JP5970684B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。このような虚像表示装置用の導光板として、全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から外部に取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１、２参照）。

上記のような虚像表示装置において、例えば表示素子の縦断面の上下端部からの光束は、画角に対応する大きな傾斜角で観察者の瞳に入射させる必要があり、表示素子からも比較的大きな傾斜角で射出させることになる。なお、表示素子の中心からの光束は、正面から傾斜させることなく観察者の瞳に入射させるので、表示素子からも正面方向に射出させることになる。以上において、表示素子が例えば照明装置と液晶パネルとを組み合わせたものである場合、照明装置の配光分布は一般に液晶パネルに垂直な方向を強度ピークとして画面内で略一様であるから、照明光の傾斜が少ない画像の中心部分では輝度が高くても、照明光の傾斜が大きくなる画像の上下端部では輝度が低下し、画像の輝度斑の原因となる。この場合、画面の上下端部で照明光が有効に活用されていないことになり、照明光の利用効率が低下しているともいえる。

一方、表示素子の横断面からの光束については、その横位置に応じて、導光板に取り込まれ表示に利用される角度方向が表示素子の正面方向から大きく傾いたものとなる。このため、照明光の傾斜が少ない特定の横位置では輝度が高くても、照明光の傾斜が大きくなる別の横位置では輝度が低下するといった現象が生じ得る。この場合、照明光が効率的に利用されず、縦方向に延びる帯状の輝度斑が発生する。

特表２００３−５３６１０２号公報 特開２００４−１５７５２０号公報

そこで、本発明は、輝度斑の発生を抑え照明光の利用効率を高めた虚像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る虚像表示装置は、画像光を形成する画像表示装置と、画像表示装置から射出された画像光による虚像を形成する投射光学系と、投射光学系を通過した画像光を内部に取り込む光入射部と、光入射部から取り込まれた画像光を対向して平行に延びる第１及び第２反射面での全反射により導く導光部と、導光部を経た画像光を外部に取出す光射出部と、を有する導光装置と、画像表示装置から射出される画像光の指向性を変化させて、第１反射面と平行で導光部の主導光方向に垂直な第１方向と、第１反射面と平行で第１方向に垂直な第２方向とに関して、画像表示装置の表示領域の位置に応じて画像光の主指向性方向を異なる角度に屈曲させた非一様な分布を形成する光学指向性変更部とを備える。ここで、画像光の指向性とは、画像表示装置から射出される画像光の輝度中心が特定の方向（具体的には特定の傾斜角及び方位角）に偏っていることを意味する。

上記虚像表示装置では、光学指向性変更部が画像表示装置から射出される画像光の指向性に関して非一様な分布を形成するので、画像表示装置の位置によって画像表示装置から射出され観察者の眼に有効に取り込まれる光束の角度が大きく異なっている場合であっても、このような光束取込みの角度特性に対応するような指向性を有する画像光を形成することができ、輝度斑の発生を抑えて照明光の利用効率を高めることができる。また、第１方向の位置に応じた照明光や画像光の屈曲によってその角度特性を調整することができ、光束取込みの角度特性が第１方向の断面において局所的に傾きが大きくなるようなものであっても、輝度斑を抑えて光利用効率を高めることができる。また、第２方向の位置に応じた照明光や画像光の屈曲によってその角度特性を調整することができ、光束取込みの角度特性が第２方向の断面において局所的に傾きが大きくなるようなものであっても、輝度斑を抑えて光利用効率を高めることができる。なお、上記のような光束取込みの角度特性は、投射光学系や導光装置の仕様等に依存して生じるものであり、例えば画像表示装置の表示領域の中心側よりも周辺側で傾斜が大きくなったり、表示領域の周辺側よりも中心側で大きくなったりする傾向がある。

本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、光学指向性変更部が、第１方向に関して、画像表示装置の位置に応じて異なる角度に光を屈曲させる。この場合、第１方向の位置に応じた照明光や画像光の屈曲によってその角度特性を調整することができ、光束取込みの角度特性が第１方向の断面において局所的に傾きが大きくなるようなものであっても、輝度斑を抑えて光利用効率を高めることができる。

本発明の別の側面では、光学指向性変更部が、第１方向に垂直な第２方向に関して、画像表示装置の位置に応じて異なる角度に光を屈曲させる。この場合、第２方向の位置に応じた照明光や画像光の屈曲によってその角度特性を調整することができ、光束取込みの角度特性が第２方向の断面において局所的に傾きが大きくなるようなものであっても、輝度斑を抑えて光利用効率を高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、光学指向性変更部が、第１方向と第２方向とに関して指向性の角度分布である配光特性が異なる。導光部の構造等に起因して第１方向と第２方向と（例えば縦方向及び横方向）で光束取込みの角度特性が異なる場合があり、このような場合にも、画面全体で輝度斑の発生を抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、画像表示装置が、照明装置と、照明装置からの光を制御して画像光を形成する画像光形成部とを備える。

本発明のさらに別の側面では、照明装置が、発光部と、発光部からの光束を面光源状に広げるバックライト導光部とを有し、光学指向性変更部が、バックライト導光部と画像光形成部との間に配置される。この場合、バックライト導光部の光射出面から射出される照明光の配光特性が一様であっても、光学指向性変更部によって、画像光形成部に入射させる照明光の配光特性を所望の状態に調整することができ、画像表示装置から射出される画像光の指向性を上記光束取込みの角度特性に対応したものとすることができる。

本発明のさらに別の側面では、照明装置が、面光源状発光部を有し、光学指向性変更部が、面光源状発光部と画像光形成部との間に配置される。この場合、面光源状発光部から射出される照明光の配光特性が一様であっても、光学指向性変更部によって、画像光形成部に入射させる照明光の配光特性を所望の状態に調整することができ、画像表示装置から射出される画像光の指向性を上記光束取込みの角度特性に対応したものとすることができる。

本発明のさらに別の側面では、光学指向性変更部が、プリズムアレイシート、フレネルレンズ、回折光学素子、及びマイクロレンズアレイの少なくとも１つである。

本発明のさらに別の側面では、光学指向性変更部が、バックライト導光部又は面光源状発光部に貼り付けられてバックライト導光部と一体化されている。この場合、光学指向性変更部の画像表示装置内への組み付けが容易となる。

本発明のさらに別の側面では、光学指向性変更部が、バックライト導光部又は面光源状発光部からの照明光を、最も輝度が高い主指向性方向が互いに異なる状態となるように通過させる複数の領域部分を有する。この場合、照明光の配光特性を複数の領域部分ごとに適切な状態とすることができる。

本発明のさらに別の側面では、光学指向性変更部が、複数の領域部分に対応して形状が異なるプリズムアレイを有する。この場合、各領域部分でプリズムアレイを構成するプリズム要素の楔角を調整することで照明光の配光特性を目的のものに調整することができる。

本発明のさらに別の側面では、第１方向が、導光装置の第１及び第２反射面に垂直な折り返し方向に対応し、第２方向が、導光装置の第１及び第２反射面に平行で第１方向に垂直な非折り返し方向に対応し、第１方向と第２方向との少なくとも一方において、輝度が極大となるピーク方向が複数設定されている。

本発明のさらに別の側面では、第２方向において、輝度が極大となるピーク方向が複数設定されている。導光装置の非折り返し方向に対応する第２方向に関しては、画像表示装置の表示領域の中心側よりも周辺側で取り込まれる画像光の傾斜角がより大きくなるような一様な傾向ではなく、第２方向の各位置で取り込まれる画像光の傾斜角が非一様に変化するものとなる。したがって、第２方向に関して画像光の指向性を調整することで、輝度斑を低減することができる。

本発明のさらに別の側面では、光学指向性変更部が、画像光形成部に内蔵又は外付けされている。

本発明のさらに別の側面では、画像光形成部が、ＥＬ表示素子であり、光学指向性変更部が、ＥＬ表示素子の画素部分の光射出側に例えば近接して配置されている。

本発明のさらに別の側面では、画像光形成部が、光透過型の液晶表示素子であり、光学指向性変更部が、液晶表示素子の画素部分の光入射側及び光射出側の少なくとも一方に例えば近接して配置されている。この場合、バックライト導光部の光射出面から射出される照明光の配光特性が一様であっても、光学指向性変更部によって、画像光形成部に入射させる照明光の方向や、画像光形成部から射出させる画像光の方向を調整することができる。つまり、画像表示装置から射出される画像光の指向性を上記光束取込みの角度特性に対応したものとすることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部が、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする第１反射面と第２反射面とを有し、光入射部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、光射出部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有する。この場合、光入射部の第３反射面で反射された画像光が導光部の第１及び第２反射面で全反射されつつ伝搬され、光射出部の第４反射面で反射されて虚像として観察者の眼に入射する。

本発明のさらに別の側面では、光射出部が、複数の反射面を有するとともに当該複数の反射面での反射により画像光の角度を変換して外部に取り出し可能にする角度変換部を有する。この場合、薄い導光部からの光束を分割して適切な方向に取り出すことができる。

本発明のさらに別の側面では、角度変換部が、第１の反射面と第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とをそれぞれ有するとともに所定の配列方向に配列される複数の反射ユニットを有し、各反射ユニットが、第１の反射面により導光部を経て入射する画像光を反射するとともに第２の反射面により第１の反射面で反射された画像光をさらに反射することにより、画像光の光路を折り曲げて外部へ取出し可能にする。この場合、導光部を伝搬する大きな反射角の画像光を角度変換部の奥側で取り出し、導光部を伝搬する小さな反射角の画像光を角度変換部の入口側で取り出すことができるので、角度変換部による輝度低下や輝度斑を確実に抑えた高品位の画像を表示することができる。

第１実施形態の虚像表示装置を示す斜視図である。 （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図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。 （Ａ）は、縦の第１方向に関する光路を展開した概念図であり、（Ｂ）は、横の第２方向に関する光路を展開した概念図である。 虚像表示装置の光学系における光路を具体的に説明する平面図である。 （Ａ）は、液晶表示デバイスの表示面を示し、（Ｂ）は、観察者に見える液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。 （Ａ）は、液晶表示デバイスから射出される画像光の縦方向に関する射出角度を説明する側面図であり、（Ｂ）は、縦方向に関する光束取込みの角度特性を概念的に説明するグラフである。 （Ａ）は、液晶表示デバイスから射出される画像光の横方向に関する射出角度を説明する側面図であり、（Ｂ）は、横方向に関する光束取込みの角度特性を概念的に説明するグラフである。 光束取込みの角度特性を２次元の分布として説明する概念図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、画像光の指向性を調整するための光学指向性変更部を説明する平面図、側面図、背面図、及び一部破断斜視図である。 （Ａ）は、光学指向性変更部の入口側における配光特性を示し、（Ｂ）は、光学指向性変更部の出口側における縦方向の配光特性を示し、（Ｃ）は、光学指向性変更部の出口側における横方向の配光特性を示す。 光学指向性変更部の構造及び機能を説明する拡大縦断面図である。 光学指向性変更部の構造及び機能を説明する拡大横断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施形態に係る虚像表示装置に組み込まれる液晶表示デバイス等を説明する縦断面及び横断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施形態の変形例を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第３実施形態に係る虚像表示装置に組み込まれる液晶表示デバイス等を説明する縦断面及び横断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施形態の変形例を説明する図である。 第４実施形態の虚像表示装置の要部を説明する図である。 第５実施形態に係る虚像表示装置を説明する一部拡大断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第６実施形態に係る虚像表示装置を説明する図である。 （Ａ）は、第７実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、導光装置の正面図及び平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、角度変換部の構造及び角度変換部における画像光の光路について説明するための模式的な図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第８実施形態の虚像表示装置の一部を説明する図である。 第９実施形態の虚像表示装置を説明する図である。 虚像表示装置の一変形例を概念的に説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る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に示す第１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よる画像光を認識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光学パネル１１０と、光学パネル１１０を支持するフレーム１２１と、フレーム１２１のヨロイからテンプルにかけての部分に付加された第１及び第２駆動部１３１，１３２とを備える。ここで、光学パネル１１０は、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とを有し、両パネル部分１１１，１１２は、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面上で左側の第１パネル部分１１１と第１駆動部１３１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａ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。また、図面上で右側の第２パネル部分１１２と第２駆動部１３２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂ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。なお、第１駆動部１３１と第２駆動部１３２とは、遮光用及び保護用のケース１４１に個別に収納されている。

〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２（Ａ）等に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像形成装置１０と、導光装置２０とを備える。ここで、画像形成装置１０は、図１における第１駆動部１３１に相当し、導光装置２０は、図１における第１パネル部分１１１に相当する。画像形成装置１０については、図１におけるケース１４１を除いた本体部分を図示している。図２（Ａ）において、導光装置２０の部分は、図２（Ｂ）のＡＡ矢視断面図となっている。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。

