(57)【要約】【課題】導光板を用いた虚像表示装置であって、外界を観察することができるとともに外界光によって映像の観察が妨げられることを簡易な手法で防止できる虚像表示装置を提供すること。【解決手段】導光板２０の外界側に対向して配置された調光板４０，４０が、主制御部７７及び調光駆動回路７３の制御下で外界光の透過状態を調整するので、外界光が比較的強い場合等において、外界光によって映像の観察が妨げられることを防止できる。この際、調光板４０，４０は、電気的に制御されるものであり機械機構を伴わないので、外界光の透過状態を調整するための操作が自動化され比較的簡易になる。【選択図】図１
2015096982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を内部に取り込む光入射部と、
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く導光部と、
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す画像取り出し部と、を有するとともに、外界光の少なくとも一部を観察側に通過させる導光板と、
前記導光板の外界側に対向して配置されて、外界光の透過状態を調整する光学素子と、
前記光学素子の動作を電気的に制御する調光制御部とを備える、虚像表示装置。
【請求項２】
前記光学素子は、エレクトロクロミック素子、液晶パネル、及び透過型電圧素子のいずれか１つである、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記導光板は、前記導光部及び前記画像取り出し部において、外界光を所定以上の透過率で透過させる、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記光学素子は、前記導光板に近接して外界側に前記導光板を覆うように配置される薄板状の部材である、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】
前記光学素子は、前記導光板のうち画像取り出し部に対向して視野上で重なる第１領域と、前記画像取り出し部に視野上で重ならない第２領域とを有し、前記調光制御部は、前記第１領域の透過率と前記２領域の透過率とを独立して制御する、請求項４に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記調光制御部は、前記第１領域の透過率と前記２領域の透過率とを調節することにより、画像取り出し部から射出される前記画像光と背後からの外界光とを重ね合わせて観察側に導く重畳モードと、外界光を遮光して前記画像取り出し部から射出される前記画像光を優先する画像光優先モードと、外界光を透過させて外界光を優先する外界光優先モードと、前記第１領域の透過率よりも前記２領域の透過率を高くして外界光と前記画像光とを領域別で観察側に導く区分モードとのうち少なくとも１つ以上のモードで動作する、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
外界光の強度を検出する外光センサーを有し、
前記調光制御部は、前記外光センサーの出力に基づいて前記光学素子の透過率を変化させる、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記調光制御部は、外界光の強度が大きいほど前記光学素子の透過率を低下させる、請求項７に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記調光制御部は、前記導光板から射出された画像光によって形成される虚像のサイズに応じて前記光学素子の透過率を変化させる、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記調光制御部は、虚像のサイズに応じて前記光学素子の透過率を低下させる、請求項９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として、表示された映像と同時に外界も見ることができるように、表示装置の光路上にハーフミラーを設けたものがある（特許文献１、２参照）。
【０００３】
上記のような装置では、外界光が明るい場合、外界光に比べて映像の輝度が低くなるため、映像のコントラストが低下して見にくくなる。これを改善することを目的として、外界光を遮断する遮光部材を設け、必要に応じて遮光部材をハーフミラーの前方に出し入れするものが存在する（特許文献３参照）。
【０００４】
なお、以上とは異なるタイプの虚像表示装置として、全反射を利用して映像光を導く薄板状の導光板を有するとともに、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４、５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００１−５２２４７７号公報
【特許文献２】特開平５−３０３０５３号公報
【特許文献３】特開平５−３２５２６５号公報
【特許文献４】特表２００３−５３６１０２号公報
【特許文献５】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】
【０００６】
しかしながら、遮光部材をハーフミラーの前方に出し入れする虚像表示装置の場合、遮光部材を使用していない状態では遮光部材が突起して邪魔になり、また、遮光部材の出し入れの操作が不便である。
【０００７】
なお、導光板を用いた虚像表示装置の場合、眼鏡的に装着される場合が多く、かさばる出し入れ用の機構付きの遮光部材を付加することには無理がある。
【０００８】
そこで、本発明は、導光板を用いた虚像表示装置であって、外界を観察することができるとともに外界光によって映像の観察が妨げられることを簡易な手法で防止できる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】
【０００９】
