虚像表示装置
【課題】設計上の制限を充足しつつ、観察者の眼に虚像として入る画像光について、縦横比を所望の状態に設定できる虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】縦横比変換光学系での伸張変換によって、形成された虚像の縦横比について、元の画像表示装置の画像領域の縦横比（４：３）よりも横長の縦横比（１６：９）に変換することができる。これにより、例えば虚像表示装置全体に対する画像表示装置を含む画像形成装置の横幅が設計上制限され画像領域を映像として必要とされる比較的横長の縦横比（例えば１６：９）にすることができず、正方形に近い比（例えば縦横比４：３）となる場合であっても、観察者の眼に虚像として認識される画像光の縦横比を、シリンドリカルレンズでの縦横比変換によって所望の状態（例えば縦横比１６：９）に調整できる。
【解決手段】縦横比変換光学系での伸張変換によって、形成された虚像の縦横比について、元の画像表示装置の画像領域の縦横比（４：３）よりも横長の縦横比（１６：９）に変換することができる。これにより、例えば虚像表示装置全体に対する画像表示装置を含む画像形成装置の横幅が設計上制限され画像領域を映像として必要とされる比較的横長の縦横比（例えば１６：９）にすることができず、正方形に近い比（例えば縦横比４：３）となる場合であっても、観察者の眼に虚像として認識される画像光の縦横比を、シリンドリカルレンズでの縦横比変換によって所望の状態（例えば縦横比１６：９）に調整できる。
【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】
しかしながら、上記の特許文献１，２のように、虚像表示装置が、例えば眼鏡型のように頭部に装着して使用するようなものの場合、装置を構成する各要素の配置や大きさ等に関して構造的又はデザイン的な観点等から設計上種々の制限が生じる。一方、映し出される映像の縦横比（アスペクト比）に関しては、近年、例えば１６：９といった観察者の眼の並ぶ方向すなわち横方向について長いものが増加している。しかしながら、上記のような設計上の制限から、この種の横長の映像に代表される様々な縦横比の画像を表示させたいといった要請に対応することは必ずしも容易ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８７９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２４４７３号公報
【発明の概要】
【０００６】
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、設計上の制限を充足しつつ、観察者の眼に虚像として入る画像光について、縦横比を所望の状態に設定できる虚像表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
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による虚像を形成する投射光学系と、（ｃ）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延びる第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、導光部を経た画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する導光装置とを備え、（ｄ）投射光学系が、画像表示装置の画像領域の虚像について縦横比の調整を行うトーリック光学系を含む。
【０００８】
上記虚像表示装置では、トーリック光学系によって、画像表示素子の画像領域を基準として観察者に観察される虚像の縦横比の変換を行うことができる。これにより、例えば配置や大きさ等の設計上の制限等の理由から、画像表示素子の画像領域の縦横比を映像として必要とされる縦横比（アスペクト比）と一致させない場合であっても、トーリック光学系によって縦横比を変換して、観察者には、所望の縦横比の虚像を認識させることができる。
【０００９】
本発明の具体的な側面では、トーリック光学系が、画像表示装置における表示の縦横比を基準として、観察者にとっての横方向の比率をより大きくするように虚像について縦横比の変換を行う。この場合、観察者にとっての横方向の比率をより大きくすることで、観察者に認識される映像を、観察者の眼の並ぶ方向すなわち横方向についてより長いものにできる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、トーリック光学系が、観察者にとっての横方向に対応する第１方向に関する伸張変換及び第１方向に垂直な第２方向に関する縮小変換のうち、少なくともいずれか一方を行う。この場合、第１方向に関する伸張変換又は第２方向に関する縮小変換、或いはその双方の変換によって、観察者に認識される映像を相対的に横長の所望の縦横比にできる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、（ａ）画像形成装置が、画像光を観察する観察者の耳側に配置され、（ｂ）導光装置が、観察者にとっての横方向に沿って画像光を導く。この場合、例えば、眼鏡型のように、虚像表示装置を比較的小型なものにできる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置において、画像領域に配置される複数の画素の各形状の縦横比が、トーリック光学系による変換比率と逆比率である。この場合、特別な画像処理を施さなくても、元の映像の縦横比をそのままの自然な形に保った状態で観察者に認識されるものとできる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置において、複数の画素が、３セグメントの画素要素を一列に配列して構成される。この場合、カラー画像を形成することができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、３セグメントの画素要素が、ＲＧＢの３色であり、観察者にとっての横方向に一列に配列される。この場合、ＲＧＢの３色により３セグメントを構成することで、カラー画像の形成が可能となり、横方向に一列に配列することで、画像表示装置にアクティブマトリクス方式の液晶を採用する場合により効率的に光を利用することができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置において、複数の画素が、４セグメントの画素要素を２行２列に配列して構成される。この場合、４セグメントの配色によって光量を大きくすることや色再現性を良くすることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、４セグメントの画素要素が、ＲＧＢの３色で構成される。この場合、３色のうち１色を他の色よりも多くすることで、光源の特性等に応じて、各色間の光量のバランスを取ったり画素全体として必要となる光量を確保したりすることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、４セグメントの画素要素が、ＲＧＢの３色に他の色を加えた４色で構成される。この場合、他の色を加えることで、光量を大きくしたり色再現性をより向上させたりすることが可能となる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置が、トーリック光学系による画像光の縦横比の変換比率に応じて、外部から画像表示装置に入力される画像信号について、当該変換比率と逆比率となる縦横比の変換処理を行う画像処理部をさらに備える。この場合、トーリック光学系による縦横比の変換を補償するような画像処理により、観察者に認識される映像を、外部からの入力時の映像信号による元の映像のままの状態にできる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置が、トーリック光学系を画像光の光路上で移動させる駆動機構をさらに備える。この場合、駆動機構によりトーリック光学系による縦横比の変換についてオン・オフ等の切替えを行うことができる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、トーリック光学系が、画像光を内部に取り込む導光装置の光入射面に対向する方向に配置される１組の凹凸形状のシリンドリカルレンズを有し、当該シリンドリカルレンズの配置を変更することで画像光の縦横比の変換比率を調整する。この場合、１組の凹凸形状のシリンドリカルレンズの配置を変更することで、画像光の縦横比の変換比率を適宜設定することができる。
【００２１】
本発明のさらに別の側面では、（ａ）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、（ｂ）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、（ｃ）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反射面で反射されることで、観察者の眼に入射させるための虚像を形成できる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、第３反射面及び第４反射面の少なくとも一方に、ホログラム素子を有する。この場合、ホログラム素子を利用して画像光の光路が調整でき、また、高効率に光を取り込むことができる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、所定方向に延びる複数の反射面を有し導光部の第１及び第２の全反射面での全反射により導かれた画像光を当該複数の反射面により光射出部側に折り曲げる角度変換部をさらに有する。この場合、角度変換部が、画像光を光射出部側に折り曲げて射出することで、観察者に画像を認識させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図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、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４】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５】（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６】（Ａ）は、虚像表示装置の構造を模式的に示す断面図であり、（Ｂ）は、側面図であり、（Ｃ）は、縦横比変換光学系を構成する１組のシリンドリカルレンズの斜視図である。
【図７】（Ａ）は、観察者に認識される虚像に対応するパネル画像を示す模式的な図であり、（Ｂ）は、比較例の図であり、（Ｃ）は、縦横比変換光学系における光路について説明するための模式的な図である。
【図８】（Ａ）は、画像表示素子の画像領域の画素を反映するパネル画像の画素を示す図であり、（Ｂ）は、縦横比が変換されたパネル画像の画素の状態を示す図である。
【図９】（Ａ）は、縦一列に配列されたＲＧＢ画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、（Ｂ）は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、（Ｃ）は、横一列に配列されたＲＧＢ画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、（Ｄ）は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、（Ｅ）は、正方の４マスに配列されたＲＧＢ画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、（Ｆ）は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、（Ｇ）は、正方の４マスに配列された４色画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、（Ｈ）は、縦横比の変換後の状態を示す図である。
【図１０】（Ａ）は、第２実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。
【図１１】（Ａ）は、第３実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。
【図１２】（Ａ）は、第４実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、（Ｂ）は、画像処理の様子を示す図である。
【図１３】（Ａ）は、第５実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、（Ｂ）は、虚像表示装置の動作を説明するための図であり、（Ｃ）は、レンズ離隔時の状態における横方向についての光路を説明する図であり、（Ｄ）は、縦方向についての光路を説明する図であり、（Ｅ）は、レンズ密着時の状態における横方向についての光路を説明する図であり、（Ｆ）は、縦方向についての光路を説明する図である。
【図１４】（Ａ）は、レンズ離隔時における縦横比の変換後の画素の状態を示す図であり、（Ｂ）は、レンズ密着時における縦横比の変換後の画素の状態を示す図である。
【図１５】虚像表示装置での画像処理を説明するためのフローチャートである。
【図１６】（Ａ）は、第５実施形態に係る虚像表示装置の変形例を説明する断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。
【図１７】（Ａ）は、第６実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）は、導光部材の正面図であり、（Ｃ）は、導光部材の平面図である。
【図１８】（Ａ）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り、（Ｂ）は、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、（Ｃ）は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。
【図１９】（Ａ）は、虚像表示装置の構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。
【図２０】その他の虚像表示装置の一例について説明するための図である。
【図２１】別の虚像表示装置の一例について説明するための図である。
【図２２】（Ａ）は、さらに別の虚像表示装置について説明するための画像の表示例を示す図であり、（Ｂ）は、縦横比の変換後の画像の一例であり、（Ｃ）は、縦横比の変換後の画像の別の一例であり、（Ｄ）は、比較例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す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のうち眼前の両側の部分からそれぞれ延びてフレーム１２１を折りたたむためのヒンジ（不図示）の手前までを占める部分（フロントカバー）１４１，１４２や当該ヒンジより後段から耳にかかる部分までを占める部分（テンプル）１５１，１５２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。図面上で右側の第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、図中破線で囲んだ虚像表示装置１００全体のうちの中央より右半分の範囲にあり、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、図面上で左側の第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、虚像表示装置１００全体のうち中央より左半分の範囲にあり、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。この場合、画像形成装置１０は、観察者の耳に近接して配置されるものとなる。
【００２７】
〔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中の破線で囲まれた範囲内における第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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。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Ｚ方向に相当する。
【００３１】
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１３と、コリメートレンズ１３で平行光束化された画像光の広がり状態を調整することにより、表示すべき虚像について縦横比の調整を行うトーリック光学系である縦横比変換光学系１５とを含むレンズ群である。
【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ＹＺ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、ＹＺ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、ＹＺ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。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つつ伝搬す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（Ｘ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、伝搬される拘束が全体として向かう主導光方向は、＋Ｚ方向になっている。
【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又は光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、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を有する。この全反射ミラー層は、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−Ｘ方向に向かう画像光ＧＬを、全体として＋Ｘ方向寄りの＋Ｚ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。
【００３７】
導光部Ｂ２は、互いに対向しＹＺ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、ハードコート層で被覆されている。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。
【００３８】
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すなわち光射出部Ｂ３を設けた＋Ｚ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。
【００３９】
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表側の平面であり、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のうち第４反射面２１ｄを構成する斜面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。
【００４０】
第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａに垂直な第２光軸ＡＸ２又はＹＺ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＋Ｘ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を透過した画像光の成分は、光透過部材２３に入射し、映像の形成には利用されない。
【００４１】
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、ＹＺ面に沿って延びる。また、第３面２３ｃは、ＹＺ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材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。
【００４２】
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光透過面である。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。
【００４３】
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、透視部Ｂ４を構成している。すなわち、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。
【００４４】