画像形成装置１０は、画像表示装置１１と、投射光学系１２と、光学指向性変更部３８とを有する。このうち、画像表示装置１１は、２次元的な照明光ＳＬを射出する照明装置３１と、透過型の画像光形成部である液晶表示デバイス（液晶表示素子）３２と、照明装置３１及び液晶表示デバイス３２の動作を制御する駆動制御部３４とを有する。

照明装置３１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する発光部である光源３１ａと、光源３１ａからの光を拡散させて矩形断面の２次元的な広がりを有する光束にするバックライト導光部３１ｂとを有する。液晶表示デバイス（画像光形成部）３２は、照明装置３１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３４は、光源駆動回路３４ａと、液晶駆動回路３４ｂとを備える。光源駆動回路３４ａは、照明装置３１の光源（発光部）３１ａ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３４ｂは、液晶表示デバイス（画像光形成部）３２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３４ｂ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。

光学指向性変更部３８は、照明装置３１と液晶表示デバイス３２との間に配置されており、照明装置３１から射出される照明光の指向性の角度分布又は配光特性を、利用効率を考慮した適切なものに修正するための偏向素子である。光学指向性変更部（偏向素子）３８は、液晶表示デバイス３２から射出される画像光の指向性を、液晶表示デバイス３２から射出される画像光が結果的に観察者の眼ＥＹに入射するような実効的な射出角度範囲（後述する光束取込みの角度特性）に対応するものに調整している。

液晶表示デバイス３２において、第１方向Ｄ１は、投射光学系１２を通る第１光軸ＡＸ１と、後述する導光部材２１の第３反射面２１ｃに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第２方向Ｄ２は、上記第１光軸ＡＸ１と、上記第３反射面２１ｃの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。言い換えれば、第１方向Ｄ１は、後述する導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの交線に平行な方向であり、第２方向Ｄ２は、上記第１反射面２１ａの平面と平行であり、かつ、上記第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの交線に垂直な方向となっている。つまり、液晶表示デバイス３２の位置において、第１方向Ｄ１は、縦のＹ方向に相当し、第２方向Ｄ２は、横のＸ方向に相当する。ここで、液晶表示デバイス３２の縦の第１方向Ｄ１における有効サイズＨは、液晶表示デバイス３２の横の第２方向Ｄ２における有効サイズＷよりも小さくなっている（図２（Ｂ）等参照）。つまり、液晶表示デバイス３２の画像形成領域ＡＤは、横長となっている。なお、第１方向Ｄ１は、画像形成装置１０においても後述する導光部材２１においてもＹ方向に平行になっており、後者の導光部材２１の非折り返し方向又は非閉じ込め方向ＤＷ２に対応するものとなっている。第２方向Ｄ２は、画像形成装置１０においてＸ方向に平行になっているが、後述する導光部材２１においてＺ方向に平行になっており、折り返し方向又は閉じ込め方向ＤＷ１に対応するものとなっている。

投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。投射光学系１２は、例えばレンズ群Ｌ１〜Ｌ３を有し、レンズ群Ｌ１〜Ｌ３を周囲から支持する鏡筒１２ａは、図１のケース１４１内に収納されている。各レンズ群Ｌ１〜Ｌ３を構成する各レンズの光学面は、第１光軸ＡＸ１のまわりに回転対称な球面又は非球面形状を有しており、第１方向Ｄ１の集光特性と第２方向Ｄ２の集光特性とは等しくなっている。レンズ群Ｌ１〜Ｌ３を収納する鏡筒１２ａの最も光射出側の射出開口ＥＡには、レンズ群Ｌ３の光学面１２ｆが露出している。ここで、射出開口ＥＡの第１方向Ｄ１の射出開口幅Ｅ１は、射出開口ＥＡの第２方向Ｄ２の射出開口幅Ｅ２よりも大きくなっている（図２（Ｂ）参照）。これは、後に詳述する縦横の光路の相違に起因しており、縦の第１方向Ｄ１すなわちＹ方向に関しては、画像光ＧＬを比較的広い光束幅として導光装置２０に入射させる必要があり、横の第２方向Ｄ２に関しては、比較的狭い光束幅として導光装置２０に入射させる必要があることによる。

導光装置２０は、導光部材２１と光透過部材２３とを接合したものであり、全体としてＸＹ面に平行に延びる平板状の光学部材を構成している。

導光装置２０のうち、導光部材２１は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面として、第１反射面２１ａと、第２反射面２１ｂと、第３反射面２１ｃと、第４反射面２１ｄとを有する。また、導光部材２１は、第１、第２、第３、及び第４反射面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに隣接するとともに互いに対向する上面２１ｅと下面２１ｆとを有する。ここで、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、ＸＹ面に沿って延び、導光部材２１の厚みｔだけ離間する。また、第３反射面２１ｃは、ＸＹ面に対して４５°以下の鋭角αで傾斜しており、第４反射面２１ｄは、ＸＹ面に対して例えば４５°以下の鋭角βで傾斜している。第３反射面２１ｃを通る第１光軸ＡＸ１と第４反射面２１ｄを通る第２光軸ＡＸ２とは平行に配置され距離Ｄだけ離間している。なお、第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの間には、稜を除去するように端面２１ｈが設けられている。また、第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの間には、稜を除去するように端面２１ｉが設けられている。導光部材２１は、これらの端面２１ｈ，２１ｉも含めると、８面の多面体状の外形を有するものとなっている。

導光部材２１は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂによる全反射を利用して導光を行うものであり、導光に際して反射によって折り返される方向と、導光に際して反射によって折り返されない方向とがある。導光部材２１で導光される画像について考えた場合、導光に際して複数回の反射によって折り返されつつ伝搬する横方向すなわち閉じ込め方向ＤＷ２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに垂直（Ｚ軸に平行）で、光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス３２の第２方向Ｄ２に相当する。一方、導光に際して反射によって折り返されないで伝搬する縦方向すなわち非閉じ込め方向ＤＷ１は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ及び第３反射面２１ｃに平行（Ｙ軸に平行）で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス３２の第１方向Ｄ１に相当する。なお、導光部材２１において、伝搬される光束が全体として向かう主導光方向は、−Ｘ方向に平行になっている。

導光部材２１は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。導光部材２１は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材であり、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化光又は硬化させることで形成されている。このように導光部材２１は、一体形成品であるが、機能的に、光入射部Ｂ１と導光部Ｂ２と光射出部Ｂ３とに分けて考えることができる。

光入射部Ｂ１は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光入射面ＩＳと、光入射面ＩＳに対向する第３反射面２１ｃとを有する。光入射面ＩＳは、画像形成装置１０からの画像光ＧＬを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系１２に対向してその第１光軸ＡＸ１に垂直に延びている。第３反射面２１ｃは、矩形の輪郭を有し、その矩形領域全体に、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部Ｂ２内に導くための全反射ミラー層２５を有する。この全反射ミラー層２５は、導光部材２１の斜面ＲＳ上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第３反射面２１ｃは、投射光学系１２の第１光軸ＡＸ１又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｚ方向に向かう画像光ＧＬを、全体として−Ｚ方向寄りの−Ｘ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光ＧＬを導光部Ｂ２内に確実に結合させる。

導光部Ｂ２は、互いに対向しＸＹ面に平行に延びる２平面として、光入射部Ｂ１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１反射面２１ａと第２反射面２１ｂとを有している。第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂの間隔すなわち導光部材２１の厚みｔは、例えば９ｍｍ程度とされている。ここでは、第１反射面２１ａが画像形成装置１０に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第２反射面２１ｂが画像形成装置１０から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第１反射面２１ａは、上記の光入射面ＩＳや後述する光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、屈折率差を利用する全反射面であり、その表面には、ミラー層等の反射コートが施されていないが、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層の被覆が施されている。このハードコート層は、導光部材２１上に樹脂等を含有するコート材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。

光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬは、まず、第１反射面２１ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光ＧＬは、第２反射面２１ｂに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、全体として導光装置２０の奥側の主導光方向即ち光射出部Ｂ３を設けた−Ｘ側に導かれる。なお、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂには反射コートが施されていないため、外界側から第２反射面２１ｂに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部Ｂ２を通過する。つまり、導光部Ｂ２は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。

光射出部Ｂ３は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光射出面ＯＳと、光射出面ＯＳに対向する第４反射面２１ｄとを有する。光射出面ＯＳは、画像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向けて射出するための裏側の平面であり、光入射面ＩＳと同様に第１反射面２１ａの一部となっており、第２光軸ＡＸ２に垂直に延びている。光射出部Ｂ３を通る第２光軸ＡＸ２と光入射部Ｂ１を通る第１光軸ＡＸ１との距離Ｄは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば５０ｍｍに設定されている。第４反射面２１ｄは、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを反射して光射出部Ｂ３外に射出させるための略矩形の平坦面である。第４反射面２１ｄには、ハーフミラー層２８が付随している。このハーフミラー層２８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）２８は、導光部材２１の斜面ＲＳ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２８の画像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＧＬ'の観察を容易にする観点で、想定される画像光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２８の画像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、画像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。

第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａに垂直な第２光軸ＡＸ２又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、上記ハーフミラー層２８により、導光部Ｂ２の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを部分的に反射して全体として−Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、光射出面ＯＳを通過させる。なお、第４反射面２１ｄを透過した画像光ＧＬは、光透過部材２３に入射し、映像の形成には利用されない。

光透過部材２３は、導光部材２１の本体と同一の屈折率を有し、第１面２３ａと、第２面２３ｂと、第３面２３ｃとを有する。第１及び第２面２３ａ，２３ｂは、ＸＹ面に沿って延びる。また、第３面２３ｃは、ＸＹ面に対して傾斜しており、導光部材２１の第４反射面２１ｄに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材２３は、第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれた楔状の部分２３ｖを有する部材となっている。光透過部材２３は、導光部材２１と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。光透過部材２３は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。

光透過部材２３において、第１面２３ａは、導光部材２１に設けた第１反射面２１ａの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹに近い裏側にあり、第２面２３ｂは、導光部材２１に設けた第２反射面２１ｂの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹから遠い表側にある。第３面２３ｃは、接着剤によって導光部材２１の第４反射面２１ｄに接合される矩形の透過面である。以上の第１面２３ａと第３面２３ｃとなす角度は、導光部材２１の第２反射面２１ｂと第４反射面２１ｄとのなす角度εと等しくなっており、第２面２３ｂと第３面２３ｃとなす角度は、導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとのなす角度βと等しくなっている。

光透過部材２３と導光部材２１とは、両者の接合部分及びその近傍において、観察者の眼前に対向する部位において、透視部Ｂ４を構成している。光透過部材２３のうち、互いに鋭角を成す第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれて−Ｘ方向に広がる楔状の部分２３ｖは、同様に楔状の光射出部Ｂ３と接合されることにより、全体として平板状の透視部Ｂ４におけるＸ方向に関する中央部分を構成する。第１及び第２面２３ａ，２３ｂには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材２１の導光部Ｂ２と同様に外界光ＧＬ'を高い透過率で透過させる。第３面２３ｃも、外界光ＧＬ'を高い透過率で透過可能であるが、導光部材２１の第４反射面２１ｄがハーフミラー層２８を有していることから、第３面２３ｃを通過する外界光ＧＬ'は、ハーフミラー層２８において例えば２０％減光される。つまり、観察者は、２０％に減光された画像光ＧＬと８０％に減光された外界光ＧＬ'とを重畳させたものをハーフミラー層２８越しに観察することになる。

〔Ｃ．画像光の光路の概要〕
図３（Ａ）は、液晶表示デバイス（画像光形成部）３２の縦断面ＣＳ１に対応する第１方向Ｄ１の光路を説明する図である。第１方向Ｄ１に沿った縦断面すなわちＹＺ面（展開後のＹ'Ｚ'面）において、液晶表示デバイス３２から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域３２ｂの上端側（＋Ｙ側）から射出される成分を画像光ＧＬａとし、図中二点差線で示す表示領域３２ｂの下端側（−Ｙ側）から射出される成分を画像光ＧＬｂとする。図３（Ａ）中には、参考のため、液晶表示デバイス３２の近くにおいて、上寄り内側の位置から射出される画像光ＧＬｃと、下寄り内側の位置から射出される画像光ＧＬｄとを示している。

上側の画像光ＧＬａは、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ'に略沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度φ_１の上方向から傾いて入射する。一方、下側の画像光ＧＬｂは、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ'に略沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度φ_２（｜φ_２｜＝｜φ_１｜）の下方向から傾いて入射する。以上の角度φ_１，φ_２は、上下の半画角に相当し、例えば６．５°に設定される。

