(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を形成する画像表示装置と、
前記画像表示装置の画素部分に対応する所定のパターンで配置され、前記画像表示装置の位置に応じて前記画像光の指向性を異なる角度に偏らせる複数の光学要素と、
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導く導光部と、反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、前記角度変換部を経た前記画像光を外部に射出する光射出部と、を有する導光板とを備える、虚像表示装置。
【請求項２】
前記複数の光学要素は、前記導光板の導光方向に対応する第１方向に垂直な第２方向に関して、前記画像表示装置の周辺部から射出する前記画像光に対して非一様な分布として外側に指向性を与える偏向素子である、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記複数の光学要素は、前記導光板の前記導光方向に対応する第１方向に垂直な第２方向に関して、前記画像表示装置の中心から前記画像表示装置の周辺部に向かうほど前記画像光を外側に偏向させる偏向面を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記画像表示装置は、発光部と、前記発光部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から請求項３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記画像光形成部は、光透過型の液晶表示素子であり、
前記複数の光学要素は、前記液晶表示素子の光入射側及び光射出側の少なくとも一方に内臓又は外付けされている、請求項４に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記画像表示装置は、発光輝度の制御によって前記画像光を形成する画像光形成部を備え、
前記複数の光学要素は、前記画像光形成部に内蔵又は外付けされている、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記画像光形成部は、自発光型素子であり、
複数の光学要素は、前記自発光型素子の光射出側に内蔵されている、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記指向性を与える方向に関する前記複数の光学要素のピッチは、前記画像光形成部の画素のピッチと異なる、請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記指向性を与える方向に関する前記複数の光学要素のピッチは、前記画像光形成部の画素のピッチよりも大きい、請求項８に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記複数の光学要素は、プリズムアレイシート、フレネルレンズ、及び回折格子の少なくとも１つを構成する光学要素である、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記複数の光学要素は、前記画像光の射出位置に応じて、前記画像光を最も輝度が高い主方向が互いに異なる状態となるように通過させる、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記複数の光学要素は、前記画像光の射出位置に応じて形状が互いに異なる、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
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をさらに備え、
前記導光部は、対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導き、
前記導光板の前記角度変換部は、所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
前記導光板の前記角度変換部は、第１の反射面と前記第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、
各反射ユニットは、前記第１の反射面により前記導光部を経て入射する前記画像光を反射するとともに前記第２の反射面により前記第１の反射面で反射された前記画像光をさらに反射することにより、前記画像光の光路を折り曲げて外部へ取出し可能にする、請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３６１０２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような虚像表示装置において、例えば表示素子の上下部分からの光束は、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部分では輝度が低下し、画像の輝度斑の原因となる。この場合、画面の上下部分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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、（ａ）画像光を形成する画像表示装置と、（ｂ）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光学部材と、（ｃ）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、（ｄ１）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、（ｄ２）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し光入射部から取り込まれた画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、（ｄ３）所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、（ｄ４）角度変換部を経た画像光を外部に射出する光射出部とを有する（ｄ）導光板とを備える。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。
【０００７】
上記虚像表示装置では、光学部材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。なお、上記のような光束取込みの角度特性は、投射光学系や導光板の仕様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大きくなる傾向がある。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、光学部材が画像表示装置の位置に応じて異なる角度に光束を屈曲させる。この場合、位置に応じた照明光や画像光の屈曲によって角度特性を調整することができ、光利用効率を高めることができる。
【０００９】
本発明の別の側面では、光学部材が導光板の角度変換部の上記所定の配列方向に対応する第１方向に垂直な第２方向に関して、画像表示装置の周辺部から射出する画像光に対して上記非一様な分布として外側に指向性を与える偏向素子である。この場合、第１方向すなわち導光板の導光方向に垂直な第２方向に関する光束取込みの角度特性が画像表示装置の表示領域の中心側よりも周辺側で傾斜角がより大きくなるようなものになっていても、偏向素子によって与えられるような外向きの指向性によって第２方向の各位置で明るい画像の観察が可能になり、第２方向に関して輝度斑の発生を抑えることができる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、光学部材が、導光板の角度変換部の上記所定の配列方向に対応する第１方向に垂直な第２方向に関して、画像表示装置の中心から画像表示装置の周辺部に向かうほど画像光を外側に偏向させる偏向面を有する。この場合、第２方向に関する光束取込みの角度特性が画像表示装置の表示領域の中心から周辺部に向かうほど傾斜角が増加するものになっていても、かかる角度特性が光学部材又は偏向面によって補償され、第２方向の各位置で明るい画像の観察が可能になり、第２方向に関して輝度斑の発生を抑えることができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置が、発光部と発光部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。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置が、発光輝度の制御によって画像光を形成する画像光形成部を備え、光学部材が、画像光形成部に内蔵又は外付けされている。
