(57)【要約】【課題】輝度斑を抑えた虚像表示装置を提供すること。【解決手段】フィルター５０が投射光学系１２から導光装置２０までの間に配置され、透過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置２０とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。これにより、虚像表示装置１００によって表示される画像のサイズを大きくしつつ、表示される画像を高品位のものとすることができる。【選択図】図２
2015127828.tif 000002
【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、
前記画像表示装置から射出された前記画像光を入射させる投射光学系と、
導光部と、前記導光部に前記画像光を入射させる光入射部と、前記導光部によって導かれた前記画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、前記光射出部を介して前記画像光の観察を可能にする導光装置とを備え、
前記導光部は、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、
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反射面を有し、
前記反射面を介して前記光射出部の前記第４反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部材をさらに備え、
前記投射光学系から前記導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるフィルターと、を備える虚像表示装置。
【請求項２】
前記フィルターは、吸収によって減光を行うＮＤフィルターである、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記フィルターは、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記フィルターは、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである、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。
【請求項５】
前記フィルターの前記所定パターンを形成する前記透過部は、それぞれ０．２ｍｍ以上のサイズを有する、請求項４に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記フィルターは、前記投射光学系と前記光入射部の光入射面との間に設けられている、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。
【請求項７】
前記導光装置は、前記導光部と前記光入射部と前記光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、
前記フィルターは、前記導光装置の前記光入射面に前記導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して前記光入射面に接着されている、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記フィルターは、前記投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記フィルターは、前記光射出部の光射出面上に配置されている、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。
【請求項１０】
前記フィルターは、前記第２反射面と前記第３反射面とのうち少なくとも一方に付随して設けられている、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。
【請求項１１】
前記フィルターは、位置によって異なる透過率分布を有している、請求項１から１０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画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。
【０００３】
このような虚像表示装置において、画像光と外界光とを重畳させるために、シースルー光学系の提案がなされている（特許文献１、２参照）。
【０００４】
しかし、特許文献１等に記載の装置では、瞳サイズよりも小さい導光光学系を用いる瞳分割方式によってシースルーを実現しているため、虚像の表示サイズを大きくすることが困難である。また、瞳サイズよりも小さい導光光学系を用いるため、人間の個々の眼幅に対応するために有効瞳径（虚像の取り込みを可能にする採光径であり、アイリング径とも呼ぶ）を大きくすることが困難である。また、物理的に瞳付近に導光光学系の射出開口や筐体が配置されるため、死角が生じてしまい完全なシースルーとはいえなくなる。
【０００５】
なお、頭部装着ディスプレイ用の光学システムとして、導光角度の異なる複数の光モードを進行させることができる導光パイプを備えるものが存在する（特許文献３参照）。このような光学システムをおいて、射出側の第３光学面をハーフミラーとし第３光学面の透過光が直進するような工夫をすることで、シースルー型の表示装置にすることも考えられる。
【０００６】
しかし、特許文献３の光学システムでは、複数の光モードによる像が互いに位置ずれしていることを前提として、光モードごとに異なる入射角度に設定されたコリメート光で液晶パネルを照明する。そして、各光モードで表示内容を変更するとともに各光モードの表示をシーケンシャルに実行することで、各光モードの画像をつなぎ合わせて全体画像を得るようにしている。この場合、１つの液晶パネルによって、全体画像を構成する中央の画像と左右の画像とを時間差で変更しつつ表示しなければならず、虚像表示装置が複雑化し観察画像も暗くなる。
【０００７】
以上とは別に、眼前を覆うような光射出部を有する導光部材によって外界光に重ねて虚像の観察を可能にする虚像表示装置であって、時間差で画像をつなぎ合わせる必要のないものも考えられるが、大きな画像を表示することは容易でなく、画像に輝度斑が生じやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３８７９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２４４７３号公報
【特許文献３】特開２００８−５３５００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、輝度斑を抑え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】
【００１０】
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た画像光を入射させる投射光学系と、（ｃ）導光部と、導光部に画像光を入射させる光入射部と、導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、光射出部を介して画像光の観察を可能にする導光装置とを備え、（ｄ）前記導光部は、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、（ｅ）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、（ｆ）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反射面を有し、（ｇ）前記反射面を介して前記光射出部の前記第４反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部材をさらに備え、（ｈ）投射光学系から導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるフィルターとを備える。