第１方向Ｄ１の縦方向に関して、導光装置２０は、投射光学系１２による結像に実質的な影響を及ぼさず、投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２の無限遠像を形成し、対応する像光を観察者の眼ＥＹに入射させる。

図３（Ｂ）は、液晶表示デバイス（画像光形成部）３２の横断面ＣＳ２に対応する第２方向（閉じ込め方向又は合成方向）Ｄ２の光路を説明する図である。第２方向（閉じ込め方向又は合成方向）Ｄ２に沿った横断面ＣＳ２すなわちＸＺ面（展開後のＸ'Ｚ'面）において、液晶表示デバイス３２から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域３２ｂに向かって右端側（＋Ｘ側）の第１表示点Ｐ１から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、図中二点差線で示す表示領域３２ｂに向かって左端側（−Ｘ側）の第２表示点Ｐ２から射出される成分を画像光ＧＬ２とする。図３（Ｂ）中には、参考のため、液晶表示デバイス３２の近くにおいて、表示領域３２ｂに向かって右寄り内側の位置から射出される画像光ＧＬ３と、表示領域３２ｂに向かって左寄り内側の位置から射出される画像光ＧＬ４とを追加している。

右側の第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬ１は、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ'に略沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度θ_１の右向から傾いて入射する。一方、左側の第２表示点Ｐ２からの画像光ＧＬ２は、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ'に略沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度θ_２（｜θ_２｜＝｜θ_１｜）の左方向から傾いて入射する。以上の角度θ_１，θ_２は、左右の半画角に相当し、例えば１０°に設定される。

第２方向Ｄ２の横方向に関して、導光部材２１は、画像光ＧＬ１，ＧＬ２を反射によって折り返えし、その際の反射回数が位置によっても異なることから、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２が導光部材２１中で不連続に表現されている。結果的に、横方向に関しては、全体として画面が左右反転するが、後に詳述するように導光部材２１を高精度に加工することで、液晶表示デバイス３２の右半分の画像と液晶表示デバイス３２の左半分の画像とが切れ目なく連続してズレなくつなぎ合わされたものとなる。なお、両画像光ＧＬ１，ＧＬ２の導光部材２１内での反射回数が互いに異なることを考慮して、右側の画像光ＧＬ１の射出角度θ_１'と左側の画像光ＧＬ２の射出角度θ_２'とは異なるものに設定されている。

以上により、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬａ，ＧＬｂ，ＧＬ１，ＧＬ２は、無限遠からの虚像となっており、縦の第１方向Ｄ１に関しては液晶表示デバイス３２に形成された映像が正立し、横の第２方向Ｄ２に関しては液晶表示デバイス３２に形成された映像が反転する。

〔Ｄ．横方向に関する画像光の光路〕
図４は、第１表示装置１００Ａにおける横の第２方向Ｄ２での具体的な光路を説明する断面図である。

液晶表示デバイス３２の右側の第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、投射光学系１２のレンズ群Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を通過することで平行光束化され、導光部材２１の光入射面ＩＳに入射する。導光部材２１内に導かれた画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面ＯＳから平行光束として射出される。具体的には、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、平行光束として導光部材２１の第３反射面２１ｃで反射された後、第１反射角γ１で導光部材２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される（第１回目の全反射）。その後、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、第１反射角γ１を保った状態で、第２反射面２１ｂに入射して全反射され（第２回目の全反射）、次いで再度第１反射面２１ａに入射して全反射される（第３回目の全反射）。結果的に、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて計３回全反射され、第４反射面２１ｄに入射する。画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、この第４反射面２１ｄで第３反射面２１ｃと同一の角度で反射され、光射出面ＯＳからこの光射出面ＯＳに垂直な第２光軸ＡＸ２方向に対して角度θ_１の傾きで平行光束として射出される。

液晶表示デバイス３２の左側の第２表示点Ｐ２からの画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、投射光学系１２のレンズ群Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を通過することで平行光束化され、導光部材２１の光入射面ＩＳに入射する。導光部材２１内に導かれた画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面ＯＳから平行光束として射出される。具体的には、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、平行光束として導光部材２１の第３反射面２１ｃで反射された後、第２反射角γ２（γ２＜γ１）で導光部材２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される（第１回目の全反射）。その後、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、第２反射角γ２を保った状態で、第２反射面２１ｂに入射して全反射され（第２回目の全反射）、再度第１反射面２１ａに入射して全反射され（第３回目の全反射）、再度第２反射面２１ｂに入射して全反射され（第４回目の全反射）、再々度第１反射面２１ａに入射して全反射される（第５回目の全反射）。結果的に、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて計５回全反射され、第４反射面２１ｄに入射する。画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、この第４反射面２１ｄで第３反射面２１ｃと同一の角度で反射され、光射出面ＯＳからこの光射出面ＯＳに垂直な第２光軸ＡＸ２方向に対して角度θ_２の傾きで平行光束として射出される。

図４において、導光部材２１を展開した場合に第１反射面２１ａに対応する仮想的な第１面１２１ａと、導光部材２１を展開した場合に第２反射面２１ｂに対応する仮想的な第２面１２１ｂとを描いている。このように展開することにより、第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、光入射面ＩＳに対応する入射等価面ＩＳ'を通過した後、第１面１２１ａを２回通過し第２面１２１ｂを１回通過して光射出面ＯＳから射出されて観察者の眼ＥＹに入射することが分かり、第２表示点Ｐ２からの画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、光入射面ＩＳに対応する入射等価面ＩＳ"を通過した後、第１面１２１ａを３回通過し第２面１２１ｂを２回通過して光射出面ＯＳから射出されて観察者の眼ＥＹに入射することが分かる。見方を変えると、観察者は、２つの位置の異なる入射等価面ＩＳ'，ＩＳ"の近傍に存在する投射光学系１２の射出端のレンズ群Ｌ３を重ねて観察していることになる。

その他の位置から射出される光束について説明すると、液晶表示デバイス３２に向かってその右側であって第１表示点Ｐ１よりも中央寄りの位置から射出される画像光ＧＬ３は、投射光学系１２によって平行光束化されて光入射面ＩＳから導光部材２１内に入射し、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２と同様に、導光部材２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて計３回全反射され、光射出面ＯＳから角度θ_１よりも小さな傾きの平行光束として射出される。

液晶表示デバイス３２に向かってその左側であって第２表示点Ｐ２よりも中央寄りの位置から射出される画像光ＧＬ４は、投射光学系１２によって平行光束化されて光入射面ＩＳから導光部材２１内に入射し、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２と同様に、導光部材２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて計５回全反射され、光射出面ＯＳから角度θ_２よりも小さな傾きの平行光束として射出される。

図５（Ａ）は、液晶表示デバイス（画像光形成部）３２の表示面を概念的に説明する図であり、図５（Ｂ）は、観察者に見える液晶表示デバイス３２の虚像を概念的に説明する図であり、図５（Ｃ）及び５（Ｄ）は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図５（Ａ）に示す液晶表示デバイス３２に設けた矩形の画像形成領域ＡＤは、図５（Ｂ）に示す虚像表示領域ＡＩとして観察される。虚像表示領域ＡＩの左側には、画像形成領域ＡＤのうち中央から右側にかけての部分に相当する第１投射像ＩＭ１が形成され（図５（Ｃ）参照）、この第１投射像ＩＭ１は、右側が欠けた部分画像となっている。また、虚像表示領域ＡＩの右側には、液晶表示デバイス３２の画像形成領域ＡＤのうち中央から左側にかけての部分に相当する投射像ＩＭ２が虚像として形成され（図５（Ｄ）参照）、この第２投射像ＩＭ２は、左側が欠けた部分画像となっている。

図５（Ａ）に示す液晶表示デバイス３２のうち第１投射像（虚像）ＩＭ１のみを形成する第１部分領域Ａ１０は、例えば液晶表示デバイス３２の右端の第１表示点Ｐ１を含んでおり、導光部材２１の導光部Ｂ２において合計３回全反射される画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２を射出する。液晶表示デバイス３２のうち第２投射像（虚像）ＩＭ２のみを形成する第２部分領域Ａ２０は、例えば液晶表示デバイス３２の左端の第２表示点Ｐ２を含んでおり、導光部材２１の導光部Ｂ２において合計５回全反射される画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２を射出する。液晶表示デバイス３２の画像形成領域ＡＤの中央寄りにおいて第１及び第２部分領域Ａ１０，Ａ２０に挟まれて縦長に延びる帯域ＳＡからの画像光は、図５（Ｂ）に示す重複画像ＳＩを形成している。つまり、液晶表示デバイス３２の帯域ＳＡからの画像光は、導光部Ｂ２において計３回全反射される画像光ＧＬ３によって形成される第１投射像ＩＭ１と、導光部Ｂ２において計５回全反射される画像光ＧＬ０，ＧＬ４によって形成される第２投射像ＩＭ２となって、虚像表示領域ＡＩ上で重畳していることになる。導光部材２１の加工が精密で、投射光学系１２によって正確にコリメートされた光束が形成されているならば、重複画像ＳＩについて、２つの投射像ＩＭ１，ＩＭ２の重畳によるズレや滲みを防止することができる。

〔Ｅ．画像光の指向性〕
図６（Ａ）を参照して、液晶表示デバイス３２の表示領域３２ｂの縦方向の位置と画像光の射出角度との関係（投射光学系１２等への光束取込みの角度特性）について説明する。液晶表示デバイス３２の上半分において、液晶表示デバイス３２の中央から縦方向に徐々に離れて第１方向Ｄ１の射出位置（縦方向の物体高）ｙが大きくなると、これに応じて表示領域３２ｂからの画像光ＦＬの射出角度μが徐々に大きくなる。結果的に、詳細な説明を省略するが、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＦＬの角度も徐々に大きくなる。なお、液晶表示デバイス３２の下半分においても同様の現象が生じる。

図６（Ｂ）は、液晶表示デバイス３２から射出される画像光によって虚像を形成する際の縦方向の角度特性、すなわち虚像表示装置１００における光束取込みの角度特性を例示するグラフである。グラフにおいて、横軸は液晶表示デバイス３２における縦の第１方向Ｄ１の射出位置ｙを表し、縦軸は液晶表示デバイス３２からの画像光のうち眼ＥＹに入射する実効的な画像光ＦＬの射出角度μを表す。ここで、射出角度μは、液晶表示デバイス３２の法線に対して縦方向上側すなわち＋ｙ向きの傾斜角をプラスとしている。グラフからも明らかなように、液晶表示デバイス３２の位置によって液晶表示デバイス３２から射出され観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれる光束の角度が大きく異なっており、より具体的には、有効活用される画像光ＦＬの射出角度μの絶対値は、液晶表示デバイス３２の表示領域３２ｂの中心側よりも周辺部側で大きくなる傾向がある。つまり、射出位置ｙが大きく周辺になるほど、導光装置２０を介して眼ＥＹに入射する画像光ＦＬの液晶表示デバイス３２からの射出角度が外側に傾いて大きくなっており、射出位置ｙの最大値すなわち表示領域３２ｂの上端（周辺部）で、画像光ＦＬの射出角度の傾きが最大となっている。以上の状況から、縦方向の結像に関しては、液晶表示デバイス３２から射出された画像光ＦＬに対して図６（Ｂ）に示すような光束取込みの角度特性に対応する指向性を持たせることで、液晶表示デバイス３２から導光装置２０延いては眼ＥＹへの光結合効率を高めることができ、輝度斑（輝度ムラ）の発生を抑え照明光の利用効率を高めることができると考えられる。なお、以上のような現象（光束取込みの角度特性の影響）は、虚像の画角が大きくなるにつれて顕著になるので、虚像の画角を大きくするためには、液晶表示デバイス３２から射出される画像光ＦＬに適切な指向性を持たせることが重要になる。

図７（Ａ）を参照して、液晶表示デバイス３２の表示領域３２ｂの横方向の位置と画像光の射出角度との関係（投射光学系１２等への光束取込みの角度特性）について説明する。液晶表示デバイス３２のうち、これに向かって右半分（＋Ｘ側）において、液晶表示デバイス３２の中央から横方向に徐々に離れて第２方向Ｄ２の射出位置（横方向の物体高）ｘがプラス方向に大きくなると、これに応じて表示領域３２ｂからの画像光ＦＬの射出角度νが徐々に小さくなる。一方で、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＦＬの角度は逆に大きくなる。また、液晶表示デバイス３２のうち、これに向かってその左半分（−Ｘ側）において、液晶表示デバイス３２の中央から横方向に徐々に離れて第２方向Ｄ２における射出位置（横方向の物体高）ｘがマイナス方向に大きくなると、これに応じて表示領域３２ｂからの画像光ＦＬの射出角度の絶対値｜ν｜が徐々に小さくなる。結果的に、詳細な説明を省略するが、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＦＬの角度も小さくなる。

