の映像表示素子８２Ｒ及び左眼用の映像表示素子８２Ｌからの映像光を右眼Ｒ，左眼Ｌにそれぞれ到達させることにより、画像を視認させる。また、図示において、観察者の眼ＥＹである右眼Ｒと左眼Ｌとの距離である眼幅をＨとする。なお、図示では、説明を分かりやすくするため、右眼Ｒ（ＥＹ）及び左眼Ｌ（ＥＹ）を光路外の位置に描いているが、虚像表示装置１００の装着時には、右眼Ｒ及び左眼Ｌは、瞳位置ＰＰＲ，ＰＰＬ或いはその付近にそれぞれ配置されるものとなる。

ここで、瞳位置ＰＰＲ，ＰＰＬにおいて、人間の個々の眼幅Ｈに対応するために虚像の取り込みを可能にする採光径をアイリング径Ｄｅとする。つまり、アイリング径Ｄｅ内に左右の眼Ｒ，Ｌがそれぞれあれば、映像を両眼で視聴することが可能となる。このアイリング径Ｄｅを十分大きく取ることで、個人差がある眼幅Ｈに対して装置側での調整を行うことなく虚像表示装置１００による虚像の観察が可能となる。また、各光学系１００Ｒ，１００Ｌにおいて、レンズ主点ＬＰから映像表示素子８２Ｒ，８２Ｌの光射出位置ＤＰＲ，ＤＰＬまでの距離である焦点距離をｆとする。また、光学系１００Ｒ，１００Ｌのレンズ主点ＬＰから瞳位置ＰＰＲ，ＰＰＬまでの距離をＤｉとする。詳しくは後述するが、ここでは、焦点距離ｆと距離Ｄｉとが等しい又は略等しいものとする。つまり、光学系１００Ｒ，１００Ｌは、テレセントリックな光学系となっているものとする。

以下、虚像表示装置１００の光路について説明する。なお、左右の光学系についての対称性から、右眼側の光学系１００Ｒの光路について説明し、左眼側の光学系１００Ｌの光路については詳細な説明を省略する。

まず、右眼用の映像表示素子８２Ｒの光射出位置ＤＰＲから射出される映像光の成分のうち、中心側すなわち光軸ＡＸ上の位置ＣＥから射出されるもの（図中実線）を光束Ｃ１とし、周辺側すなわち光軸ＡＸから離れた位置ＰＥから射出されるもの（図中破線）を光束Ｃ２とする。各光束Ｃ１，Ｃ２は、ある程度の広がりをもちつつ凸レンズＲＬを経て、瞳位置ＰＰＲにおいて重畳するようにして眼Ｒに到達する。アイリング径Ｄｅは、瞳位置ＰＰＲにおいて各光束が重畳する範囲によって定まる。

ここで、瞳位置ＰＰＲにおいて、眼Ｒが標準的な位置、すなわちアイリング径Ｄｅの中心である位置Ａにある場合、光学系１００Ｒがテレセントリックな光学系であることから、映像表示素子８２Ｒからのどの光束Ｃ１，Ｃ２についても映像表示素子８２Ｒの面に垂直な方向であるパネル法線の方向ｎ（図の場合、−Ｚ方向）に射出された成分が到達することになる。しかしながら、人間の眼幅Ｈには、固体差があるため、眼Ｒがいつも位置Ａにあるとは限らない。例えば瞳位置ＰＰＲにおいて、眼Ｒが虚像を確認可能な限界位置すなわちアイリング径Ｄｅの端である位置Ｂにある場合、図示のように、パネル法線の方向ｎに対して角度θ_ｈｍａｘだけ角度をなした方向からの成分が眼Ｒに到達することになる。このとき、角度θ_ｈｍａｘは、光学系１００Ｒの焦点距離ｆとアイリング径Ｄｅとを用いて、次のように表せることになる。
θ_ｈｍａｘ＝ｔａｎ^−１（Ｄｅ／２ｆ）