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）外界光の少なくとも一部を観察側に通過させる導光板と、（ｂ）導光板の外界側に対向して配置されて、外界光の透過状態を調整する光学素子と、（ｃ）光学素子の動作を電気的に制御する調光制御部とを備え、導光板は、（ａ１）画像光を内部に取り込む光入射部と、（ａ２）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、（ａ３）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す画像取り出し部とを有する。。
【００１０】
上記虚像表示装置では、導光板の外界側に対向して配置された光学素子が、調光制御部の制御下で外界光の透過状態を調整するので、外界光が比較的強い場合等において、外界光によって映像の観察が妨げられることを防止できる。この際、光学素子は、電気的に制御されるものであり機械機構を伴わないので、外界光の透過状態を調整するための操作が比較的簡易になる。
【００１１】
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、光学素子が、エレクトロクロミック素子、液晶パネル、及び透過型電圧素子のいずれか１つである。この場合、小型の素子によって正確かつ広範囲の透過率制御が可能になる。
【００１２】
本発明の別の側面では、導光板が、導光部及び画像取り出し部において外界光を所定以上の透過率で透過させる。この場合、虚像表示装置は、シースルー型の装置となり外界光の観察を可能にするので、光学素子によって外界光の透過状態を調整することで映像の見やすさを調整することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、光学素子が、導光板に近接して外界側に導光板を覆うように配置される薄板状の部材である。この場合、導光板を光学素子によって省スペースで保護することができ、導光板の表面への接触、汚れの付着等を効果的に防止できる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、光学素子が、導光板のうち画像取り出し部に対向して視野上で重なる第１領域と、画像取り出し部に視野上で重ならない第２領域とを有し、調光制御部は、第１領域の透過率と第２領域の透過率とを独立して制御する。この場合、画像光による映像と外界光による外界像とが重なる第１領域の透過率をその周囲から独立して制御することができ、映像と外界像との関係を適宜調整することができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、調光制御部が、第１領域の透過率と２領域の透過率とを調節することにより、画像取り出し部から射出される画像光と背後からの外界光とを重ね合わせて観察側に導く重畳モードと、外界光を全体的に遮光して画像取り出し部から射出される画像光を優先する画像光優先モードと、外界光を全体的に透過させて外界光を優先する外界光優先モードと、第１領域の透過率よりも２領域の透過率を高くして外界光と画像光とを領域別で観察側に導く区分モードとのうち少なくとも１つ以上のモードで動作する。この場合、画像光による映像と外界光による外界像との表示バランスをユーザーの置かれた環境や嗜好に応じて調整することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、外界光の強度を検出する外光センサーを有し、調光制御部が、外光センサーの出力に基づいて光学素子の透過率を変化させる。この場合、外界の明るさの変化に応じて調整された映像を観察することができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、調光制御部が、外界光の強度が大きいほど光学素子の透過率を低下させる。この場合、画像光による映像のコントラストが外界光に埋もれて低下する等の弊害を抑制できる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、調光制御部が、導光板から射出された画像光によって形成される虚像のサイズに応じて光学素子の透過率を変化させる。この場合、虚像のサイズ変更に応じて調整された映像を観察することができる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、調光制御部が、虚像のサイズに応じて光学素子の透過率を低下させる。この場合、画像光による虚像の輝度やコントラストが像拡大に伴って低下する等の弊害を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る虚像表示装置を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は、虚像表示装置の一部を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、導光板等の背面図及び平面図である。
【図３】調光板の構造と調光板等を駆動するための駆動制御回路とを説明するブロック図である。
【図４】（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５】第１実施形態に係る虚像表示装置の動作を説明するフローチャートである。
【図６】虚像表示装置の動作を説明するフローチャートである。
【図７】第２実施形態に係る虚像表示装置の一部を示す断面図である。
【図８】第２実施形態に係る虚像表示装置の駆動制御回路等を説明するブロック図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、変形例における角度変換部を説明する図ある。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔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。
【００２２】
〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す本実施形態に係る虚像表示装置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、一対の光学パネル１０１，１０２と、両光学パネル１０１，１０２を支持するフレーム１０４と、フレーム１０４のヨロイからテンプルにかけての部分に付加された一対の駆動部１１１，１１２とを備える。ここで、図面上で左側の光学パネル１０１と駆動部１１１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、図面上で右側の光学パネル１０２と駆動部１１２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。
【００２３】
〔Ｂ．片側の表示装置の構造〕
図２（Ａ）に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像形成装置１０と、導光板２０と、調光板４０とを備える。ここで、画像形成装置１０は、図１における駆動部１１１に相当し、導光板２０及び調光板４０は、図１における光学パネル１０１に相当する。調光板４０は、導光板２０よりもひとまわり大きく、導光板２０の表側すなわち外界側を全体的に覆うように配置されている。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）に示す導光板２０及び調光板４０のＡ−Ａ断面に対応するものとなっている。
【００２４】
画像形成装置１０は、画像表示装置１１と、投射光学系１２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、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。まず、照明装置３１は、赤、緑、青の３色を含む光ＳＬを発生する光源３１ａと、光源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、バックライト導光部３１ｂ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射出角調整部材３１ｃとを有する。液晶表示デバイス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。
【００２５】
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半透過性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。
【００２６】
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に対向する裏側又は観察側の平面上に、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を有する。また、導光板本体部２０ａにおいて、光射出面（光射出部）ＯＳとこれに対向する表側又は外界側の平面との間であって当該平面寄りに、微細構造である角度変換部２３が形成されている。裏の観察側の光射出面ＯＳと、表の外界側の角度変換部２３のうち光射出面ＯＳに視野上で重なる矩形部分とは、画像光の角度を変換して外部（具体的には裏側即ち観察側）へ取出すための画像取り出し部９０として機能している。
【００２７】
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、光入射部である光入射面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。
【００２８】
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。
【００２９】
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から遠い表側又は外界側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０に近い裏側又は観察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。なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂには、反射コートが施されておらず、両全反射面２２ａ，２２ｂに外界側から入射する外界光は、高い透過率で導光部２２を通過する。つまり、導光部２２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。
【００３０】
画像取り出し部９０のうち角度変換部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。また、角度変換部２３は、半透過性の微小ミラーで形成されていることから、多少の減光があるが外界像の透視が可能になっている。角度変換部２３の詳しい構造については、図４（Ａ）等により後述する。
【００３１】
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。
【００３２】
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（光射出部）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。
【００３３】
調光板４０は、薄板状の光学素子であり、エレクトロクロミック素子、液晶パネル、透過型電圧素子等で構成される。調光板４０は、導光板２０の表側に近接して導光板２０の略平行に配置されているが、導光板２０よりも広い面積を有して導光板２０を表側すなわち外界側から覆っており、導光板２０の表面すなわち第１の全反射面２２ａに物体が接触して損傷が発生したり汚れが付着したりすること等を防止している。
【００３４】