【００１３】
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、光学部材が、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、光学部材によって、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。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、光学部材が、プリズムアレイシート、フレネルレンズ、及び回折格子の少なくとも１つである。この場合、光学部材を薄型にすることができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、光学部材が、バックライト導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、光学部材の画像表示装置内への組み付けが容易となる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、光学部材が、バックライト導光部からの照明光を、最も輝度が高い主方向（輝度中心の方向）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を有する。この場合、照明光の配光特性を複数の領域ごとに適切な状態とすることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、光学部材が、複数の領域に対応して形状が互いに異なる複数のプリズムアレイシートを有する。この場合、各領域でプリズムアレイシートを構成するプリズム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。
【００１８】
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、光学部材は、液晶表示素子の光入射側及び光射出側の少なくとも一方に近接して配置される。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、光学部材によって、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。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、光学部材が、液晶表示素子の画素に対応して設けられるブレーズ格子である。この場合、液晶表示素子の画素単位で画像光の射出方向を調整することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、光学部材が、液晶表示素子の画素に対応して設けられるマイクロレンズアレイである。この場合、液晶表示素子の画素単位で画像光の射出方向を調整することができる。
【００２１】
本発明のさらに別の側面では、指向性を与える方向に関するマイクロレンズアレイのピッチが、液晶表示素子の画素のピッチと異なる。この場合、マイクロレンズアレイの光軸を画素中心から徐々にずらすようにして画像光の射出方向の傾斜を徐々に増減させることができる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、指向性を与える方向に関するマイクロレンズアレイのピッチが、液晶表示素子の画素のピッチよりも大きい。この場合、画面の周辺部に向けて画像光の射出方向の傾斜を徐々に増加させることができる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、導光板の角度変換部が、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、各反射ユニットは、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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（Ａ）は、第１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、導光板の正面図及び平面図である。
【図２】（Ａ）は、縦の第２方向に関する光路を展開した概念図であり、（Ｂ）は、横の第１方向に関する光路を展開した概念図である。
【図３】（Ａ）は、液晶表示デバイスから射出される画像光の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。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、画像光の指向性を調整するための光学部材を説明する平面図、側面図、背面図、及び一部破断斜視図である。
【図５】（Ａ）は、光学部材１４の入口側における配光特性を示し、（Ｂ）は、光学部材１４の出口側における配光特性を示す。
【図６】（Ａ）は、光学部材の構造及び機能を説明する一部拡大側面図であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は、光学部材の第２領域の各部分領域から射出される際における照明光の傾斜角又配向角度の状態を説明する斜視図である。
【図７】（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。
【図８】（Ａ）、（Ｃ）は、第１実施形態の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図であり、（Ｂ）、（Ｄ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図である。
【図９】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図である。
【図１０】第２実施形態の変形例を説明する図である。
【図１１】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図である。
【図１２】第３実施形態の変形例を説明する図である。
【図１３】第４実施形態に係る虚像表示装置を説明する図である。
【図１４】変形例の虚像表示装置の一部を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
【００２６】
〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置１０と、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。
【００２７】
虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像形成装置１０と導光板２０とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは右眼用のみを示し、左眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観（不図示）を有するものとなっている。
【００２８】
図１（Ａ）に示すように、画像形成装置１０は、画像表示装置１１と、投射光学系１２と、光学部材１４とを有する。このうち、画像表示装置１１は、２次元的な照明光を射出する照明装置３１と、画像光形成部（具体的には透過型の空間光変調装置）である液晶表示デバイス３２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。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。光学部材１４は、照明装置３１から射出される照明光の配光特性を、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。光学部材（偏向素子）１４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）に対応するものにしている。