〔Ｃ．画像光の光路の概要〕
図３（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。
【００４５】
上側の画像光ＧＬａは、縦横比変換光学系１５を含む投射光学系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。
【００４６】
図３（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Ｄ２（閉じ込め方向又は合成方向）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（＋Ｚ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（−Ｚ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３（Ｂ）中には、参考のため、右寄り内側のから射出される画像光ＧＬｅと、左寄り内側のから射出される画像光ＧＬｆとを追加している。
【００４７】
向かって右側の第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の右方向から傾いて入射する。一方、向かって左側の第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｜）の左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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
〔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。投射光学系１２は、既述のように、複数のレンズ（不図示）で構成されるコリメートレンズ１３と、画像領域の虚像について縦横比の変換を行うための縦横比変換光学系１５とを有している。縦横比変換光学系１５は、１組のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂで構成されている。縦横比変換光学系１５は、縦方向と横方向とで曲率半径の異なる光学面を有する１組のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂを用いることで、コリメートレンズ１３で平行光束化された画像光の平行状態を保ったままで観察者の眼ＥＹへの入射角度を変化させて、画角の調整による縦横比の変換を可能としている。ここでは、一例として、画像表示装置１１の画像領域での縦横比すなわちアスペクト比を４：３とし、これを観察者が虚像として認識する際にアスペクト比１６：９となるような比率の変換を行っている。なお、縦横比変換光学系１５によるアスペクト比変換動作の詳細については後述する。
【００５１】
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のコリメートレンズ１３を通過することで平行光束化される。さらに、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、投射光学系１２の縦横比変換光学系１５を通過することで、平行光束化された状態を保ちつつ、アスペクト比変換のために横方向に関して光路方向が調整される。つまり、縦横比変換光学系１５により、映し出される画像について、横方向の画角を調整して液晶表示デバイス３２の画像領域での縦横比変換のための調整がなされる。
【００５２】
投射光学系１２を経た画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、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θ１の傾きで平行光束として射出される。
【００５３】
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のコリメートレンズ１３を通過することで平行光束化され、縦横比変換光学系１５の通過では平行光束化された状態を保ちつつ光路調整されて、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。
【００５４】
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のレンズ１５ｂを重ねて観察していることになる。
【００５５】
図５（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、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５（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５（Ｄ）に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【００５６】
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。
【００５７】
以上では、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。
【００５８】
ここで、図４に戻って、投射光学系１２の縦横比変換光学系１５による画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の光路の調整に関して説明する。以上のような画像形成にあたって、縦横比変換光学系１５は、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の光路を通常の場合よりも広角なものとするように光路を調整することで、縦横比すなわちアスペクト比の変換をしている。具体的には、図中破線で示すように、仮に縦横比変換光学系１５がないとした場合には、仮想の光路ＧＬＭが画像光の光路となる。この仮想の光路ＧＬＭは、実際の画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の光路よりも狭い角度で導光部材２１等に入射するものであり、この場合、画像表示装置１１の画像領域での状態を保ってアスペクト比４：３の画像が形成されることになる。これに対して、本実施形態では、縦横比変換光学系１５によって、画像光の光路が調整されている。これにより、画像表示装置１１側では、画像領域がアスペクト比４：３であっても、観察者は、より横長のアスペクト比１６：９の映像として認識することができる。なお、縦横比変換光学系１５は、投射光学系１２において、コリメートレンズ１３の後段に位置することで、平行光束化された状態にある画像光に対して上記のようなアスペクト比変換のための横方向へ伸張の作用を施すものとなっている。このため、縦横比変換光学系１５の通過に際して、画像光の成分が平行光束化された状態を維持することが可能となっている。
【００５９】
〔Ｄ．縦横比変換光学系の構造及びこれによる縦横比変換〕
以下、図６（Ａ）〜６（Ｃ）及び７（Ａ）〜７（Ｃ）を参照して、縦横比変換光学系１５の構造や機能についてより詳細に説明する。なお、図６（Ａ）及び６（Ｂ）では、縦横比変換光学系１５についての説明を優先するため、他の機構や光路等が、模式的に示されている。また、ここでは、図７（Ａ）に概念的に説明するように、図６（Ａ）等に示す縦横比変換光学系１５が横方向にのみ光束の角度変換を行うことによって、観察者に認識される映像に相当するパネル画像ＰＰは、元のアスペクト比４：３から縦横比変換されアスペクト比１６：９となる。なお、比較例として図７（Ｂ）に概念的に示すように、仮に縦横比変換光学系１５が配置されないとすると、上記のような縦横比変換がなされず、パネル画像ＰＰは、元の画像表示装置１１の画面のアスペクト比４：３のままとなる。
【００６０】
図６（Ａ）は、虚像表示装置１００をＹ方向から見た断面図であり、図６（Ｂ）は、虚像表示装置１００をＺ方向から見た側面図であり、図６（Ｃ）は、縦横比変換光学系１５を構成する１組のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの斜視図である。図示の虚像表示装置１００において、画像表示装置１１の横方向である第１方向Ｄ１は、図７（Ａ）に示すように観察者の横方向すなわちパネル画像ＰＰの横方向Ｅ１に対応している。また、第１方向Ｄ１に垂直な画像表示装置１１の縦方向である第２方向Ｄ２は、パネル画像ＰＰの縦方向Ｅ２に対応している。
【００６１】
縦横比変換光学系１５は、光路上流側すなわち光源側に配置される凸シリンドリカルレンズ１５ａと、光路下流側すなわち反光源側に配置される凹シリンドリカルレンズ１５ｂとにより構成される。凸シリンドリカルレンズ１５ａ及び凹シリンドリカルレンズ１５ｂは、いずれも、母線がＹ方向に延びるように配置されており、ＸＺ面に平行な断面については正負の屈折力を与える円弧状であり、ＸＹ面に平行な断面については屈折力を与えない直線状であり、図６（Ｃ）に斜視図で示すような全体外観を有するシリンドリカル光学系である。各シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂは、導光部材２１の光入射面ＩＳに直接又は間接的に対向するように配置されている。各シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂが、以上のような形状及び配置となっているため、その断面形状の違いによって、通過する光の発散・収束作用すなわち画像光についての伸張・縮小作用が生ずる方位と生じない又は殆ど生じない方位とがある。なお、図６（Ａ）等に例示するシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの場合、光路下流側の面ＨＳａ，ＨＳｂは曲面になっており、光路上流側の面ＴＳａ，ＴＳｂは平坦面になっている。
【００６２】
図６（Ａ）及び６（Ｂ）に示すように、縦横比変換光学系１５に入射した画像光は、コリメートレンズ１３によって予め平行化されている。縦横比変換光学系１５は、第１方向Ｄ１に対応するＸＺ断面で、各画像光の光束の平行性を保ちつつ画角を拡げるように変換するアフォーカル系すなわち焦点距離が無限大の光学系であり、入射する平行光束の平行性を保って射出する。一方、縦横比変換光学系１５は、第２方向Ｄ２に対応するＸＹ断面で各画像光の光束の平行性を保ち画角を維持する非作用型の光学系となっている。従って、図６（Ａ）においてすなわちＸＺ面内において、画像光ＧＬ１等は、平行光束として入射し、射出角度が変化するものの平行光束として射出されている。また、図６（Ｂ）においてすなわちＸＹ面内において、画像光ＧＬ１等は、平行光束として入射し、略そのままの平行光束として射出されている。ここで、縦横比変換光学系１５による画像光の光束断面の第１方向Ｄ１すなわち横方向についての伸張・縮小は、射出角度の増減に相当するものであり、縦横比変換光学系１５を構成する両シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの屈折力や間隔によって定まる。図６（Ａ）等に示すレンズ１５ａ，１５ｂの配置の場合、レンズ１５ａ，１５ｂすなわち縦横比変換光学系１５がない場合と比較して、Ｚ方向については横画角φ＝２θを拡げ画像光を伸張させる。一方、第２方向Ｄ２すなわち縦方向については伸張も縮小もさせないものとなっている。
【００６３】
以下、図６（Ａ）等を参照して、画像形成装置１０側における第１方向Ｄ１すなわち横方向に関しての画像光の光路調整について説明する。ここでは、縦横比変換光学系１５での光路調整によるアスペクト比変換について説明するため、画像光のうち例えば図７（Ｃ）に示す画像光ＧＬ２，ＧＬ３のように画像表示装置１１の周辺側から入射角度θ０だけ傾いて射出され光軸ＸＸと交差する成分について考える。このような成分は、まず、凸シリンドリカルレンズ１５ａに入射すると、アフォーカル系である凸シリンドリカルレンズ１５ａ及び凹シリンドリカルレンズ１５ｂにより、光軸ＸＸに対して入射角度θ０よりも傾きの大きい射出角度θで＋Ｚ側又は−Ｚ側から射出される。なお、この射出角度θは、図６（Ａ）等に示す虚像の横半画角θの値に等しい。以上のように、縦横比変換光学系１５を通過することで横方向に関して入射角度θ０よりも射出角度θが大きくなるすなわち角倍率が大きくなる結果、画像光の射出時の画角が入射時よりも拡がる。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系１５がない場合と比較して、横方向へ伸張されることになる。
【００６４】
以上において、凸シリンドリカルレンズ１５ａと凹シリンドリカルレンズ１５ｂとの位置関係や、これらの焦点距離の比を適宜定めることで、入射角度θ０に対する射出角度θの大きさを所望の値にし、結果として、観察者に認識させるべき虚像の縦横比を所望の比率に調整することができる。なお、ここでは、一例として、横方向について４／３倍する伸張変換となっている。
【００６５】
以下、図６（Ｂ）に戻って、画像形成装置１０側における第２方向Ｄ２すなわち縦方向に関しての画像光の光路について説明する。この場合、各シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂは屈折力を有さず平行平板と同等のものとなっているので、画像光のうち例えば画像表示装置１１の−Ｙ側から射出される画像光ＧＬｙのように周辺側から射出される成分も、中心側の成分も、縦横比変換光学系１５による角度変化の影響を殆ど受けない。つまり、画像光は、入射角度θ０の値をそのまま射出角度θ０とし、縦横比変換光学系１５がない場合と比較して、伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出され虚像を形成する。
【００６６】
以上の結果、縦横比変換光学系１５は、通過する画像光による虚像について、縦横比変換光学系１５がない場合と比較して、横方向に関しては伸張し、縦方向に関しては殆ど変化しないように変換している。つまり、横方向と縦方向とで異なる比率で変換している。この場合、上記のように横方向についての伸張量を４／３倍とすることで、４：３の縦横比から１６：９への変換を横伸張のみによって行っている。以上のような変換により、１６：９の縦横比となる虚像を形成可能な画像光を導光部材２１の光入射面ＩＳに入射させることができる。なお、図６（Ａ）のように、画角を拡げて虚像を横方向に伸張させる場合、導光部材２１を通過する各平行光束の幅は狭くなる。一方、図６（Ｂ）のように、伸張も縮小もさせない場合、導光部材２１を通過する各平行光束の幅は変わらない。
【００６７】
以下、上記縦横比変換に応じた画像を構成する画素の形状について説明する。まず、図８（Ａ）は、画像表示装置１１の画面に対応するものとして、縦横比変換による作用のない状態のパネル画像ＰＰを模式的に示すものである。この場合、パネル画像ＰＰの形状は、画像表示装置１１の画像領域ＰＤの形状をそのまま反映したアスペクト比４：３の矩形状となっている。従って、パネル画像ＰＰ上にマトリクス状に配置された多数の画素ＰＥは、画像表示装置１１における画像領域ＰＤの画素の配置・形状を示すものとして捉えることができる。一方、図８（Ｂ）は、縦横比変換光学系１５の縦横比変換による作用で縦横比が１６：９に変換された状態のパネル画像ＰＰを模式的に示すものである。図８（Ｂ）において、パネル画像ＰＰの各映像画素ＰＥ'は、図８（Ａ）の各画素ＰＥに１対１で対応するものである。ここでは、既述のように、縦横比変換光学系１５による縦横比変換は、横方向について４／３倍するものとして設定されている。これに対応するように、図８（Ａ）のパネル画像ＰＰの画素ＰＥの各形状は、縦横比変換光学系１５による変換比率と逆比率の縦横比の縦長の長方形状としている。つまり、各画素ＰＥの縦横比ｍ：ｎは、縦方向すなわちＹ方向に長くｍ：ｎ＝３：４となっている。これにより、図８（Ｂ）に示すパネル画像ＰＰの各映像画素ＰＥ'の各形状は、縦横比変換光学系１５によって横方向に４／３倍の変換比率で伸張変換されることで縦横比１：１の正方形の状態となっているものとして観察者に認識される。以上のように、画像表示装置１１の画素の形状すなわち画素ＰＥの形状を、縦横比変換光学系１５での縦横比変換に対応して予め縦長にしておくことで、縦横比変換されて観察者の眼ＥＹに届く映像は、画像処理等を施すことなく、元の映像の状態をそのまま自然な形に保たれたものとなる。
【００６８】
以下、各画素ＰＥを３セグメントで構成する場合の画素要素について説明する。例えば、図９（Ａ）及び９（Ｂ）に示すように、ＲＧＢ（赤、緑、青）３色の縦長の画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を横一列に配列したものを１組として１つの画素ＰＥを形成してもよい。この場合、縦横比変換後の各画素ＰＥ'において、各画素要素Ｒ１'，Ｇ１'，Ｂ１'は、横方向に伸張される。従って、変換前の画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を予め縦長にしておくことで、変換後の各画素要素Ｒ１'，Ｇ１'，Ｂ１'が最良な形状となるようにできる。また、図９（Ｃ）及び９（Ｄ）に示すように、ＲＧＢ（赤、緑、青）３色の画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を縦一列に配列することも可能である。なお、上記のような縦又は横ストライプ配置のほか、例えばデルタ配置やモザイク配置等の配列方式も適用可能であり、各配列方式により例えば縦線が見やすいものや、グラフィック表示に向いているもの等があり、必要な特性に応じて種々の配列方式から適するものを選択できる。
【００６９】
また、このほかにも、例えば図９（Ｅ）及び９（Ｆ）に示すように、ＲＧＢ（赤、緑、青）３色を４セグメントの画素要素を矩形の４マスに配列して１つの画素ＰＥを構成することもできる。図９（Ｅ）及び９（Ｆ）では、一例として、Ｒ及びＢを１つずつ、Ｇを２つという配色するすなわち画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｇ２，Ｂ１を２行２列に配置して、これらを画素要素Ｒ１'，Ｇ１'，Ｇ２'，Ｂ１'に変換して正方形の画素ＰＥ'を形成するものとしている（図９（Ｆ）参照）。また、図９（Ｇ）及び９（Ｈ）に示すように、例えばＲＧＢ（赤、緑、青）にＹ（黄）を加えた４色による４セグメントの画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１，Ｙ１で１つの画素ＰＥを構成し、配置された各画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１，Ｙ１を縦横比変換で画素要素Ｒ１'，Ｇ１'，Ｂ１'，Ｙ１'に変換して正方形の画素ＰＥ'を形成するものとしてもよい（図９（Ｈ）参照）。４セグメントで構成する場合、上記のように緑を強くしたり、黄色を加えたりすることで、光量を大きくしたり色再現性をより向上させることが可能となる。また、４色目の色については、Ｙ（黄）に限らず、この他にも、例えばＷ（白）とすることもできる。
【００７０】
以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００は、縦横比変換光学系１５での伸張変換によって、形成された虚像の縦横比について、元の画像表示装置１１の画像領域ＰＤの縦横比（４：３）よりも横長の縦横比（１６：９）に変換することができる。これにより、例えば虚像表示装置１００全体に対する画像表示装置１１を含む画像形成装置１０の横幅ＷＤが設計上制限され画像領域ＰＤを映像として必要とされる比較的横長の縦横比（例えば１６：９）にすることができず、正方形に近い比（例えば縦横比４：３）となる場合であっても、観察者の眼に虚像として認識される画像光の縦横比を、シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂでの縦横比変換によって所望の状態（例えば縦横比１６：９）に調整できる。
【００７１】
なお、上記実施形態及び各変形例の縦横比変換光学系１５等において、画像表示装置１１側の表示画像の縦横比を４：３とし、観察者に認識される画像光による虚像の縦横比を１６：９とするように変換しているが、縦横比については、これに限らず、変換の前と後とについてそれぞれ種々のものが想定される。縦横比の変換比率は、例えば縦横比変換光学系１５を構成する１組の凹凸形状のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの配置を変更することで調整できる。
【００７２】
また、以上説明した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。
【００７３】
〔第２実施形態〕
以下、図１０（Ａ）等により、第２実施形態の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２００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００７４】
図１０（Ａ）は、虚像表示装置２００をＹ方向から見た断面図であり、図１０（Ｂ）は、虚像表示装置２００をＺ方向から見た側面図である。本実施形態の虚像表示装置２００は、縦横比変換光学系２１５において、第１方向Ｄ１（Ｚ方向）に垂直な第２方向Ｄ２（Ｙ方向）に関して縮小変換を行うことで、観察されるべき虚像を所望状態の縦横比に変換している。ここでは、一例として、画像表示装置１１での表示画像の縦横比すなわちアスペクト比を４：３とし、縦横比変換光学系２１５による縦横比変換である縮小変換によって、アスペクト比１６：９の映像を観察者に認識させるものとする。