図３に示すように、調光板４０は、図２（Ａ）に示す導光板２０の画像取り出し部９０又は光射出面ＯＳに対向しており画像取り出し部９０に視野上で重なる矩形の第１領域Ａ０と、導光板２０のうち画像取り出し部９０を除いた周囲の部分（視野上で画像取り出し部９０の上下左右に隣接する部分）に対向しており画像取り出し部９０に視野上で重ならない第２領域Ａ１とを有する。さらに、第２領域Ａ１は、導光板２０のうち角度変換部２３を除いた周囲の部分（視野上で角度変換部２３の上下左右に隣接する部分）に対向する第１周囲領域Ａ１１と、視野上で画像取り出し部９０の上下に隣接する部分に対向する一対の矩形の第２周囲領域Ａ１２，Ａ１２とを有する。これらの第１領域Ａ０と、第１周囲領域Ａ１１と、第２周囲領域Ａ１２，Ａ１２とは、独立して透過率を調整できるようになっているが、各領域Ａ０，Ａ１１，Ａ１２，Ａ１２の面内における透過率は、略一様で等しいものとなっている。なお、調光板４０は、これを例えばエレクトロクロミック素子で構成する場合、図示を省略するが、透明電極を内側に形成した一対の平板ガラスの間にエレクトロクロミック物質を挟んだ構造を有するものとなる。ここで、透明電極の輪郭を適宜設定することにより、上記のような第１領域Ａ０と、第１周囲領域Ａ１１と、第２周囲領域Ａ１２，Ａ１２とを形成するとともに、これらを独立して駆動することができる。また、調光板４０を透過型の液晶表示デバイスで構成する場合、調光板４０は、図示を省略するが、透明電極を内側に形成した一対の平板ガラスの間に液晶分子を挟んだ液晶パネルと、液晶パネルの表面及び裏面に貼り付けられた一対の偏光フィルターとを備えるものとなる。さらに、調光板４０をゲストホスト型の液晶表示デバイスで構成する場合、調光板４０は、図示を省略するが、液晶パネル内に液晶分子と色素分子とを挟んだ構造とするだけで足り、偏光フィルターを省略することができる。その他、調光板４０を透過型圧電素子で構成する場合、調光板４０は、ポッケルス効果を有する板状の部材を透明電極で挟み、その外側に一対の偏光フィルターを配置したものとなる。
【００３５】
以上において、第１領域Ａ０は画像取り出し部９０に対応しており、屋外のように外界光が明るい場合に第１領域Ａ０の透過率を大きくすると、画像取り出し部９０からの画像光が外界光に埋もれて映像のコントラストが低下する傾向が生じる。一方、第１周囲領域Ａ１１は角度変換部２３の周囲の導光部２２に対応しており外界光を殆ど減光なく透過させるので、外界光が明るい場合に第１周囲領域Ａ１１の透過率を大きくすると、画像取り出し部９０を介して観察される映像が周囲よりも暗くなって、観察者にとって見づらいものとなる傾向が生じる。以上のように、外界光の変動により映像の見え方が大きく異なるので、外界光を検出し外界光の強度に応じて各領域Ａ０，Ａ１１，Ａ１２，Ａ１２の透過率を調整することが望ましい。なお、本実施形態の場合、画像取り出し部９０の周囲においては、外界光に対する導光部２２の透過率と、外界光に対する角度変換部２３の透過率とに差があるので、両者の差を見かけ上減少させるために、第１領域Ａ０及び第２周囲領域Ａ１２，Ａ１２と、第１周囲領域Ａ１１との間にオフセットとしての透過率差を予め持たせておくこともできる。
【００３６】
なお、第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａを左右反転しただけで、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有するので、第２表示装置１００Ｂの構造については説明を省略する。
【００３７】
〔Ｃ．画像光の光路〕
まず、図１（Ａ）に示す横断面すなわちＸＺ面における光路について説明する。横断面において、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。
【００３８】
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、画像取り出し部９０に設けた角度変換部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、画像取り出し部９０の光射出面ＯＳからこの光射出面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。また、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。一方、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
以上は、横断面すなわちＸＺ面における光路の説明であったが、縦断面すなわちＸＹ面又はＹＺ面における光路は比較的簡単である。具体的には、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Ｙ方向の上下から射出される画像光ＦＬ２，ＦＬ３は、投射光学系１２の通過によってそれぞれ平行光束とされるが、互いにＹ方向に離間する状態となる（図２（Ｂ）参照）。その後、両画像光ＦＬ２，ＦＬ３は、導光板２０内を全反射しながら通過する際に平行光束のまま互いに光軸ＯＡに近づくように集められ、画像取り出し部９０に設けた角度変換部２３でも相対的な角度を維持した状態で反射され、最終的に画像取り出し部９０の光射出面ＯＳの上下端から観察者の眼ＥＹに向かう平行光束として射出される。
【００４２】
〔Ｄ．角度変換部〕
以下、図４（Ａ）〜４（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。
【００４３】
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２（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第２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４（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。
【００４４】
図４（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
まず、図４（Ａ）及び４（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２（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部２３ｈに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。