【００２９】
図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、画像取出部である角度変換部２３とを備える。導光板２０は、画像形成装置１０で形成された画像光を虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出し、画像として認識させるものである。
【００３０】
導光板２０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板本体部２０ａによって形成されている。また、導光板２０は、長手方向の一端において導光板本体部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２３を有し、長手方向の他端において導光板本体部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入射光折曲部２１を有する構造となっている。
【００３１】
導光板本体部２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ＩＳと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光射出部である光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部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２１ａが形成されている。ここで、ミラー層２１ａは、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面（光入射部）ＩＳに対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部２１として機能する。また、導光板本体部２０ａにおいて、光射出面（光射出部）ＯＳの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部２３が形成されている。
【００３２】
導光板本体部２０ａの光入射面ＩＳに対向し傾斜して配置されるミラー層２１ａとしての入射光折曲部２１は、導光板本体部２０ａの上記斜面ＲＳ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、入射光折曲部２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として−Ｘ方向に向かう画像光を、全体として＋Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部２０ａ内に確実に結合させる。
【００３３】
また、導光板本体部２０ａは、入口側の入射光折曲部２１から奥側の角度変換部２３にかけて、入射光折曲部２１を介して内部に入射させた画像光を角度変換部２３に導くための導光部２２を有している。
【００３４】
導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面であり互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、入射光折曲部２１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０から遠い裏側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０に近い表側にあるものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。入射光折曲部２１で反射された画像光は、まず、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａ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、導光板２０の奥側即ち角度変換部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。
【００３５】
導光板本体部２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される角度変換部２３は、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａ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２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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２３は、画像光の角度を変換している。ここでは、角度変換部２３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２３の詳しい構造については、図７（Ａ）等により後述する。
【００３６】
なお、導光板本体部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。導光板２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板２０内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板２０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。
【００３７】
導光板２０が以上のような構造を有することから、画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光板２０に入射した画像光は、入射光折曲部２１で一様に反射されて折り曲げられ、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＯＡ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２３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。
【００３８】
〔Ｂ．画像光の光路の概要〕
図２（Ａ）に示すように、第２方向Ｄ２に沿った縦断面すなわちＸＹ面（展開後のＸ'Ｙ'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、図中実線で示す表示領域３２ｂの中央から射出される成分を画像光ＦＬ１とし、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ＦＬ２とする。表示領域３２ｂの中央から射出された画像光ＦＬ１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ＯＡ'に沿って、導光板２０の入射光折曲部２１、導光板本体部２０ａ、及び角度変換部２３を通って、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で正面方向から入射する。一方、表示領域３２ｂの上端側（＋Ｙ側）から射出された画像光ＦＬ２は、投射光学系１２によって平行光束化され、一旦展開された光軸ＯＡ'に対して高さＨが最も増した状態となった後に光軸ＯＡ'に対して角度ν2で全体として収束するように、導光板２０の入射光折曲部２１、導光板本体部２０ａ、及び角度変換部２３を通って、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で角度ν2'の方向から傾いて入射する。なお、図示を省略しているが、表示領域３２ｂの下端側（−Ｙ側）から射出された画像光も、投射光学系１２によって平行光束化され、角度ν2で全体として収束するように導光板２０を通って、角度ν2'の方向から観察者の眼ＥＹに傾いて入射する。ここで、眼ＥＹに入射する画像光の上下の傾きを加算した角度２×ν2'は、縦方向の画角に相当する。以上において、表示領域３２ｂの中央からの画像光ＦＬ１については、光軸ＯＡ'に沿って進むものが導光板２０に効率的に結合され眼ＥＹに入射することで有効に活用される。一方、表示領域３２ｂの上下端からの画像光ＦＬ２については、光軸ＯＡ'に対して外側に大きく傾いた射出角度μ2の方向に進むものが導光板２０に効率的に結合され眼ＥＹに入射することで有効に活用される。
【００３９】
