JP5682215B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

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

近年、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。

このような虚像表示装置用の導光板として、例えば全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１参照）。また、同様の技術として、映像光を取り出すために、映像光を取り出す表面に対向する裏面側に鋸歯状の部分を設け、当該鋸歯状の部分に映像光を取り出すための反射層を形成するものも知られている（特許文献２参照）。

特表２００３−５３６１０２号公報 特開２００４−１５７５２０号公報

上記の特許文献１，２のような虚像表示装置が、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である場合、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即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。

そこで、本発明は、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。

上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、（ａ１）画像光を形成する画像領域を有する画像表示素子と、（ａ２）画像表示素子の画像領域の虚像を形成するとともに虚像について縦横比の変換を行うトーリック光学系を含む投射光学系とを有する（ａ）画像形成装置と、（ｂ）画像形成装置で形成された画像光を内部に導くとともに、所定方向に延びる複数の反射面を有し、当該複数の反射面により画像光を反射して外部に射出する導光板と、を備え、虚像表示装置が、（ｃ）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、外部から画像表示素子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。

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。また、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。

本発明の具体的な側面では、トーリック光学系が、画像表示素子の画像領域における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即ち横方向についてより長いものにできる。

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。

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）導光板が、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。

本発明のさらに別の側面では、画像表示素子において、画像領域に配置される複数の画素の各形状が、トーリック光学系による変換比率と逆比率の縦横比の長方形であり、変換後の虚像の映像画素が、正方形である。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。

本発明のさらに別の側面では、画像表示素子において、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、例えばＲＧＢの３色により３セグメントを構成することで、カラー画像を形成することができる。

本発明のさらに別の側面では、画像表示素子において、複数の画素が、４つの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。

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。

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板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。

（Ａ）は、第１実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）は、導光板の正面図であり、（Ｃ）は、平面図である。 （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。 （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。 （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。 （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。 （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。 （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。 （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。 （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。 （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。 （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。 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。 （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。

〔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説明する。

〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置１０と、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像形成装置１０と導光板２０とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは右眼用のみを示し、左眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観（不図示）を有するものとなっている。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。

画像形成装置１０は、画像表示素子１１と、投射光学系１２とを備える。画像表示素子１１は、例えば透過型の液晶デバイスで構成され、光源（不図示）からの照明光を空間的に変調して、動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。投射光学系１２は、コリメートレンズ１３と、縦横比変換光学系１５とを有し、導光板２０に向けて画像光を射出することで虚像を形成する。なお、コリメートレンズ１３や縦横比変換光学系１５を構成するレンズの材料は、ガラスやプラスチックのいずれとすることもできる。これらのうち、コリメートレンズ１３は、画像表示素子１１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。縦横比変換光学系１５は、経線の方向によって曲率半径の異なるトーリック面を有する複数のレンズで構成されるトーリック光学系であり、縦横比変換光学系１５において縦方向と横方向とで曲率半径の異なる光学面を有するレンズを用いることで、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、画像表示素子１１の画像領域での縦横比即ちアスペクト比を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の詳細については後述する。

図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、画像取出部である角度変換部２３とを備える。導光板２０は、画像形成装置１０で形成された画像光を虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出し、画像として認識させるものである。

導光板２０の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板である導光板本体部２０ａによって形成されている。また、導光板２０は、長手方向の一端において導光板本体部２０ａに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部２３を有し、長手方向の他端において導光板本体部２０ａを拡張するように形成されたプリズム部ＰＳ及びこれに付随する入射光折曲部２１を有する構造となっている。

導光板本体部２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ＩＳと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光射出部である光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部２０ａは、そのプリズム部ＰＳの側面として光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、これを被覆するようにミラー層２１ａが形成されている。ここで、ミラー層２１ａは、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面ＩＳに対して傾斜する入射光折曲部２１として機能する。この入射光折曲部２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として−Ｘ方向に向かう画像光を、全体として＋Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部２０ａ内に確実に結合させる。また、導光板本体部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２３が薄い層状に形成されている。導光板本体部２０ａは、入口側の入射光折曲部２１から奥側の角度変換部２３にかけて、入射光折曲部２１を介して内部に入射させた画像光を角度変換部２３に導くための導光部２２を有している。