【００４８】
また、図４（Ａ）及び４（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２（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部２３ｍに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。
【００４９】
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４（Ｂ）及び４（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。
【００５０】
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、画像取り出し部９０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と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ3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。
【００５１】
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。
【００５２】
〔Ｅ．駆動制御回路〕
以下、図３を参照して、虚像表示装置１００の駆動制御回路について説明する。駆動制御回路７０は、光源駆動回路７１と、液晶駆動回路７２と、調光駆動回路７３と、光センサー駆動回路７４と、主制御部７７とを備える。光源駆動回路７１は、右眼用の第１表示装置１００Ａの駆動部１１１に設けた光源３１ａと、左眼用の第２表示装置１００Ｂの駆動部１１２に設けた光源１３１ａとに電力を供給して安定した輝度の光ＳＬを射出させる。液晶駆動回路７２は、右眼用の第１表示装置１００Ａの駆動部１１１に設けた液晶表示デバイス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し、左眼用の第２表示装置１００Ｂの駆動部１１２に設けた液晶表示デバイス１３２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、両液晶表示デバイス３２，１３２に異なる映像を形成させることもでき、例えば両映像を組み合わせることで３Ｄ画像とすることもできる。調光駆動回路７３は、右眼用の第１表示装置１００Ａの光学パネル１０１に設けた調光板４０と、左眼用の第２表示装置１００Ｂの光学パネル１０２に設けた調光板４０とにオン・オフのパターン信号を供給して両調光板４０，４０の透過率を調整する。光センサー駆動回路７４は、外光センサー５０，５０に電力を供給しつつ外光センサー５０，５０からの信号を検出して、虚像表示装置１００すなわち観察者の周辺の外界光の強度を検出する。主制御部７７は、外部からの制御信号や画像信号に基づいて光源駆動回路７１や液晶駆動回路７２を動作させ、駆動部１１１，１１２すなわち液晶表示デバイス３２，１３２等を含む画像表示装置１１に表示動作を行わせる。また、主制御部７７は、光センサー駆動回路７４の出力を監視しつつ、調光駆動回路７３を介して調光板４０，４０の透過率を外界光や観察者の意図に合わせたものに適宜調整する。ここで、各調光板４０，４０は、第１領域Ａ０と、第１周囲領域Ａ１１と、第２周囲領域Ａ１２，Ａ１２とにおいて独立して制御可能であり、各領域Ａ０，Ａ１１，Ａ１２，Ａ１２の透過率を一致させることもできるが、互いに異なるものとすることもできる。主制御部７７は、調光駆動回路７３と協働して調光板４０，４０の透過率を多様に調整しており、調光板４０，４０の動作を電気的に制御する調光制御部として機能する。
【００５３】
〔Ｆ．具体的な動作例〕
以下、図５及び図６を参照して、虚像表示装置１００の動作の一例について説明する。まず、主制御部７７は、虚像表示装置１００の表示モードをチェックする（ステップＳ１１）。虚像表示装置１００の表示モードとしては、例えば（１）重畳モード、（２）画像光優先モード、（３）外界光優先モード、（４）区分モード等を設定することができる。これらの表示モードは、主制御部７７のメモリー（不図示）に記録可能になっている。ここで、重畳モードは、両調光板４０，４０を標準的な透過率にすることにより、画像取り出し部９０から射出される画像光と画像取り出し部９０の背後から到来する外界光とを重ね合わせて観察側に導くことで観察可能にするものである。画像光優先モードは、調光板４０，４０の透過率を全体的に低下させることにより、外界光を全体的に遮光して画像取り出し部９０から射出される画像光の観察を優先するものである。外界光優先モードは、両調光板４０，４０の第１領域Ａ０及び第２領域Ａ１の透過率を全体的に上昇させるとともに光源３１ａ，１３１ａの輝度を低下させることにより、画像光を弱めつつ外界光を全体的に透過させて外界光を優先するものである。区分モードは、両調光板４０，４０の第１領域Ａ０の透過率よりも第２領域Ａ１すなわち第１及び第２周囲領域Ａ１１，Ａ１２，Ａ１２の透過率を高くして外界光と画像光とを領域別で並列的に観察側に導くことで観察可能にするものである。
【００５４】
次に、主制御部７７は、オフセット調整の設定の有無をチェックする（ステップＳ１２）。オフセット調整とは、第１領域Ａ０等と第１周囲領域Ａ１１との間にオフセットとしての透過率差を持たせておくことを意味し、主制御部７７のメモリーに設定の有無が記録可能になっている。オフセット調整を行う場合、外界光に対する導光部２２の透過率と外界光に対する角度変換部２３の透過率との間に差があっても、このような差を第１領域Ａ０及び第２周囲領域Ａ１２の透過率と第１周囲領域Ａ１１の透過率との差を利用して補償することで、観察される外界像の輝度斑を防止するというものである。具体的には、第１領域Ａ０及び第２周囲領域Ａ１２の透過率を第１周囲領域Ａ１１の透過率よりも補償分だけ高くする。このようなオフセット調整は、調光板４０，４０の透過率が全体的に増減した場合にも維持されるように設定される。