図７（Ｂ）は、液晶表示デバイス３２から射出される画像光によって虚像を形成する際の横方向の角度特性、すなわち虚像表示装置１００における光束取込みの角度特性を例示するグラフである。グラフにおいて、横軸は液晶表示デバイス３２における横の第２方向Ｄ２の射出位置ｘを表し、縦軸は液晶表示デバイス３２からの画像光のうち眼ＥＹに入射する実効的な画像光ＦＬの射出角度νを表す。ここで、射出角度νは、液晶表示デバイス３２の法線に対して横方向左側すなわち＋ｘ向きの傾斜角をプラスとしている。グラフからも明らかなように、液晶表示デバイス３２の位置によって液晶表示デバイス３２から射出され観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれる光束の角度が大きく異なっており、より具体的には、有効活用される画像光ＦＬの射出角度νの絶対値は、液晶表示デバイス３２の表示領域３２ｂの周辺部側よりも中心側で大きくなる傾向がある。つまり、射出位置ｘが小さく中央側になるほど、導光装置２０を介して眼ＥＹに入射する画像光ＦＬの液晶表示デバイス３２からの射出角度が内側に傾いて大きくなっている。以上の状況から、横方向の結像に関しては、液晶表示デバイス３２から射出された画像光ＦＬに対して図７（Ｂ）に示すような光束取込みの角度特性に対応する指向性を持たせることで、液晶表示デバイス３２から導光装置２０延いては眼ＥＹへの光結合効率を高めることができ、輝度斑（輝度ムラ）の発生を抑え照明光の利用効率を高めることができると考えられる。なお、以上のような現象（光束取込みの角度特性の影響）は、虚像の画角が大きくなるにつれて顕著になるので、虚像の画角を大きくするためには、液晶表示デバイス３２から射出される画像光ＦＬに適切な指向性を持たせることが重要になる。

ところで、液晶表示デバイス３２の横方向の中央については、導光部Ｂ２において計５回全反射される画像光ＧＬ０によって主に画像が形成されるが、導光部Ｂ２において計３回全反射される画像光ＧＬ０'によってもある程度画像が形成される。この場合、射出角度がν０とν０'との２方向にピークを有することが、高輝度の画像を得る観点で望ましい。

図８は、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示す光束取込みの角度特性を２次元の分布として説明する図である。液晶表示デバイス３２上に仮想的格子が表示されており、その横軸ｘが第２方向Ｄ２に対応し、その縦軸ｘが第１方向Ｄ１に対応している。また、各格子点から延びる矢印ＤＡ１，ＤＡ２の向き及び大きさは、光束取込みのピークに対応する傾き方向及び傾き量（すなわち方位角及び傾斜角）を示している。なお、実線の矢印ＤＡ１は、導光部Ｂ２において計５回全反射される図７（Ａ）中の画像光ＧＬ２，ＧＬ４（ＧＬ０）に関する光束取込み方向を示し、点線の矢印ＤＡ２は、導光部Ｂ２において計３回全反射される図７（Ａ）中の画像光ＧＬ１，ＧＬ３（ＧＬ０'）に関する光束取込み方向を示す。図からも明らかなように、光束取込み方向は、縦方向にも横方向にも非一様なものとなっている。なお、中央の帯域ＳＡからの画像光は、２つの矢印ＤＡ１，ＤＡ２の方向に取り込まれる。つまり、投射光学系１２を介して導光部材２１に結合され、導光部材２１を伝搬して眼ＥＹに到達する画像光又はその元となる照明光は、輝度が極大となるピーク方向が２つ設定されている（具体的には矢印ＤＡ１，ＤＡ２の方向）。ただし、矢印ＤＡ１，ＤＡ２のうち少なくとも一方の矢印の方向に画像光の射出角度のピークがあれば、図５（Ｂ）に示す重複画像ＳＩにおいても十分な輝度を確保することができ、高品位の画像を形成することができる。

〔Ｆ．画像表示装置における画像光の指向性の制御〕
以下、画像表示装置１１における照明光の指向性の制御を利用した画像光の指向性制御について説明する。

図９（Ａ）〜９（Ｄ）は、画像表示装置１１を構成する照明装置３１及び液晶表示デバイス３２の平面図、側面図、背面図、及び一部破断斜視図である。画像表示装置１１において、光学指向性変更部３８は、照明装置３１と液晶表示デバイス３２との間に配置され、照明装置３１の光射出側に貼り付けられている。ここで、照明装置３１は、発光部である光源３１ａと、バックライト導光部３１ｂとを備える。

照明装置３１のうち、光源（発光部）３１ａは、矩形板状のバックライト導光部３１ｂの一側面である光取込面ＩＰに沿って延びており、液晶表示デバイス（画像光形成部）３２を照明するのに十分な光量の光を発生するとともに、これをバックライト導光部３１ｂに向けて射出する。光源３１ａとしては、例えば細長い蛍光管や複数のＬＥＤ光源を配列するもの等が適用できる。

バックライト導光部３１ｂは、全体として平板状の部材であり、液晶表示デバイス３２の背後に近接してこれに平行に配設されている。バックライト導光部３１ｂは、平板部材３１ｅと反射フィルム３１ｆと拡散フィルム３１ｇとを有し、反射フィルム３１ｆと拡散フィルム３１ｇとの間に平板部材３１ｅを挟んだ構造を有する。バックライト導光部３１ｂは、光源３１ａからの照明光ＳＬを光取込面ＩＰを介して内部に入射させ、入射した光を反射により拡散するように導き、拡散フィルム３１ｇ及び射出面ＥＰを介して外部の液晶表示デバイス３２に向けて射出させることで、液晶表示デバイス３２全体を背後から照明する照明光を形成する。

図１０（Ａ）のグラフに示すように、図９（Ａ）のバックライト導光部３１ｂの射出面ＥＰから射出される照明光は、バックライト導光部３１ｂによって均一化されており、一般的な配光特性又は配光分布を有するものとなっている。グラフにおいて、横軸の右半分はバックライト導光部３１ｂから射出される照明光の縦のＹ方向に関する配向角度Ｅを表し、横軸の左半分はバックライト導光部３１ｂから射出される照明光の横のＸ方向に関する配向角度Ｅ'を表し、縦軸は各配向角度における照明光の輝度を表している。バックライト導光部３１ｂの射出面ＥＰから射出される照明光は、射出面ＥＰに垂直な光軸ＡＸ（Ｚ方向）方向が最も輝度が高い主指向性方向となっており、射出面ＥＰに垂直な光軸ＡＸ（Ｚ方向）方向に輝度中心（強度ピーク）を有し、光軸ＡＸに対して傾斜角すなわち配向角度Ｅ，Ｅ'が大きくなるほど低下する。バックライト導光部３１ｂから射出される照明光に関しては、射出面ＥＰに垂直な光軸ＡＸ（Ｚ方向）方向が、最も輝度が高い主指向性方向となっている。

シート状の光学指向性変更部３８は、バックライト導光部３１ｂの射出面ＥＰに貼り付けられて、光学指向性変更部３８と一体化されている。光学指向性変更部３８は、プリズムアレイのシートであり、バックライト導光部３１ｂの射出面ＥＰから射出される照明光の配光特性（図１０（Ａ）参照）を変化させる機能を有し、入射光を射出面ＥＰの位置（つまり液晶表示デバイス３２の画素位置）に応じて異なる角度に屈曲させる。すなわち、光学指向性変更部３８は、照明光の指向性の角度分布である配光特性を調整することにより、液晶表示デバイス３２から射出される画像光の指向性を、図６（Ｂ）、７（Ｂ）等に示す虚像表示装置１００の光束取込みの角度特性に対応したものに調整している。ここで、光学指向性変更部３８の配光特性は、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とに関して異なるものとなっている。具体的には、図６（Ａ）を参照して説明したように、液晶表示デバイス３２の表示領域３２ｂにおいて縦の第１方向Ｄ１の射出位置ｙの絶対値が大きくなるほど外側に傾いた光束が投射光学系１２や導光装置２０を通過して観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれることから、詳細は後述するが、このような光束取込みの角度特性に整合するように、光学指向性変更部３８によって、液晶表示デバイス３２から射出される画像光の指向性の分布を調整している。また、図７（Ａ）を参照して説明したように、液晶表示デバイス３２の表示領域３２ｂにおいて横の第２方向Ｄ２の射出位置ｘの絶対値が大きくなるほど内側に傾いた光束が投射光学系１２や導光装置２０を通過して観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれることから、同様に詳細は後述するが、このような光束取込みの角度特性に整合するように、光学指向性変更部３８によって、液晶表示デバイス３２から射出される画像光の指向性の分布を調整している。このように光学指向性変更部３８を用いて照明光の配光分布を調整することにより、照明光や画像光の効率的な利用が可能になる。

光学指向性変更部３８は、２次元的に配列されたプリズム要素を有するプリズムアレイシートであり、その射出側面は、プリズム要素の周期的な配置によって、縦断面も横断面も鋸歯状で階段状の偏向面３８ａとなっている。なお、プリズムアレイシートを構成するプリズム要素は、例えば液晶表示デバイス３２の画素よりも大きな周期で配列されるが、液晶表示デバイス３２の画素よりも小さな周期で配列することもできる。

図１１の縦断面に示すように、光学指向性変更部３８は、プリズム要素を非一様に配列してなるプリズムアレイを有しており、照明光ＩＬの主指向性方向を位置に応じて変化させており、周辺側で主指向性方向を外側に傾けている。すなわち、光学指向性変更部３８を構成するプリズム要素は、上下に関する中央位置よりも上側領域（＋Ｙ側）おいて、斜面が下向きに傾き、より上側の領域に設けられたものほど斜面の楔角ωが徐々に増加している。また、光学指向性変更部３８を構成するプリズム要素は、上下に関する中央位置よりも下側領域（−Ｙ側）おいて、斜面が上向きに傾き、より下側に設けられたものほど斜面の楔角ωが徐々に増加している。バックライト導光部３１ｂから一様に射出された照明光ＩＬは、光学指向性変更部３８の偏向面３８ａを通過する際にプリズム要素での屈曲による傾斜角εを与えられて図１の液晶表示デバイス３２に入射する。この傾斜角εは、照明光ＩＬの配光分布の主方向に相当するものであり、光学指向性変更部３８の上半分を構成する各領域部分ＡＶ１，ＡＶ２，ＡＶ３において例示するように、中央から上側の端部に向かって徐々に大きくなっている。つまり、光学指向性変更部３８を通過した後の配光分布又は配光特性は、図１０（Ｂ）に破線で示すように、光軸ＡＸから離れて上側（＋Ｙ側）の位置ほど（つまり上端の領域部分（周辺部）Ａ２１に向かうほど）、主方向（輝度中心の方向）の角度が外側に増加するような指向性を有するものとなっている。一方、光学指向性変更部３８の下半分を構成する各領域部分ＡＶ４，ＡＶ５，ＡＶ６において例示するように、照明光ＩＬの傾斜角εは、中央から下側の端部に向かって徐々に大きくなっている。つまり、光学指向性変更部３８を通過した後の配光分布又は配光特性は、図１０（Ｂ）に破線で示すように、光軸ＡＸから離れて下側（−Ｙ側）の位置ほど（つまり下端の領域部分（周辺部）ＡＶ６に向かうほど）、主方向（輝度中心の方向）の角度が外側に増加するような指向性を有するものとなっている。

以上の縦方向に関して、光学指向性変更部３８による照明光ＩＬの屈曲すなわち偏向は、中心から周辺部に向かうほど照明光ＩＬをより外側に偏向させるようなもの、すなわち照明光ＩＬを全体として外側に発散させるようなものとなっている。つまり、光学指向性変更部３８による照明光ＩＬの縦方向の屈曲に関する傾斜角εの分布が図６（Ｂ）に示すような光束取込みの角度特性に対応するようなものとなっている。これにより、液晶表示デバイス３２は、これから射出されて虚像形成に有効に活用される画像光ＦＬの射出角度μに対応する傾斜角εの照明光ＩＬによって照明されることになる。つまり、液晶表示デバイス３２からの実効的な画像光ＦＬの輝度中心に相当する射出角度μと、照明装置３１からの照明光ＩＬの輝度中心に相当する傾斜角εとを略一致させることが可能になる。このように、液晶表示デバイス３２の各位置から射出され有効活用される画像光ＦＬを高輝度成分とすることで、照明光の無駄がなくなり、虚像の輝度斑を低減することができる。