図３（Ａ）を参照して、液晶表示デバイス３２の表示領域３２ｂのＹ方向の位置と画像光の射出角度との関係（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の中央から徐々に離れて縦方向の射出位置（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の角度も大きくなる。図３（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における縦方向の射出位置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向きの傾斜角を示している。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が大きくなるほど、導光板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３（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から導光板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。
【００４０】
図２（Ｂ）に示すように、第１方向Ｄ１に沿った横断面すなわち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、図中点線で示す表示領域３２ｂの中央から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、図中一点鎖線で示す表示領域３２ｂの右端側（−Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とする。表示領域３２ｂの中央から射出された画像光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ＯＡ'に沿って、導光板２０の入射光折曲部２１、導光板本体部２０ａ、及び角度変換部２３を通って、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で正面方向から入射する。一方、表示領域３２ｂの右端側（−Ｚ側）から射出された画像光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ＯＡ'に対して角度θ2で全体として収束、交差、及び発散後に最終的に収束するように導光板２０等を通って、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で角度θ2'の方向から傾いて入射する。ここで、角度変換部２３は、画像光ＧＬ２の傾斜の角度θ2をＺ'方向に関して反転させるが角度θ2の大きさを維持する役割を有している。なお、図示を省略しているが、表示領域３２ｂの左端側（＋Ｚ側）から射出された画像光も、投射光学系１２によって平行光束化され、角度θ2で全体として最終的に収束するように、導光板２０を通って、角度θ2'の方向から観察者の眼ＥＹに傾いて入射する。ここで、眼ＥＹに入射する画像光の左右の傾きを加算した角度２×θ2'は、横方向の画角に相当する。以上において、表示領域３２ｂの中央からの画像光ＧＬ１については、光軸ＯＡ'に沿って進むものが導光板２０に効率的に結合され眼ＥＹに入射することで有効に活用される。また、表示領域３２ｂの左右端からの画像光ＦＬ２については、光軸ＯＡ'に略沿って進むものが導光板２０に効率的に結合され眼ＥＹに入射することで有効に活用される。つまり、横方向に関して、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は、比較的一様であり、図３（Ｂ）のように液晶表示デバイス３２の表示領域３２ｂの中心側よりも周辺側で光束の角度が大きくなるといった顕著な傾向が生じにくい。よって、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に特に指向性を持たせなくても、液晶表示デバイス３２から導光板２０延いては眼ＥＹへの光結合効率を比較的高く維持することができると考えられる。
【００４１】
〔Ｃ．照明装置、光学部材等〕
以下、画像表示装置１１に設けた照明装置３１や、画像表示装置１１に付随する光学部材１４の構造等について説明する。
【００４２】
図４（Ａ）〜４（Ｄ）に示すように、照明装置３１は、赤、緑、青の３色を含む光ＳＬを発生する発光部としての光源３１ａと、光源（発光部）３１ａからの光ＳＬ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３１ｂとを備える。
【００４３】
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。
【００４４】
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。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、図５（Ａ）のグラフに示すように、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Ｙ方向の配向角度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Ｚ方向の配向角度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（Ｘ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。
【００４５】
バックライト導光部３１ｂと液晶表示デバイス３２との間に配置されるシート状の光学部材１４は、バックライト導光部３１ｂの射出面ＥＰに貼り付けられて、光学部材１４と一体化されている。光学部材１４は、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を変化させる機能を有する。すなわち、光学部材１４は、照明光の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３（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としている。つまり、図３（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において縦方向の射出位置ｙが大きくなるほど外側（＋ｙ側）に傾いた光束が投射光学系１２や導光板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、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すること、すなわち光学部材１４を用いて照明光の配光分布を調整することによって、照明光や画像光の効率的な利用が可能になる。
【００４６】
光学部材１４は、縦のＹ方向に例えば３分割されたプリズムアレイシートであり、横のＺ方向に細長い帯状の第１〜第３領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を有し、その射出側面は、断面鋸歯状で階段状の偏向面１４ａとなっている。第１領域Ａ１は、平坦なシートであり、中央に配置され、第２領域Ａ２は、プリズムアレイシートであり、上側（＋Ｙ側）に配置され、第３領域Ａ３は、プリズムアレイシートであり、下側（−Ｙ側）に配置される。このうち、第１領域Ａ１は、層状又は平板状であり照明光を略そのまま通過させるが、第２領域Ａ２は、横方向（Ｚ方向）に延びるプリズムアレイを有しており、バックライト導光部３１ｂから入射した照明光を外側（＋Ｙ側）に屈曲させ、第３及領域Ａ３も、横方向（Ｚ方向）に延びるプリズムアレイを有しており、バックライト導光部３１ｂから入射した照明光を外側（−Ｙ側）に屈曲させる。
【００４７】