【００１１】
上記虚像表示装置では、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。この場合、有効瞳径を大きくでき、表示される虚像を高品位で大きなサイズとすることができる。また、導光装置と光透過部材とを組み合わせることによって、透視部を介してシースルー観察が可能になり、外界像に虚像の画像を重ね合わせて観察することができる。さらに、上記虚像表示装置では、フィルターが投射光学系から導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。
【００１２】
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、フィルターが、吸収によって減光を行うＮＤフィルターである。この場合、吸収率のパターンによって直接的に輝度斑を補償することができる。
【００１３】
本発明の別の側面では、フィルターが、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである。この場合、反射率のパターンによって輝度斑を補償することができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。この場合、吸収膜自体の吸収率や反射膜自体の反射率の調整が不要となり、透過部と遮光部とを組み合わせた各領域における透過率の調整が簡易で精密なものとなる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、所定パターンを形成するフィルターの透過部が、それぞれ０．２ｍｍ以上のサイズを有する。この場合、微小パターン型のフィルターによる回折を抑制できる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、投射光学系と光入射部の光入射面との間に設けられている。この場合、空間の確保が容易でフィルターの保護も容易である。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、導光部と光入射部と光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、フィルターが、導光装置の光入射面に導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して光入射面に接着されている。この場合、フィルターの固定が容易であり、導光部での全反射の確保が容易である。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、光射出部の光射出面上に配置されている。この場合、透過光量の分布に直接的に対応するパターンによって輝度斑を補償することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、第２反射面と第３反射面とのうち少なくとも一方に付随して設けられている。この場合、第２反射面又は第３反射面での反射に際して透過率又は反射率の分布が調整され、輝度斑を補償することができる。
【００２１】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、位置によって異なる透過率分布を有している。この場合、光路差の補償も可能になる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置における第１部分領域から射出される第１画像光の導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して第１部分領域とは異なる第２部分領域から射出される第２画像光の導光部における反射回数とは、互いに異なる。この場合、反射回数の異なる画像光を利用することで、光射出部から射出される画像光の射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置における異なる表示領域からの画像光を比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。このように反射回数が異なる画像光を取り出す構造とすることにより、導光部をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部を大きくすることができるので、良好なシースルー観察が可能になる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、閉じ込め方向が、投射光学系を通る第１光軸と前記第３反射面の法線とを含む断面に平行な方向である。上記閉じ込め方向に関して異なる位置からの画像光は、射出角度すなわち光入射部への入射角度を互いに異なるものとすることで、導光部における反射回数を異なるものとできる。
【００２４】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、射出成型によって成型され、導光装置が、熱重合型の樹脂材料によって成型される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態の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。
【図３】（Ａ）は、導光部材の光入射部における第３反射面の構造を説明する図であり、（Ｂ）は、導光部材の導光部における第１反射面の構造を説明する図であり、（Ｃ）は、導光部材の導光部における第２反射面の構造を説明する図であり、（Ｄ）は、導光部材の光射出部における第４反射面の構造を説明する図である。
【図４】（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。
【図５】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。
【図６】（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。
【図７】（Ａ）は、画像表示装置から射出される画像光の配光パターンを説明するチャートであり、（Ｂ）は、液晶表示デバイスの画素構造を説明する概念的拡大図である。
【図８】（Ａ）は、フィルターの正面図であり、（Ｂ）は、フィルターの吸収率パターンを概念的に説明する図である。
【図９】（Ａ）は、具体例において観察者に見える画像の輝度分布を示し、（Ｂ）は、輝度分布をグラフ化したものであり、（Ｃ）は、比較例において観察者に見える画像の輝度分布を示し、（Ｄ）は、輝度分布をグラフ化したものである。
【図１０】導光部材に稜を除去するような端面を設けている理由を説明する図である。
【図１１】（Ａ）は、変形例における画像光の導光状態を説明する図であり、（Ｂ）は、変形例における液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図である。
【図１２】第２実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図１３】（Ａ）は、フィルターの斜視図であり、（Ｂ）は、フィルターの拡大断面である。
【図１４】（Ａ）及び（Ｂ）は、金属反射膜の微細パターンを説明する図である。