しかしながら、図６（Ａ）に示したように、映像表示素子８２Ｒから射出される映像光に関しては、傾斜した配光特性があり、また、角度に応じて光線輝度が異なり、パネル法線の方向から角度がつくしたがって光線輝度が低下する。光線輝度の低下については、光路の説明を省略した左眼側でも同様のことが言える。この光線輝度の低下の度合等は、左右の輝度差に影響を及ぼし得る。既述のように、仮に左右の眼において映像輝度が異なってしまうものであると、映像視聴時に疲労が生じやすくなるといった問題点が生じる。

ここで、左右の眼の位置関係について考察する。一般に、人間の眼ＥＹ（Ｒ，Ｌ）は、鼻ＮＳを中心にして略左右対称に位置する。従って、図示のように、虚像表示装置が左右方向（横方向）すなわち水平方向に関して、鼻ＮＳを通る中心軸ＸＸに対して軸対称の構成である場合、眼幅Ｈのサイズによって、右眼Ｒが中心側の位置Ａにある場合には、左眼Ｌも略中心側の位置Ａにあると考えられ、右眼Ｒが周辺側の位置Ｂにある場合、左眼Ｌも略周辺側の位置Ｂにあると考えられる。例えば左眼Ｌが周辺側の位置Ｂにある場合、右眼側の場合と同様に、光束の入射する角度θ_ｈｍａｘは、光学系１００Ｒの焦点距離ｆとアイリング径Ｄｅとを用いて、次のように表せることになる。
θ_ｈｍａｘ＝ｔａｎ^−１（Ｄｅ／２ｆ）
ただし、図示から分かるように、左眼側での角度θ_ｈｍａｘは、右眼側の場合と向き（角度の正負）が反対になっている。従って、画像表示装置８０Ｒ，８０Ｌの配光特性によっては、右眼側と左眼側とで輝度が著しく異なってしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態では、図６（Ａ）及び６（Ｂ）に示すように、右眼Ｒと左眼Ｌとにおいて配光特性の傾斜が左右反対で中心対称（図７の中心軸ＸＸに対して軸対称）となるように映像表示素子８２Ｒ，８２Ｌを配置する（すなわち画像表示装置８０Ｒ，８０Ｌを配置する）ことによって左右での輝度差の発生を抑制している。

図８は、虚像表示装置１００の光学系と配光特性との関係を示す図である。具体的には、一部拡大図に示すように、右眼側の光学系１００Ｒにおける画像表示装置８０Ｒ（映像表示素子８２Ｒ）の配光特性を示す曲線ＤＤＲは、パネルの法線の方向ｎに対してやや外側（−Ｘ側）に傾斜した方向にピークＰＫを有するようにピーク軸ＰＸＲが傾いた配向分布を有するものとしている。これに対して、左眼側の光学系１００Ｌにおける画像表示装置８０Ｌ（映像表示素子８２Ｌ）の配光特性を示す曲線ＤＤＬは、パネルの法線の方向ｎに対して右眼側の場合とは逆側（＋Ｘ側）に傾斜した方向にピークＰＫを有するようにピーク軸ＰＸＬが傾いた配向分布を有するものとなっている。この結果、図６（Ａ）及び６（Ｂ）に示すような角度αだけ傾斜した方向にピークすなわち光線輝度の最大値を有し、かつ、左右一対の構成として、中心軸ＸＸについて軸対称な方向にピークを持つような配光特性となっている。この場合、眼幅Ｈによって、つまり眼Ｒ，Ｌがアイリング径Ｄｅのどの位置にあるかによって、左右での各輝度低下は生じるものの、左右での低下の度合が揃うことで、右眼側と左眼側とで輝度差がほとんど生じないものとなっている。