図１２の横断面に示すように、光学指向性変更部３８は、照明光ＩＬの主指向性方向を位置に応じて変化させており、中央側で主指向性方向を内側に傾けている。すなわち、光学指向性変更部３８のプリズムアレイを構成するプリズム要素は、左右に関する中央位置よりも右側領域（＋Ｘ側）おいて、斜面が右向きに傾き、より右側領域に設けられたものほど斜面の楔角ξが徐々に減少している。また、光学指向性変更部３８を構成するプリズム要素は、上下に関する中央位置よりも左側領域（−Ｘ側）おいて、斜面が左向きに傾き、より左側領域に設けられたものほど斜面の楔角ξが徐々に減少している。バックライト導光部３１ｂから一様に射出された照明光ＩＬは、光学指向性変更部３８の偏向面３８ａを通過する際にプリズム要素での屈曲による傾斜角ηを与えられて図１の液晶表示デバイス３２に入射する。この傾斜角ηは、照明光ＩＬの配光分布の主方向に相当するものであり、光学指向性変更部３８の右半分を構成する各領域部分ＡＨ１，ＡＨ２，ＡＨ３において例示するように、中央から右側の端部に向かって徐々に小さくなっている。つまり、光学指向性変更部３８を通過した後の配光分布又は配光特性は、図１０（Ｃ）に破線で示すように、光軸ＡＸ側（−Ｘ側）の位置ほど（つまり中央の領域部分ＡＨ３に向かうほど）、主方向（輝度中心の方向）の角度が左側に増加するような指向性を有するものとなっている。一方、光学指向性変更部３８の左半分を構成する各領域部分ＡＨ４，ＡＨ５，ＡＨ６において例示するように、照明光ＩＬの傾斜角ηは、中央から左側の端部に向かって徐々に小さくなっている。つまり、光学指向性変更部３８を通過した後の配光分布又は配光特性は、図１０（Ｃ）に破線で示すように、光軸ＡＸ側（＋Ｘ側）の位置ほど（つまり中央の領域部分ＡＨ４に向かうほど）、主方向（輝度中心の方向）の角度が外側に増加するような指向性を有するものとなっている。

以上の横方向に関して、光学指向性変更部３８による照明光ＩＬの屈曲すなわち偏向は、周辺部から中心に向かうほど照明光ＩＬをより内側に偏向させるようなもの、すなわち照明光ＩＬを全体として反対端又は内側に向けるようなものとなっている。つまり、光学指向性変更部３８による照明光ＩＬの横方向の屈曲に関する傾斜角ηの分布が図７（Ｂ）に示すような光束取込みの角度特性に対応するようなものとなっている。これにより、液晶表示デバイス３２は、これから射出されて虚像形成に有効に活用される画像光ＦＬの射出角度θに対応する傾斜角ηの照明光ＩＬによって照明されることになる。つまり、液晶表示デバイス３２からの実効的な画像光ＦＬの輝度中心に相当する射出角度θと、照明装置３１からの照明光ＩＬの輝度中心に相当する傾斜角ηとを略一致させることが可能になる。このように、液晶表示デバイス３２の各位置から射出され有効活用される画像光ＦＬを高輝度成分とすることで、照明光の無駄がなくなり、虚像の輝度斑を低減することができる。

実施形態の虚像表示装置１００では、光学指向性変更部３８が画像表示装置１１から射出される画像光ＧＬの指向性に関して非一様な分布を形成するので、画像表示装置１１の位置によって画像表示装置１１から射出され観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれる光束の角度が大きく異なっている場合であっても、このような光束取込みの角度特性に対応するような指向性を有する画像光ＧＬを形成することができ、輝度斑の発生を抑えて照明光の利用効率を高めることができる。

以上の第１実施形態の虚像表示装置１００及び以下に説明する実施形態において、光学指向性変更部３８による照明光ＩＬ又は画像光ＧＬの指向性又は配光特性の調節は、第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２の双方について行なう必要はなく、第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２のいずれか一方のみについて行なうものとできる。

〔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実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）に示す液晶表示デバイス（画像光形成部）１３２は、画像光の指向性に関して非一様な分布を形成するための光学指向性変更部１３８を内蔵している。

液晶表示デバイス（画像光形成部）１３２は、空間光変調装置、より具体的には光透過型の液晶表示素子である。液晶表示デバイス１３２は、液晶パネル５１と、これを挟む一対の偏光フィルター５２ａ，５２ｂとを備える。液晶表示デバイス（液晶表示素子）１３２において、入射側の第１偏光フィルター５２ａと、射出側の第２偏光フィルター５２ｂとは、液晶パネル５１を挟んでクロスニコルを構成するように配置されている。液晶パネル５１は、第１偏光フィルター５２ａ側から入射した照明光ＩＬの偏光方向を入力信号に応じて画素単位で２次元的に変化させ、変化後の変調光を画像光ＭＬとして第２偏光フィルター５２ｂ側に射出する。

液晶パネル５１は、液晶層７１を挟んで、入射側に第１基板７２と、射出側に第２基板７３とを備える。なお、入射光ＬＩが入射する第１基板７２は、光軸ＡＸに垂直なＹＺ面に沿って延在するプリズムアレイ７２ａと、プリズムアレイ７２ａの内側に配置される本体部分７２ｂとを備える。このプリズムアレイ７２ａは、画像光ＭＬの指向性を調整する光学指向性変更部１３８として機能しており、透明画素電極７７すなわち画素部分ＰＰに対応する所定パターンで２次元的に配列された多数の微小なプリズム要素ＰＥを有する。

液晶パネル５１において、第１基板７２の液晶層７１側の面上には、透明な共通電極７５が設けられており、その上には、例えば配光膜７６が形成されている。一方、第２基板７３の液晶層７１側の面上には、マトリクス状に配置された複数の透明画素電極７７と、各透明画素電極７７に電気的に接続されている薄膜トランジスター（不図示）とが設けられており、その上には、例えば配光膜７８が形成されている。ここで、第１基板７２の内側部分（すなわち本体部分７２ｂ）と、第２基板７３と、これらに挟まれた液晶層７１と、電極７５，７７とは、光能動素子として、すなわち入射光ＬＩの偏光状態を入力信号に応じて変調するための液晶デバイス８０として機能する部分である。この液晶デバイス８０を構成する各画素部分ＰＰは、１つの透明画素電極７７と、共通電極７５の一部と、両配光膜７６，７８の一部と、液晶層７１の一部とを含む。各画素部分ＰＰに対しては、入射側の第１基板７２に設けたプリズムアレイ７２ａの各要素によって、照明光ＩＬの傾斜角を調節して入射させることができるようになっている。なお、第１基板７２と共通電極７５との間には、各画素部分ＰＰを区分するように格子状のブラックマトリクス７９が設けられている。

光学指向性変更部１３８であるプリズムアレイ７２ａは、図９（Ａ）等に示す第１実施形態の光学指向性変更部３８に代えて組み込まれるものであり、第１実施形態の場合と同様に、縦方向に関して、バックライト導光部３１ｂから入射した照明光を外側に屈曲させるとともに、横方向に関して、バックライト導光部３１ｂから入射した照明光を内側に屈曲させる。

具体的には、図１３（Ａ）の縦断面に示すように、プリズムアレイ７２ａは、中央より上側の部分において、上側（＋Ｙ側）に向かって楔角ωが徐々に増加するプリズム要素ＰＥを有しており、図２（Ａ）のバックライト導光部３１ｂから一様に射出された照明光ＩＬは、プリズム要素ＰＥを通過する際に上向きの傾斜角εを与えられて液晶デバイス８０に入射する。なお、図示を省略するが、プリズムアレイ７２ａは、中央より下側の部分において、下側（−Ｙ側）に向かって楔角ωが徐々に増加するプリズム要素ＰＥを有しており、バックライト導光部３１ｂから一様に射出された照明光ＩＬは、プリズム要素ＰＥの屈折面又は偏向面を通過する際に下向きの傾斜角εを与えられて液晶デバイス８０に入射する。この傾斜角εの分布は、第１実施形態の場合と同様に、図６（Ｂ）に示すような光束取込みの角度特性と対応するようなものとなっている。これにより、液晶表示デバイス１３２は、これから取り出されて虚像形成に有効に活用される実効的な画像光ＦＬの射出角度μに対応する傾斜角εの照明光ＩＬによって照明されることになり、照明光の無駄がなくなり、虚像の輝度斑を低減することができる。

図１３（Ｂ）の横断面に示すように、プリズムアレイ７２ａは、中央より右側の部分において、左側（−Ｘ側）に向かって楔角ξが徐々に増加するプリズム要素ＰＥを有しており、図２（Ａ）のバックライト導光部３１ｂから一様に射出された照明光ＩＬは、プリズム要素ＰＥを通過する際に左向きの傾斜角ηを与えられて液晶デバイス８０に入射する。なお、図示を省略するが、プリズムアレイ７２ａは、中央より左側の部分において、右側（＋Ｘ側）に向かって楔角ξが徐々に増加するプリズム要素ＰＥを有しており、バックライト導光部３１ｂから一様に射出された照明光ＩＬは、プリズム要素ＰＥの屈折面又は偏向面を通過する際に下向きの傾斜角ηを与えられて液晶デバイス８０に入射する。この傾斜角ηの分布は、第１実施形態の場合と同様に、図７（Ｂ）に示すような光束取込みの角度特性と対応するようなものとなっている。これにより、液晶表示デバイス１３２は、これから取り出されて虚像形成に有効に活用される実効的な画像光ＦＬの射出角度θに対応する傾斜角ηの照明光ＩＬによって照明されることになり、照明光の無駄がなくなり、虚像の輝度斑を低減することができる。

以上のように、本実施形態の場合、液晶表示デバイス１３２から光学指向性変更部１３８を除いたものと照明装置３１とによって画像表示装置が構成されている。

図１４（Ａ）及び１４（Ｂ）は、図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）に示す液晶表示デバイス１３２の変形例である。この場合、プリズムアレイ７３ａを射出側の第２基板７３に埋め込んでいる。つまり、第２基板７３は、光軸ＡＸに垂直なＹＺ面に沿って延在するプリズムアレイ７３ａと、プリズムアレイ７３ａの内側に配置される本体部分７３ｂとを備える。このプリズムアレイ７３ａは、透明画素電極７７すなわち画素部分ＰＰに対応する所定パターンで２次元的に配列された多数のプリズム要素ＰＥを有する。図１４（Ａ）に示すように、プリズムアレイ７３ａは、縦断面の中央より上側の部分において、上側（＋Ｙ側）に向かって楔角ωが徐々に増加するプリズム要素ＰＥを有しており、液晶デバイス８０から射出された画像光ＭＬは、プリズム要素ＰＥの屈折面又は偏向面を通過する際に上向きの傾斜角εを与えられて液晶表示デバイス１３２から射出される。また、図１４（Ｂ）に示すように、プリズムアレイ７３ａは、横断面の中央より右側の部分において、左側（−Ｘ側）に向かって楔角ξが徐々に増加するプリズム要素ＰＥを有しており、液晶デバイス８０から射出された画像光ＭＬは、プリズム要素ＰＥの屈折面又は偏向面を通過する際に上向きの傾斜角ηを与えられて液晶表示デバイス１３２から射出される。

本実施形態の虚像表示装置１００では、液晶表示デバイス１３２の画素単位で画像光ＭＬの射出方向を調整することができる。これにより、液晶表示デバイス１３２から射出され観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれる実効的な画像光ＦＬ（画像光ＭＬ）の傾きが画面上の領域に対応して偏りを有する場合であっても、これに対応する指向性を有する画像光ＭＬを形成することができ、輝度斑の発生を抑えて照明光の利用効率を高めることができる。

なお、プリズムアレイ７３ａについては、第１及び第２基板７２，７３の外側に貼り付けるなど、液晶表示デバイス１３２に対して外付けする構造とすることもできる。

〔第３実施形態〕
以下、第３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又は第２実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１実施形態等の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図１５（Ａ）及び１５（Ｂ）に示す液晶表示デバイス（画像光形成部）２３２は、画像光の指向性に関して非一様な分布を形成するための光学指向性変更部２３８を内蔵している光透過型の液晶表示素子である。本実施形態の場合、液晶表示デバイス（画像光形成部）２３２から光学指向性変更部２３８を除いたものと、不図示の照明装置３１とによって画像表示装置が構成されている。