【図１５】第３実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図１６】フィルターの低透過率分布を説明する図である。
【図１７】第４実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図１８】（Ａ）は、第５実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図であり、（Ｂ）は、フィルター周辺の断面構造を説明する概念図である。
【図１９】（Ａ）は、第６実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図であり、（Ｂ）は、フィルター周辺の断面構造を説明する概念図である。
【図２０】変形例における液晶表示デバイスの画像を概念的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
〔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。
【００２７】
〔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。
【００２８】
〔Ｂ．片側の表示装置の構造〕
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、フィルター５０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。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。
【００２９】
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ＳＬ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、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。
【００３０】
照明装置３１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源３１ａと、光源３１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部３１ｂ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。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。
【００３１】
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ＣＬ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、上記第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの交線ＣＬに垂直な方向となっている。
なお、液晶表示デバイス３２の有効サイズは、第１方向Ｄ１よりも第２方向Ｄ２に長い横長となっている。一方、投射光学系１２の射出開口幅は、第２方向Ｄ２よりも第１方向Ｄ１に長い縦長となっている。
【００３２】
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。
【００３３】
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、以下に詳述するが、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。導光部材２１は、この端面２１ｈも含めると、７面の多面体状の外形を有するものとなっている。
【００３４】
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る横方向すなわち閉じ込め方向は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに垂直（Ｚ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２方向Ｄ２に相当するものとなり、導光に際して反射によって折り返されない縦方向すなわち自由伝搬方向は、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。
【００３５】
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。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。
【００３６】
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、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部Ｂ２内に導くための矩形の全反射ミラーである。
【００３７】
図３（Ａ）は、第３反射面２１ｃを説明する図であり、光入射部Ｂ１における表面部分Ｐ１の部分拡大断面図である。第３反射面２１ｃは、ミラー層２５を有し保護層２６で被覆されている。このミラー層２５は、全反射のコーティングであり、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。
【００３８】
図２（Ａ）等に戻って、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、ミラー層等の反射コートが施されていない。
【００３９】
図３（Ｂ）は、第１反射面２１ａを説明する図であり、導光部材２１の導光部Ｂ２における表面部分Ｐ１の部分拡大断面図である。また、図３（Ｃ）は、第１反射面２１ａを説明する図であり、導光部材２１の導光部Ｂ２における表面部分Ｐ１の部分拡大断面図である。ただし、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、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２７で被覆されている。このハードコート層２７は、導光部材２１の平坦面ＦＳ上にＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等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、導光装置２０の奥側即ち光射出部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。
【００４０】
以上の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂでの全反射は、ハードコート層２７の屈折率の設定によっており、ハードコート層２７の表面ＳＳの内側で生じさせることができるが、平坦面ＦＳの内側で生じさせることもできる。
【００４１】
図２（Ａ）等に戻って、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矩形の平坦面であり、ハーフミラー層２８を有している。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）であり、その表面は半透過反射面となっている。
【００４２】