【００７５】
縦横比変換光学系２１５は、第２方向Ｄ２すなわち縦方向に関する縮小変換を行うため、光路上流側すなわち光源側に凹シリンドリカルレンズ２１５ａを配置し、光路下流側すなわち反光源側に凸シリンドリカルレンズ２１５ｂを配置している。より具体的には、各リンドリカルレンズ２１５ａ，２１５ｂは、いずれも、母線がＺ方向に延びるように配置されており、ＸＺ面に平行な断面については屈折力を与えない直線状であり、ＸＹ面に平行な断面については正負の屈折力を与える円弧状であるシリンドリカル光学系である。これにより、縦横比変換光学系２１５は、ＸＺ面については、平行平板と同等で光束を殆ど変化させないものとなっている一方、ＸＹ面については、画像光の光束の平行性を保ちつつ、画角を狭めるように変換するアフォーカル系として機能するものとなっている。
【００７６】
以上から、まず、図１０（Ａ）に示すように、第１方向Ｄ１すなわちＺ方向に関しての画像光の光路は、縦横比変換光学系２１５による角度変化の影響を殆ど受けない。つまり、画像光は、縦横比変換光学系２１５がない場合と比較して、伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出される。
【００７７】
一方、図１０（Ｂ）に示すように、第２方向Ｄ２すなわちＹ方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系２１５により、射出時の画角が入射時よりも狭まるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系２１５がない場合と比較して、縦方向に縮小されることになる。
【００７８】
以上の結果、縦横比変換光学系２１５は、通過する画像光全体の光束断面形状について、横方向に関しては殆ど変化させず、縦方向に関しては縮小するように縦縮小変換している。このように、横方向と縦方向とで異なる比率で変換することで、例えば４：３の縦横比から１６：９への変換を行うことができる。なお、この場合、上記変換を達成するため、縦方向について３／４倍する縮小量の縮小変換に設定されることになる。
【００７９】
〔第３実施形態〕
以下、図１１（Ａ）等により、第３実施形態の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３００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００８０】
虚像表示装置３００は、縦横比変換光学系３１５において、観察者にとっての横方向に対応する第１方向Ｄ１（Ｚ方向）に関する伸張変換と、第１方向Ｄ１に垂直な第２方向Ｄ２（Ｙ方向）に関する縮小変換との双方の変換を縦横比変換として行っている。
【００８１】
縦横比変換光学系３１５は、第１方向Ｄ１すなわち横方向に関する伸張変換を行い、第２方向Ｄ２すなわち縦方向に関する縮小変換を行うため、断面方向によって凹凸の異なる鞍型の表面形状を有するトーリックレンズ３１５ａ，３１５ｂを配置している。つまり、各トーリックレンズ３１５ａ，３１５ｂは、ＸＺ面に平行な断面及びＸＹ面に平行な断面のいずれについても円弧状であるが、断面方向によって凹形状であるか凸形状であるかが異なるトーリック状となっている。
【００８２】
まず、図１１（Ａ）に示すように、第１方向Ｄ１すなわちＺ方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系３１５により、射出時の画角が入射時よりも広がるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系３１５がない場合と比較して、横方向に伸張されることになる。
【００８３】
一方、図１１（Ｂ）に示すように、第２方向Ｄ２すなわちＹ方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系３１５により、射出時の画角が入射時よりも狭まるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系３１５がない場合と比較して、縦方向に縮小されることになる。
【００８４】
以上の結果、縦横比変換光学系３１５について適宜横伸張量と縦縮小量を調整して、横方向と縦方向とで異なる比率で変換することで、例えば４：３の縦横比から１６：９への変換を行うことができる。この場合、横伸張量と縦縮小量とを適宜分配することで個々の変化量を比較的小さくできるため、縦横比変換光学系３１５は、より容易に作製できる。
【００８５】
〔第４実施形態〕
以下、図１２（Ａ）等により、第４実施形態の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４００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００８６】
図１２（Ａ）に示すように、虚像表示装置４００は、画像形成装置１０と、導光装置２０とに加え、画像処理部４３０を備える。
【００８７】
画像処理部４３０は、外部から画像表示装置１１に入力される画像信号について、画像処理をする。具体的には、画像処理部４３０は、必要な当該画像信号の信号処理を行うとともに、図１２（Ｂ）に示すように、外部から入力される画像信号に相当する元映像ＰＰ１を画像表示装置１１の画像領域の形状に合わせたパネル入力映像ＰＰ２となるように横倍率の変換処理をする。この際、観察者が認識するものとなる最終画像である表示映像ＰＰ３が、元映像ＰＰ１の状態に戻るように変換処理となっている。具体的には、例えば、元映像ＰＰ１の縦横比が１６：９であり、パネル入力映像ＰＰ２の縦横比すなわち画像表示装置１１の画像領域の縦横比が４：３であり、表示映像ＰＰ３が１６：９であるとする。また、縦横比変換光学系１５において横方向について４／３倍するような伸張量の伸張変換に設定されているものとする。この場合、画像処理部４３０は、縦横比変換光学系１５での変換率に応じて元映像ＰＰ１を横方向すなわち長手方向Ｌ１について、３／４倍に縮小するように変換する。これにより、図示のように、パネル入力映像ＰＰ２での映像は元映像ＰＰ１に比べて長手方向Ｌ１について縮むため相対的に縦長のものとなるが、最終画像である表示映像ＰＰ３では、縦横比変換により長手方向Ｌ１について伸張されるので、元映像ＰＰ１が復元された状態となる。
【００８８】
以上のように、本実施形態の場合、画像処理部４３０は、画像処理によって、縦横比変換光学系１５による画像光の縦横比の変換比率に応じて、これを補償するために、外部からの画像信号について当該変換比率と逆比率となるように縦横比の変換処理を行っている。これにより、観察者に認識される映像ＰＰ３を、外部からの入力時の映像信号による元映像ＰＰ１について縦横伸縮させることなくそのままの状態にできる。
【００８９】
〔第５実施形態〕
以下、図１３（Ａ）等により、第５実施形態の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５００は、第１実施形態の虚像表示装置１００等の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００等と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００９０】
図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）に示すように、虚像表示装置５００は、画像形成装置５１０と、導光部材２１とに加え、画像処理部５３０と、駆動機構５４０とを備える。
【００９１】
画像形成装置５１０において、縦横比変換光学系５１５は、コリメートレンズ１３と、縦横比変換光学系５１５とを備え、このうち縦横比変換光学系５１５は、凸シリンドリカルレンズ５１５ａと凹シリンドリカルレンズ５１５ｂとにより構成される。光路上流側の凸シリンドリカルレンズ５１５ａについて、光路下流側の面ＨＳａはシリンドリカル面となっており、光路上流側の面ＴＳａは平坦面になっている。一方、光路下流側の凹シリンドリカルレンズ５１５ｂについて、光路上流側の面ＴＳｂはシリンドリカル面となっており、光路下流側の面ＨＳｂは平坦面になっている。さらに、面ＨＳａと面ＴＳｂとは一対の対応する形状となっており、図１３（Ｂ）に示すように、凸シリンドリカルレンズ５１５ａと凹シリンドリカルレンズ５１５ｂとを接合させた場合、略隙間なく密着するものとなっている。これにより、虚像表示装置５００は、縦横比変換を行うオンのパターンと縦横比変換を行わないオフのパターンとに切替可能になっている。
【００９２】
駆動機構５４０は、縦横比変換光学系５１５を構成する各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを支持しており、これらを光軸ＸＸに沿う方向であるＸ方向についてスライド移動可能としている。つまり、図１３（Ａ）〜１３（Ｆ）に示すように、駆動機構５４０は、各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを互いに所定の距離だけ離間させたり、密着させたりする。つまり、駆動機構５４０により、シリンドリカルレンズ５１５ａは、図１３（Ａ）に示す第１の位置ＰＴ１と図１３（Ｂ）に示す第２の位置ＰＴ２との間で往復移動可能であり、シリンドリカルレンズ５１５ｂは、シリンドリカルレンズ５１５ａと連動して第１の位置ＰＳ１と第２の位置ＰＳ２との間で往復移動可能となっている。また、画像処理部５３０は、外部から画像表示装置１１に入力される画像信号について画像処理を行うが、この際、駆動機構５４０から得た各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂの位置情報に基づいて行うべき画像処理の設定をしている。なお、ここでは、図１３（Ａ）の離間した状態となり縦横比変換光学系５１５による縦横比変換を行う場合の画像処理を、通常のオンのパターンの画像処理とし、図１３（Ｂ）の密着した状態となり縦横比変換光学系５１５による縦横比変換を行わない場合の画像処理を、非通常のオフのパターンの画像処理として扱う。
【００９３】
以下、虚像表示装置５００における縦横比変換の動作について説明する。まず、図１３（Ａ）に示すように、各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂが第１の位置ＰＴ１，ＰＳ１にそれぞれあり、両者が離間した状態となっている場合、シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂは、縦横比率変換を行う。具体的には、図１３（Ｃ）に示すように、ＸＺ面に平行な断面について、両レンズ５１５ａ，５１５ｂは、屈折力を有し互いに離間しており、縦横比変換光学系５１５は、アフォーカル系として機能する。この場合、光路上流側に凸型のレンズを配置し、光路下流側に凹型のレンズを配置することで、周辺側からの画像光ＧＬ２について角度を拡げることで、横方向に伸張させることができる。一方、図１３（Ｄ）に示すように、ＸＹ面に平行な断面については、例えば周辺側からの画像光ＧＬｙは、角度変換がされず、縦横比変換光学系５１５によって伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出される。
【００９４】
次に、図１３（Ｂ）に示すように、各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂが第２の位置ＰＴ２，ＰＳ２にそれぞれあり、両者が密着した状態となっている場合、図１３（Ｅ）及び１３（Ｆ）に示すように、シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂは、一体化した１つの平行平板と同様となる。この場合、縦横比変換光学系５１５は、横方向についても、縦方向についても、比率変換を行わない。つまり、画像表示装置１１における縦横比がそのまま維持されて、観察者に認識される。
【００９５】
以上のように、駆動機構５４０によって、縦横比変換光学系５１５を構成する各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを画像光の光路上で移動させてその位置を切り替えることで、縦横比変換光学系５１５による変換比率を切り替えることができる。これにより、例えば図１４（Ａ）に示すように、両シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを離間させることにより縦横比変換を行って最終映像を１６：９にする通常の場合には、変換後の１つの映像画素ＰＥ'を１ブロックの画素として１つの映像ピクセルＥＥを形成し、各画映像素の形状が１：１の正方形となるようにできる。一方、例えば図１４（Ｂ）に示すように、両シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを密着させることにより縦横比変換を行わず最終映像を元の４：３のままとする非通常の場合には、例えば２つの映像画素ＰＥ'を１ブロックの画素として１つの映像ピクセルＥＥを形成し、より高精細な画像とすることができる。なお、画像処理部５３０は、駆動機構５４０からの信号に基づき、縦横比１６：９用の画像処理を行うか、縦横比４：３用の画像処理を行うかを判断し、画像表示装置１１に適切な画像形成を行わせている。
【００９６】
以上の場合における縦横比変換の有無に応じた画像処理について、図１５のフローチャートにより説明する。まず、虚像表示装置５００を起動すると、画像処理部５３０は、駆動機構５４０から各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂの位置情報を読み出す（ステップＳ１）。当該情報からシリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂが位置ＰＴ１，ＰＳ１にそれぞれあると判断すると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、画像処理部５３０は、縦横比変換光学系５１５による縦横比率変換を行う通常のオンのパターンでの画像処理を行う（ステップＳ３）。つまり、例えば図１４（Ａ）の場合に対応する画像処理を行う。一方、ステップＳ１において読み出された位置情報からシリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂが位置ＰＴ２，ＰＳ２にそれぞれあると判断すると（ステップＳ２：Ｎｏ）、縦横比変換光学系５１５による縦横比率変換を行わない非通常のパターンに応じた画像処理を行う（ステップＳ４）。つまり、例えば図１４（Ｂ）の場合に対応する画像処理を行う。なお、画像処理部５３０は、ステップＳ３の通常のパターンでの画像処理又はステップＳ４の非通常のオフのパターンでの画像処理のいずれかを、虚像表示装置５００の映像表示動作が終了するまで、ステップＳ１で読み出された位置情報の変更に応じて適宜オン・オフを切り替えつつ続ける（ステップＳ５）。
【００９７】
また、本実施形態の変形例として、図１６（Ａ）及び１６（Ｂ）に示す虚像表示装置６００のように、シリンドリカルレンズ６１５ａ，６１５ｂで構成される縦横比変換光学系６１５が、不図示の駆動機構により光路上に進退可能となっていてもよい。この場合、例えば、画像形成装置６１０に設けられたセンサー６５０が、縦横比変換光学系６１５が光路上に有るか否かの情報を画像処理部６３０に送信し、画像処理部６３０が、当該情報に基づいて縦横比変換光学系６１５の有無に応じて画像処理を行うことで、図１０（Ａ）等に示す虚像表示装置５００の場合と同様に縦横比の変換比率のオン・オフが切替可能となる。
【００９８】
本実施形態の場合、虚像表示装置５００，６００において、駆動機構５４０等により縦横比変換光学系５１５，６１５を移動させ、縦横比の変換比率をオン・オフで切替可能とすることで、変換比率を変化させ、縦横比を所望の状態に設定できる。
【００９９】
なお、上記では、オン・オフの２段階で切替可能としているが、虚像表示装置５００，６００において、縦横比変換光学系５１５，６１５が、アフォーカルズームレンズで構成されることで、連続的に倍率変換を行うものとしてもよい。
【０１００】
〔第６実施形態〕
以下、図１７（Ａ）等により、第６実施形態の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７００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。従って、虚像表示装置７００のうち右眼用の第１表示装置に相当する部分のみ図示し、他の部分については省略している。
【０１０１】
図１７（Ａ）に示すように、虚像表示装置７００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、導光部材７２１を有する。導光部材７２１は、導光部材本体部２０ａと、画像取出部である角度変換部７２３とを備える。なお、図１７（Ａ）は、図１７（Ｂ）に示す導光部材７２１のＡ−Ａ断面に対応する。
【０１０２】
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部材本体部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部材本体部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部材本体部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。
【０１０３】
導光部材本体部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。導光部材本体部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に対して傾斜す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−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、画像光を導光部材本体部２０ａ内に確実に結合させる。また、導光部材本体部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が薄い層状に形成されている。導光部材本体部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、第３反射面２１ｃ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。
【０１０４】
導光部材７２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、平板状の導光部材本体部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、第３反射面２１ｃ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、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで繰り返し全反射され、導光部材７２１の奥側すなわち角度変換部７２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。
【０１０５】
導光部材本体部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（＋Ｚ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１８（Ａ）等により後述する。
【０１０６】
なお、導光部材本体部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。
【０１０７】
画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから以上の導光部材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から射出される。光射出面ＯＳから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。
【０１０８】
以下、導光部材７２１中の画像光の光路について詳しく説明する。図１７（Ａ）に示すように、画像表示装置１１からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す画像表示装置１１の中央部分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画像表示装置１１の周辺のうち紙面右側（−Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とし、図中二点鎖線で示す画像表示装置１１の周辺のうち紙面左側（＋Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ３とする。
【０１０９】