液晶表示デバイス２３２の液晶パネル５１において、光入射側の第１基板７２は、光軸ＡＸに垂直なＹＺ面に沿って延在するマイクロレンズアレイ２７２ａと、マイクロレンズアレイ２７２ａの内側に配置される本体部分７２ｂとを備える。このマイクロレンズアレイ２７２ａは、画像光ＭＬの指向性を調整する光学指向性変更部２３８として機能しており、透明画素電極７７すなわち画素部分ＰＰに対応する所定パターンで２次元的に配列された多数のレンズ要素ＬＥを有する。ここで、図１５（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ２７２ａのＹ方向のピッチＰｍは、画素部分ＰＰのＹ方向のピッチＰｃよりも僅かに大きくなっている。このため、Ｙ方向又は縦方向に関して、レンズ要素ＬＥの光軸又は中心は、画素部分ＰＰの中心から徐々に偏芯している。つまり、このマイクロレンズアレイ２７２ａでは、中央より上側の部分において、上側（＋Ｙ側）に向かって偏芯が徐々に大きくなっており、中央より下側の部分においも、下側（−Ｙ側）に向かって偏芯が徐々に大きくなっている。また、図１５（Ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ２７２ａのＸ方向のピッチＰｍ'は、画素部分ＰＰのＹ方向のピッチＰｃ'よりも僅かに大きくなっている。このため、Ｘ方向又は横方向に関して、レンズ要素ＬＥの光軸又は中心は、画素部分ＰＰの中心から徐々に偏芯している。つまり、このマイクロレンズアレイ２７２ａでは、中央より右側の部分において、左側（−Ｘ側）に向かって偏芯が徐々に大きくなっており、中央より左側の部分においも、右側（＋Ｘ側）に向かって偏芯が徐々に大きくなっている。

図２（Ａ）のバックライト導光部３１ｂから一様に射出された照明光ＩＬは、マイクロレンズアレイ２７２ａの屈折面又は偏向面を通過する際に、単に集光されるだけでなく、発散するように上向き又は下向きの傾斜角εを与えられるとともに右向き又は左向きの傾斜角ηを与えられて液晶デバイス８０に入射する。これらの傾斜角ε，ηの分布は、第１実施形態の場合と同様に、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示すような光束取込みの角度特性と対応するようなものとなっている。これにより、液晶表示デバイス２３２は、これから取り出されて虚像形成に有効に活用される画像光ＦＬの射出角度μ，θに対応する傾斜角ε，ηの照明光ＩＬによって照明されることになり、照明光の無駄がなくなり、虚像の輝度斑を低減することができる。なお、マイクロレンズアレイ２７２ａを用いた場合、照明光ＩＬを集光することでブラックマトリクス７９で遮光される光束を低減でき、光利用効率の更なる向上を期待することができる。

図１６（Ａ）及び１６（Ｂ）は、図１５（Ａ）及び１５（Ｂ）に示す液晶表示デバイス２３２の変形例である。この場合、マイクロレンズアレイ２７３ａを射出側の第２基板２７３に埋め込んでいる。つまり、第２基板２７３は、光軸ＡＸに垂直なＹＺ面に沿って延在するマイクロレンズアレイ２７３ａと、マイクロレンズアレイ２７３ａの内側に配置される本体部分７３ｂとを備える。このマイクロレンズアレイ２７３ａは、透明画素電極７７すなわち画素部分ＰＰに対応する所定パターンで２次元的に配列された多数のレンズ要素ＬＥを有する。図１６（Ａ）の縦断面に示すように、マイクロレンズアレイ２７３ａは、中央より上側の部分において、上側（＋Ｙ側）に向かって偏芯が徐々に大きくなる構造を有している。液晶デバイス８０から射出された画像光ＭＬは、レンズ要素ＬＥの屈折面又は偏向面を通過する際に上向きの傾斜角εを与えられて液晶表示デバイス２３２から射出される。図示を省略しているが、中央より下側の部分においも、下側（−Ｙ側）に向かって偏芯が徐々に大きくなっている。また、図１６（Ｂ）の横断面に示すように、マイクロレンズアレイ２７３ａは、中央より右側の部分において、左側（−Ｘ側）に向かって偏芯が徐々に大きくなる構造を有しており、中央より左側の部分においも、右側（＋Ｘ側）に向かって偏芯が徐々に大きくなる構造を有している。

なお、図１６（Ａ）及び１６（Ｂ）に示す液晶表示デバイス２３２において、入射側の第１基板７２にも、光学指向性変更部２３８としてのマイクロレンズアレイ２７２ａを埋め込むことができる。

本実施形態の虚像表示装置１００では、液晶表示デバイス２３２の画素単位で画像光ＭＬの射出方向を調整することができる。これにより、液晶表示デバイス２３２から射出され観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれる実効的な画像光ＦＬ（画像光ＭＬ）の傾きが画面上の領域に対応して偏りを有する場合であっても、これに対応する指向性を有する画像光ＭＬを形成することができ、輝度斑の発生を抑えて照明光の利用効率を高めることができる。

なお、プリズムアレイ７３ａについては、第１及び第２基板７２，７３の外側に貼り付けるなど、液晶表示デバイス２３２に対して外付けする構造とすることもできる。

〔第４実施形態〕
以下、第４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の変形例であり、特に説明しない場合、第１実施形態等の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図１７に示ように、画像表示装置１１は、図２に示す光源３１ａに代えて面光源状発光部である照明装置４３１を備えており、バックライト導光部３１ｂが不要となっている。つまり、面光源状発光部は、それ自体で２次元的に広がる面状の光源となっている。照明装置４３１と液晶表示デバイス（画像光形成部）３２との間に光学指向性変更部３８が配置されている。より具体的には、照明装置４３１の液晶表示デバイス（画像光形成部）３２側の射出面ＥＰ上に、光学指向性変更部３８が貼り付けられて一体化されている。光学指向性変更部３８は、第１実施形態の場合と同様に、照明光ＳＬに所望の指向性の分布を形成することができ、結果的に、画像光ＭＬにも所望の指向性の分布を持たせることができる。なお、面発光型の照明装置（面光源状発光部）４３１は、例えば有機ＥＬ素子、ＬＥＤ等の発光素子を２次元的に一様に配列したものである。

〔第５実施形態〕
以下、第５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〜第４実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１実施形態等の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図１８は、第５実施形態に係る虚像表示装置に組み込まれる画像表示装置１１を説明する図である。第５実施形態に係る虚像表示装置の場合、図２の画像表示装置１１において、光変調型の液晶表示デバイス（画像光形成部）３２，２３２等に代えて、自発光型の有機ＥＬ表示デバイス（ＥＬ表示素子）５３２を用いる。この場合、照明装置３１が不要になり、有機ＥＬ表示デバイス（ＥＬ表示素子）５３２内に埋め込んだプリズムアレイ７３ａによって、画像光ＭＬの射出方向に所望の指向性を持たせている。

図示の有機ＥＬ表示デバイス５３２は、１つの画素部分ＰＰ及びその周辺を拡大した縦断面によって説明されている。有機ＥＬ表示デバイス５３２の構造について簡単に説明すると、有機ＥＬ表示デバイス５３２は、Ｓｉ基板６１上に形成されており、Ｓｉ基板６１上に絶縁層６２、発光層６３、光透過性カソード層６５、接着層６６、封止層６７、及び光透過基板６８を順次積層した構造を有する。Ｓｉ基板６１には、有機ＥＬ表示デバイス５３２の駆動回路等が形成されており、駆動回路から延びる電極領域６１ａが、絶縁層６２を貫通して発光層６３に延びるアノード６４と接続されている。発光層６３は、アノード６４と光透過性カソード層６５との間に挟まれた発光領域６３ａを有する。光透過性カソード層６５上には、接着層６６及び封止層６７を挟んで光透過基板６８が接着されている。光透過性カソード層６５と封止層６７とに挟まれた接着層６６には、光学指向性変更部５３８として、プリズムアレイ７３ａが埋め込むように形成されている。

図示の有機ＥＬ表示デバイス５３２の各画素部分ＰＰからの画像光ＭＬは、プリズムアレイ７３ａの屈折面又は偏向面を通過する際に、例えば上向きの傾斜角εを与えられる。有機ＥＬ表示デバイス５３２全体では、第２及び第３実施形態の場合と同様に、例えば図８に矢印ＤＡ１，ＤＡ２で示す光束取込みピークに対応する２次元分布で指向性を有する画像光ＭＬを形成することができる。

光学指向性変更部５３８としてのプリズムアレイ７３ａは、画像光ＭＬの指向性を調整するため、傾斜角が調整された複数のプリズム要素ＰＥを有する。図示の例では、プリズムアレイ７３ａは、有機ＥＬ表示デバイス５３２の画素単位で分離して形成されているが、有機ＥＬ表示デバイス５３２の表示面全体に形成することもできる。また、図示の例では、１つの画素に複数のプリズム要素ＰＥを設けているが、単一のプリズム要素ＰＥのサイズを大きくして１つの画素を覆うようにすることもできる。

本実施形態の虚像表示装置１００では、有機ＥＬ表示デバイス５３２の画素単位で画像光ＭＬの射出方向を調整することができる。これにより、有機ＥＬ表示デバイス５３２から射出され観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれる実効的な画像光ＦＬ（画像光ＭＬ）の傾きが画面上の領域に対応して局所的な偏りを有する場合であっても、これに対応する指向性を有する画像光ＭＬを形成することができ、輝度斑の発生を抑えて照明光の利用効率を高めることができる。

なお、プリズムアレイ７３ａは、光束を収束させる機能を有するレンズアレイに置き換えることができる。また、プリズムアレイ７３ａは、有機ＥＬ表示デバイス５３２内に限らず、有機ＥＬ表示デバイス５３２の光射出面上に配置することができる。

以上では、画像表示装置１１に組み込む自発光型の表示装置として、有機ＥＬ表示デバイス５３２を用いる場合について説明したが、自発光型の表示装置は、有機ＥＬ表示デバイス５３２に限らず、有機ＥＬとは異なる他の種類の自発光型表示デバイスとすることができる。

〔第６実施形態〕
以下、第６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〜第５実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１〜第５実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図１９（Ａ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１を変形した導光部材６２１を説明する図である。以上の説明では、導光部材２１を伝播する画像光が第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに対して２つの反射角γ１，γ２のみで全反射されるとしたが、図１９（Ａ）に示す変形例の導光部材６２１のように、３つの成分の画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２，ＧＬ３３が反射角γ１，γ２，γ３（γ１＞γ２＞γ３）でそれぞれ全反射されることを許容することもできる。この場合、液晶表示デバイス３２から射出される画像光ＧＬは、３つのモードで伝搬され、観察者の眼ＥＹの位置において合成されて虚像として認識される。この場合、図１９（Ｂ）に示すように、有効表示領域Ａ０の左側に例えば計３回全反射の投射像ＩＭ２１が形成され、有効表示領域Ａ０の中央寄りに例えば計５回全反射の投射像ＩＭ２２が形成され、有効表示領域Ａ０の右側に例えば計７回全反射の投射像ＩＭ２３が形成される。

〔第７実施形態〕
以下、第７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〜第６実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１〜第６実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図２０（Ａ）〜２０（Ｃ）に示す虚像表示装置１００は、画像形成装置１０と、導光装置７２０とを一組として備える。導光装置７２０は、その一部として導光部材７２１を有している。導光部材７２１は、導光本体部２０ａと、画像取出部である角度変換部７２３とを備える。なお、図２０（Ａ）は、図２０（Ｂ）に示す導光部材７２１のＡ−Ａ断面に対応する。

導光部材７２１の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板である導光本体部２０ａによって形成されている。また、導光部材７２１は、側面として、第１反射面２１ａと、第２反射面２１ｂと、第３反射面２１ｃとを有する。また、導光部材７２１は、第１、第２及び第３反射面２１ａ，２１ｂ，２１ｃに隣接するとともに互いに対向する上面２１ｅと下面２１ｆとを有する。さらに、導光部材７２１は、長手方向の一端において導光本体部２０ａに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部７２３を有し、長手方向の他端において導光本体部２０ａを拡張するように形成されたプリズム部ＰＳ及びこれに付随する第３反射面２１ｃを有する構造となっている。導光部材７２１は、一体的な部品であるが、第１実施形態の場合と同様に、光入射部Ｂ１と導光部Ｂ２と光射出部Ｂ３とに分けて考えることができ、このうち光入射部Ｂ１は、第３反射面２１ｃと後述する光入射面ＩＳとを有する部分であり、光入射部Ｂ１は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを有する部分であり、導光部Ｂ２は、角度変換部７２３と後述する光射出面ＯＳとを有する部分である。

導光本体部２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＸＹ面に平行で画像形成装置１０に対向する裏側又は観察者側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射面ＩＳと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光射出面ＯＳとを有している。導光本体部２０ａは、そのプリズム部ＰＳの側面として光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、これを被覆するようにミラー層２５が形成されている。ここで、ミラー層２５は、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面ＩＳに対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部である第３反射面２１ｃとして機能する。この第３反射面２１ｃは、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｚ方向に向かう画像光を、全体として−Ｚ方向に偏った−Ｘ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光本体部２０ａ内に確実に結合させる。また、導光本体部２０ａにおいて、光射出面ＯＳの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部７２３が形成されている。導光本体部２０ａは、入口側の第３反射面２１ｃから奥側の角度変換部７２３にかけて延在し、プリズム部ＰＳを介して内部に入射させた画像光を角度変換部７２３に導く。