図３（Ｄ）は、第４反射面２１ｄを説明する図であり、光射出部Ｂ３における表面部分Ｐ４の部分拡大断面図である。第４反射面２１ｄには、ハーフミラー層（光透過性の反射膜又は半透過反射膜）２８が付随しており、ハーフミラー層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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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ＥＹ前に対向して透視部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材２３ｍ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、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観察することになる。
【００４７】
フィルター５０は、投射光学系１２と導光部材２１との隙間部分に挿入するように配置されている。フィルター５０は、シート状の部材であり、図１に示す第１駆動部１３１のケース内に固定されてＸＹ面に平行に延びている。フィルター５０は、例えばＮＤフィルターであり、透過光量の空間的な分布を変化させる役割を有する。
【００４８】
〔Ｃ．画像光の光路の概要〕
図４（Ａ）は、液晶表示デバイス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。
【００４９】
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φ1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φ2（｜φ2｜＝｜φ1｜）の下方向から傾いて入射する。以上の角度φ1，φ2は、上下の半画角に相当し、例えば６．５°に設定される。
【００５０】
図４（Ｂ）は、液晶表示デバイス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ＧＬｃ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ＧＬｄとする。図６（Ｂ）中には、参考のため、右寄り内側から射出される画像光ＧＬｅと、左寄り内側から射出される画像光ＧＬｆとを追加している。
【００５１】
右側の第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬｃ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θ1の左方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ＧＬｄ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θ2（｜θ2｜＝｜θ1｜）の右方向から傾いて入射する。以上の角度θ1，θ2は、左右の半画角に相当し、例えば１０°に設定される。
【００５２】
なお、第２方向Ｄ２の横方向に関しては、導光部材２１中で画像光ＧＬｃ，ＧＬｄが反射によって折り返され、反射の回数も異なることから、各画像光ＧＬｃ，ＧＬｄが導光部材２１中で不連続に表現されている。また、観察者の眼ＥＹについては、図２（Ａ）の場合と比較して見ている方向が上下反対となっている。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ＧＬｃ，ＧＬｄ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ＧＬｃの射出角度θ1'と左側の画像光ＧＬｄの射出角度θ2'とは異なるものに設定されている。
【００５３】
以上により、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬａ，ＧＬｂ，ＧＬｃ，ＧＬｄ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。
【００５４】
〔Ｄ．横方向に関する画像光の光路〕
図５は、第１表示装置１００Ａにおける具体的な光路を説明する断面図である。投射光学系１２は、３つのレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を有している。
【００５５】
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反射角γ１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θ1の傾きで平行光束として射出される。
【００５６】
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θ2の傾きで平行光束として射出される。
【００５７】
図５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のレンズＬ３を重ねて観察していることになる。
【００５８】
図６（Ａ）は、液晶表示デバイス３２の表示面を概念的に説明する図であり、図６（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６（Ｃ）及び６（Ｄ）は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図６（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６（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、液晶表示デバイス３２の画像形成領域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、この第１投射像ＩＭ１は、図６（Ｃ）に示すように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、この第２投射像ＩＭ２は、図６（Ｄ）に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【００５９】
図６（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６（Ｂ）に示す重複画像ＩＳ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ＧＬ１１，ＧＬ１２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ＧＬ１１，ＧＬ１２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ＩＳ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。
【００６０】
〔Ｅ．フィルターの機能〕
以下、投射光学系１２と導光装置２０との間に配置されるフィルター５０の機能について詳細に説明する。
【００６１】
図７（Ａ）は、画像表示装置１１から射出される画像光の配光パターンを説明するチャートである。横軸は横のＸ方向の射出角度を示し、縦軸は縦のＹ方向の射出角度を示す。図からも明らかなように、画像表示装置１１の液晶表示デバイス３２から射出される光束は、第１光軸ＡＸ１に沿った中心側では、輝度が高いが、第１光軸ＡＸ１に対して傾斜した周辺側では射出角度の増加に伴って輝度が急速に減少していることが分かる。なお、縦のＹ方向の方が比較的傾斜の大きな周辺まで高輝度であるのは、液晶表示デバイス３２のサブ画素が縦長であることに起因している。
【００６２】
図７（Ｂ）は、液晶表示デバイス３２の画素配列の一例を説明する図である。図示の例では、液晶表示デバイス３２上に略正方形に近い輪郭を有する画素２３ｇがマトリックス状に繰り返し配列されている。各画素２３ｇは、ＲＧＢの３色のサブ画素２３ｓで構成され、各サブ画素２３ｓは、細い縦長の輪郭を有する。このような液晶表示デバイス３２から射出される画像光ＧＬは、サブ画素２３ｓの細長い開口を通過したものであり、縦のＹ方向に関して射出角度が大きくなっても比較的高輝度となる。