導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面であり互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、入射光折曲部２１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０から遠い裏側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０に近い表側にあるものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。入射光折曲部２１で反射された画像光は、まず、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光板２０の奥側即ち角度変換部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。つまり、導光板２０は、観察者にとっての横方向に沿って画像光を導いている。

導光板本体部２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される角度変換部２３は、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。つまり、角度変換部２３は、画像光の角度を変換している。ここでは、角度変換部２３に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。角度変換部２３の詳しい構造については、図２（Ａ）等により後述する。

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

画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから以上の導光板２０に入射した画像光は、入射光折曲部２１で一様に反射されて折り曲げられ、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＯＡに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部２３において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから射出される。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。

〔Ｂ．導光板中の画像光の光路〕
以下、導光板２０中の画像光の光路について詳しく説明する。図１（Ａ）に示すように、画像表示素子１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す射出面１１ａ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射出面１１ａ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射出面１１ａ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。

投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、画像表示素子１１の射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、標準反射角γ_０で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ１は、標準反射角γ_０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ１は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、角度変換部２３の中央部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１は、この中央部２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＹＺ面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。画像表示素子１１の射出面１１ａの一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、最大反射角γ_＋で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ２は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、角度変換部２３のうち最も奥側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。画像表示素子１１の射出面１１ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、最小反射角γ₋で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ３は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、角度変換部２３のうち最も入口側（−Ｚ側）の周辺部２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、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。

ここで、入射光折曲部２１及び導光部２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．５とすると、その臨界角γ_ｃの値はγ_ｃ≒４１．８°となり、ｎ＝１．６とすると、その臨界角γ_ｃの値はγ_ｃ≒３８．７°となる。各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の反射角γ_０，γ_＋，γ₋のうち最小である反射角γ₋を臨界角γ_ｃよりも大きな値とすることで、必要な画像光について導光部２２内における全反射条件を満たすものにできる。

〔Ｃ．角度変換部の構造及び角度変換部による光路の折曲げ〕
以下、図２（Ａ）等により、角度変換部２３の構造及び角度変換部２３による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。

まず、角度変換部２３の構造について説明する。角度変換部２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２３ｃで構成される。つまり、図２（Ａ）〜２（Ｃ）に示すように、角度変換部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチＰＴで導光部２２の延びる方向即ちＺ方向に多数配列させることで構成されている。各反射ユニット２３ｃは、奥側即ち光路下流側に配置される１つの反射面部分である第１の反射面２３ａと、入口側即ち光路上流側に配置される他の１つの反射面部分である第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、少なくとも第２の反射面２３ｂは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。つまり、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、第１の全反射面２２ａに対してそれぞれ異なる角度（即ちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜し、各第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延び、各第２の反射面２３ｂは、対応する第１の反射面２３ａに対して所定角度（相対角度）αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。

図２（Ａ）等に示す具体例において、第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直であるものとしているが、第１の反射面２３ａの方向は、導光板２０の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば８０°から１００°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第２の反射面２３ｂの方向は、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば３０°から４０°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第２の反射面２３ｂは、第１の反射面２３ａに対して４０°から７０°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。

以下、角度変換部２３による画像光の光路の折曲げについて説明する。ここでは、画像光のうち、角度変換部２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。

まず、図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角γ_＋で導かれた画像光ＧＬ２は、角度変換部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部２３ｈに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、角度変換部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。

また、図２（Ａ）及び２（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい反射角γ₋で導かれた画像光ＧＬ３は、角度変換部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ３も、角度変換部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。

ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−α）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部２３に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角γ_０，γ_＋，γ₋等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を角度変換部２３のうち＋Ｚ側の周辺部２３ｈ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を角度変換部２３のうち−Ｚ側の周辺部２３ｍ側に入射させた場合にも、画像光を全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で画像光を取り出す構成であるため、導光板２０は、画像光を角度変換部２３において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、画像光を少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。

また、導光部２２の形状や屈折率、角度変換部２３を構成する反射ユニット２３ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ２，ＧＬ３等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面ＯＳから射出される画像光を、基本の画像光ＧＬ１即ち光軸ＡＸを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼ＥＹに入射させることができる。ここで、一端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ_２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ_３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θ_２，θ_３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θ_２と角度θ_３とが等しいため、横半画角θ（つまり、φ＝２θ）は、θ＝θ_２＝θ_３となる。

また、角度変換部２３を構成する各反射ユニット２３ｃの間隔であるピッチＰＴの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ〜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２３において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット２３ｃによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。

〔Ｄ．縦横比変換光学系の構造及び縦横比変換〕
以下、図３（Ａ）〜３（Ｃ）及び４（Ａ）〜４（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説明する。ここでは、既述のように、画像表示素子１１の画像領域の縦横比即ちアスペクト比を４：３とし、縦横比変換光学系１５での縦横比変換によって縦横比即ちアスペクト比１６：９の映像を観察者に認識させるものとする。つまり、図４（Ａ）に概念的に示すように、横方向にのみ光束の角度変換を行う縦横比変換光学系１５が配置されていることによって、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４（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、元の画像表示素子１１の画面のアスペクト比４：３のままとなる。

図３（Ａ）は、虚像表示装置１００をＹ方向から見た断面図であり、図３（Ｂ）は、虚像表示装置１００をＺ方向から見た側面図であり、図３（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、画像表示素子１１の横方向である第１方向Ｄ１は、図４（Ａ）に示すように観察者の横方向即ちパネル画像ＰＰの横方向Ｅ１に対応している。また、第１方向Ｄ１に垂直な画像表示素子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。

縦横比変換光学系１５は、光路上流側即ち光源側に配置される凸シリンドリカルレンズ１５ａと、光路下流側即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３（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、導光板２０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・収束作用即ち画像光についての伸張・縮小作用が生ずる場合と生じない又は殆ど生じない場合とがある。なお、図示の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。

図３（Ａ）及び３（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即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。つまり、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３（Ａ）において即ち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３（Ｂ）において即ち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即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３（Ａ）等に示すレンズ１５ａ，１５ｂの配置の場合、レンズ１５ａ，１５ｂ即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即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。

以下、図３（Ａ）により、画像形成装置１０側における第１方向Ｄ１即ち横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、画像光のうち例えば画像光ＧＬ２のように画像表示素子１１の周辺側から射出される成分は、光軸ＸＸと交差するものが観察対称となることから、縦横比変換光学系１５によって光軸ＸＸに対してより傾いた角度成分を持つ方向に射出される。図４（Ｃ）を用いてより具体的に説明すると、まず、画像光ＧＬ２は、周辺側である−Ｚ側から光軸ＸＸに対して入射角度θ_０だけ傾いて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θ_０よりも傾きの大きい射出角度θで＋Ｚ側から射出される。なお、この射出角度θは、図３（Ａ）等に示す虚像の横半画角θの値に等しい。同様に、画像光ＧＬ３は、＋Ｚ側から光軸ＸＸに対して入射角度θ_０だけ傾いて縦横比変換光学系１５に入射し、入射角度θ_０よりも傾きの大きい射出角度θで−Ｚ側から射出される。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θ_０よりも射出角度θが大きくなる即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。

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θ_０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。

以下、図３（Ｂ）に戻って、画像形成装置１０側における第２方向Ｄ２即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素子１１の−Ｙ側から射出される画像光ＧＬａ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θ_０の値をそのまま射出角度θ_０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。