投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３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ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、画像表示装置１１の中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として第３反射面２１ｃで反射された後、標準反射角γ０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ＧＬ１は、標準反射角γ０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ＧＬ１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７２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１は、この中央部７２３ｋ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。画像表示装置１１の一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、平行光束として第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ＧＬ２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（＋Ｚ側）の周辺部７２３ｈ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、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。画像表示装置１１の他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、平行光束として第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ＧＬ３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（−Ｚ側）の周辺部７２３ｍ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、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３以外の画像光を構成する光束成分についても同様に導かれ光射出面ＯＳから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。
【０１１０】
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ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の反射角γ０，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。
【０１１１】
以下、図１８（Ａ）等により、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。
【０１１２】
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７２３ｃで構成される。つまり、図１８（Ａ）〜１８（Ｃ）に示すように、角度変換部７２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット７２３ｃを所定のピッチＰＴで導光部材７２１の延びる方向すなわち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７２３ｃは、奥側すなわ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７２３ａと、入口側すなわ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７２３ｂ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７２３ｂ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７２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面７２３ａ，７２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。つまり、第１及び第２の反射面７２３ａ，７２３ｂは、第２反射面２１ｂに対してそれぞれ異なる角度（すなわちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜し、各第１の反射面７２３ａは、第２反射面２１ｂに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延び、各第２の反射面７２３ｂは、対応する第１の反射面７２３ａに対して所定角度（相対角度）ζをなす方向に延びている。ここで、相対角度ζは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【０１１３】
図１８（Ａ）等に示す具体例において、第１の反射面７２３ａ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７２３ａの方向は、導光部材７２１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−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７２３ｂの方向は、第２反射面２１ｂ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７２３ｂは、第１の反射面７２３ａ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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
まず、図１８（Ａ）及び１８（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７２３のうち光入射面ＩＳ（図１７（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部７２３ｈに配置された１つの反射ユニット７２３ｃに入射し、最初に奥側すなわち＋Ｚ側の第１の反射面７２３ａで反射され、次に、入口側すなわちＺ側の第２の反射面７２３ｂで反射される。当該反射ユニット７２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット７２３ｃを経ることなく、図１７（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。
【０１１６】
また、図１８（Ａ）及び１８（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７２３のうち光入射面ＩＳ（図１７（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部７２３ｍに配置された１つの反射ユニット７２３ｃに入射し、画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に奥側すなわち＋Ｚ側の第１の反射面７２３ａで反射され、次に、入口側すなわちＺ側の第２の反射面７２３ｂで反射される。当該反射ユニット７２３ｃを経た画像光ＧＬ３も、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。
【０１１７】
ここで、上記のような第１及び第２の反射面７２３ａ，７２３ｂでの２段階での反射の場合、図１８（Ｂ）及び１８（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−ζ）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部７２３に対する入射角度すなわ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７２３のうち＋Ｚ側の周辺部７２３ｈ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−Ｚ側の周辺部７２３ｍ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。
【０１１８】
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７２３ｃ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すなわち光軸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、一端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ１２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ１３とは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。角度θ１２，θ１３は、観察者に認識される虚像の横画角φに相当するものであり、角度θ１２と角度θ１３とが等しいため、横半画角θ（つまり、φ＝２θ）は、θ＝θ１２＝θ１３となる。
【０１１９】
また、角度変換部７２３を構成する各反射ユニット７２３ｃ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０．３ｍｍ〜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７２３ｃ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。
【０１２０】
本実施形態の場合も、図１９（Ａ）及び１９（Ｂ）に示すように、虚像表示装置７００は、縦横比変換光学系１５での伸張変換によって、例えば縦横比１６：９のように所望の状態に調整できる。
【０１２１】
〔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。
【０１２２】
例えば、図２０に示すように、虚像表示装置１００のミラー層２５（図２（Ａ）等参照）に代えてホログラム素子８２５を備えるものとしてもよい。この場合、画像表示装置１１は、光源として、例えば３色の光束を発生するＬＥＤ光源ＲＲを有し、ホログラム素子８２５は、当該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８２５は、第３反射面２１ｃ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８２５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８２５により、画像光を導光部材２１内に効率良く取り込ませることができる。なお、第４反射面２１ｄ（図２（Ａ）参照）にもホログラム素子を形成することもできる。
【０１２３】
また、別の例として、図２１（Ａ）〜２１（Ｄ）に示すように、虚像表示装置１００の使用状態によって、画像が９０°回転するように切り替わってもよい。具体的には、図２１（Ａ）に示すように、観察者が座っている或いは立っているといった通常の状態で使用する場合には、虚像表示装置１００は、重力方向Ｇ１すなわち−Ｙ方向に対して水平なＺ方向と虚像表示装置１００の長手方向である横方向Ｅ１とが一致しておりこの方向を長手方向としてアスペクト比１６：９の画像を形成する。これに対して、図２１（Ｂ）に示すように、観察者が横に寝そべっているといった通常でない状態で使用する場合には、虚像表示装置１００は、重力方向Ｇ１すなわち−Ｙ方向に対して水平なＺ方向と虚像表示装置１００の短手方向である縦方向Ｅ２とが一致しておりこの方向を長手方向としてアスペクト比１６：９の画像を形成する。つまり、画像形成装置は、図２１（Ａ）の状態では、図２１（Ｃ）に示すように横方向Ｅ１を長手方向とする横長の画像を形成し、図２１（Ｂ）の状態では、図２１（Ｄ）に示すように縦方向Ｅ２を長手方向として、縦長の画像を形成することで、いずれの使用状態においても、観察者が見る画像の縦横方向と、外界の縦横方向とを一致させた状態に保つことができる。このような画像の形成については、例えば第５実施形態のように複数のアスペクト比に変換可能な虚像表示装置５００（図１３（Ａ）等参照）が、重力方向Ｇ１を察知する重力センサー（不図示）を備えることで実現できる。すなわち、まず、重力センサーにより察知された重力方向Ｇ１に対応して、方向Ｅ１，Ｅ２のどちらを画像の長手方向とすべきかを決定し、次に、その決定に応じて、目的とする画像を形成できるように画像処理を行うとともに、対応するアスペクト比に変換できるように駆動機構５４０によって縦横比変換光学系５１５を適宜スライド移動させるようにすればよい。
【０１２４】
また、上記実施形態では、導光部材において、各面が平面で構成されているが、これに限らず、導光部材が一部に曲面を有して、画像光を内部で一旦結像させるリレー系の構成であってもよい。この場合、例えば光路を適宜調整して装置全体の小型化を図ることができる。
【０１２５】
また、アスペクト比の変換等について、映し出す画像のコンテンツによって決定するものとしてもよい。例えば図２２（Ａ）、２２（Ｂ）及び２２（Ｃ）に示すようなインターネット上の画像を映し出す場合に、特定のホームページ画像については、その画像を見るのに適したものとなる予め定められた縦横の表示倍率で表示するようにできる。具体的には、図２２（Ａ）に示す初期画面において、縦長の画像中に配列されるコンテンツ選択のための複数のアイコンＩＣから特定のホームページ画像を映し出すためのアイコンＩＣａを選択すると、アイコンＩＣａの選択と同時に画像の縦横の表示倍率を変更する。これにより、例えば図２２（Ｂ）や２２（Ｃ）に示すように当該ホームページ画像として表示される左右２つに区切られた画像ＧＧ１，ＧＧ２について、画像ＧＧ１の表示文面Ａ〜Ｄと画像ＧＧ２の表示内容Ａ〜Ｄとの対応性が良い横長の画像が映し出されるように横縦比の倍率等が自動的に切り替わるものとすることができる。なお、図２２（Ｂ）に示す変更は、単純に縦横の比率を図２２（Ａ）の場合と入れ替えただけの例であるが、図２２（Ｃ）に示す変更は、特定のホームページ画像表示に最適な縦横の比率となるように特定の割合で変換した場合の例である。以上のような変更により、例えば比較例の図２２（Ｄ）に示すように、図２２（Ａ）の場合から変更がなされず縦長のままで、画像ＧＧ１と画像ＧＧ２との対応性が悪い画像が映し出される、といったことがないようにできる。また、例えば図２２（Ｂ）に示す状態を通常の横長の画像とし、この状態から図２２（Ｃ）に示す特定のホームページ画像の表示として最適な状態の画像へ切り替え可能とすることもできる。また、併せて画像処理において予めコンテンツを部分的に拡大等した上で投射を行うこともできる。
【０１２６】
また、画像の縦横の表示倍率の変更については、自動で行う場合のほか、スイッチ等を設けてユーザーがオン・オフの切替を手動で行うものとしてもよい。また、手動ダイヤルのような機構を設けて、レンズを動かすようなものであってもよい。例えば、図１３（Ａ）等に示す駆動機構５４０に手動ダイヤルを設けることで実現できる。
【０１２７】
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る。
【０１２８】
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。
【０１２９】
上記実施形態では、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、外界像を観察させる必要がない場合、第４反射面２１ｄの光反射率を略１００％することが可能である。また、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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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単眼タイプの構成にしてもよい。
【０１３２】
上記実施形態では、光入射面ＩＳを通る第１光軸ＡＸ１と光射出面ＯＳ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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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】
【０１３６】
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、 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、 ７２３…角度変換部（画像取出部）、 ８２５…ホログラム素子、 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…第１表示点、 Ｐ２…第２表示点、 Ａ１０…第１部分領域、 Ａ２０…第２部分領域、 ＳＬ…照明光
【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】
しかしながら、上記の特許文献１，２のように、虚像表示装置が、例えば眼鏡型のように頭部に装着して使用するようなものの場合、装置を構成する各要素の配置や大きさ等に関して構造的又はデザイン的な観点等から設計上種々の制限が生じる。一方、映し出される映像の縦横比（アスペクト比）に関しては、近年、例えば１６：９といった観察者の眼の並ぶ方向すなわち横方向について長いものが増加している。しかしながら、上記のような設計上の制限から、この種の横長の映像に代表される様々な縦横比の画像を表示させたいといった要請に対応することは必ずしも容易ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８７９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２４４７３号公報
【発明の概要】
【０００６】
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、設計上の制限を充足しつつ、観察者の眼に虚像として入る画像光について、縦横比を所望の状態に設定できる虚像表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
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による虚像を形成する投射光学系と、（ｃ）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延びる第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、導光部を経た画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する導光装置とを備え、（ｄ）投射光学系が、画像表示装置の画像領域の虚像について縦横比の調整を行うトーリック光学系を含む。
【０００８】
上記虚像表示装置では、トーリック光学系によって、画像表示素子の画像領域を基準として観察者に観察される虚像の縦横比の変換を行うことができる。これにより、例えば配置や大きさ等の設計上の制限等の理由から、画像表示素子の画像領域の縦横比を映像として必要とされる縦横比（アスペクト比）と一致させない場合であっても、トーリック光学系によって縦横比を変換して、観察者には、所望の縦横比の虚像を認識させることができる。
【０００９】
