(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示器の前方に正のパワーを持つフレネルレンズを配して前記表示器の表示内容を拡大表示する拡大表示装置において、
前記フレネルレンズは、平凸レンズであって、運転者とは反対側にレンズ面が向くように配置され、
前記フレネルレンズはその光軸が前記フレネルレンズの上縁部または上縁部の上方あるいは下縁部または下縁部の下方に位置し、
前記フレネルレンズの下端が視認者に近い場合には前記フレネルレンズの光軸が上縁部または上縁部の上方に、
前記フレネルレンズの上端が視認者に近い場合には前記光軸が下縁部または下縁部の下方に位置するように
前記フレネルレンズを前後方向に傾けると共に、前記フレネルレンズの傾斜部を非球面で形成したことを特徴とする拡大表示装置。
【請求項２】
前記フレネルレンズの曲率は、該フレネルレンズと前記表示器の表示面との距離が大きいところの曲率を小さいところの曲率よりも小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の拡大表示装置。
【請求項３】
前記フレネルレンズは前記表示器の前方にて前後方向に斜設された保護カバーの表面に添わせるように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の拡大表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示器の前方に正のパワーを持つフレネルレンズを配して表示器の表示内容を拡大表示する拡大表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、車両用の計器には、図１０（Ａ）に示すように、正のパワーを持つフレネルレンズ１をその光軸Ｊが表示器２の表示面２ａの略中心に一致するように配置したものが知られている。
【０００３】
図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように、フレネルレンズ１は、周知のように、その光軸Ｊを中心とした基本曲面Ｒを微細に分割して接ぎ合わせた構造を有しており、分割された基本曲面とほぼ等しい面形状を持つ斜面部１ａと、隣接する斜面部１ａを接ぎ合わせる垂直部１ｂとから構成されており、通常の厚肉拡大レンズとほぼ同等の光学性能をより薄い厚さで平面的に実現することができる。
【０００４】
運転者Ｄは、フレネルレンズ１を透かして表示器２の表示面２ａを見ることによって、図１０（Ｂ）に示した表示面２ａの表示内容の像Ｆを、図１０（Ｃ）に示すように、拡大された拡大表示像（虚像）Ｆ´として見ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の拡大表示器においては、図１２に示すように、フレネルレンズ１（縞模様は図示を省略する）に不要像の映り込みが発生し、この写り込み現象によって表示の視認性が低下するという問題があった。
【０００６】
この不要像の映り込みとは、表示器２と相対している運転者やステアリングホイール、フロントサイドウインドウガラス或いはリヤウインドウガラスのガラス等の一部が運転者像ｄ、ステアリングホイール像ｈ、ガラス像ｇとしてフレネルレンズ１に映り込む現象である。
【０００７】
そして、このような不要像ｄ，ｈ，ｇは、拡大表示像Ｆ´に重畳されることになるため、表示の視認性が低下するという結果となるが、特に、昼間や比較的明るい外灯下等を走行している場合には、運転者、ステアリングホイール、各ガラスやそれを透して見える風景の輝度が高いため、拡大表示像Ｆ´に明るい不要像が重畳されることになり視認性の低下が顕著となる。
【０００８】
そこで、このような不要像ｄ，ｈ，ｇのメカニズムについて解明するために、図１３に示す光学系配置において運転者Ｄの近傍の像が発生する光線についての光線追跡を行った。
【０００９】
この光線追跡により、上述した不要像ｄ，ｈ，ｇは、運転者Ｄの近傍の像ＰＱがフレネルレンズ１の斜面部１ａに反射されて結像し、運転者Ｄにより視認されることにより発生することを見出した。
【００１０】
例えば、フレネルレンズ１が平凸レンズであり、運転者Ｄ側に平面が向くように配置されているときの光線追跡例を示す。尚、図中では物点から発する光線のうち主光線部のみ示した。