図６（Ａ）に示すように、光学部材１４の第２領域Ａ２は、上側（＋Ｙ側）に向かって楔角ωが徐々に増加する非一様なプリズムアレイを有しており、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、第２領域Ａ２の偏向面１４ａを通過する際に屈曲による傾斜角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、第２領域Ａ２を構成する各領域部分Ａ２１，Ａ２２，Ａ２３で例示するように、下側よりも上側で徐々に大きくなっている（図６（Ｂ）〜６（Ｄ）参照）。つまり、第２領域Ａ２を通過した後の配光分布又は配光特性は、図５（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）の角度が増加するような指向性を有するものとなっている。一方、第１領域Ａ１は、プリズムアレイを有しておらず、バックライト導光部３１ｂから射出された照明光ＩＬは、そのままの配光分布又は配光特性で液晶表示デバイス３２に入射する。なお、図示を省略するが、第３領域Ａ３は、第２領域Ａ２と同様の構造を有するが上下反転している。つまり、第３領域Ａ３は、下側（−Ｙ側）に向かって楔角ωが徐々に増加する非一様なプリズムアレイを有しており、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、第３領域Ａ３を通過する際に上側よりも下側で大きい傾斜角εを与えられて液晶表示デバイス３２に入射する。
【００４８】
以上において、光学部材１４による照明光ＩＬの屈曲すなわち偏向は、縦方向に関して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、光学部材１４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３（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。
【００４９】
以上において、第２領域Ａ２のうち第１領域Ａ１に近い部分では、楔角ωをゼロに近づけることで、両領域Ａ１，Ａ２のつなぎ目で輝度斑が生じることを防止できる。また、第１領域Ａ１にも、プリズムアレイを設けることで、縦方向の中央周辺で輝度斑が発生することを確実に防止でき光利用効率をさらに高めることができる。
【００５０】
以上では、第２及び第３領域Ａ２，Ａ３で、楔角ωが連続的に変化するとしたが、楔角ωを段階的に変化させることもできる。つまり、両領域Ａ２，Ａ３において、Ｙ方向にさらに複数の分割領域を形成し、各分割領域内で楔角ωを一定にするとともに、隣接する分割領域間で互いに楔角ωが異なるものとできる。
【００５１】
以上では、第２及び第３領域Ａ２，Ａ３にプリズムアレイを形成しているが、プリズムアレイをこれと同様の機能を有するフレネルレンズや回折格子に置き換えることがきる。例えばフレネルレンズを用いる場合、第２及び第３領域Ａ２，Ａ３において、光軸ＡＸを通ってＺ軸に平行に延びる母線に沿ったシリンドリカル型のフレネルレンズを形成することになる。周辺で傾斜角を大きくするためには、フレネルレンズの屈折面を凹又は負の屈折力を有するものとする。このようなフレネルレンズを用いることにより、傾斜角の増加すなわち偏向方向の変化を滑らかなものとできる。また、回折格子を用いる場合、第２及び第３領域Ａ２，Ａ３において、光軸ＡＸを基準として±Ｙ側で位置に応じて回折角度が漸次大きくなるようにする。このような回折格子を用いることにより、光学部材１４を極めて薄くて軽量にできる。
【００５２】
〔Ｄ．横方向に関する画像光の光路〕
図１（Ａ）に示すように、液晶表示デバイス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ＧＬ１とし、射出面３２ａの紙面右側（−Ｚ側）から射出される一点鎖線で示す成分を画像光ＧＬ２とし、射出面３２ａの紙面左側（＋Ｚ側）から射出される二点鎖線で示す成分を画像光ＧＬ３とする。
【００５３】
投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、標準反射角γ0で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ１は、標準反射角γ0を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ１は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、角度変換部２３の中央部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１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ＹＺ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（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、投射光学系１２の通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し入射光折曲部２１で反射された後、最大反射角γ+で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ２は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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２３のうち奥側（＋Ｚ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、入射光折曲部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、投射光学系１２の通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し入射光折曲部２１で反射された後、最小反射角γ-で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ３は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、角度変換部２３のうち入口側（−Ｚ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、入射光折曲部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どなく、視認上画像ムラ等の影響を感じることはない。
【００５４】
ここで、画像光ＧＬ２の反射角γ+はこの導光板２０仕様上の最大値になっており、画像光ＧＬ３の反射角γ-はこの導光板２０仕様上の最小値になっている。よって、他の有効な画像光の導光板２０内における伝搬の全反射角は、これらの反射角γ+，γ-の間の値となる。このような反射角の範囲即ち最大反射角γ+と最小反射角γ-との差は、画像形成装置１０側における光学設計上の横画角即ちＺ方向についての画角に相当するものとなっている。
【００５５】
入射光折曲部２１及び導光部２２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ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の反射角γ0，γ+，γ-のうち最小である反射角γ-を上記臨界角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２２内における全反射条件を満たすものにできる。
【００５６】
〔Ｅ．角度変換部〕
以下、図７（Ａ）〜７（Ｃ）等を参照して、角度変換部２３の構造及び角度変換部２３による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
【００５７】