【００５５】
次に、主制御部７７は、環境対応モードの設定の有無をチェックする（ステップＳ１３）。環境対応モードとは、外界光の強度に応じて調光板４０，４０の透過率を全体的に増減させることを意味し、主制御部７７のメモリーに設定の有無が記録可能になっている。環境対応モードが設定された場合、外光センサー５０，５０からの検出信号に基づいて調光板４０，４０の透過率を調整して外界光を適宜遮光することにより、画像形成装置１０によって形成された虚像のコントラストの低下や見づらさ等を防止する。
【００５６】
次に、主制御部７７は、ステップＳ１１でチェックした表示モードに基づいて光源駆動回路７１、液晶駆動回路７２、調光駆動回路７３、光センサー駆動回路７４等を適宜動作させ、虚像表示装置１００に各表示モードを実現するような表示動作を行わせる（ステップＳ１４）。
【００５７】
図６は、各表示モードでの動作の概要を説明するフローチャートである。まず、主制御部７７は、これに設けたメモリー（不図示）を参照して基本設定を読み出して制御情報とする（ステップＳ２１）。この基本設定は、上記した表示モードに対応する各種パラメーターの設定を意味する。具体的には、例えば重畳モードの場合、基本設定は、調光板４０，４０に設定されるべき標準的な透過率等を意味する。また、例えば画像光優先モードの場合、基本設定は、調光板４０，４０に設定されるべき低い透過率や、光源３１ａ，１３１ａの輝度上昇量等を意味する。また、例えば外界光優先モードの場合、基本設定は、調光板４０，４０に設定されるべき高い透過率や、光源３１ａ，１３１ａの輝度低下量等を意味する。さらに、例えば区分モードの場合、基本設定は、調光板４０，４０における第１領域Ａ０と第２領域Ａ１（周囲領域Ａ１１，Ａ１２，Ａ１２）との透過率差や透過率比等を意味する。
【００５８】
次に、主制御部７７は、これに設けたメモリーを参照して追加設定を読み出して制御情報とする（ステップＳ２２）。この追加情報は、選択されている表示モードにおけるオフセット調整や環境対応モードに関する各種パラメーターの設定を意味する。例えばオフセット調整が設定されている場合、追加設定は、第１領域Ａ０及び第２周囲領域Ａ１２と第１周囲領域Ａ１１とに設定される透過率差を意味し、オフセット調整が設定されてない場合、追加設定は、第１領域Ａ０及び第２周囲領域Ａ１２と第１周囲領域Ａ１１とに同一の透過率を持たせることを意味する。また、例えば環境対応モードが設定されている場合、追加設定は、外光センサー５０，５０の検出信号に基づいて調光板４０，４０に設定されるべき透過率の計算式や表を意味し、環境対応モードが設定されていない場合、追加設定は、外光センサー５０，５０の検出信号に関わらず調光板４０，４０に設定されるべき透過率を意味する。
【００５９】
次に、主制御部７７は、調光駆動回路７３を介して調光板４０，４０を動作させ（ステップＳ２４）、光源駆動回路７１や液晶駆動回路７２を介して駆動部１１１，１１２の画像表示装置１１に表示動作を行わせる（ステップＳ２５）。例えば重畳モードが設定されるとともに、オフセット調整や環境対応モードの設定が行われている場合、両調光板４０，４０を標準的な透過率にするとともに、画像取り出し部９０から射出される画像光の輝度も比較的明るいものとする。これにより、虚像表示装置１００を装着した観察者は、画像光と外界光とを重ね合わせて観察することができる。この際、オフセット調整も行われるので、両調光板４０，４０内の第１領域Ａ０及び第２周囲領域Ａ１２と第１周囲領域Ａ１１とに透過率差を設けて外界像の見え方を略等しくする。さらに、環境対応モードの動作が実行されるので、外界光の強度が強い場合には、両調光板４０，４０の透過率を外界光の強度に応じて標準値よりも低下させ、画像取り出し部９０から射出される画像光の外界光に対する相対輝度が大きく低下しないようにする。この際、第１領域Ａ０及び第２周囲領域Ａ１２と第１周囲領域Ａ１１との透過率差又は透過率比は維持したままとする。一方、外界光の強度が弱い場合には、両調光板４０，４０の透過率を外界光の強度に応じて標準値よりも上昇させ、画像取り出し部９０から射出される画像光の外界光に対する相対輝度が高くなり過ぎないようにする。この際、第１領域Ａ０及び第２周囲領域Ａ１２と第１周囲領域Ａ１１との透過率差又は透過率比は維持したままとする。両調光板４０，４０の透過率を外界光の強度に応じて変化させる際には、光源３１ａ，１３１ａの輝度を増減させて画像光の輝度を調整することもでき、この場合は、調整範囲が実質的に広がることになる。
【００６０】
次に、主制御部７７は、動作モード等の設定変更の要求がなされたか否かをチェックし（ステップＳ２６）、虚像表示装置１００を装着した観察者から設定変更の要求があった場合、設定変更処理に移行し、かかる設定変更の要求がなかった場合、ステップＳ２４に戻って処理を継続する。
【００６１】
以上説明した第１実施形態の虚像表示装置１００では、導光板２０の外側又は外界側に対向して配置された調光板４０，４０が、主制御部７７及び調光駆動回路７３の制御下で外界光の透過状態を調整するので、外界光が比較的強い場合等において、外界光によって映像の観察が妨げられることを防止できる。この際、調光板４０，４０は、電気的に制御されるものであり機械機構を伴わないので、外界光の透過状態を調整するための操作が自動化され比較的簡易になる。また、第１実施形態の虚像表示装置１００の場合、主制御部７７及び調光駆動回路７３が、外光センサー５０の出力に基づいて調光板４０，４０の透過率を変化させ、外界光の強度が大きいほど調光板４０，４０の透過率を低下させるので、画像光による映像のコントラストが外界光に埋もれて低下する等の弊害を抑制できる。
【００６２】
〔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。
【００６３】
図７において、第１表示装置１００Ａの画像形成装置１０は、ズーム型の投射光学系２１２を有する。この投射光学系２１２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化するだけでなく、各点からの平行光束の広がり角を増減調整することができ、画角を変化させることができる。つまり、投射光学系２１２の調整により画像取り出し部９０から射出される画像光の縦横の画角を変化させることができ、観察者に認識させる虚像のサイズを増減させることができる。