これに対して、例えば図９に示す比較例のように、右眼側と左眼側とで同じ方向に傾斜したピークＰＫを有する構造の場合、中心側の位置Ａに眼Ｒ，Ｌがある場合、どちらの眼Ｒ，ＬもピークＰＫに対して略同じだけ（角度α分だけ）外れた角度からの成分が入射することになり、輝度に大きな差は生じないと考えられるが、例えば周辺側の位置Ｂに眼Ｒ，Ｌがそれぞれある場合、右眼Ｒには、一部拡大図において破線ＣＲで示す略ピークＰＫに近い角度で射出された成分が入射することになるのに対して、左眼Ｌには、一部拡大図において破線ＣＬで示すピークＰＫから角度θ_ｈｍａｘの２倍近く傾斜した角度で射出された成分が入射することになる。従って、眼Ｒ側では輝度が高い状態となるが、眼Ｌ側では輝度が低い状態となってしまう。すなわち、右眼Ｒ側には明るい映像が映るのに対して、左眼Ｌ側には暗い映像が映ることになってしまう。これに対して、本実施形態では、上述のように、右眼側と左眼側とにおいて中心対称（中心軸ＸＸに対して軸対称）になるような配光特性の映像光を射出させるように映像表示素子８２Ｒ，８２Ｌを配置することによって、輝度差を抑えた良好な画像を提供可能にしている。また、本実施形態では、アイリング径を十分大きくとることで、人によって異なる眼幅に対して、個別に調整を行う必要がなく、装置の使用に際して、装着の動作の煩わしさを軽減している。別の考え方として、異なる眼幅に対応させるべく、左右それぞれ眼の位置を調整することで、アイリング径が小さくてもよくするという方法もとり得る。しかしながら左右方向に眼幅を調整できる機構を設けると、重量増、サイズ増といった問題が生じ得る。殊に、使用者ごとに眼幅調整が必要となるのは、使用上大変わずらわしい。本実施形態では、眼幅調整が不要となっていることで、小型化やデザイン性の高さが求められる虚像表示装置において、極力調整機構を設けずに、万人に対応できるものとなっている。

以下、図１０を参照して、光学系１００Ｒ，１００Ｌのテレセントリック性について説明する。図１０（Ａ）は、テレセントリックな光学系の一例であり、図１０（Ｂ）は、テレセントリックな状態から若干外れた光学系の一例である。

図１０（Ａ）は、これまで図７等に示している焦点距離ｆと距離Ｄｉとが等しい又は略等しいテレセントリック或いはこれに近い光学系において画像投射がなされる例を示している。この場合、既述のように、例えば眼ＥＹが位置Ａにあれば、パネル法線の方向に対して平行な成分を観察することになる。つまり、映像表示素子８２からのどの光束Ｃ１，Ｃ２についても映像表示素子８２の面に対して垂直な方向に出射した成分が到達することになる。また、眼ＥＹが位置Ａ以外の位置（例えば位置Ｂ）にある場合であっても、どの光束Ｃ１，Ｃ２についてもパネル法線の方向ｎに対して同じ角度だけ傾斜した角度で射出された成分が到達することになる。従って、例えば図８のように対称性のある配光特性とすることで、左右での輝度差を低減することができる。

これに対して、図１０（Ｂ）に示す他の一例では、焦点距離ｆと距離Ｄｉとが多少異なっており、テレセントリックな状態から若干外れたものとなっている。ここでは、ｆ＞Ｄｉとなっている例を示している。この場合、図示のように、眼ＥＹがたとえ標準的な位置Ａにある場合であっても、全ての光束について映像表示素子８２の面に対して垂直な方向から射出される成分が観察されるとは限らない。具体的には、図示のように、映像表示素子８２の中心側の位置ＣＥから射出された成分については、パネル法線の方向ｎに対して平行な成分が入射するものとなるが、映像表示素子８２の周辺側の位置ＰＥから射出された成分については、パネル法線の方向ｎに対してやや角度がついて射出された成分が入射することになる。これは、焦点距離ｆと距離Ｄｉとに差があることに起因する角度であり、ここでは、この角度をテレセントリック角度φと呼ぶものとする。また、テレセントリック角度φのうち、最大の角度を最大テレセントリック角度φ_ｍａｘと呼ぶものとする。最大テレセントリック角度φ_ｍａｘが大きい場合、すなわち焦点距離ｆと距離Ｄｉとが大きく異なる非テレセントリックなものとなっている場合、映像表示素子８２からの射出位置の差（例えば位置ＣＥであるか位置ＰＥであるかの差）によって映像光の射出角度が変化することになり、画像の中心側と周辺側とで輝度ムラが発生し、これに伴って左眼側と右眼側とでの輝度ムラも発生することになる。