まず、角度変換部２３の構造について説明する。角度変換部２３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２３ｃで構成される。つまり、角度変換部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチＰＴで導光部２２の延びる第１方向即ちＺ方向に多数配列させることで構成されている。各反射ユニット２３ｃ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２３ａ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２３ｂ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２３ｂ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２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ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２３ａ，２３ｂは、図１（Ａ）等に示す第１の全反射面２２ａに平行で反射ユニット２３ｃの配列される配列方向であるＺ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２３ａ，２３ｂは、当該長手方向を軸として、第１の全反射面２２ａに対してそれぞれ異なる角度（即ちＹＺ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２３ａ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２３ｂ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２（Ａ）等に示す具体例において、各第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ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２３ｂは、対応する第１の反射面２３ａに対して反時計方向に所定角度（相対角度）αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【００５８】
図７（Ａ）等に示す具体例において、第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直であるものとしているが、第１の反射面２３ａの方向は、導光板２０の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば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２３ｂの方向は、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば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２３ｂは、第１の反射面２３ａ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。
【００５９】
なお、一対の反射面２３ａ，２３ｂを含む反射ユニット２３ｃ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板２０内に埋め込まれる。
【００６０】
以下、角度変換部２３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２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３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。
【００６１】
まず、図７（Ａ）及び７（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ＧＬ２は、角度変換部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部２３ｈに１つ以上配置された反射ユニット２３ｃに入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ２は、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、角度変換部２３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。
【００６２】
また、図７（Ａ）及び７（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ＧＬ３は、角度変換部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部２３ｍに１つ以上配置された反射ユニット２３ｃに入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ３は、画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ３は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、角度変換部２３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。
【００６３】
ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図７（Ｂ）及び７（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−α）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部２３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γ0，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２３のうち＋Ｚ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２３のうち−Ｚ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、導光板２０は、画像光を角度変換部２３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。
【００６４】
また、導光部２２の形状や屈折率、角度変換部２３を構成する反射ユニット２３ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ２，ＧＬ３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ＧＬ１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ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ2（導光板２０内ではθ2'）と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ3（導光板２０内ではθ3'）導光板２０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θ2と角度θ3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θ2及び角度θ3は、横画角の半分の値である横半画角θとなる。
【００６５】
なお、既に説明したように、一群の反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａ又は第２の反射面２３ｂ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２３を構成する各反射ユニット２３ｃ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２３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２３ｃ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。
【００６６】
図８（Ａ）は、実施形態の虚像表示装置１００によって形成される虚像型の画像光の２次元輝度分布を説明する図であり、図８（Ｂ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される虚像型の画像光の２次元輝度分布を説明する図である。両図を比較すれば明らかように、実施形態の虚像表示装置１００の場合、輝度ムラの発生が大幅に低減されている。なお、比較例の虚像表示装置は、実施形態の虚像表示装置１００と同様の構造を有するが、照明装置３１の光射出側に光学部材１４を設けていない点で異なる。
【００６７】
図８（Ｃ）は、実施形態の虚像表示装置１００によって形成される画像光のＢＢ断面に沿ったＹ方向の輝度分布を示すグラフであり、図８（Ｄ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される画像光のＢＢ断面に沿ったＹ方向の輝度分布を示すグラフである。両グラフを比較すれば明らかように、実施形態の虚像表示装置１００の場合、縦のＹ方向の輝度分布が比較的高輝度で一様になっている。