【００６３】
以上の状況は、液晶表示デバイス３２の中心からの光束に限らず周辺からの光束についても当てはまり、投射光学系１２から射出される画像光ＧＬは、第１光軸ＡＸ１から離れた周辺ほど暗くなる傾向がある。
【００６４】
また、導光装置２０の導光部材２１で伝搬される画像光ＧＬには、導光部Ｂ２において計３回全反射される画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２と、導光部Ｂ２において計５回全反射される画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２とが存在する。いずれの画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２も、導光部材２１の形状的制限によって伝搬条件の限界があり、全反射回数が少ないモードで伝播する画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２による画像の周辺でケラレ（部分的な遮光）によって減光が生じ、全反射回数が多いモードで伝播する画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２による画像の周辺でケラレ（部分的な遮光）によって減光が生じる。よって、仮にフィルター５０が存在しなければ、図６（Ｃ）に示す第１の投射像ＩＭ１の周辺は、中央に比較してかなり暗いものになり、図６（Ｄ）に示す第２の投射像ＩＭ２の周辺も、中央に比較してかなり暗いものになる。
【００６５】
図８（Ａ）に示すフィルター５０は、その主面５０ａに沿って２次元的な吸収率分布をするＮＤフィルターとなっており、例えば図８（Ｂ）に示す等高線ＣＬのようなパターンで中心部分の吸収率が高く周辺部分の吸収率が低くなっている。このようなフィルター５０により、図７の配光パターンや導光部材２１での伝搬に際しての減光の空間分布を補償することができ、図６（Ｂ）に示す有効表示領域又は虚像表示領域ＡＩに表示される画像の輝度を略一様に設定することができる。
【００６６】
図９（Ａ）は、図６（Ｂ）の有効表示領域又は虚像表示領域ＡＩに相当するものであり、観察者に見える画像の輝度分布を具体的な濃淡分布として示しており、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＡＡ断面における輝度分布をグラフ化したものである。図９（Ａ）及び９（Ｂ）から明らかなように、フィルター５０を設けたことにより、有効表示領域又は虚像表示領域ＡＩ内の輝度分布は比較的一様なものとなっている。
【００６７】
図９（Ｃ）は、比較例の輝度分布を具体的な濃淡分布として示しており、図９（Ｄ）は、図９（Ｃ）のＡＡ断面における輝度分布をグラフ化したものである。この比較例では、図２（Ａ）等に示す第１表示装置１００Ａからフィルター５０が除かれている。図９（Ｃ）及び９（Ｄ）から明らかなように、フィルター５０を設けない場合、有効表示領域又は虚像表示領域ＡＩ内の輝度分布は、図６に示す一対の投射像ＩＭ１，ＩＭ２の領域に対応して大きな偏りを有するものとなっている。
【００６８】
〔Ｆ．その他〕
図１０は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１に稜を除去するような端面２１ｈを設けている理由を説明する拡大図である。導光部材２１の稜１２１ｈに近い位置に入射した画像光ＧＬは、第３反射面２１ｃで反射された後に第１反射面２１ａで反射されるが、第１反射面２１ａでの反射後に第３反射面２１ｃで再度反射されてしまう。このような再反射光としての不要光ＨＬは、第３反射面２１ｃでの反射によって元の画像光ＧＬと平行でなくなってしまい想定外の光路に導かれるが、その一部が光射出部Ｂ３に導かれて光射出面ＯＳから射出される可能性がある。つまり、稜１２１ｈで発生する不要光ＨＬは、望まれないゴースト光ＧＧとなるので、予め除去することが望ましい。このため、稜１２１ｈを除去して迷光阻止用の端面２１ｈを設け、不要光ＨＬの光路に制限を設けている。
【００６９】
図１１は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１の変形例を説明する拡大図である。この場合、導光部材２１の第４反射面２１ｄ側に稜１２１ｉを除去するような端面２１ｉを設けている。つまり、導光部材２１は、８面の多面体状の外形を有するものとなっている。端面２１ｉには、例えば比較的高い反射率のコート又は粗面が施され、光透過部材２３にも端面２１ｉにフィットする段差を設けている。このような端面２１ｉを設けることで、導光部材２１を伝播する正規の画像光ＧＬが第４反射面２１ｄで２度以上反射され不要光ＨＬとして観察者の眼ＥＹに入射すること、或いは３回未満の反射で導光部Ｂ２を通過する画像光等である不要光ＨＬが光射出面ＯＳを介して外部に射出されることを防止できる。つまり、端面２１ｉは、想定外の経路を経ることで元の画像光ＧＬに対して傾いてしまう不要光ＨＬが望まれないゴースト光ＧＧとなるのを防止している。
【００７０】
以上の説明では、液晶表示デバイス３２の右側の第１表示点Ｐ１を含む第１部分領域Ａ１０から射出された画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂによる全反射回数が計３回で、液晶表示デバイス３２の左側の第２表示点Ｐ２を含む第２部分領域Ａ２０から射出された画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂによる全反射回数が計５回であるとしたが、全反射回数については適宜変更することができる。つまり、導光部材２１の外形（すなわち厚みｔ、距離Ｄ、鋭角α，β）の調整によって、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２の全反射回数を計５回とし、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２の全反射回数を計７回とすることもできる。また、以上では、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の全反射回数が奇数となっているが、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを反対側に配置するならば、すなわち導光部材２１を平面視で平行四辺形型にすれば、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の全反射回数が偶数となる。
【００７１】
〔Ｇ．まとめ〕