導光部材７２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、平板状の導光本体部２０ａの主面であり互いに対向しＸＹ面に対して平行に延びる２平面として、プリズム部ＰＳで折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。第３反射面２１ｃで反射された画像光は、まず、第１反射面２１ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第２反射面２１ｂａに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光装置７２０の奥側即ち角度変換部７２３を設けた−Ｘ側に導かれる。

導光本体部２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される角度変換部７２３は、導光部材７２１の奥側（−Ｘ側）において、第２反射面２１ｂの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部７２３は、導光部材７２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。つまり、角度変換部７２３は、画像光の角度を変換している。ここでは、角度変換部７２３に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。角度変換部７２３の詳しい構造については、図２１（Ａ）等により後述する。

なお、導光本体部２０ａに用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光部材７２１に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光部材７２１内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光部材７２１内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。

画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光部材７２１に入射した画像光は、第３反射面２１ｃで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材７２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＡＸに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部７２３において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから外部に射出される。光射出面ＯＳから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。

以下、導光部材７２１中の画像光の光路について説明する。なお、第７実施形態における導光装置７２０の場合、縦の第１方向Ｄ１（Ｙ方向）に関して、図１（Ａ）の導光装置２０と同様に機能する。一方、導光装置７２０は、横の第２方向Ｄ２（Ｘ方向）に関して、多数の伝搬モードの画像光を導光させるものとなっており、２つの伝搬モードの画像光を導光させる図２（Ａ）の導光装置２０と異なっている。

図２０（Ａ）に示すように、画像表示装置１１の液晶表示デバイス（画像光形成部）３２から射出される画像光のうち、射出面３２ａの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光ＧＬ０１とし、射出面３２ａの紙面右側（＋Ｘ側）から射出される一点鎖線で示す成分を画像光ＧＬ０２とし、射出面３２ａの紙面左側（−Ｘ側）から射出される二点鎖線で示す成分を画像光ＧＬ０３とする。

投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ０１，ＧＬ０２，ＧＬ０３の主要成分は、導光部材７２１の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光ＧＬ０１，ＧＬ０２，ＧＬ０３のうち、液晶表示デバイス（画像光形成部）３２の射出面３２ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ０１は、平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、標準反射角γ_０で導光部材７２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ０１は、標準反射角γ_０を保った状態で、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ０１は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、角度変換部７２３の中央部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ０１は、この中央部２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＸＹ面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの一端側（＋Ｘ側）から射出された画像光ＧＬ０２は、投射光学系１２の通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、最大反射角γ_＋で導光部材７２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。画像光ＧＬ０２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、角度変換部７２３のうち最も奥側（−Ｘ側）の周辺部２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、第３反射面２１ｃ側に戻されるようなものになっており、＋Ｘ軸に対して鋭角となる。液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの他端側（−Ｘ側）から射出された画像光ＧＬ０３は、投射光学系１２の通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、最小反射角γ₋で導光部材７２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。画像光ＧＬ０３は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、角度変換部７２３のうち最も入口側（＋Ｘ側）の周辺部２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、第３反射面２１ｃ側から離れるようなものになっており、＋Ｘ軸に対して鈍角となる。

ここで、導光部材７２１に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．５とすると、その臨界角γｃの値はγｃ≒４１．８°となり、ｎ＝１．６とすると、その臨界角γｃの値はγｃ≒３８．７°となる。各画像光ＧＬ０１，ＧＬ０２，ＧＬ０３の反射角γ_０，γ_＋，γ₋のうち最小である反射角γ₋を臨界角γｃよりも大きな値とすることで、必要な画像光について導光部材７２１内における全反射条件を満たすものにできる。

以下、図２１（Ａ）等を参照して、角度変換部７２３の構造及び角度変換部７２３による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。

まず、角度変換部７２３の構造について説明する。角度変換部７２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２ｃで構成される。つまり、角度変換部７２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２ｃを所定のピッチＰＴで導光部材７２１の延びる主導光方向すなわち−Ｘ方向に沿って多数配列させることで構成されている。各反射ユニット２ｃは、奥側即ち光路下流側に配置される１つの反射面部分である第１の反射面２ａと、入口側即ち光路上流側に配置される他の１つの反射面部分である第２の反射面２ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、少なくとも第２の反射面２ｂは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット２ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２ａ，２ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。より具体的には、第１及び第２の反射面２ａ，２ｂは、第２反射面２１ｂに平行で反射ユニット２ｃの配列される配列方向である±Ｘ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第１及び第２の反射面２ａ，２ｂは、当該長手方向を軸として、第２反射面２１ｂに対してそれぞれ異なる角度（即ちＸＹ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜している。結果的に、第１の反射面２ａは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第２の反射面２ｂも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図２１（Ａ）等に示す具体例において、各第１の反射面２ａは、第２反射面２１ｂに対して略垂直な方向（Ｚ方向）に沿って延びているものとしている。また、各第２の反射面２ｂは、対応する第１の反射面２ａに対して時計方向に所定角度（相対角度）δをなす方向に延びている。ここで、相対角度δは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。

図２１（Ａ）等に示す具体例において、第１の反射面２ａは、第２反射面２１ｂに対して略垂直であるものとしているが、第１の反射面２ａの方向は、導光装置７２０の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第２反射面２１ｂに対して＋Ｘ方向を基準として反時計回りに例えば８０°から１００°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第２の反射面２ｂの方向は、＋Ｘ方向を基準として反時計回りに例えば３０°から４０°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第２の反射面２ｂは、第１の反射面２ａに対して４０°から７０°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。

なお、一対の反射面２ａ，２ｂを含む反射ユニット２ｃは、例えば下地のＶ溝の一方の斜面にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、その後の樹脂の充填によって導光装置７２０内に埋め込まれる。

以下、角度変換部７２３による画像光の光路の折曲げについて詳しく説明する。ここでは、画像光のうち、角度変換部７２３の両端側に入射する画像光ＧＬ０２及び画像光ＧＬ０３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。

まず、図２１（Ａ）及び２１（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角γ_＋で導かれた画像光ＧＬ０２は、角度変換部７２３のうち光入射面ＩＳ（図２０（Ａ）参照）から最も遠い−Ｘ側の周辺部２３ｈに１つ以上配置された反射ユニット２ｃに入射する。当該反射ユニット２ｃにおいて、画像光ＧＬ０２は、最初に奥側即ち−Ｘ側の第１の反射面２ａで反射され、次に、入口側即ち＋Ｘ側の第２の反射面２ｂで反射される。当該反射ユニット２ｃを経た画像光ＧＬ０２は、他の反射ユニット２ｃを経ることなく、図２０（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ０２は、角度変換部７２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。

また、図２１（Ａ）及び２１（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい反射角γ₋で導かれた画像光ＧＬ０３は、角度変換部７２３のうち光入射面ＩＳ（図２０（Ａ）参照）に最も近い＋Ｘ側の周辺部２３ｍに１つ以上配置された反射ユニット２ｃに入射する。当該反射ユニット２ｃにおいて、画像光ＧＬ０３は、画像光ＧＬ０２の場合と同様に、最初に奥側即ち−Ｘ側の第１の反射面２ａで反射され、次に、入口側即ち＋Ｘ側の第２の反射面２ｂで反射される。当該反射ユニット２ｃを経た画像光ＧＬ０３は、他の反射ユニット２ｃを経ることなく、角度変換部７２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。

ここで、上記のような第１及び第２の反射面２ａ，２ｂでの２段階での反射の場合、図２１（Ｂ）及び２１（Ｃ）に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−δ）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部７２３に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角γ_０，γ_＋，γ₋等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を角度変換部７２３のうち−Ｘ側の周辺部２３ｈ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を角度変換部７２３のうち＋Ｘ側の周辺部２３ｍ側に入射させた場合にも、画像光を全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で画像光を取り出す構成であるため、導光部材７２１は、画像光を角度変換部７２３において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、画像光を少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。

また、導光部材７２１の形状や屈折率、角度変換部７２３を構成する反射ユニット２ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ０２，ＧＬ０３等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面ＯＳから射出される画像光を、基本の画像光ＧＬ０１即ち光軸ＡＸを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼ＥＹに入射させることができる。ここでは、一端の画像光ＧＬ０２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ_１２（導光装置７２０内ではθ_１２'）と、他端の画像光ＧＬ０３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ_１３（導光装置７２０内ではθ_１３'）導光装置７２０とは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。つまり、画像光は、光軸ＡＸを中心にして対称性のある状態で眼ＥＹに対して射出されている。このように、角度θ_１２と角度θ_１３との角度が等しく、光軸ＡＸに対して対称性があるとすることで、角度θ_１２及び角度θ_１３は、横画角の半分の値である横半画角となる。

なお、既に説明したように、一群の反射ユニット２ｃを構成する第１の反射面２ａ又は第２の反射面２ｂは、ピッチが一定で互いに平行になっている。これにより、観察者の眼ＥＹに入射する虚像光である画像光を一様なものとでき、観察される画像の品質の低下を抑えることができる。角度変換部７２３を構成する各反射ユニット２ｃの間隔であるピッチＰＴの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．２ｍｍ〜１．３ｍｍとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、角度変換部７２３において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット２ｃによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。

以上の導光部材７２１を用いる場合にも、液晶表示デバイス３２から射出され投射光学系１２を通過した画像光の光束取込みの角度特性が縦方向と横方向とで異なるものとなり、縦の第１方向Ｄ１（Ｙ方向）に関しては、図６（Ａ）等に示す傾向又は特性と同様に、周辺部の画像光ほど外側に傾斜して取り込まれる傾向が強まる。一方、横の第２方向Ｄ２（Ｘ方向）に関しては、例えば第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂでの反射回数が異なる画像の重複部分で画像光の傾斜角が大きくなる傾向が生じる。つまり、中央の画像光ほど内側に傾斜して取り込まれる傾向がなくなり、シミュレーション等によって画面位置ごとに画像光が取り込まれるピーク方向を見積もる必要がある。

第７実施形態に係る虚像表示装置１００の場合も、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様に、光学指向性変更部３８等を備える画像形成装置１０によって画像光に所望の指向性を持たせることができる。これにより、液晶表示デバイス２３２から射出され観察者の眼ＥＹに有効に取り込まれる実効的な画像光ＭＬの傾きが画面上の位置又は領域に対応して偏りを有していても、これに対応する指向性を有する画像光ＭＬを形成して、輝度斑の発生を抑えて照明光の利用効率を高めることができる。

〔第８実施形態〕
以下、第８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７実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第７実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図２２（Ａ）及び２２（Ｂ）に示すように、本実施形態の場合、導光部材７２１の角度変換部９２３は、多数の画像光反射面２ｄを所定のピッチでＸ方向に多数配列した構造を有する。これらの画像光反射面２ｄは、主導光方向であり画像光反射面２ｄの配列される−Ｘ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向を長手方向として、帯状に延びている。これらの画像光反射面２ｄは、互いに平行であり、第２反射面２１ｂに対して同一の角度τをそれぞれなしている。画像光反射面２ｄは、反射率の調整により、画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。なお、隣接する画像光反射面２ｄ間は、画像光を取り出すための反射面等としての機能を有しない境界部２ｅによって繋がれている。結果的に、画像光反射面２ｄは、分離した状態で主導光方向に沿って即ちＺ方向に沿って周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。なお、画像光反射面２ｄは、例えば下地のＶ溝の一方の斜面にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、その後の樹脂の充填によって導光部材７２１内に埋め込まれる。

図２２（Ａ）に示すように、最小反射角γ₋で導光部材７２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射される画像光ＧＬ０２は、角度変換部９２３を複数回通過した後、角度変換部９２３のうち最も奥側（−Ｘ側）の周辺部２３ｈに達し、周辺部２３ｈでの反射により、眼ＥＹの光軸ＡＸに対して角度θ_１２で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。一方、図２２（Ｂ）に示すように、最大反射角γ_＋で導光部材７２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射される画像光ＧＬ０３は、角度変換部９２３のうち最も入口側（＋Ｘ側）の周辺部２３ｍに達し、周辺部２３ｍでの反射により、眼ＥＹの光軸ＡＸに対して角度θ_１３で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。

なお、本実施形態において、照明装置３１に光学指向性変更部３８，８３８を組み込む代わりに、第２、第３実施形態のように、液晶表示デバイス（画像光形成部）１３２，２３２に光学指向性変更部１３８，２３８を組み込むこともできる。