【００６４】
図８は、第２実施形態に係る虚像表示装置１００の駆動制御回路７０を説明するブロック図である。この場合、ズームセンサー７６が追加されており、投射光学系２１２による画角の設定が監視される。なお、図示の例では投射光学系２１２を手動としているが、観察者が操作キー（不図示）を操作することで画角を増減させるようなものとすることもできる。
【００６５】
具体的な制御の説明は省略するが、一般に投射光学系２１２によって虚像の画角（サイズ）をｎ倍に増加させた場合、映像の輝度は１／ｎ2倍に減少する。よって、調光板４０，４０の透過率を一様に低下させることで外界光が遮断され、画像取り出し部９０から射出される画像光によって形成される映像が比較的見やすいものとなる。ここで、調光板４０，４０の透過率を１／ｎ2倍に低下させる必要は必ずしもなく、虚像の画角増大に伴って調光板４０，４０の透過率を低下させるだけで、映像光は比較的見やすいものとなる。さらに、補助的に光源３１ａ，１３１ａの輝度を増減させて画像光の輝度を調整することもできる。
【００６６】
以上説明した第２実施形態の虚像表示装置１００では、主制御部７７及び調光駆動回路７３が、導光板２０から射出された画像光によって形成される虚像のサイズに応じて調光板４０，４０の透過率を変化させ、虚像のサイズが大きいほど調光板４０，４０の透過率を低下させるので、画像光による映像の輝度やコントラストが像拡大に伴って低下する等の弊害を抑制できる。
【００６７】
〔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。
【００６８】
上記実施形態では、調光板４０が第１領域Ａ０、第２領域Ａ１等に分割されていたが、調光板４０を領域に分割することなく一様に調光することもできる。
【００６９】
上記実施形態では、画像取り出し部９０において、角度変換部２３のサイズが縦方向に関して光射出面ＯＳよりも大きい場合について説明したが、角度変換部２３のサイズを例えば光射出面ＯＳのサイズに等しくすることもできる。
【００７０】
上記実施形態では、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、第２の全反射面２２ｂにおいて、光射出面ＯＳの周囲に上記のようなミラーコートを施すことで、外界像の輝度差を低減することができる。
【００７１】
画像取り出し部９０に設ける角度変換部２３の構造は、図４（Ａ）等に示すものに限らない。例えば図９（Ａ）及び９（Ｂ）に示す角度変換部３２３のように、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とすることもできる。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。図９（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３２３を複数回通過した後、角度変換部３２３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９（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３２３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。
【００７２】
以上で説明した角度変換部２３，３２３を構成する反射ユニット２３ｃや画像光反射面２３ｄの配列のピッチＰＴについては、全て同一となっている場合に限らず、ピッチＰＴを変更することができる。
【００７３】
上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶表示デバイス３２等を用いているが、画像表示素子としては、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、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。
【００７４】
上記の説明では、虚像表示装置１００は右眼用の第１表示装置１００Ａと左眼用の第２表示装置１００Ｂとを設けているが、両表示装置１００Ａ，１００Ｂのうち一方のみを備え、画像を片眼視するものとできる。
【００７５】
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。
【００７６】
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等の傾斜角度を光軸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。
【００７７】
上記の説明では、反射ユニット２３ｃによるＶ字状の溝は、先端が尖ったような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。
【００７８】
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。
【符号の説明】
【００７９】
１０…画像形成装置、  １１…画像表示装置、  １２…投射光学系、  ２０…導光板、  ２０ａ…導光板本体部、  ２１…入射光折曲部、  ２２…導光部、  ２２ａ…第１の全反射面、  ２２ｂ…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、  ３１ｂ…バックライト導光部、  ３１ｃ…射出角調整部材、  ３２…液晶表示デバイス、  ４０…調光板（光学素子）、  ５０…外光センサー、  ７０…駆動制御回路、  ７１…光源駆動回路、  ７２…液晶駆動回路、  ７３…調光駆動回路、  ７４…光センサー駆動回路、  ７７…主制御部、  １００…虚像表示装置、  １００Ａ…第１表示装置、  １００Ｂ…第２表示装置、  １０１，１０２…光学パネル、  １０４…フレーム、  １１１，１１２…駆動部、  Ａ０…第１領域、  Ａ１…第２領域、  Ａ１１…第１周囲領域、  Ａ１２…第２周囲領域、  ＡＸ…光軸、  ＥＹ…眼、  ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、  ＩＳ…光入射面、  ＯＡ…光軸、  ＯＳ…光射出面（光射出部）。