以上説明した第１実施形態の虚像表示装置１００では、光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬが導光部の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射されつつ伝搬され、光射出部Ｂ３の第４反射面２１ｄで反射されて虚像として観察者の眼ＥＹに入射する。この際、画像表示装置１１の第１表示点Ｐ１を含む第１部分領域Ａ１０から射出される第１画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２の導光部における反射回数と、画像表示装置１１の第２表示点Ｐ２を含む第２部分領域Ａ２０から射出される第２画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２の導光部Ｂ２における反射回数とが異なるので、光射出部Ｂ３から射出される画像光ＧＬの射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置１１における異なる部分領域Ａ１０，Ａ２０からの画像光ＧＬを比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部Ｂ３越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。このように、反射回数が異なる画像光ＧＬを取り出す構造とすることにより、導光部Ｂ２をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部Ｂ３を大きくすることができるので、光射出部Ｂ３を瞳に近づけて瞳分割を行う必要がなくなり、アイリング径を大きく確保することができ、良好なシースルー観察も可能になる。
【００７２】
また、上記第１実施形態の虚像表示装置１００では、フィルター５０が投射光学系１２から導光装置２０までの間に配置され、透過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置２０とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。これにより、虚像表示装置１００によって表示される虚像のサイズを大きくしつつ表示される虚像を高品位のものとすることができる。
【００７３】
〔第２実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。
【００７４】
図１２に示すように、フィルター１５０は、導光部材２１の光入射面ＩＳに接着されている。
【００７５】
図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）に示すように、フィルター１５０は、光透過性の基板５１上に金属反射膜５２を形成したものであり、接着層６１を介して導光部材２１の光射出面ＯＳに接着されている。接着層６１は、導光部材２１よりも適度に低屈折率の光透過層である。具体的には、導光部材２１の屈折率が１．５であるとした場合に、接着層６１の屈折率は、１．３以下に設定されている。これにより、導光部材２１内で伝搬される画像光ＧＬが光射出面ＯＳ又は第１反射面２１ａの内面で全反射されず減衰することを防止できる。
【００７６】
図１４（Ａ）に示すように、フィルター１５０は、略１００％の透過性を有する透過部５０ｃに対して、略１００％の遮光性を有する遮光部５０ｄを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。遮光部５０ｄは、基板５１上にランダムに配列された多数の円形領域ＡＭからなり、図１３（Ｂ）に示す金属反射膜５２に相当する。基板５１上における円形領域ＡＭの密度を調整することにより、その位置における巨視的な透過率を例えば５０％〜９０％の範囲で調整することができ、透過率の２次元的な分布又はパターンを形成することができる。つまり、フィルター１５０に形成した２次元的な透過率分布によって画像光の輝度斑を補償することができる。
【００７７】
図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示すフィルター１５０の変形例を示す。この場合、フィルター２５０は、略１００％の遮光性を有する遮光部５０ｅに対して、略１００％の透過性を有する透過部５０ｆを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。透過部５０ｆは、基板５１上にランダムに配列された多数の円形領域ＡＭからなり、円形領域ＡＭを除いた領域は、図１３（Ｂ）に示す金属反射膜５２に相当する。基板５１上における円形領域ＡＭの密度を調整することにより、その位置における巨視的な透過率を調整することができ、透過率の２次元的な分布又はパターンを形成することができる。つまり、フィルター２５０に形成した２次元的な透過率分布によって画像光ＧＬの輝度斑を補償することができる。なお、フィルター２５０に設けた透過部５０ｆのサイズは、回折を抑制するため、０．２ｍｍ以上とする。
【００７８】
第２実施形態の場合、フィルター１５０，２５０を構成する金属反射膜５２について吸収率や反射率の調整が不要となり、フィルター１５０，２５０の透過率分布の調整が簡易で精密なものとなる。
【００７９】
以上の第２実施形態において、円形領域ＡＭのサイズを一様とする必要はなく、例えば位置に応じて円形領域ＡＭのサイズを変更することができる。
【００８０】
以上の第２実施形態において、金属反射膜５２によって形成する円形領域ＡＭは単なる例示であり、楕円領域、矩形領域等によって画像光ＧＬの遮光や透過を行うことができる。
【００８１】
なお、金属反射膜５２に部分的な透過部５０ｃ，５０ｆを形成するのではなく、金属反射膜５２の厚みを局所的に変化させることにより、金属反射膜５２自体に２次元的な透過率の分布を形成することもできる。
【００８２】
〔第３実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第３実施形態の虚像表示装置は、第１又は第２実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第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。
【００８３】
図１５に示すように、フィルター３５０は、導光部材２１の光射出面ＯＳに接着されている。フィルター３５０は、第１実施形態におけるフィルター５０と同様に２次元的な吸収率分布をするＮＤフィルターであるが、図８（Ｂ）に示すフィルター５０とは吸収率分布が異なっている。
【００８４】
フィルター３５０は、図１６において等高線ＣＬに示すように、２つの低透過率の領域を有する。これにより、図９（Ｃ）及び９（Ｄ）に示すような輝度分布を実質的に相殺することができる。つまり、フィルター３５０に形成した２次元的な透過率分布によって画像光ＧＬの輝度斑を補償することができる。
【００８５】
なお、フィルター３５０は、導光部材２１よりも適度に低屈折率の光透過層を介して導光部材２１に接着することができる。また、フィルター３５０は、ＮＤフィルターに限らず、第２実施形態の図１３（Ｂ）等に示すように、光透過性の基板５１上に金属反射膜５２を形成したものとすることができる。
【００８６】
〔第４実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第４実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第４実施形態の虚像表示装置は、第１又は第２実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。
【００８７】
図１７に示すように、投射光学系１２の最も光射出側のレンズＬ３の表面にフィルター４５０が形成されている。このフィルター４５０は、第１実施形態におけるフィルター５０と同様に２次元的な吸収率分布をするＮＤフィルターとすることができる。また、フィルター４５０は、第２実施形態の図１３（Ｂ）等に示すフィルター１５０，２５０と同様に、レンズＬ３の表面上に金属反射膜５２を形成したものとすることができる。この場合、レンズＬ３が金属反射膜５２を支持する基板５１として機能する。
【００８８】