【００１１】
運転者Ｄの近傍の像ＰＱは、フレネルレンズ１の斜面部１ａが光線を裏面反射し、あたかも凹面鏡のように機能することにより、フレネルレンズ１の手前側において倒立した像Ｐ´Ｑ´として結像し、この像Ｐ´Ｑ´が運転者Ｄに不要像として視認される。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、不要像の発生を抑え、視認性を向上させることができる拡大表示像を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
その目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、表示器の前方に正のパワーを持つフレネルレンズを配して前記表示器の表示内容を拡大表示する拡大表示装置において、
前記フレネルレンズは、平凸レンズであって、運転者とは反対側にレンズ面が向くように配置され、
前記フレネルレンズはその光軸が前記フレネルレンズの上縁部または上縁部の上方あるいは下縁部または下縁部の下方に位置し、
前記フレネルレンズの下端が視認者に近い場合には前記フレネルレンズの光軸が上縁部または上縁部の上方に、
前記フレネルレンズの上端が視認者に近い場合には前記光軸が下縁部または下縁部の下方に位置するように
前記フレネルレンズを前後方向に傾けると共に、前記フレネルレンズの傾斜部を非球面で形成したことを要旨とする。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、前記フレネルレンズの曲率は、該フレネルレンズと前記表示器の表示面との距離が大きいところの曲率を小さいところの曲率よりも小さくしたことを要旨とする。
【００１５】
さらに、請求項３に記載の発明は、前記フレネルレンズは前記表示器の前方にて前後方向に斜設された保護カバーの表面に添わせるように配置されていることを要旨とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の拡大表示装置の実施の形態を、車両用表示器に適用し、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１（Ａ）において、１１はフレネルレンズ、１２はフレネルレンズ１１と対向する表示面１２ａを有する表示器、１３は表示面１２ａの中心に向かう運転者Ｄの視軸であり、フレネルレンズ１１と表示器１２とは、図示を略す筺体によってユニット化されており、表示面１２ａには、例えば、図１（Ｃ）に示すようなナビゲーションシステムの道路情報等の像Ｆが表示され、図１（Ｄ）に示すように、フレネルレンズ１１によって拡大された拡大表示像Ｆ´となる。
【００１８】
フレネルレンズ１１は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、平凸レンズであって、運転者とは反対側にレンズ面が向くように配置されている。このフレネルレンズ１１は、斜面部１１ａと、隣接する斜面部１１ａを接ぎ合わせる垂直部１１ｂとから構成され、表示器１２の前方に正のパワーを有する。また、光軸Ｊ（フレネルレンズ１１の回転中心）がフレネルレンズ１１の上縁部または上縁部の上方あるいは下縁部または下縁部の下方に位置するものを用いる。さらに、フレネルレンズ１１は前後方向（上向き）に傾けて配置され、その傾け方として、フレネルレンズ１１の下方が視認者（運転者Ｄ）に近い場合には光軸Ｊがフレネルレンズ１１の上縁部または上縁部の上方に位置するように配置し、フレネルレンズ１１の上方が視認者に近い場合には光軸Ｊがフレネルレンズ１１の下縁部または下縁部の下方に位置するように配置する。さらに、フレネルレンズ１１の傾斜部１１ａはフレネルレンズ１１の上方から下方に向かうほど曲率が小さくなるような非球面Ｒ´のものを微細に分割して接ぎ合わせた面形状を有している。
【００１９】
フレネルレンズ１１の斜面部１１ａを、例えば、図３に示すように、全ての斜面部１１ａの法線方向ｍ，ｍ’，ｍ”を上向きとした場合、運転者Ｄの近傍の像ＰＱ上の任意の点Ｎから発する光線ｎ１，ｎ２，ｎ３が斜面部１１ａによって、光線ｎ１，ｎ２に示すように上向きに反射したり、光線ｎ３に示すようにフレネルレンズ１１内を全反射しつつ導光したりするなどの何れかの方向に反射するため、運転者Ｄ側に光線ｎ１，ｎ２，ｎ３が到達することがなく、これによりフレネルレンズ１１は不要像の発生を防止することができる。