【図１】
2015096982.tif 000003
【図２】
2015096982.tif 000004
【図３】
2015096982.tif 000005
【図４】
2015096982.tif 000006
【図５】
2015096982.tif 000007
【図６】
2015096982.tif 000008
【図７】
2015096982.tif 000009
【図８】
2015096982.tif 000010
【図９】
2015096982.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月10日(2015.3.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を内部に取り込む光入射部と、
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反射面での反射により角度を変換して外部へ取出す画像取り出し部と、を有するとともに、外界光の少なくとも一部を観察側に通過させる導光部材と、
前記導光部材の外界側に配置されて、外界光の透過状態を調整する光学素子と、
前記光学素子の動作を電気的に制御する調光制御部とを備え、
外界光の強度を検出する外光センサーを有し、
前記画像取出し部は、前記画像取り出し部から射出される前記画像光と外界光とを重ね合わせて観察側に導き、
前記調光制御部は、前記光学素子の透過率を設定値で動作させるとともに、前記外光センサーの出力に基づいて前記光学素子の透過率を調整し、前記画像取出し部から射出される前記画像光の外界光に対する相対輝度を調整する、虚像表示装置。
【請求項２】
前記調光制御部は、前記外光センサーの出力に基づいて、前記外界光の強度が強い場合に、前記外界光の強度に応じて前記光学素子の透過率を前記設定値よりも低下させ、前記画像光の前記外界光に対する相対輝度が大きく低下しないように調整する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記調光制御部は、前記外光センサーの出力に基づいて、前記外界光の強度が弱い場合に、前記外界光の強度に応じて前記光学素子の透過率を前記設定値よりも上昇させ、前記画像光の前記外界光に対する相対輝度が高くなりすぎないように調整する、請求項１または請求項２までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記調光制御部は、前記外光センサーの出力に基づいて前記光学素子の透過率を調整するとともに、前記画像光の輝度を調整する、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】
前記導光部材は、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及び前記第２の全反射面での全反射で導く導光部を有し、
前記導光部材の画像取出し部は、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複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取り出す、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記光学素子は、前記導光部材に近接して外界側に前記導光部材を覆うように配置される薄板状の部材である、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記光学素子は、前記画像取り出し部に視野上で重なる第１領域と、前記複数の反射面を除いた周囲と視野上で重なる第１周囲領域と、前記複数の反射面のうち前記光射出面に視野上で重ならない反射面と視野上で重なる第２周囲領域と、を有し、
前記第１領域の透過率と前記第１周囲領域の透過率と前記第２周囲領域の透過率とを独立して制御し、
前記調光制御部は、前記第１領域及び前記第２周囲領域と、前記第１周囲領域とに透過率差を設定する、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記調光制御部は、前記光学素子において、前記第１領域及び前記第２周囲領域と、前記第１周囲領域とに設定した透過率差を維持したまま、前記外光センサーの出力に基づいて前記光学素子の透過率を調整し、前記画像取出し部から射出される前記画像光の外界光に対する相対輝度を調整する、請求項７に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記光学素子は、エレクトロクロミック素子、液晶パネル、及び透過型電圧素子のいずれか１つである、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記導光部材は、前記導光部及び前記画像取り出し部において、外界光を所定以上の透過率で透過させる、請求項１及び請求項９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記調光制御部は、前記導光部材から射出された画像光によって形成される虚像のサイズに応じて前記光学素子の透過率を変化させる、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】
前記調光制御部は、虚像のサイズに応じて前記光学素子の透過率を低下させる、請求項１１に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記調光制御部は、虚像のサイズに応じて前記光学素子の透過率を変化させるとともに、前記画像光の輝度を調整する、請求項１１または請求項１２までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。