【００６８】
以上のように、本実施形態の虚像表示装置１００によれば、光学部材１４が角度変換部２３から射出される画像光の指向性に関して非一様な分布、具体的には縦方向の周辺で傾斜角εが徐々に大きくなるような分布を形成するので、液晶表示デバイス３２のＹ方向の位置に応じ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射出角度μが徐々に大きくなる場合に、このような眼ＥＹへの光束取込みの角度特性に画像光の指向性を適合させることができ、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。
【００６９】
〔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。
【００７０】
図９に示す液晶表示デバイス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部材１１４を内蔵している。
【００７１】
液晶表示デバイス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り、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。
【００７２】
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ブレーズ格子７２ａと、ブレーズ格子７２ａの内側に配置される本体部分７２ｂとを備える。このブレーズ格子７２ａは、画像光ＭＬの指向性を調整する光学部材１１４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。
【００７３】
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、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には、入射側の第１基板７２に設けたブレーズ格子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。
【００７４】
光学部材１１４であるブレーズ格子７２ａは、図６（Ａ）等に示す第１実施形態の光学部材１４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、バックライト導光部３１ｂから入射した照明光を外側（＋Ｙ側）に屈曲させる。この際、ブレーズ格子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、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、ブレーズ格子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３（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。本実施形態の場合、液晶表示デバイス１３２から光学部材１１４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。
【００７５】
図１０は、図９に示す液晶表示デバイス１３２の変形例である。この場合、ブレーズ格子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ブレーズ格子７３ａと、ブレーズ格子７３ａの内側に配置される本体部分７３ｂとを備える。このブレーズ格子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。ブレーズ格子７３ａ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、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。
【００７６】
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）の傾きが周辺で大きくなる場合であっても、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。
【００７７】
〔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実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。
【００７８】
図１１に示す液晶表示デバイス（液晶表示素子）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部材２１４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２３２から光学部材２１４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。
【００７９】
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部材２１４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、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、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。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３（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。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。
【００８０】
図１２は、図１１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。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っている。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。
【００８１】
なお、図１２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、光学部材２１４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。
【００８２】
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）の傾きが周辺で大きくなる場合であっても、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。
【００８３】
〔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実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。
【００８４】
図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）に示すように、本実施形態の場合、導光板２０の角度変換部４２３は、多数の画像光反射面２３ｄを所定のピッチでＺ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２３ｄは、画像光反射面２３ｄの配列されるＺ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２３ｄは、互いに平行であり、第１の全反射面２２ａに対して同一の角度βをそれぞれなしている。画像光反射面２３ｄ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２３ｄ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２３ｅによって繋がれている。結果的に、画像光反射面２３ｄは、分離した状態で光軸ＯＡ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２３ｄ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板２０内に埋め込まれる。