ここで、左右の眼の輝度差については、シースルーではないすなわち外界光を視認させないタイプの虚像表示装置についてであるが、眼精疲労を引き起こす可能性の観点から光線輝度を最大値の９０％以上に保つことすなわち輝度差を１０％以内にすることが望ましいとされている。ただし、７０％以上の輝度が確保される、すなわち３０％以内の輝度差であれば、視聴した際にほとんど認識できないレベルの差異であることが確認されている。そのため、眼をアイレリーフやアイリング径の範囲内でどんなに動かしたとしても、輝度変動レベルが３０％以下となっていれば、良好な画像表示が可能であると考えられる。

従って、図１０（Ｂ）のようにテレセントリックな状態から若干外れている場合であっても最大テレセントリック角度φ_ｍａｘによる影響を含めて、輝度差が３０％以下であるようにすることで、良好な画像表示を維持できると考えられる。

以下、上記を満たす条件について数式で表現することを考える。まず、パネル法線の方向ｎと水平方向に関する映像光の射出方向とのなす角の角度をθ_ｈとする。また、角度θ_ｈで射出される光線輝度Ｉθ_ｈについて、図１１のグラフに示すように、アイリング径Ｄｅの範囲における光線輝度の最大値をＩ_ｍａｘθ_ｈとし、最小値をＩ_ｍｉｎθ_ｈとする。角度θ_ｈは、眼ＥＹの位置によって定まり、テレセントリックな状態（φ_ｍａｘ＝０°）であれば、標準的なアイリング径Ｄｅの中心位置である位置Ａにある場合にはθ_ｈ＝０°であり、中心位置である位置Ｂにある場合にはθ_ｈ＝θ_ｈｍａｘ（図７等参照）ということになる。以上の角度θ_ｈ及び光線輝度Ｉθ_ｈに関して、最大テレセントリック角度φ_ｍａｘとの関係が、

のとき、

を満たしていれば、上記の条件が満たされることになる。すなわち、上式（１）は、映像光の射出される角度θ_ｈがとり得る角度範囲を最大テレセントリック角度φ_ｍａｘまで含めたものを示しており、この角度θ_ｈの範囲において、上式（２）が満たされていれば、各映像表示素子や一対構成である左右での映像表示素子における輝度の最大差が３０％以内に抑えられていることになる。なお、上式は、最大テレセントリック角度φ_ｍａｘの値がゼロとすれば、光学系において焦点距離ｆと距離Ｄｉとが等しく、テレセントリックな場合での条件式となる。

以上のように、本実施形態では、テレセントリック或いはこれに近い状態で画像投射がなされるので、映像素子からの射出位置によって映像光の射出角度が変化することに伴う輝度低下の発生を回避し得るものとなっている。特に、本実施形態では、一対構成となっている左右の映像素子において、水平方向について配光特性を対称にしている。以上により、両眼視可能な場合における左右での輝度差を抑制できる。

なお、本実施形態において、第１実施形態に示す画像表示装置８０を採用することで、配光特性を水平方向について配光角がより広い状態とすることで、水平方向についての輝度確保をさらに向上させることができる。