本発明の具体的な側面では、トーリック光学系が、画像表示装置における表示の縦横比を基準として、観察者にとっての横方向の比率をより大きくするように虚像について縦横比の変換を行う。この場合、観察者にとっての横方向の比率をより大きくすることで、観察者に認識される映像を、観察者の眼の並ぶ方向すなわち横方向についてより長いものにできる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、トーリック光学系が、観察者にとっての横方向に対応する第１方向に関する伸張変換及び第１方向に垂直な第２方向に関する縮小変換のうち、少なくともいずれか一方を行う。この場合、第１方向に関する伸張変換又は第２方向に関する縮小変換、或いはその双方の変換によって、観察者に認識される映像を相対的に横長の所望の縦横比にできる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、（ａ）画像形成装置が、画像光を観察する観察者の耳側に配置され、（ｂ）導光装置が、観察者にとっての横方向に沿って画像光を導く。この場合、例えば、眼鏡型のように、虚像表示装置を比較的小型なものにできる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置において、画像領域に配置される複数の画素の各形状の縦横比が、トーリック光学系による変換比率と逆比率である。この場合、特別な画像処理を施さなくても、元の映像の縦横比をそのままの自然な形に保った状態で観察者に認識されるものとできる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置において、複数の画素が、３セグメントの画素要素を一列に配列して構成される。この場合、カラー画像を形成することができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、３セグメントの画素要素が、ＲＧＢの３色であり、観察者にとっての横方向に一列に配列される。この場合、ＲＧＢの３色により３セグメントを構成することで、カラー画像の形成が可能となり、横方向に一列に配列することで、画像表示装置にアクティブマトリクス方式の液晶を採用する場合により効率的に光を利用することができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置において、複数の画素が、４セグメントの画素要素を２行２列に配列して構成される。この場合、４セグメントの配色によって光量を大きくすることや色再現性を良くすることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、４セグメントの画素要素が、ＲＧＢの３色で構成される。この場合、３色のうち１色を他の色よりも多くすることで、光源の特性等に応じて、各色間の光量のバランスを取ったり画素全体として必要となる光量を確保したりすることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、４セグメントの画素要素が、ＲＧＢの３色に他の色を加えた４色で構成される。この場合、他の色を加えることで、光量を大きくしたり色再現性をより向上させたりすることが可能となる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置が、トーリック光学系による画像光の縦横比の変換比率に応じて、外部から画像表示装置に入力される画像信号について、当該変換比率と逆比率となる縦横比の変換処理を行う画像処理部をさらに備える。この場合、トーリック光学系による縦横比の変換を補償するような画像処理により、観察者に認識される映像を、外部からの入力時の映像信号による元の映像のままの状態にできる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置が、トーリック光学系を画像光の光路上で移動させる駆動機構をさらに備える。この場合、駆動機構によりトーリック光学系による縦横比の変換についてオン・オフ等の切替えを行うことができる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、トーリック光学系が、画像光を内部に取り込む導光装置の光入射面に対向する方向に配置される１組の凹凸形状のシリンドリカルレンズを有し、当該シリンドリカルレンズの配置を変更することで画像光の縦横比の変換比率を調整する。この場合、１組の凹凸形状のシリンドリカルレンズの配置を変更することで、画像光の縦横比の変換比率を適宜設定することができる。
【００２１】
本発明のさらに別の側面では、（ａ）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、（ｂ）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、（ｃ）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反射面で反射されることで、観察者の眼に入射させるための虚像を形成できる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、第３反射面及び第４反射面の少なくとも一方に、ホログラム素子を有する。この場合、ホログラム素子を利用して画像光の光路が調整でき、また、高効率に光を取り込むことができる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、所定方向に延びる複数の反射面を有し導光部の第１及び第２の全反射面での全反射により導かれた画像光を当該複数の反射面により光射出部側に折り曲げる角度変換部をさらに有する。この場合、角度変換部が、画像光を光射出部側に折り曲げて射出することで、観察者に画像を認識させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図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、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４】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５】（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６】（Ａ）は、虚像表示装置の構造を模式的に示す断面図であり、（Ｂ）は、側面図であり、（Ｃ）は、縦横比変換光学系を構成する１組のシリンドリカルレンズの斜視図である。
【図７】（Ａ）は、観察者に認識される虚像に対応するパネル画像を示す模式的な図であり、（Ｂ）は、比較例の図であり、（Ｃ）は、縦横比変換光学系における光路について説明するための模式的な図である。
【図８】（Ａ）は、画像表示素子の画像領域の画素を反映するパネル画像の画素を示す図であり、（Ｂ）は、縦横比が変換されたパネル画像の画素の状態を示す図である。
【図９】（Ａ）は、縦一列に配列されたＲＧＢ画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、（Ｂ）は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、（Ｃ）は、横一列に配列されたＲＧＢ画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、（Ｄ）は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、（Ｅ）は、正方の４マスに配列されたＲＧＢ画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、（Ｆ）は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、（Ｇ）は、正方の４マスに配列された４色画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、（Ｈ）は、縦横比の変換後の状態を示す図である。
【図１０】（Ａ）は、第２実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。
【図１１】（Ａ）は、第３実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。
【図１２】（Ａ）は、第４実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、（Ｂ）は、画像処理の様子を示す図である。
【図１３】（Ａ）は、第５実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、（Ｂ）は、虚像表示装置の動作を説明するための図であり、（Ｃ）は、レンズ離隔時の状態における横方向についての光路を説明する図であり、（Ｄ）は、縦方向についての光路を説明する図であり、（Ｅ）は、レンズ密着時の状態における横方向についての光路を説明する図であり、（Ｆ）は、縦方向についての光路を説明する図である。
【図１４】（Ａ）は、レンズ離隔時における縦横比の変換後の画素の状態を示す図であり、（Ｂ）は、レンズ密着時における縦横比の変換後の画素の状態を示す図である。
【図１５】虚像表示装置での画像処理を説明するためのフローチャートである。
【図１６】（Ａ）は、第５実施形態に係る虚像表示装置の変形例を説明する断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。
【図１７】（Ａ）は、第６実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）は、導光部材の正面図であり、（Ｃ）は、導光部材の平面図である。
【図１８】（Ａ）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り、（Ｂ）は、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、（Ｃ）は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。
【図１９】（Ａ）は、虚像表示装置の構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。
【図２０】その他の虚像表示装置の一例について説明するための図である。
【図２１】別の虚像表示装置の一例について説明するための図である。
【図２２】（Ａ）は、さらに別の虚像表示装置について説明するための画像の表示例を示す図であり、（Ｂ）は、縦横比の変換後の画像の一例であり、（Ｃ）は、縦横比の変換後の画像の別の一例であり、（Ｄ）は、比較例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す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のうち眼前の両側の部分からそれぞれ延びてフレーム１２１を折りたたむためのヒンジ（不図示）の手前までを占める部分（フロントカバー）１４１，１４２や当該ヒンジより後段から耳にかかる部分までを占める部分（テンプル）１５１，１５２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。図面上で右側の第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、図中破線で囲んだ虚像表示装置１００全体のうちの中央より右半分の範囲にあり、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、図面上で左側の第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、虚像表示装置１００全体のうち中央より左半分の範囲にあり、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。この場合、画像形成装置１０は、観察者の耳に近接して配置されるものとなる。
【００２７】
〔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中の破線で囲まれた範囲内における第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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。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Ｚ方向に相当する。
【００３１】
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１３と、コリメートレンズ１３で平行光束化された画像光の広がり状態を調整することにより、表示すべき虚像について縦横比の調整を行うトーリック光学系である縦横比変換光学系１５とを含むレンズ群である。
【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ＹＺ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、ＹＺ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、ＹＺ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。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つつ伝搬す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（Ｘ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、伝搬される拘束が全体として向かう主導光方向は、＋Ｚ方向になっている。
【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又は光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、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を有する。この全反射ミラー層は、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−Ｘ方向に向かう画像光ＧＬを、全体として＋Ｘ方向寄りの＋Ｚ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。
【００３７】
導光部Ｂ２は、互いに対向しＹＺ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、ハードコート層で被覆されている。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。
【００３８】
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すなわち光射出部Ｂ３を設けた＋Ｚ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。
【００３９】
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表側の平面であり、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のうち第４反射面２１ｄを構成する斜面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。
【００４０】
第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａに垂直な第２光軸ＡＸ２又はＹＺ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＋Ｘ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を透過した画像光の成分は、光透過部材２３に入射し、映像の形成には利用されない。
【００４１】
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、ＹＺ面に沿って延びる。また、第３面２３ｃは、ＹＺ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材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。
【００４２】
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光透過面である。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。
【００４３】
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、透視部Ｂ４を構成している。すなわち、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。
【００４４】
〔Ｃ．画像光の光路の概要〕
図３（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。
【００４５】
上側の画像光ＧＬａは、縦横比変換光学系１５を含む投射光学系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。
【００４６】
図３（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Ｄ２（閉じ込め方向又は合成方向）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（＋Ｚ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（−Ｚ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３（Ｂ）中には、参考のため、右寄り内側のから射出される画像光ＧＬｅと、左寄り内側のから射出される画像光ＧＬｆとを追加している。
【００４７】
向かって右側の第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の右方向から傾いて入射する。一方、向かって左側の第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｜）の左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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
〔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。投射光学系１２は、既述のように、複数のレンズ（不図示）で構成されるコリメートレンズ１３と、画像領域の虚像について縦横比の変換を行うための縦横比変換光学系１５とを有している。縦横比変換光学系１５は、１組のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂで構成されている。縦横比変換光学系１５は、縦方向と横方向とで曲率半径の異なる光学面を有する１組のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂを用いることで、コリメートレンズ１３で平行光束化された画像光の平行状態を保ったままで観察者の眼ＥＹへの入射角度を変化させて、画角の調整による縦横比の変換を可能としている。ここでは、一例として、画像表示装置１１の画像領域での縦横比すなわちアスペクト比を４：３とし、これを観察者が虚像として認識する際にアスペクト比１６：９となるような比率の変換を行っている。なお、縦横比変換光学系１５によるアスペクト比変換動作の詳細については後述する。
【００５１】
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のコリメートレンズ１３を通過することで平行光束化される。さらに、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、投射光学系１２の縦横比変換光学系１５を通過することで、平行光束化された状態を保ちつつ、アスペクト比変換のために横方向に関して光路方向が調整される。つまり、縦横比変換光学系１５により、映し出される画像について、横方向の画角を調整して液晶表示デバイス３２の画像領域での縦横比変換のための調整がなされる。
【００５２】
投射光学系１２を経た画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、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θ１の傾きで平行光束として射出される。
【００５３】
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のコリメートレンズ１３を通過することで平行光束化され、縦横比変換光学系１５の通過では平行光束化された状態を保ちつつ光路調整されて、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。
【００５４】
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のレンズ１５ｂを重ねて観察していることになる。
【００５５】
図５（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、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５（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５（Ｄ）に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【００５６】
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。
【００５７】
以上では、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。
【００５８】