【００８５】
図１３（Ａ）に示すように、最小反射角γ-で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬ２は、角度変換部４２３を複数回通過した後、角度変換部４２３のうち最も奥側（＋Ｚ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θ2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１３（Ｂ）に示すように、最大反射角γ+で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬ３は、角度変換部４２３のうち最も入口側（−Ｚ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θ3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。
【００８６】
以上のような角度変換部４２３を組み込んだ導光板２０でも、第１実施形態の図２（Ａ）や３（Ａ）の場合と同様に、液晶表示デバイス３２から射出される画像光ＦＬは、液晶表示デバイス３２の中央から徐々に離れて射出位置（物体高）ｙが大きくなるに従って、外向きの射出角度μが徐々に大きくなる傾向がある。したがって、照明装置３１に光学部材１４を組み付けることで、照明光ＩＬに対応する配光特性を持たせることができ、液晶表示デバイス３２からから射出される画像光ＦＬを図３（Ｂ）に示すような光束取込みの角度特性に適合するものとできる。
【００８７】
なお、本実施形態において、照明装置３１に光学部材１４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１３２，２３２に光学部材１１４，２１４を組み込むこともできる。
【００８８】
〔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。
【００８９】
上記実施形態では、画像光ＦＬ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及び導光板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、導光板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、液晶表示デバイス３２の中央から左右方向に離れて射出位置が大きくなるほど左右の外向きに大きく傾斜するので、この場合、光学部材１４，１１４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。また、上記実施形態では、光学部材１４，１１４等が縦方向にのみ配光特性を与えるとしたが、縦方向及び横方向の双方に配光特性を与えることもできる。
【００９０】
上記第１実施形態では、光学部材１４が平板状の部材であるとしたが、光学部材１４を肉厚のレンズやプリズムに置き換えることもできる。
【００９１】
上記第１実施形態では、光学部材１４を縦のＹ方向に３分割された第１〜第３領域Ａ１，Ａ２，Ａ３からなるものとしているが、光学部材１４を縦方向に４分割以上することができ、横のＺ方向にも複数領域に分割し、各領域で異なるプリズム形状を設定することができる。
【００９２】
上記第２、３実施形態では、ブレーズ格子７２ａやマイクロレンズアレイ２７３ａを用いたが、これらに代えてフォログラム素子、回折光学素子等を用いることもできる。
【００９３】
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。
【００９４】
また、角度変換部２３を構成する反射ユニット２３ｃの配列のピッチＰＴについては、各第１の反射面２３ａ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。
【００９５】
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。また、画像光形成部又は画像表示装置として、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。なお、自発光型素子を画像光形成部として代用する場合、図６（Ａ）に示すような光学部材１４を外付けすることもできるが、自発光型素子自体に配光特性を持たせることができる。この場合、図１４に示すように、画像光形成部としての自発光型素子５３２は、図６（Ａ）に示すような光学部材１４、又は、図１０及び１２に示すような光学部材１１４，２１４と等価の部分５１４を内蔵したものとなる。つまり、自発光型素子５３２は、画像光形成部を照明するための発光部としての機能と、照明光の配光特性を変化させる光学部材としての機能とを有するものとなる。
【００９６】
上記の説明では、虚像表示装置１００は、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置１０及び導光板２０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画像形成装置１０と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【００９７】
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２３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２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％することが可能である。
【００９８】
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の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。
【００９９】
上記の説明では、入射光折曲部２１を構成するミラー層２１ａ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２１ａ等を光軸ＯＡに対して用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。
【０１００】
上記の説明では、反射ユニット２３ｃ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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
上記の説明では、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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の全反射面２２ａ，２２ｂ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、全反射面２２ａ，２２ｂ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全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
Ａ１，Ａ２，Ａ３…第１〜３領域、  ＡＸ…光軸、  Ｄ１…第１方向、  Ｄ２…第２方向、  ＥＹ…眼、  ＦＬ，ＦＬ１，ＦＬ２…画像光、  ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、  ＩＬ…照明光、  ＬＩ…入射光、  ＭＬ…画像光、  ＯＡ…光軸、  ＯＳ…光射出面、  ＰＳ…プリズム部、  １０…画像形成装置、  １１…画像表示装置、  １２…投射光学系、  １４，１１４，２１４…光学部材、  ２０…導光板、  ２０ａ…導光板本体部、  ２１…入射光折曲部、  ２２…導光部、  ２２ａ，２２ｂ…第１、第２の全反射面、  ２３…角度変換部、  ２３ｃ…反射ユニット、  ３１…照明装置、  ３１ａ…光源（発光部）、  ３１ｂ…バックライト導光部、  ３２…液晶表示デバイス（空間変調装置）、  ３２ａ…射出面、  ３２ｂ…表示領域、  １００…虚像表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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