〔その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記では、シースルータイプの虚像表示装置について説明しているが、本発明は、シースルーではない、すなわち外界光を視認させないタイプの虚像表示装置においても適用可能である。なお、既述のように、輝度を最大値の９０％以上に保つすなわち輝度差を１０％以内にすることが望ましいとされているところ、例えば第２実施形態の場合、上式（２）において、右辺の値が０．１となることが望ましい。

上記の説明では、ハーフミラー層（半透過反射膜）１５が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層１５の輪郭は用途その他の使用に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層１５の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。

上記の説明では、映像表示素子８２における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。

上記の説明では、画像表示装置８０として、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２を用いているが、画像表示装置８０としては、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置８０として、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子を用いることもできる。自発光型素子を用いる場合、例えば、第１実施形態の場合において、各発光素子を横長の形状とし、ボーダー型の配列で画素を構成することで、図４に示すような構成が可能となる。

上記実施形態では、透過型の液晶表示デバイス等からなる画像表示装置８０を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。

上記の説明では、ハーフミラー層１５が単なる半透過性の膜（例えば金属反射膜や誘電体多層膜）であるとしたが、ハーフミラー層１５は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。

上記の説明では、虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。

上記の説明では、導光部材１０の第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３において、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明の虚像表示装置１００における全反射については、第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、上記第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部がコートされていてもよい。

上記の説明では、導光部材１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材１０を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、光学部材１１０は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。

ＡＸ１−ＡＸ４…光軸、 ＡＸＩ…入射側光軸、 ＡＸＯ…射出側光軸、 ＥＹ，Ｒ，Ｌ…眼、 ＧＬ…映像光、 ＨＬ…外界光、 ＩＩ…中間像の像面、 ＰＡ…部分領域、 Ｓ１１−Ｓ１６…第１−第６面、 Ｓ５１−Ｓ５３…第１−第３透過面、 ＳＬ…照明光、 ＳＲ…基準面、 １０…導光部材、 １０ｓ…本体部分、 １１，１２…プリズム部分、 １５…ハーフミラー層、 ３０…投射レンズ、 ３１，３２，３３…レンズ、 ５０…光透過部材、 ７０…投射透視装置、 ８０，８０Ｒ，８０Ｌ…画像表示装置、 ８１…照明装置、 ８２，８２Ｒ，８２Ｌ…映像表示素子（映像素子）、 ８１ａ…光源、 ８１ｂ…バックライト導光部、 ７１…液晶層、 ７２…ＴＦＴ層、 ７３…電極層、 ７４…カラーフィルター層、 ７５，７７…透明画素電極、 ７６，７８…配光膜、 ７９…シェード層、 ＲＦ，ＧＦ，ＢＦ…カラーフィルター部、 ＲＰ，ＧＰ，ＢＰ…サブピクセル、 ＯＰ…開口形状部、 ８４…駆動制御部、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １０３ａ，１０３ｂ…光学部分、 １０１…透視部材、 １０２…フレーム、 １５…ミラー面、 ＣＣ…接着剤、 １００Ｒ，１００Ｌ…光学系、 ＲＬ，ＬＬ…凸レンズ、 ＡＸ…光軸、 ＰＰＲ，ＰＰＬ…瞳位置、 Ｈ…眼幅、 Ｄｅ…アイリング径、 ＬＰ…レンズ主点、 ＤＰＲ，ＤＰＬ…光射出位置、 ｆ…焦点距離、 Ｄｉ…距離

Claims (18)