ここで、図４に戻って、投射光学系１２の縦横比変換光学系１５による画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の光路の調整に関して説明する。以上のような画像形成にあたって、縦横比変換光学系１５は、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の光路を通常の場合よりも広角なものとするように光路を調整することで、縦横比すなわちアスペクト比の変換をしている。具体的には、図中破線で示すように、仮に縦横比変換光学系１５がないとした場合には、仮想の光路ＧＬＭが画像光の光路となる。この仮想の光路ＧＬＭは、実際の画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の光路よりも狭い角度で導光部材２１等に入射するものであり、この場合、画像表示装置１１の画像領域での状態を保ってアスペクト比４：３の画像が形成されることになる。これに対して、本実施形態では、縦横比変換光学系１５によって、画像光の光路が調整されている。これにより、画像表示装置１１側では、画像領域がアスペクト比４：３であっても、観察者は、より横長のアスペクト比１６：９の映像として認識することができる。なお、縦横比変換光学系１５は、投射光学系１２において、コリメートレンズ１３の後段に位置することで、平行光束化された状態にある画像光に対して上記のようなアスペクト比変換のための横方向へ伸張の作用を施すものとなっている。このため、縦横比変換光学系１５の通過に際して、画像光の成分が平行光束化された状態を維持することが可能となっている。
【００５９】
〔Ｄ．縦横比変換光学系の構造及びこれによる縦横比変換〕
以下、図６（Ａ）〜６（Ｃ）及び７（Ａ）〜７（Ｃ）を参照して、縦横比変換光学系１５の構造や機能についてより詳細に説明する。なお、図６（Ａ）及び６（Ｂ）では、縦横比変換光学系１５についての説明を優先するため、他の機構や光路等が、模式的に示されている。また、ここでは、図７（Ａ）に概念的に説明するように、図６（Ａ）等に示す縦横比変換光学系１５が横方向にのみ光束の角度変換を行うことによって、観察者に認識される映像に相当するパネル画像ＰＰは、元のアスペクト比４：３から縦横比変換されアスペクト比１６：９となる。なお、比較例として図７（Ｂ）に概念的に示すように、仮に縦横比変換光学系１５が配置されないとすると、上記のような縦横比変換がなされず、パネル画像ＰＰは、元の画像表示装置１１の画面のアスペクト比４：３のままとなる。
【００６０】
図６（Ａ）は、虚像表示装置１００をＹ方向から見た断面図であり、図６（Ｂ）は、虚像表示装置１００をＺ方向から見た側面図であり、図６（Ｃ）は、縦横比変換光学系１５を構成する１組のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの斜視図である。図示の虚像表示装置１００において、画像表示装置１１の横方向である第１方向Ｄ１は、図７（Ａ）に示すように観察者の横方向すなわちパネル画像ＰＰの横方向Ｅ１に対応している。また、第１方向Ｄ１に垂直な画像表示装置１１の縦方向である第２方向Ｄ２は、パネル画像ＰＰの縦方向Ｅ２に対応している。
【００６１】
縦横比変換光学系１５は、光路上流側すなわち光源側に配置される凸シリンドリカルレンズ１５ａと、光路下流側すなわち反光源側に配置される凹シリンドリカルレンズ１５ｂとにより構成される。凸シリンドリカルレンズ１５ａ及び凹シリンドリカルレンズ１５ｂは、いずれも、母線がＹ方向に延びるように配置されており、ＸＺ面に平行な断面については正負の屈折力を与える円弧状であり、ＸＹ面に平行な断面については屈折力を与えない直線状であり、図６（Ｃ）に斜視図で示すような全体外観を有するシリンドリカル光学系である。各シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂは、導光部材２１の光入射面ＩＳに直接又は間接的に対向するように配置されている。各シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂが、以上のような形状及び配置となっているため、その断面形状の違いによって、通過する光の発散・収束作用すなわち画像光についての伸張・縮小作用が生ずる方位と生じない又は殆ど生じない方位とがある。なお、図６（Ａ）等に例示するシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの場合、光路下流側の面ＨＳａ，ＨＳｂは曲面になっており、光路上流側の面ＴＳａ，ＴＳｂは平坦面になっている。
【００６２】
図６（Ａ）及び６（Ｂ）に示すように、縦横比変換光学系１５に入射した画像光は、コリメートレンズ１３によって予め平行化されている。縦横比変換光学系１５は、第１方向Ｄ１に対応するＸＺ断面で、各画像光の光束の平行性を保ちつつ画角を拡げるように変換するアフォーカル系すなわち焦点距離が無限大の光学系であり、入射する平行光束の平行性を保って射出する。一方、縦横比変換光学系１５は、第２方向Ｄ２に対応するＸＹ断面で各画像光の光束の平行性を保ち画角を維持する非作用型の光学系となっている。従って、図６（Ａ）においてすなわちＸＺ面内において、画像光ＧＬ１等は、平行光束として入射し、射出角度が変化するものの平行光束として射出されている。また、図６（Ｂ）においてすなわちＸＹ面内において、画像光ＧＬ１等は、平行光束として入射し、略そのままの平行光束として射出されている。ここで、縦横比変換光学系１５による画像光の光束断面の第１方向Ｄ１すなわち横方向についての伸張・縮小は、射出角度の増減に相当するものであり、縦横比変換光学系１５を構成する両シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの屈折力や間隔によって定まる。図６（Ａ）等に示すレンズ１５ａ，１５ｂの配置の場合、レンズ１５ａ，１５ｂすなわち縦横比変換光学系１５がない場合と比較して、Ｚ方向については横画角φ＝２θを拡げ画像光を伸張させる。一方、第２方向Ｄ２すなわち縦方向については伸張も縮小もさせないものとなっている。
【００６３】
以下、図６（Ａ）等を参照して、画像形成装置１０側における第１方向Ｄ１すなわち横方向に関しての画像光の光路調整について説明する。ここでは、縦横比変換光学系１５での光路調整によるアスペクト比変換について説明するため、画像光のうち例えば図７（Ｃ）に示す画像光ＧＬ２，ＧＬ３のように画像表示装置１１の周辺側から入射角度θ０だけ傾いて射出され光軸ＸＸと交差する成分について考える。このような成分は、まず、凸シリンドリカルレンズ１５ａに入射すると、アフォーカル系である凸シリンドリカルレンズ１５ａ及び凹シリンドリカルレンズ１５ｂにより、光軸ＸＸに対して入射角度θ０よりも傾きの大きい射出角度θで＋Ｚ側又は−Ｚ側から射出される。なお、この射出角度θは、図６（Ａ）等に示す虚像の横半画角θの値に等しい。以上のように、縦横比変換光学系１５を通過することで横方向に関して入射角度θ０よりも射出角度θが大きくなるすなわち角倍率が大きくなる結果、画像光の射出時の画角が入射時よりも拡がる。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系１５がない場合と比較して、横方向へ伸張されることになる。
【００６４】
以上において、凸シリンドリカルレンズ１５ａと凹シリンドリカルレンズ１５ｂとの位置関係や、これらの焦点距離の比を適宜定めることで、入射角度θ０に対する射出角度θの大きさを所望の値にし、結果として、観察者に認識させるべき虚像の縦横比を所望の比率に調整することができる。なお、ここでは、一例として、横方向について４／３倍する伸張変換となっている。
【００６５】
以下、図６（Ｂ）に戻って、画像形成装置１０側における第２方向Ｄ２すなわち縦方向に関しての画像光の光路について説明する。この場合、各シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂは屈折力を有さず平行平板と同等のものとなっているので、画像光のうち例えば画像表示装置１１の−Ｙ側から射出される画像光ＧＬｙのように周辺側から射出される成分も、中心側の成分も、縦横比変換光学系１５による角度変化の影響を殆ど受けない。つまり、画像光は、入射角度θ０の値をそのまま射出角度θ０とし、縦横比変換光学系１５がない場合と比較して、伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出され虚像を形成する。
【００６６】
以上の結果、縦横比変換光学系１５は、通過する画像光による虚像について、縦横比変換光学系１５がない場合と比較して、横方向に関しては伸張し、縦方向に関しては殆ど変化しないように変換している。つまり、横方向と縦方向とで異なる比率で変換している。この場合、上記のように横方向についての伸張量を４／３倍とすることで、４：３の縦横比から１６：９への変換を横伸張のみによって行っている。以上のような変換により、１６：９の縦横比となる虚像を形成可能な画像光を導光部材２１の光入射面ＩＳに入射させることができる。なお、図６（Ａ）のように、画角を拡げて虚像を横方向に伸張させる場合、導光部材２１を通過する各平行光束の幅は狭くなる。一方、図６（Ｂ）のように、伸張も縮小もさせない場合、導光部材２１を通過する各平行光束の幅は変わらない。
【００６７】
以下、上記縦横比変換に応じた画像を構成する画素の形状について説明する。まず、図８（Ａ）は、画像表示装置１１の画面に対応するものとして、縦横比変換による作用のない状態のパネル画像ＰＰを模式的に示すものである。この場合、パネル画像ＰＰの形状は、画像表示装置１１の画像領域ＰＤの形状をそのまま反映したアスペクト比４：３の矩形状となっている。従って、パネル画像ＰＰ上にマトリクス状に配置された多数の画素ＰＥは、画像表示装置１１における画像領域ＰＤの画素の配置・形状を示すものとして捉えることができる。一方、図８（Ｂ）は、縦横比変換光学系１５の縦横比変換による作用で縦横比が１６：９に変換された状態のパネル画像ＰＰを模式的に示すものである。図８（Ｂ）において、パネル画像ＰＰの各映像画素ＰＥ'は、図８（Ａ）の各画素ＰＥに１対１で対応するものである。ここでは、既述のように、縦横比変換光学系１５による縦横比変換は、横方向について４／３倍するものとして設定されている。これに対応するように、図８（Ａ）のパネル画像ＰＰの画素ＰＥの各形状は、縦横比変換光学系１５による変換比率と逆比率の縦横比の縦長の長方形状としている。つまり、各画素ＰＥの縦横比ｍ：ｎは、縦方向すなわちＹ方向に長くｍ：ｎ＝３：４となっている。これにより、図８（Ｂ）に示すパネル画像ＰＰの各映像画素ＰＥ'の各形状は、縦横比変換光学系１５によって横方向に４／３倍の変換比率で伸張変換されることで縦横比１：１の正方形の状態となっているものとして観察者に認識される。以上のように、画像表示装置１１の画素の形状すなわち画素ＰＥの形状を、縦横比変換光学系１５での縦横比変換に対応して予め縦長にしておくことで、縦横比変換されて観察者の眼ＥＹに届く映像は、画像処理等を施すことなく、元の映像の状態をそのまま自然な形に保たれたものとなる。
【００６８】
以下、各画素ＰＥを３セグメントで構成する場合の画素要素について説明する。例えば、図９（Ａ）及び９（Ｂ）に示すように、ＲＧＢ（赤、緑、青）３色の縦長の画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を横一列に配列したものを１組として１つの画素ＰＥを形成してもよい。この場合、縦横比変換後の各画素ＰＥ'において、各画素要素Ｒ１'，Ｇ１'，Ｂ１'は、横方向に伸張される。従って、変換前の画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を予め縦長にしておくことで、変換後の各画素要素Ｒ１'，Ｇ１'，Ｂ１'が最良な形状となるようにできる。また、図９（Ｃ）及び９（Ｄ）に示すように、ＲＧＢ（赤、緑、青）３色の画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を縦一列に配列することも可能である。なお、上記のような縦又は横ストライプ配置のほか、例えばデルタ配置やモザイク配置等の配列方式も適用可能であり、各配列方式により例えば縦線が見やすいものや、グラフィック表示に向いているもの等があり、必要な特性に応じて種々の配列方式から適するものを選択できる。
【００６９】
また、このほかにも、例えば図９（Ｅ）及び９（Ｆ）に示すように、ＲＧＢ（赤、緑、青）３色を４セグメントの画素要素を矩形の４マスに配列して１つの画素ＰＥを構成することもできる。図９（Ｅ）及び９（Ｆ）では、一例として、Ｒ及びＢを１つずつ、Ｇを２つという配色するすなわち画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｇ２，Ｂ１を２行２列に配置して、これらを画素要素Ｒ１'，Ｇ１'，Ｇ２'，Ｂ１'に変換して正方形の画素ＰＥ'を形成するものとしている（図９（Ｆ）参照）。また、図９（Ｇ）及び９（Ｈ）に示すように、例えばＲＧＢ（赤、緑、青）にＹ（黄）を加えた４色による４セグメントの画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１，Ｙ１で１つの画素ＰＥを構成し、配置された各画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１，Ｙ１を縦横比変換で画素要素Ｒ１'，Ｇ１'，Ｂ１'，Ｙ１'に変換して正方形の画素ＰＥ'を形成するものとしてもよい（図９（Ｈ）参照）。４セグメントで構成する場合、上記のように緑を強くしたり、黄色を加えたりすることで、光量を大きくしたり色再現性をより向上させることが可能となる。また、４色目の色については、Ｙ（黄）に限らず、この他にも、例えばＷ（白）とすることもできる。
【００７０】
以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００は、縦横比変換光学系１５での伸張変換によって、形成された虚像の縦横比について、元の画像表示装置１１の画像領域ＰＤの縦横比（４：３）よりも横長の縦横比（１６：９）に変換することができる。これにより、例えば虚像表示装置１００全体に対する画像表示装置１１を含む画像形成装置１０の横幅ＷＤが設計上制限され画像領域ＰＤを映像として必要とされる比較的横長の縦横比（例えば１６：９）にすることができず、正方形に近い比（例えば縦横比４：３）となる場合であっても、観察者の眼に虚像として認識される画像光の縦横比を、シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂでの縦横比変換によって所望の状態（例えば縦横比１６：９）に調整できる。
【００７１】
なお、上記実施形態及び各変形例の縦横比変換光学系１５等において、画像表示装置１１側の表示画像の縦横比を４：３とし、観察者に認識される画像光による虚像の縦横比を１６：９とするように変換しているが、縦横比については、これに限らず、変換の前と後とについてそれぞれ種々のものが想定される。縦横比の変換比率は、例えば縦横比変換光学系１５を構成する１組の凹凸形状のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの配置を変更することで調整できる。
【００７２】
また、以上説明した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。
【００７３】
〔第２実施形態〕
以下、図１０（Ａ）等により、第２実施形態の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２００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００７４】
図１０（Ａ）は、虚像表示装置２００をＹ方向から見た断面図であり、図１０（Ｂ）は、虚像表示装置２００をＺ方向から見た側面図である。本実施形態の虚像表示装置２００は、縦横比変換光学系２１５において、第１方向Ｄ１（Ｚ方向）に垂直な第２方向Ｄ２（Ｙ方向）に関して縮小変換を行うことで、観察されるべき虚像を所望状態の縦横比に変換している。ここでは、一例として、画像表示装置１１での表示画像の縦横比すなわちアスペクト比を４：３とし、縦横比変換光学系２１５による縦横比変換である縮小変換によって、アスペクト比１６：９の映像を観察者に認識させるものとする。
【００７５】
縦横比変換光学系２１５は、第２方向Ｄ２すなわち縦方向に関する縮小変換を行うため、光路上流側すなわち光源側に凹シリンドリカルレンズ２１５ａを配置し、光路下流側すなわち反光源側に凸シリンドリカルレンズ２１５ｂを配置している。より具体的には、各リンドリカルレンズ２１５ａ，２１５ｂは、いずれも、母線がＺ方向に延びるように配置されており、ＸＺ面に平行な断面については屈折力を与えない直線状であり、ＸＹ面に平行な断面については正負の屈折力を与える円弧状であるシリンドリカル光学系である。これにより、縦横比変換光学系２１５は、ＸＺ面については、平行平板と同等で光束を殆ど変化させないものとなっている一方、ＸＹ面については、画像光の光束の平行性を保ちつつ、画角を狭めるように変換するアフォーカル系として機能するものとなっている。
【００７６】
以上から、まず、図１０（Ａ）に示すように、第１方向Ｄ１すなわちＺ方向に関しての画像光の光路は、縦横比変換光学系２１５による角度変化の影響を殆ど受けない。つまり、画像光は、縦横比変換光学系２１５がない場合と比較して、伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出される。
【００７７】
一方、図１０（Ｂ）に示すように、第２方向Ｄ２すなわちＹ方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系２１５により、射出時の画角が入射時よりも狭まるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系２１５がない場合と比較して、縦方向に縮小されることになる。
【００７８】
以上の結果、縦横比変換光学系２１５は、通過する画像光全体の光束断面形状について、横方向に関しては殆ど変化させず、縦方向に関しては縮小するように縦縮小変換している。このように、横方向と縦方向とで異なる比率で変換することで、例えば４：３の縦横比から１６：９への変換を行うことができる。なお、この場合、上記変換を達成するため、縦方向について３／４倍する縮小量の縮小変換に設定されることになる。
【００７９】
〔第３実施形態〕
以下、図１１（Ａ）等により、第３実施形態の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３００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００８０】
虚像表示装置３００は、縦横比変換光学系３１５において、観察者にとっての横方向に対応する第１方向Ｄ１（Ｚ方向）に関する伸張変換と、第１方向Ｄ１に垂直な第２方向Ｄ２（Ｙ方向）に関する縮小変換との双方の変換を縦横比変換として行っている。
【００８１】
縦横比変換光学系３１５は、第１方向Ｄ１すなわち横方向に関する伸張変換を行い、第２方向Ｄ２すなわち縦方向に関する縮小変換を行うため、断面方向によって凹凸の異なる鞍型の表面形状を有するトーリックレンズ３１５ａ，３１５ｂを配置している。つまり、各トーリックレンズ３１５ａ，３１５ｂは、ＸＺ面に平行な断面及びＸＹ面に平行な断面のいずれについても円弧状であるが、断面方向によって凹形状であるか凸形状であるかが異なるトーリック状となっている。
【００８２】
まず、図１１（Ａ）に示すように、第１方向Ｄ１すなわちＺ方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系３１５により、射出時の画角が入射時よりも広がるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系３１５がない場合と比較して、横方向に伸張されることになる。
【００８３】
一方、図１１（Ｂ）に示すように、第２方向Ｄ２すなわちＹ方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系３１５により、射出時の画角が入射時よりも狭まるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系３１５がない場合と比較して、縦方向に縮小されることになる。
【００８４】
以上の結果、縦横比変換光学系３１５について適宜横伸張量と縦縮小量を調整して、横方向と縦方向とで異なる比率で変換することで、例えば４：３の縦横比から１６：９への変換を行うことができる。この場合、横伸張量と縦縮小量とを適宜分配することで個々の変化量を比較的小さくできるため、縦横比変換光学系３１５は、より容易に作製できる。
【００８５】
〔第４実施形態〕
以下、図１２（Ａ）等により、第４実施形態の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４００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００８６】
図１２（Ａ）に示すように、虚像表示装置４００は、画像形成装置１０と、導光装置２０とに加え、画像処理部４３０を備える。
【００８７】