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板２０の光入射面ＩＳに入射させることができる。なお、図３（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２２を通過する各平行光束の幅は狭くなる。一方、図３（Ｂ）のように、伸張も縮小もさせない場合、導光部２２を通過する各平行光束の幅は変わらない。

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５（Ａ）は、画像表示素子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、画像表示素子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、画像表示素子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５（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５（Ｂ）において、パネル画像ＰＰの各映像画素ＰＥ'は、図５（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５（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、縦方向即ちＹ方向に長くｍ：ｎ＝３：４となっている。これにより、図５（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、画像表示素子１１の画素の形状即ち画素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。

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６（Ａ）及び６（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６（Ｃ）及び６（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。

また、このほかにも、例えば図６（Ｅ）及び６（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６（Ｅ）及び６（Ｆ）では、一例として、Ｒ及びＢを１つずつ、Ｇを２つという配色する即ち画素要素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６（Ｆ）参照）。また、図６（Ｇ）及び６（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６（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。

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、元の画像表示素子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素子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。

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、画像表示素子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。

〔第２実施形態〕
以下、図７（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。

図７（Ａ）は、虚像表示装置２００をＹ方向から見た断面図であり、図７（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、画像表示素子１１での表示画像の縦横比即ちアスペクト比を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。

縦横比変換光学系２１５は、第２方向Ｄ２即ち縦方向に関する縮小変換を行うため、光路上流側即ち光源側に凹シリンドリカルレンズ２１５ａを配置し、光路下流側即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。

以上から、まず、図７（Ａ）に示すように、第１方向Ｄ１即ち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。

一方、図７（Ｂ）に示すように、第２方向Ｄ２即ち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。

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。

〔第３実施形態〕
以下、図８（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。

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。

縦横比変換光学系３１５は、第１方向Ｄ１即ち横方向に関する伸張変換を行い、第２方向Ｄ２即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。

まず、図８（Ａ）に示すように、第１方向Ｄ１即ち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。

一方、図８（Ｂ）に示すように、第２方向Ｄ２即ち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。

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。

〔第４実施形態〕
以下、図９（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。

図９（Ａ）に示すように、虚像表示装置４００は、画像形成装置１０と、導光板２０とに加え、画像処理部４３０を備える。

画像処理部４３０は、外部から画像表示素子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９（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Ｐ１を画像表示素子１１の画像領域の形状に合わせたパネル入力映像Ｐ２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Ｐ３が、元映像Ｐ１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Ｐ１の縦横比が１６：９であり、パネル入力映像Ｐ２の縦横比即ち画像表示素子１１の画像領域の縦横比が４：３であり、表示映像Ｐ３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Ｐ１を横方向即ち長手方向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Ｐ２での映像は元映像Ｐ１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Ｐ３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Ｐ１が復元された状態となる。

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Ｐ３を、外部からの入力時の映像信号による元映像Ｐ１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。

〔第５実施形態〕
以下、図１０（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。

図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）に示すように、虚像表示装置５００は、画像形成装置５１０と、導光板２０とに加え、画像処理部５３０と、駆動機構５４０とを備える。

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１０（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。

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１０（Ａ）〜１０（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１０（Ａ）に示す第１の位置ＰＴ１と図１０（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、外部から画像表示素子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１０（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１０（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。

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１０（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１０（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１０（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ＧＬａ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。

次に、図１０（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１０（Ｅ）及び１０（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、画像表示素子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。

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１１（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１１（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、画像表示素子１１に適切な画像形成を行わせている。

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１２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１１（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１１（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）。

また、本実施形態の変形例として、図１３（Ａ）及び１３（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１１（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。

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。

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。

〔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。

また、角度変換部２３を構成する反射ユニット２３ｃの配列のピッチＰＴについては、各第１の反射面２３ａ間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチＰＴにある程度の差異がある場合も含むものとする。

上記の説明では、透過型の液晶デバイスを画像表示素子１１の一例として用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、画像表示素子１１に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）やレーザーダイオードなどに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。