〔第５実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第５実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第５実施形態の虚像表示装置は、第１又は第２実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第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。
【００８９】
図１８（Ａ）に示すように、本実施形態の場合、光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃにフィルター５５０を設けている。図１８（Ｂ）に示すように、フィルター５５０は、光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃに設けたミラー層２５の内側に挿入されており、斜面ＲＳとミラー層２５との間に挟まれている。フィルター５５０は、第１実施形態におけるフィルター５０と同様に２次元的な吸収率分布をするＮＤフィルターとすることができ、例えば斜面ＲＳに接着される。また、フィルター５５０は、減衰型の反射膜とすることもできる。
本実施形態の場合、ミラー層２５で反射される画像光ＧＬは、光入射部Ｂ１においてフィルター５５０を往復することで輝度斑補正される。なお、ミラー層２５自体の反射率分布を持たせることによっても、同様の輝度斑補正が可能になり、この場合、ミラー層２５がフィルターとして機能している。
【００９０】
〔第６実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第６実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第６実施形態の虚像表示装置は、第１又は第２実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第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。
【００９１】
図１９（Ａ）に示すように、本実施形態の場合、光射出部Ｂ３の第４反射面２１ｄにフィルター６５０を設けている。図１９（Ｂ）に示すように、フィルター６５０は、光射出部Ｂ３の第４反射面２１ｄに付随させたハーフミラー層２８の内側に挿入されており、斜面ＲＳとハーフミラー層２８との間に挟まれており、ハーフミラー層２８は、接着材層２９を介して光透過部材２３に接合されている。フィルター６５０は、第１実施形態におけるフィルター５０と同様に２次元的な吸収率分布をするＮＤフィルターとすることができ、例えば斜面ＲＳに接着される。また、フィルター６５０は、減衰型の反射膜とすることもできる。
本実施形態の場合、ハーフミラー層２８で反射される画像光ＧＬは、光射出部Ｂ３においてフィルター６５０を往復することで輝度斑補正される。なお、ハーフミラー層２８自体の反射率分布を持たせることによっても、同様の輝度斑補正が可能になり、この場合、ハーフミラー層２８がフィルターとして機能している。
【００９２】
〔変形例等〕
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。
【００９３】
図２０（Ａ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１の変形例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１０（Ａ）に示す変形例の導光部材２１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なる。この場合、図２０（Ｂ）に示すように、虚像表示領域又は有効表示領域Ａ０の左側に例えば計３回全反射の投射像ＩＭ２１が形成され、虚像表示領域又は有効表示領域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、虚像表示領域又は有効表示領域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。
【００９４】
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の全面に形成されなくてもよく、一部の必要領域にのみ形成されるものとできる。なお、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。
【００９５】
光透過部材２３の形状は、導光部材２１を横すなわちＸ方向に延長するものに限らず、導光部材２１を上下から挟むように拡張した部分を含むものとできる。
【００９６】
上記実施形態では、照明装置３１からの照明光ＳＬに特に指向性を持たせていないが、照明光ＳＬに液晶表示デバイス３２の位置に応じた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３２を効率的に照明することができ、画像光ＧＬの位置による輝度ムラを低減でき、フィルター５０，１５０，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０の負担を低減できる。
【００９７】
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６（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。これによっても、フィルター５０，１５０，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０の過度の負担を低減できる。
【００９８】
上記実施形態では、画像表示装置１１として、透過型の液晶表示デバイス３２等を用いているが、画像表示装置１１としては、透過型の液晶表示デバイス３２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、画像表示装置１１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。
【００９９】
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、一組ずつ画像形成装置１０及び導光装置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と導光装置２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【０１００】
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。
【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。
【０１０３】
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。
【符号の説明】
【０１０４】
１０…画像形成装置、  １１…画像表示装置、  １２…投射光学系、  ２０…導光装置、  ２１…導光部材、  ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…第１〜第４反射面、  ２１ｅ…上面、  ２１ｆ…下面、  ２１ｈ，２１ｉ…端面、  ２３…光透過部材、  ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…面、  ２５…ミラー層、  ２７…ハードコート層、  ２８…ハーフミラー層、  ３１…照明装置、  ３２…液晶表示デバイス、  ３２ｂ…表示領域、  ３４…駆動制御部、  ５０，１５０，２５０，３５０，４５０…フィルター、  ５１…基板上、  ５２…金属反射膜、  １００…虚像表示装置、  １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、  １１０…光学パネル、  １２１…フレーム、  １３１，１３２…駆動部、  ＡＸ１…第１光軸、  ＡＸ２…第２光軸、  Ｂ１…光入射部、  Ｂ２…導光部、  Ｂ３…光射出部、  Ｂ４…透視部、  ＥＹ…眼、  ＦＳ…平坦面、  ＧＬ…画像光、  ＧＬ'…外界光、  ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２…画像光、  ＩＭ１，ＩＭ２…投射像、  ＩＳ…光入射面、  Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…レンズ、  ＯＳ…光射出面、  Ｐ１…表示点、  Ｐ２…表示点、ＳＬ…照明光。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年4月9日(2015.4.9)