画像処理部４３０は、外部から画像表示装置１１に入力される画像信号について、画像処理をする。具体的には、画像処理部４３０は、必要な当該画像信号の信号処理を行うとともに、図１２（Ｂ）に示すように、外部から入力される画像信号に相当する元映像ＰＰ１を画像表示装置１１の画像領域の形状に合わせたパネル入力映像ＰＰ２となるように横倍率の変換処理をする。この際、観察者が認識するものとなる最終画像である表示映像ＰＰ３が、元映像ＰＰ１の状態に戻るように変換処理となっている。具体的には、例えば、元映像ＰＰ１の縦横比が１６：９であり、パネル入力映像ＰＰ２の縦横比すなわち画像表示装置１１の画像領域の縦横比が４：３であり、表示映像ＰＰ３が１６：９であるとする。また、縦横比変換光学系１５において横方向について４／３倍するような伸張量の伸張変換に設定されているものとする。この場合、画像処理部４３０は、縦横比変換光学系１５での変換率に応じて元映像ＰＰ１を横方向すなわち長手方向Ｌ１について、３／４倍に縮小するように変換する。これにより、図示のように、パネル入力映像ＰＰ２での映像は元映像ＰＰ１に比べて長手方向Ｌ１について縮むため相対的に縦長のものとなるが、最終画像である表示映像ＰＰ３では、縦横比変換により長手方向Ｌ１について伸張されるので、元映像ＰＰ１が復元された状態となる。
【００８８】
以上のように、本実施形態の場合、画像処理部４３０は、画像処理によって、縦横比変換光学系１５による画像光の縦横比の変換比率に応じて、これを補償するために、外部からの画像信号について当該変換比率と逆比率となるように縦横比の変換処理を行っている。これにより、観察者に認識される映像ＰＰ３を、外部からの入力時の映像信号による元映像ＰＰ１について縦横伸縮させることなくそのままの状態にできる。
【００８９】
〔第５実施形態〕
以下、図１３（Ａ）等により、第５実施形態の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５００は、第１実施形態の虚像表示装置１００等の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００等と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００９０】
図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）に示すように、虚像表示装置５００は、画像形成装置５１０と、導光部材２１とに加え、画像処理部５３０と、駆動機構５４０とを備える。
【００９１】
画像形成装置５１０において、縦横比変換光学系５１５は、コリメートレンズ１３と、縦横比変換光学系５１５とを備え、このうち縦横比変換光学系５１５は、凸シリンドリカルレンズ５１５ａと凹シリンドリカルレンズ５１５ｂとにより構成される。光路上流側の凸シリンドリカルレンズ５１５ａについて、光路下流側の面ＨＳａはシリンドリカル面となっており、光路上流側の面ＴＳａは平坦面になっている。一方、光路下流側の凹シリンドリカルレンズ５１５ｂについて、光路上流側の面ＴＳｂはシリンドリカル面となっており、光路下流側の面ＨＳｂは平坦面になっている。さらに、面ＨＳａと面ＴＳｂとは一対の対応する形状となっており、図１３（Ｂ）に示すように、凸シリンドリカルレンズ５１５ａと凹シリンドリカルレンズ５１５ｂとを接合させた場合、略隙間なく密着するものとなっている。これにより、虚像表示装置５００は、縦横比変換を行うオンのパターンと縦横比変換を行わないオフのパターンとに切替可能になっている。
【００９２】
駆動機構５４０は、縦横比変換光学系５１５を構成する各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを支持しており、これらを光軸ＸＸに沿う方向であるＸ方向についてスライド移動可能としている。つまり、図１３（Ａ）〜１３（Ｆ）に示すように、駆動機構５４０は、各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを互いに所定の距離だけ離間させたり、密着させたりする。つまり、駆動機構５４０により、シリンドリカルレンズ５１５ａは、図１３（Ａ）に示す第１の位置ＰＴ１と図１３（Ｂ）に示す第２の位置ＰＴ２との間で往復移動可能であり、シリンドリカルレンズ５１５ｂは、シリンドリカルレンズ５１５ａと連動して第１の位置ＰＳ１と第２の位置ＰＳ２との間で往復移動可能となっている。また、画像処理部５３０は、外部から画像表示装置１１に入力される画像信号について画像処理を行うが、この際、駆動機構５４０から得た各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂの位置情報に基づいて行うべき画像処理の設定をしている。なお、ここでは、図１３（Ａ）の離間した状態となり縦横比変換光学系５１５による縦横比変換を行う場合の画像処理を、通常のオンのパターンの画像処理とし、図１３（Ｂ）の密着した状態となり縦横比変換光学系５１５による縦横比変換を行わない場合の画像処理を、非通常のオフのパターンの画像処理として扱う。
【００９３】
以下、虚像表示装置５００における縦横比変換の動作について説明する。まず、図１３（Ａ）に示すように、各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂが第１の位置ＰＴ１，ＰＳ１にそれぞれあり、両者が離間した状態となっている場合、シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂは、縦横比率変換を行う。具体的には、図１３（Ｃ）に示すように、ＸＺ面に平行な断面について、両レンズ５１５ａ，５１５ｂは、屈折力を有し互いに離間しており、縦横比変換光学系５１５は、アフォーカル系として機能する。この場合、光路上流側に凸型のレンズを配置し、光路下流側に凹型のレンズを配置することで、周辺側からの画像光ＧＬ２について角度を拡げることで、横方向に伸張させることができる。一方、図１３（Ｄ）に示すように、ＸＹ面に平行な断面については、例えば周辺側からの画像光ＧＬｙは、角度変換がされず、縦横比変換光学系５１５によって伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出される。
【００９４】
次に、図１３（Ｂ）に示すように、各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂが第２の位置ＰＴ２，ＰＳ２にそれぞれあり、両者が密着した状態となっている場合、図１３（Ｅ）及び１３（Ｆ）に示すように、シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂは、一体化した１つの平行平板と同様となる。この場合、縦横比変換光学系５１５は、横方向についても、縦方向についても、比率変換を行わない。つまり、画像表示装置１１における縦横比がそのまま維持されて、観察者に認識される。
【００９５】
以上のように、駆動機構５４０によって、縦横比変換光学系５１５を構成する各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを画像光の光路上で移動させてその位置を切り替えることで、縦横比変換光学系５１５による変換比率を切り替えることができる。これにより、例えば図１４（Ａ）に示すように、両シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを離間させることにより縦横比変換を行って最終映像を１６：９にする通常の場合には、変換後の１つの映像画素ＰＥ'を１ブロックの画素として１つの映像ピクセルＥＥを形成し、各画映像素の形状が１：１の正方形となるようにできる。一方、例えば図１４（Ｂ）に示すように、両シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂを密着させることにより縦横比変換を行わず最終映像を元の４：３のままとする非通常の場合には、例えば２つの映像画素ＰＥ'を１ブロックの画素として１つの映像ピクセルＥＥを形成し、より高精細な画像とすることができる。なお、画像処理部５３０は、駆動機構５４０からの信号に基づき、縦横比１６：９用の画像処理を行うか、縦横比４：３用の画像処理を行うかを判断し、画像表示装置１１に適切な画像形成を行わせている。
【００９６】
以上の場合における縦横比変換の有無に応じた画像処理について、図１５のフローチャートにより説明する。まず、虚像表示装置５００を起動すると、画像処理部５３０は、駆動機構５４０から各シリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂの位置情報を読み出す（ステップＳ１）。当該情報からシリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂが位置ＰＴ１，ＰＳ１にそれぞれあると判断すると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、画像処理部５３０は、縦横比変換光学系５１５による縦横比率変換を行う通常のオンのパターンでの画像処理を行う（ステップＳ３）。つまり、例えば図１４（Ａ）の場合に対応する画像処理を行う。一方、ステップＳ１において読み出された位置情報からシリンドリカルレンズ５１５ａ，５１５ｂが位置ＰＴ２，ＰＳ２にそれぞれあると判断すると（ステップＳ２：Ｎｏ）、縦横比変換光学系５１５による縦横比率変換を行わない非通常のパターンに応じた画像処理を行う（ステップＳ４）。つまり、例えば図１４（Ｂ）の場合に対応する画像処理を行う。なお、画像処理部５３０は、ステップＳ３の通常のパターンでの画像処理又はステップＳ４の非通常のオフのパターンでの画像処理のいずれかを、虚像表示装置５００の映像表示動作が終了するまで、ステップＳ１で読み出された位置情報の変更に応じて適宜オン・オフを切り替えつつ続ける（ステップＳ５）。
【００９７】
また、本実施形態の変形例として、図１６（Ａ）及び１６（Ｂ）に示す虚像表示装置６００のように、シリンドリカルレンズ６１５ａ，６１５ｂで構成される縦横比変換光学系６１５が、不図示の駆動機構により光路上に進退可能となっていてもよい。この場合、例えば、画像形成装置６１０に設けられたセンサー６５０が、縦横比変換光学系６１５が光路上に有るか否かの情報を画像処理部６３０に送信し、画像処理部６３０が、当該情報に基づいて縦横比変換光学系６１５の有無に応じて画像処理を行うことで、図１０（Ａ）等に示す虚像表示装置５００の場合と同様に縦横比の変換比率のオン・オフが切替可能となる。
【００９８】
本実施形態の場合、虚像表示装置５００，６００において、駆動機構５４０等により縦横比変換光学系５１５，６１５を移動させ、縦横比の変換比率をオン・オフで切替可能とすることで、変換比率を変化させ、縦横比を所望の状態に設定できる。
【００９９】
なお、上記では、オン・オフの２段階で切替可能としているが、虚像表示装置５００，６００において、縦横比変換光学系５１５，６１５が、アフォーカルズームレンズで構成されることで、連続的に倍率変換を行うものとしてもよい。
【０１００】
〔第６実施形態〕
以下、図１７（Ａ）等により、第６実施形態の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７００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。従って、虚像表示装置７００のうち右眼用の第１表示装置に相当する部分のみ図示し、他の部分については省略している。
【０１０１】
図１７（Ａ）に示すように、虚像表示装置７００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、導光部材７２１を有する。導光部材７２１は、導光部材本体部２０ａと、画像取出部である角度変換部７２３とを備える。なお、図１７（Ａ）は、図１７（Ｂ）に示す導光部材７２１のＡ−Ａ断面に対応する。
【０１０２】
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部材本体部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部材本体部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部材本体部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。
【０１０３】
導光部材本体部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。導光部材本体部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に対して傾斜す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−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、画像光を導光部材本体部２０ａ内に確実に結合させる。また、導光部材本体部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が薄い層状に形成されている。導光部材本体部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、第３反射面２１ｃ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。
【０１０４】
導光部材７２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、平板状の導光部材本体部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、第３反射面２１ｃ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、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで繰り返し全反射され、導光部材７２１の奥側すなわち角度変換部７２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。
【０１０５】
導光部材本体部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（＋Ｚ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１８（Ａ）等により後述する。
【０１０６】
なお、導光部材本体部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。
【０１０７】
画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから以上の導光部材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から射出される。光射出面ＯＳから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。
【０１０８】
以下、導光部材７２１中の画像光の光路について詳しく説明する。図１７（Ａ）に示すように、画像表示装置１１からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す画像表示装置１１の中央部分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画像表示装置１１の周辺のうち紙面右側（−Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とし、図中二点鎖線で示す画像表示装置１１の周辺のうち紙面左側（＋Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ３とする。
【０１０９】
投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３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ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、画像表示装置１１の中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として第３反射面２１ｃで反射された後、標準反射角γ０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ＧＬ１は、標準反射角γ０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ＧＬ１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７２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１は、この中央部７２３ｋ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。画像表示装置１１の一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、平行光束として第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ＧＬ２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（＋Ｚ側）の周辺部７２３ｈ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、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。画像表示装置１１の他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、平行光束として第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ＧＬ３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（−Ｚ側）の周辺部７２３ｍ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、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３以外の画像光を構成する光束成分についても同様に導かれ光射出面ＯＳから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。
【０１１０】
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ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の反射角γ０，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。
【０１１１】
以下、図１８（Ａ）等により、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。
【０１１２】
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７２３ｃで構成される。つまり、図１８（Ａ）〜１８（Ｃ）に示すように、角度変換部７２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット７２３ｃを所定のピッチＰＴで導光部材７２１の延びる方向すなわち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７２３ｃは、奥側すなわ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７２３ａと、入口側すなわ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７２３ｂ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７２３ｂ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７２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面７２３ａ，７２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。つまり、第１及び第２の反射面７２３ａ，７２３ｂは、第２反射面２１ｂに対してそれぞれ異なる角度（すなわちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜し、各第１の反射面７２３ａは、第２反射面２１ｂに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延び、各第２の反射面７２３ｂは、対応する第１の反射面７２３ａに対して所定角度（相対角度）ζをなす方向に延びている。ここで、相対角度ζは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【０１１３】