1. 映像光を生じさせる映像素子と、
   前記映像素子からの映像光を導光させる導光部材とを備え、
   前記映像素子は、映像光の配光特性を、観察者の眼が並ぶ横方向に垂直な縦方向に相当する垂直方向よりも前記横方向に相当する水平方向について配光角が大きい状態にして射出する、虚像表示装置。
2. 前記映像素子における画素の形状は、前記垂直方向に対応する第１方向よりも前記水平方向に対応する第２方向について大きい、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記映像素子は、照明光を空間的に変調して映像光を形成する液晶表示デバイスであり、
   前記液晶表示デバイスを構成する表示画素は、前記第１方向よりも前記第２方向について広い開口形状部を有している、請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記液晶表示デバイスにおいて、前記表示画素は、カラーフィルター方式であり、少なくともＲＧＢの３つのサブピクセルを含んで１つのピクセルを構成し、当該３つのサブピクセルが前記第１方向よりも前記第２方向について広い開口形状部をそれぞれ有するとともに前記第１方向に配列されている、請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記第１方向よりも前記第２方向について配光角が大きい配光特性を有する照明光を発生させ、当該照明光を前記液晶表示デバイスに照射するバックライトを含む照明装置をさらに備える、請求項３及び４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 照明光を前記液晶表示デバイスに照射するためのバックライトと、前記バックライトと前記液晶表示デバイスとの間に配置され、前記バックライトから射出された照明光の配光特性を前記第１方向よりも前記第２方向について配光角が大きい状態にする制御を行う配光制御部とを含む照明装置をさらに備える、請求項３及び４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記配光制御部は、レンズ、異方性拡散シート、ホログラフィックディフューザーのいずれかである、請求項６に記載の虚像表示装置。
8. 前記映像素子は、光射出側にレンズアレイを有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記映像素子において、前記レンズアレイは、前記垂直方向に対応する第１方向と前記水平方向に対応する第２方向とで異なる曲率を有する、請求項８に記載の虚像表示装置。
10. 前記映像素子は、前記水平方向について並列された一対構成であり、両眼視を可能とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 映像光を生じさせる映像素子と、
    前記映像素子からの映像光を導光させる導光部材とを備え、
    前記映像素子は、観察者の眼が並ぶ横方向に相当する水平方向について並列された一対構成であり、両眼視の可能な虚像表示装置であって、
    前記映像素子と前記導光部材とを含んで構成される光学系の焦点距離をｆとし、光学系のレンズ主点から瞳位置までの距離をＤｉとしたときに、前記焦点距離ｆと前記距離Ｄｉとが等しい又は略等しい、虚像表示装置。
12. 前記映像素子と前記導光部材とを含んで構成される光学系において、パネル法線と前記水平方向について映像光が射出される角度の範囲内において、映像光の光線輝度の最大差を所定範囲以内とする、請求項１１に記載の虚像表示装置。
13. 前記映像素子と前記導光部材とを含んで構成される光学系において、アイリング径をＤｅとし、パネル法線と前記水平方向についての映像光の射出方向とのなす角の角度をθ_ｈとし、角度θ_ｈで射出される光線輝度Ｉθ_ｈについて、アイリング径の範囲における光線輝度の最大値をＩ_ｍａｘθ_ｈとし、最小値をＩ_ｍｉｎθ_ｈとし、さらに、前記焦点距離ｆと前記距離Ｄｉとの差に応じて定まる非テレセントリック性を示す最大テレセントリック角度をφ_ｍａｘとしたとき、
    

    

    のとき、
    

    

    を満たす、請求項１１及び１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
14. 前記映像素子と前記導光部材とを含んで構成される光学系において、前記焦点距離ｆと前記距離Ｄｉとが等しく、前記最大テレセントリック角度φ_ｍａｘの値がゼロである、請求項１３に記載の虚像表示装置。
15. 一対構成として前記水平方向について並列される右眼用の前記映像素子と左眼用の前記映像素子とにおいて、前記水平方向について対称な配光特性を有する映像光を射出する、請求項１１から１４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
16. 一対構成として前記水平方向について並列される右眼用の前記映像素子と左眼用の前記映像素子とは、前記水平方向について中心対称に配列されている、請求項１１から１５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
17. 前記導光部材は、映像光を導光させるとともに、外界光を通過させ、映像光と外界光とを視認させるプリズム型の部材である、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
18. 前記導光部材は、映像光を導く光学系の一部として内部に中間像を形成させる、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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