〔第９実施形態〕
以下、第９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７実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第７実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図２３に示すように、虚像表示装置１００は、プリズム部ＰＳやミラー層２５（図２（Ａ）等参照）に代えてホログラム素子１０２５を備えるものとできる。この場合、画像表示装置１１は、照明装置３１として、例えば３色の光束を発生するＬＥＤ等からなる光源１０３１ａを内蔵するものを備える。また、導光部材７２１の入射側端の第２反射面２１ｂの延長面上には、ホログラム素子１０２５が貼り付けられている。ホログラム素子１０２５は、光源１０３１ａの発生する３色に応じた３層構造のホログラム層を有するものとする。これにより、ホログラム素子１０２５は、入射側端の第２反射面２１ｂの近辺に形成された仮想的なミラーとして、画像表示装置１１からの各色光を所望の方向に反射させる機能を有するものとなる。つまり、ホログラム素子１０２５は、画像光の反射方向の調整を可能とする。このホログラム素子１０２５により、画像光を導光部材７２１内に効率良く取り込ませることができる。

なお、角度変換部７２３（図２１（Ａ）参照）に代えてホログラム素子を用いることもできる。また、導光装置７２０の導光部材７２１の第３反射面２１ｃや第４反射面２１ｄにおいて、ミラーやハーフミラーに代えてホログラム素子を用いることもできる。

〔その他〕
以上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。

上記第１〜第３実施形態等では、画像光ＦＬ又は画像光ＧＬの射出角度が、液晶表示デバイス３２の中央から上下方向に離れて射出位置が大きくなるほど外向きに大きく傾斜するとともに、左右から中央に向かって射出位置が小さくなるほど内向きに大きく傾斜するとともにとしたが、このような傾向と異なる光束取込みの角度特性を有する投射光学系１２及び導光装置２０を用いる場合も、本発明の手法を用いることができる。例えば、導光装置２０が画像光を横方向ではなく縦方向に導光させるものである場合、画像光ＦＬの射出角度は、縦と横とが入れ替わった傾斜特性を有するものとなるので、この場合、光学指向性変更部３８，１３８，２３８等によって与えられる配光特性も縦横を入れ替えることになる。第７実施形態も同様であり、導光装置７２０が画像光を横方向ではなく縦方向に導光させるものである場合、光学指向性変更部３８によって与えられる配光特性も縦横を入れ替えることになる。

上記実施形態では、光学指向性変更部３８，１３８，２３８が平板状の部材であるとしたが、光学指向性変更部３８，１３８，２３８を肉厚のレンズやプリズム、回折光学素子に置き換えることもできる。光学指向性変更部を回折光学素子から形成することより、指向性の調整の自由度が高まる。

上記第１実施形態等では、光学指向性変更部３８を単一のプリズムアレイシートとしているが、複数のシート部分に分割することもできる。例えば縦のＹ方向に関して複数部分に分割したり、横のＸ方向に関して複数部分に分割したりすることができ、各部分で異なるプリズム形状を設定することができる。

上記実施形態では、プリズムアレイ７２ａ、マイクロレンズアレイ２７３ａ等を用いたが、これらに代えて回折光学素子等を用いることもできる。

上記第２、３実施形態では、特に説明しなかったが、液晶パネル５１と一対の偏光フィルター５２ａ，５２ｂの少なくとも一方との間に位相差補償板を挿入してコントラスト向上を図ることもできる。

上記の説明では、画像光形成部として、透過型の液晶表示デバイス３２等を用いているが、画像光形成部としては、透過型の液晶表示デバイス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３２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。

上記の説明では、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１反射面２１ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２反射面２１ｂと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。

上記の説明では、導光部材２１が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材２１は、縦方向に延びるものとできる。この場合、光学パネル１１０は、直列的ではなく並列的に平行配置されることになる。

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。

上記実施形態の虚像表示装置１００では、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ表示装置１００Ａ，１００Ｂ（具体的には画像形成装置１０、導光装置２０等）設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ例えば画像形成装置１０と導光装置２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記実施形態では、光入射面ＩＳを通る第１光軸ＡＸ１と光入射面ＩＳを通る第２光軸ＡＸ２とが平行であるとしたが、これらの光軸ＡＸ１，ＡＸ２を非平行とすることもできる。

上記実施形態では、液晶表示デバイス３２の表示輝度を特に調整していないが、図５（Ｂ）に示すような投射像ＩＭ１，ＩＭ２の範囲や重複に応じて表示輝度の調整を行うことができる。

上記実施形態では、導光部材２１の第４反射面２１ｄに設けたハーフミラー層２８の反射率を２０％としてシースルーを優先しているが、ハーフミラー層２８の反射率を５０％以上として画像光を優先することもできる。なお、ハーフミラー層２８は、第４反射面２１ｄの一部の必要領域にのみ形成される必要はなく、第４反射面２１ｄの全面に形成されたものとできる。また、ハーフミラー層２８は、光透過部材２３の第３面２３ｃ上に形成することもできる。

また、角度変換部７２３を構成する反射ユニット２ｃの配列のピッチＰＴについては、各第１の反射面２ａ間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチＰＴにある程度の差異がある場合も含むものとする。

上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、角度変換部７２３等は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、外界像を観察させる必要がない場合、第１及び第２の反射面２ａ，２ｂ双方の光反射率を略１００％することが可能である。

上記の説明では、プリズム部ＰＳを構成するミラー層２５や斜面ＲＳの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２５等の傾斜角度を光軸ＡＸに対して用途その他の仕様に応じて様々な値とすることができる。

上記の説明では、反射ユニット２ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にＲ（丸み）を付けているものであってもよい。

上記の説明では、光入射部Ｂ１と導光部Ｂ２と光射出部Ｂ３とを備える導光装置２０，７２０を用いたが、光入射部Ｂ１や光射出部Ｂ３において、平面ミラーを用いる必要はなく、球面又は非球面の曲面ミラーによってレンズ的な機能を持たせることもできる。さらに、図２４に示すように、光入射部Ｂ１として、導光部Ｂ２から分離したプリズム又はブロック状のリレー部材１１２５を用いることができ、このリレー部材１１２５の入射出射面や反射内面にレンズ的な機能を持たせることもできる。なお、導光部Ｂ２を構成する導光体２６には、画像光ＧＬを反射によって伝搬させる第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂが設けられているが、これらの反射面２１ａ，２１ｂは、互いに平行である必要はなく、曲面とすることもできる。

２ａ，２ｂ…反射面、 ２ｃ…反射ユニット、 ２ｄ…画像光反射面、 １０…画像形成装置、 １１…画像表示装置、 １２…投射光学系、 ２０，７２０…導光装置、 ２１，３２１…導光部材、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…第１〜第４反射面、 ２３…光透過部材、 ２３ｈ，２３ｍ…周辺部、 ２３ｋ…中央部、 ２８…ハーフミラー層、 ３１…照明装置、 ３１ａ…光源（発光部）、 ３１ｂ…バックライト導光部、 ３１ｅ…平板部材、 ３２，１３２，２３２…液晶表示デバイス（画像光形成部、液晶表示素子）、 ３４…駆動制御部、 ３８，１３８，２３８，５３８，８３８…光学指向性変更部、 ５１…液晶パネル、 ７２ａ…プリズムアレイ、 ７３ａ…プリズムアレイ、 ８０…液晶デバイス、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １１０…光学パネル、 ２７２ａ…マイクロレンズアレイ、 ４３１…照明装置、 ５３２…ＥＬ表示デバイス、 １０２５…ホログラム素子、 １０３１ａ…光源、 Ａ１０，Ａ２０…部分領域、 ＡＨ１〜ＡＨ６…領域部分、 ＡＶ１〜ＡＶ６…領域部分、 ＡＸ，ＡＸ１，ＡＸ２…光軸、 Ｂ１…光入射部、 Ｂ２…導光部、 Ｂ３…光射出部、 Ｂ４…透視部、 ＣＳ１…縦断面、 ＣＳ２…横断面、 Ｄ１…第１方向、 Ｄ２…第２方向、 ＥＹ…眼、 ＦＬ…画像光、 ＧＬ…画像光、 ＩＬ…照明光、 ＩＭ１，ＩＭ２…投射像、 ＩＳ…光入射面、 ＬＥ…レンズ要素、 ＬＩ…入射光、 ＭＬ…画像光、 ＯＳ…光射出面、 ＰＥ…プリズム要素、 ＰＰ…画素部分、 ＳＩ…重複画像、

Claims (22)

1. 画像光を形成する画像表示装置と、
   前記画像表示装置から射出された前記画像光による虚像を形成する投射光学系と、
   前記投射光学系を通過した前記画像光を内部に取り込む光入射部と、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を対向して平行に延びる第１及び第２反射面での全反射により導く導光部と、前記導光部を経た前記画像光を外部に取出す光射出部と、を有する導光装置と、
   前記画像表示装置から射出される前記画像光の指向性を変化させて、前記第１反射面と平行で前記導光部の主導光方向に垂直な第１方向と、前記第１反射面と平行で前記第１方向に垂直な第２方向とに関して、前記画像表示装置の表示領域の位置に応じて前記画像光の主指向性方向を異なる角度に屈曲させた非一様な分布を形成し、前記画像光に光束取込みの角度特性に対応する指向性を持たせる光学指向性変更部と、
   を備える虚像表示装置。
2. 前記光学指向性変更部は、前記第２方向に関して、前記表示領域の位置に応じて前記表示領域の周辺部から中心に向かうほど前記画像光をより内側に向けるように前記画像光の主指向性方向を屈曲させる、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記光学指向性変更部は、前記第１方向に関して、前記表示領域の位置に応じて前記表示領域の中心から周辺部に向かうほど前記画像光をより外側に向けるように前記画像光の主指向性方向を屈曲させる、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記画像光の主指向性方向は、前記画像光の最も輝度の高い方向である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記光学指向性変更部は、シート状のアレイ部材であり、前記画像光の主指向性方向を異なる角度に屈曲させる複数の光学要素を有する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記光学指向性変更部は、前記第１方向と前記第２方向とに関して指向性の角度分布である配光特性が異なる、請求項１から５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記画像表示装置は、照明装置と、前記照明装置からの光を制御して前記画像光を形成する画像光形成部とを備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記照明装置は、発光部と、前記発光部からの光束を面光源状に広げるバックライト導光部とを有し、
   前記光学指向性変更部は、前記バックライト導光部と前記画像光形成部との間に配置される、請求項７に記載の虚像表示装置。
9. 前記照明装置は、面光源状発光部を有し、
   前記光学指向性変更部は、前記面光源状発光部と前記画像光形成部との間に配置される、請求項７に記載の虚像表示装置。
10. 前記光学指向性変更部は、プリズムアレイシート、フレネルレンズ、回折光学素子、及びマイクロレンズアレイの少なくとも１つである、請求項８及び９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記光学指向性変更部は、前記バックライト導光部に貼り付けられて前記バックライト導光部と一体化されている、請求項８に記載の虚像表示装置。
12. 前記光学指向性変更部は、前記面光源状発光部に貼り付けられて前記面光源状発光部と一体化されている、請求項９に記載の虚像表示装置。
13. 前記光学指向性変更部は、前記バックライト導光部又は前記面光源状発光部からの照明光を、最も輝度の高い主指向性方向が互いに異なる状態となるように通過させる複数の領域部分を有する、請求項８から１０までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
14. 前記光学指向性変更部は、前記複数の領域部分に対応して形状が異なるプリズムアレイを有する、請求項１３に記載の虚像表示装置。
15. 前記画像表示装置における前記第１方向は、前記導光装置の前記第１及び第２反射面に平行で前記第２方向に垂直な前記導光装置の前記画像光の導光における非折り返し方向に対応し、前記画像表示装置における前記第２方向は、前記導光装置の前記第１及び第２反射面に垂直で前記第１方向に垂直な前記導光装置の前記画像光の導光における折り返し方向に対応し、
    前記第１方向と前記第２方向との少なくとも一方において、輝度が極大となるピーク方向が複数設定されている、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
16. 前記第２方向において、輝度が極大となるピーク方向が複数設定されている、請求項１５に記載の虚像表示装置。
17. 前記光学指向性変更部は、前記画像光形成部に内蔵又は外付けされている、請求項７に記載の虚像表示装置。
18. 前記画像光形成部は、光透過型の液晶表示素子であり、
    前記光学指向性変更部は、前記液晶表示素子の画素部分の光入射側及び光射出側の少なくとも一方に配置されている、請求項１７に記載の虚像表示装置。
19. 前記画像表示装置は、自発光により前記画像光を形成する自発光画像形成部を備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
20. 前記光学指向性変更部は、前記自発光画像形成部に内蔵又は外付けされている、請求項１９に記載の虚像表示装置。
21. 前記自発光画像形成部は、ＥＬ表示素子であり、
    前記光学指向性変更部は、前記ＥＬ表示素子の画素部分の光射出側に配置されている、請求項２０に記載の虚像表示装置。
22. 前記光入射部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、
    前記光射出部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有する、請求項１から２１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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