図１８（Ａ）等に示す具体例において、第１の反射面７２３ａ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７２３ａの方向は、導光部材７２１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−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７２３ｂの方向は、第２反射面２１ｂ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７２３ｂは、第１の反射面７２３ａ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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
まず、図１８（Ａ）及び１８（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７２３のうち光入射面ＩＳ（図１７（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部７２３ｈに配置された１つの反射ユニット７２３ｃに入射し、最初に奥側すなわち＋Ｚ側の第１の反射面７２３ａで反射され、次に、入口側すなわちＺ側の第２の反射面７２３ｂで反射される。当該反射ユニット７２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット７２３ｃを経ることなく、図１７（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。
【０１１６】
また、図１８（Ａ）及び１８（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７２３のうち光入射面ＩＳ（図１７（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部７２３ｍに配置された１つの反射ユニット７２３ｃに入射し、画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に奥側すなわち＋Ｚ側の第１の反射面７２３ａで反射され、次に、入口側すなわちＺ側の第２の反射面７２３ｂで反射される。当該反射ユニット７２３ｃを経た画像光ＧＬ３も、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。
【０１１７】
ここで、上記のような第１及び第２の反射面７２３ａ，７２３ｂでの２段階での反射の場合、図１８（Ｂ）及び１８（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−ζ）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部７２３に対する入射角度すなわ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７２３のうち＋Ｚ側の周辺部７２３ｈ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−Ｚ側の周辺部７２３ｍ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。
【０１１８】
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７２３ｃ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すなわち光軸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、一端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ１２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ１３とは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。角度θ１２，θ１３は、観察者に認識される虚像の横画角φに相当するものであり、角度θ１２と角度θ１３とが等しいため、横半画角θ（つまり、φ＝２θ）は、θ＝θ１２＝θ１３となる。
【０１１９】
また、角度変換部７２３を構成する各反射ユニット７２３ｃ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０．３ｍｍ〜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７２３ｃ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。
【０１２０】
本実施形態の場合も、図１９（Ａ）及び１９（Ｂ）に示すように、虚像表示装置７００は、縦横比変換光学系１５での伸張変換によって、例えば縦横比１６：９のように所望の状態に調整できる。
【０１２１】
〔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。
【０１２２】
例えば、図２０に示すように、虚像表示装置１００のミラー層２５（図２（Ａ）等参照）に代えてホログラム素子８２５を備えるものとしてもよい。この場合、画像表示装置１１は、光源として、例えば３色の光束を発生するＬＥＤ光源ＲＲを有し、ホログラム素子８２５は、当該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８２５は、第３反射面２１ｃ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８２５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８２５により、画像光を導光部材２１内に効率良く取り込ませることができる。なお、第４反射面２１ｄ（図２（Ａ）参照）にもホログラム素子を形成することもできる。
【０１２３】
また、別の例として、図２１（Ａ）〜２１（Ｄ）に示すように、虚像表示装置１００の使用状態によって、画像が９０°回転するように切り替わってもよい。具体的には、図２１（Ａ）に示すように、観察者が座っている或いは立っているといった通常の状態で使用する場合には、虚像表示装置１００は、重力方向Ｇ１すなわち−Ｙ方向に対して水平なＺ方向と虚像表示装置１００の長手方向である横方向Ｅ１とが一致しておりこの方向を長手方向としてアスペクト比１６：９の画像を形成する。これに対して、図２１（Ｂ）に示すように、観察者が横に寝そべっているといった通常でない状態で使用する場合には、虚像表示装置１００は、重力方向Ｇ１すなわち−Ｙ方向に対して水平なＺ方向と虚像表示装置１００の短手方向である縦方向Ｅ２とが一致しておりこの方向を長手方向としてアスペクト比１６：９の画像を形成する。つまり、画像形成装置は、図２１（Ａ）の状態では、図２１（Ｃ）に示すように横方向Ｅ１を長手方向とする横長の画像を形成し、図２１（Ｂ）の状態では、図２１（Ｄ）に示すように縦方向Ｅ２を長手方向として、縦長の画像を形成することで、いずれの使用状態においても、観察者が見る画像の縦横方向と、外界の縦横方向とを一致させた状態に保つことができる。このような画像の形成については、例えば第５実施形態のように複数のアスペクト比に変換可能な虚像表示装置５００（図１３（Ａ）等参照）が、重力方向Ｇ１を察知する重力センサー（不図示）を備えることで実現できる。すなわち、まず、重力センサーにより察知された重力方向Ｇ１に対応して、方向Ｅ１，Ｅ２のどちらを画像の長手方向とすべきかを決定し、次に、その決定に応じて、目的とする画像を形成できるように画像処理を行うとともに、対応するアスペクト比に変換できるように駆動機構５４０によって縦横比変換光学系５１５を適宜スライド移動させるようにすればよい。
【０１２４】
また、上記実施形態では、導光部材において、各面が平面で構成されているが、これに限らず、導光部材が一部に曲面を有して、画像光を内部で一旦結像させるリレー系の構成であってもよい。この場合、例えば光路を適宜調整して装置全体の小型化を図ることができる。
【０１２５】
また、アスペクト比の変換等について、映し出す画像のコンテンツによって決定するものとしてもよい。例えば図２２（Ａ）、２２（Ｂ）及び２２（Ｃ）に示すようなインターネット上の画像を映し出す場合に、特定のホームページ画像については、その画像を見るのに適したものとなる予め定められた縦横の表示倍率で表示するようにできる。具体的には、図２２（Ａ）に示す初期画面において、縦長の画像中に配列されるコンテンツ選択のための複数のアイコンＩＣから特定のホームページ画像を映し出すためのアイコンＩＣａを選択すると、アイコンＩＣａの選択と同時に画像の縦横の表示倍率を変更する。これにより、例えば図２２（Ｂ）や２２（Ｃ）に示すように当該ホームページ画像として表示される左右２つに区切られた画像ＧＧ１，ＧＧ２について、画像ＧＧ１の表示文面Ａ〜Ｄと画像ＧＧ２の表示内容Ａ〜Ｄとの対応性が良い横長の画像が映し出されるように横縦比の倍率等が自動的に切り替わるものとすることができる。なお、図２２（Ｂ）に示す変更は、単純に縦横の比率を図２２（Ａ）の場合と入れ替えただけの例であるが、図２２（Ｃ）に示す変更は、特定のホームページ画像表示に最適な縦横の比率となるように特定の割合で変換した場合の例である。以上のような変更により、例えば比較例の図２２（Ｄ）に示すように、図２２（Ａ）の場合から変更がなされず縦長のままで、画像ＧＧ１と画像ＧＧ２との対応性が悪い画像が映し出される、といったことがないようにできる。また、例えば図２２（Ｂ）に示す状態を通常の横長の画像とし、この状態から図２２（Ｃ）に示す特定のホームページ画像の表示として最適な状態の画像へ切り替え可能とすることもできる。また、併せて画像処理において予めコンテンツを部分的に拡大等した上で投射を行うこともできる。
【０１２６】
また、画像の縦横の表示倍率の変更については、自動で行う場合のほか、スイッチ等を設けてユーザーがオン・オフの切替を手動で行うものとしてもよい。また、手動ダイヤルのような機構を設けて、レンズを動かすようなものであってもよい。例えば、図１３（Ａ）等に示す駆動機構５４０に手動ダイヤルを設けることで実現できる。
【０１２７】
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る。
【０１２８】
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。
【０１２９】
上記実施形態では、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、外界像を観察させる必要がない場合、第４反射面２１ｄの光反射率を略１００％することが可能である。また、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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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単眼タイプの構成にしてもよい。
【０１３２】
上記実施形態では、光入射面ＩＳを通る第１光軸ＡＸ１と光射出面ＯＳ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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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】
【０１３６】
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、 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、 ７２３…角度変換部（画像取出部）、 ８２５…ホログラム素子、 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…第１表示点、 Ｐ２…第２表示点、 Ａ１０…第１部分領域、 Ａ２０…第２部分領域、 ＳＬ…照明光
【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延びる第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、前記導光部を経た前記画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する導光装置とを備え、
前記投射光学系は、前記画像表示装置の画像領域の虚像について縦横比の調整を行うトーリック光学系を含む、虚像表示装置。
【請求項２】
前記トーリック光学系は、前記画像表示装置における表示の縦横比を基準として、観察者にとっての横方向の比率をより大きくするように前記虚像について縦横比の変換を行う、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記トーリック光学系は、前記観察者にとっての横方向に対応する第１方向に関する伸張変換及び前記第１方向に垂直な第２方向に関する縮小変換のうち、少なくともいずれか一方を行う、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記画像形成装置は、前記画像光を観察する観察者の耳側に配置され、
前記導光装置は、前記観察者にとっての横方向に沿って前記画像光を導く、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】
前記画像表示装置において、前記画像領域に配置される複数の画素の各形状の縦横比は、前記トーリック光学系による変換比率と逆比率である、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】
前記画像表示装置において、前記複数の画素は、３セグメントの画素要素を一列に配列して構成される、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記３セグメントの画素要素は、ＲＧＢの３色であり、観察者にとっての横方向に一列に配列される、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記画像表示装置において、前記複数の画素は、４セグメントの画素要素を２行２列に配列して構成される、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記４セグメントの画素要素は、ＲＧＢの３色で構成される、請求項８に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記４セグメントの画素要素は、ＲＧＢの３色に他の色を加えた４色で構成される、請求項８に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記トーリック光学系による前記画像光の縦横比の変換比率に応じて、外部から前記画像表示装置に入力される画像信号について、当該変換比率と逆比率となる縦横比の変換処理を行う画像処理部をさらに備える請求項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】
前記トーリック光学系を前記画像光の光路上で移動させる駆動機構をさらに備える、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】
前記トーリック光学系は、前記画像光を内部に取り込む前記導光装置の光入射面に対向する方向に配置される１組の凹凸形状のシリンドリカルレンズを有し、当該シリンドリカルレンズの配置を変更することで前記画像光の縦横比の変換比率を調整する、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反射面を有する、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１５】
前記導光装置は、前記第３反射面及び前記第４反射面の少なくとも一方に、ホログラム素子を有する、請求項１４に記載の虚像表示装置。
【請求項１６】
前記導光装置は、所定方向に延びる複数の反射面を有し前記導光部の第１及び第２の全反射面での全反射により導かれた前記画像光を当該複数の反射面により前記光射出部側に折り曲げる角度変換部をさらに有する、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【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延びる第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、前記導光部を経た前記画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する導光装置とを備え、
前記投射光学系は、前記画像表示装置の画像領域の虚像について縦横比の調整を行うトーリック光学系を含む、虚像表示装置。
【請求項２】
前記トーリック光学系は、前記画像表示装置における表示の縦横比を基準として、観察者にとっての横方向の比率をより大きくするように前記虚像について縦横比の変換を行う、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記トーリック光学系は、前記観察者にとっての横方向に対応する第１方向に関する伸張変換及び前記第１方向に垂直な第２方向に関する縮小変換のうち、少なくともいずれか一方を行う、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記画像形成装置は、前記画像光を観察する観察者の耳側に配置され、
前記導光装置は、前記観察者にとっての横方向に沿って前記画像光を導く、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】
前記画像表示装置において、前記画像領域に配置される複数の画素の各形状の縦横比は、前記トーリック光学系による変換比率と逆比率である、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】
前記画像表示装置において、前記複数の画素は、３セグメントの画素要素を一列に配列して構成される、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記３セグメントの画素要素は、ＲＧＢの３色であり、観察者にとっての横方向に一列に配列される、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記画像表示装置において、前記複数の画素は、４セグメントの画素要素を２行２列に配列して構成される、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記４セグメントの画素要素は、ＲＧＢの３色で構成される、請求項８に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記４セグメントの画素要素は、ＲＧＢの３色に他の色を加えた４色で構成される、請求項８に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記トーリック光学系による前記画像光の縦横比の変換比率に応じて、外部から前記画像表示装置に入力される画像信号について、当該変換比率と逆比率となる縦横比の変換処理を行う画像処理部をさらに備える請求項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】
前記トーリック光学系を前記画像光の光路上で移動させる駆動機構をさらに備える、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】
前記トーリック光学系は、前記画像光を内部に取り込む前記導光装置の光入射面に対向する方向に配置される１組の凹凸形状のシリンドリカルレンズを有し、当該シリンドリカルレンズの配置を変更することで前記画像光の縦横比の変換比率を調整する、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反射面を有する、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１５】
前記導光装置は、前記第３反射面及び前記第４反射面の少なくとも一方に、ホログラム素子を有する、請求項１４に記載の虚像表示装置。
【請求項１６】
前記導光装置は、所定方向に延びる複数の反射面を有し前記導光部の第１及び第２の全反射面での全反射により導かれた前記画像光を当該複数の反射面により前記光射出部側に折り曲げる角度変換部をさらに有する、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−３７０９５（Ｐ２０１３−３７０９５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１６１８（Ｐ２０１１−１７１６１８）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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