【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を入射させる投射光学系と、
導光部と、前記導光部に前記画像光を入射させる光入射部と、前記導光部によって導かれた前記画像光を金属反射膜または誘電体多層膜を含む光透過性を有する反射膜により外部に射出させる光射出部とを有し、前記光射出部を介して前記画像光の観察を可能にするとともに、外界光の観察を可能にする導光装置とを備え、
前記導光部は、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、
前記投射光学系から前記光入射部までの間に配置され、中心部分と周辺部分とで透過率が異なる２次元的な透過率分布を有し、前記画像表示装置から射出される前記画像光の輝度分布を補償するフィルターと、を備える虚像表示装置。
【請求項２】
前記フィルターは、前記画像表示装置から射出される前記画像光の配光パターンによる前記画像光の輝度分布を補償する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記フィルターは、前記中心部分の透過率が低く、前記周辺部分の透過率が高い、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記フィルターは、前記画像光が入射する主面に沿って、前記中心部分から前記周辺部分にいくにつれて透過率が高くなる、請求項３に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
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反射面を有し、
前記反射膜を介して前記光射出部の前記第４反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部材をさらに備える、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。
【請求項６】
前記画像表示装置における第１部分領域から射出される第１画像光の導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して第１部分領域とは異なる第２部分領域から射出される第２画像光の導光部における反射回数とは、互いに異なる、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記閉じ込め方向が、前記投射光学系を通る第１光軸と前記第３反射面の法線とを含む断面に平行な方向である、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記フィルターは、吸収によって減光を行うＮＤフィルターである、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記フィルターは、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記フィルターは、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである、請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記フィルターの前記所定パターンを形成する前記透過部は、それぞれ０．２ｍｍ以上のサイズを有する、請求項１０に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記フィルターは、前記投射光学系と前記光入射部の光入射面との間に設けられている、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記導光装置は、前記導光部と前記光入射部と前記光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、
前記フィルターは、前記導光装置の前記光入射面に前記導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して前記光入射面に接着されている、請求項１２に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
前記フィルターは、前記投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている、請求項１２に記載の虚像表示装置。
【請求項１５】
前記フィルターは、前記第３反射面に付随して設けられている、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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
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た画像光を入射させる投射光学系と、（ｃ）導光部と、導光部に画像光を入射させる光入射部と、導光部によって導かれた画像光を金属反射膜または誘電体多層膜を含む光透過性を有する反射膜により外部に射出させる光射出部とを有し、光射出部を介して画像光の観察を可能にするとともに、外界光の観察を可能にする導光装置とを備え、（ｄ）前記導光部は、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、（ｅ）投射光学系から光入射部までの間に配置され、中心部分と周辺部分とで透過率が異なる２次元的な透過率分布を有し、画像表示装置から射出される画像光の輝度分布を補償するフィルターと、を備える。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記虚像表示装置では、光入射部に入射し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、光射出部の金属反射膜または誘電体多層膜を含む光透過性を有する反射膜により反射されて虚像として観察者の眼に入射する。この場合、有効瞳径を大きくでき、表示される虚像を高品位で大きなサイズとすることができる。また、光射出部が金属反射膜または誘電体多層膜を含む光透過性を有する反射膜を有することによって、反射膜を介してシースルー観察が可能になり、外界像に虚像の画像を重ね合わせて観察することができる。さらに、上記虚像表示装置では、フィルターが投射光学系から光入射部までの間に配置され、中心部分と周辺部分とで透過率が異なる２次元的な透過率分布を有し、画像表示装置から射出される画像光の輝度分布を補償するので、シースルー観察に影響を与えることなく、投射光学系と導光装置とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。