上記の説明では、虚像表示装置１００は、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置１０及び導光板２０設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置１０と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、角度変換部２３は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、外界像を観察させる必要がない場合、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％とすることが可能である。

上記の説明では、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。

上記の説明では、画像形成装置１０の第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２は、それぞれ対応する観察者側の横方向Ｅ１及び縦方向Ｅ２であるＺ方向及びＹ方向に一致しているが、これらは必ずしも一致するとは限らず、方向Ｄ１，Ｄ２がＺ方向やＹ方向以外の方向となる場合もある。

上記の説明では、入射光折曲部２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等を光軸ＯＡに対して用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。

上記の説明では、角度変換部２３は、反射面として第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂをそれぞれ形成するものとしているが、角度変換部２３は、従来型の１種類の反射面のみによって画像光の取出しを行う構成としてもよい。この場合、画像光のうち、当該反射面を複数回通過した後に取り出される成分が存在することになる。

上記の説明では、反射ユニット２３ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字の先端を平らにカットしているものや先端にＲ（丸み）を付けているものも実質的にはＶ字状の溝であり、含まれる。また、カットされる部分がさらに大きく台形状となっている場合であっても、第１の反射面２３ａと第２の反射面２３ｂとがテーパー形状であれば、上記反射ユニット２３ｃを構成するものとなる。

上記の説明では、虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。

上記の説明では、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。

また、各画素ＰＥを構成するサブ画素について、上記した画素要素Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１等の有色のもののほか、明るさを増すためのホワイト（無着色）の画素要素を取り入れることも可能である。

１０…画像形成装置、 １１…画像表示素子、 １２…投射光学系、 １３…コリメートレンズ、 １５，２１５，３１５，５１５，６１５…縦横比変換光学系（トーリック光学系）、 １５ａ，２１５ａ，５１５ａ，６１５ａ…凸シリンドリカルレンズ、 １５ｂ，２１５ｂ，５１５ｂ，６１５ｂ…凹シリンドリカルレンズ、 ２０…導光板、 ２０ａ…導光板本体部、 ２２…導光部、 ２２ａ，２２ｂ…全反射面、 ２３…角度変換部、 ２３ａ，２３ｂ…反射面、 ２３ｃ…反射ユニット、 １００…虚像表示装置、 ４３０…画像処理部、 ５４０…駆動機構、 ＰＤ…画像領域、 ＰＰ…パネル画像、 ＰＥ…画素、 ＰＥ'…映像画素、 Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１…画素要素、 ＥＹ…眼、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３，ＧＬａ…画像光、 Ｄ１…第１方向、 Ｄ２…第２方向

Claims (10)

1. 画像光を形成する画像領域を有する画像表示素子と、前記画像表示素子の前記画像領域の虚像を形成するとともに、前記虚像について縦横比の変換を行うトーリック光学系を含む投射光学系とを有する画像形成装置と、
   前記画像形成装置で形成された前記画像光を内部に導くとともに、所定方向に延びる複数の反射面を有し、当該複数の反射面により前記画像光を反射して外部に射出する導光板と、
   を備え、
   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素子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虚像表示装置。
2. 前記投射光学系は、前記画像表示素子から射出された前記画像光を平行光に変換し、前記トーリック光学系に射出するコリメートレンズを有し、
   前記トーリック光学系は、前記トーリック光学系において縦方向と横方向とで曲率半径が異なる光学面を有する複数のレンズで構成される請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記トーリック光学系は、前記画像表示素子の画像領域における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または２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 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３に記載の虚像表示装置。
5. 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、
   前記導光板は、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４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記画像表示素子において、前記画像領域に配置される複数の画素の各形状は、前記トーリック光学系による変換比率と逆比率の縦横比の長方形であり、変換後の前記虚像の映像画素は、正方形である、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記画像表示素子において、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６に記載の虚像表示装置。
8. 前記画像表示素子において、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６に記載の虚像表示装置。
9. 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８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 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板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９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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