【００２０】
また、不要像となる運転者Ｄの近傍の像が小さい場合、即ち、実際の使用状況下において車窓が小さく天井の塗装色が暗色系のため不要像として映り込んでも実用上差し支えない場合や、表示器１２の前面に庇状のフードが設けられている場合等には、図４に示すように、フレネルレンズ１１の光軸Ｊをフレネルレンズ１１の上縁部の上方ではなく、フレネルレンズ１１の上縁部に設けることが可能となる。尚、図４において、フレネルレンズ１１の光軸Ｊより下の部分の斜面部１１ａについても先程説明した理由から不要像は発生せず、フレネルレンズ１１の光軸Ｊより上の部分についても、図４の光線追跡に示した様に、運転者Ｄ側に到達する反射光を発するのは像ＰＱ上に無い点Ｓであり、運転者の近傍の像ＰＱからの光線は運転者Ｄ側に到達させないため、不要像の発生はない。
【００２１】
一方、フレネルレンズ１１を前後方向に傾けると、表示面１２ａとフレネルレンズ１１との距離が不均一となり、拡大表示像Ｆ´の歪みを拡大させる原因となる。
【００２２】
これは、正のパワーを持つフレネルレンズ１１を通して、そのフレネルレンズ１１の焦点位置の内側にある物体を拡大観察する際には、フレネルレンズ１１の曲率が大きい程、フレネルレンズ１１と物体の距離が大きい程、拡大倍率が大きくなるためである。
【００２３】
従って、図５（Ａ）に示すように、曲率が一定の曲面＝球面を基にしたフレネルレンズ１１を前後方向に傾けて配置して運転者Ｄが表示内容を観察する場合、図５（Ｂ）に示した表示面１２ａの像Ｆは、図５（Ｃ）に示すように、フレネルレンズ１１と表示面１２ａとの距離が大きい下側においてより大きく拡大された拡大表示像Ｆ´となるために下側が広がるような歪みが発生し、表示の視認性が損なわれてしまう。
【００２４】
そこで、曲率がフレネルレンズ１１の上方から下方に向かうほど小さくなるような非球面Ｒ´のものを微細に分割して接ぎ合わせた面形状の斜面部１１ａとすることにより、歪みを実用上問題ない程度までに抑えることが可能となる。
【００２５】
即ち、フレネルレンズ１１の斜面部１１ａに非球面Ｒ´を用い、表示面１２ａとフレネルレンズ１１との距離が大きいところの曲率を、距離が小さいところの曲率と比べてより小さくすることにより拡大倍率をほぼ一定にすることができ、歪みの発生は実用上問題ない程度に抑えることができる。
【００２６】
【実施例１】
次に、本発明の拡大表示装置の実施例１を以下に示す。
【００２７】
図６は２インチの液晶の表示器１２を拡大するもので、表示面１２ａから運転者Ｄまでの距離を８００ｍｍとし、
0004372269.tif 000002
の式で表わされる非球面Ｒ´を基本曲面とした傾斜面１１ａを有するフレネルレンズ１１を用いた。上式において、Ｚ＝光軸Ｊに平行な面のサグ、ｈ＝光軸Ｊからの距離、ｃｕｙ＝０．００４４５、Ｋ＝−９．６７２、Ａ＝−０．４５５Ｅ−８、Ｂ＝０．６９８Ｅ−１１とする。
【００２８】
図７（Ａ）は表示面１２ａの像を示し、図７（Ｂ）は、このようなフレネルレンズ１１によって拡大された表示面１２ａの拡大表示像Ｆ´を示す。
【００２９】
その結果、平均拡大率約  １．１５倍の拡大表示像Ｆ´が得られた。この際、厳密には縦方向が横方向よりやや伸びるという歪みがあるが、実際には運転者Ｄが気付かない程度のものであった。また、不要像は観察されず視認性の良好な拡大表示像Ｆ´が得られた。
【００３０】
【実施例２】
次に、本発明の拡大表示装置の実施例２を以下に示す。
【００３１】
図８は、φ５０ｍｍの丸形メーター（スピードメータ等）を表示器１２としてその目盛を表示面１２ａとして拡大表示するもので、運転者Ｄと表示面１２ａとの距離を８００ｍｍとし、
0004372269.tif 000003
で表わされる非球面Ｒ´を基本曲面とした傾斜面１１ａを有するフレネルレンズ１１を用いた。また、図８に示した通り、フレネルレンズ１１は表示器１２の保護カバー１２ｂの運転者側表面に沿わせるように配置した。上式において、Ｚ＝光軸Ｊに平行な面のサグ、ｈ＝光軸からの距離、ｃｕｙ＝０．００６８１、Ｋ＝−１．８４３、Ａ＝−０．７７３Ｅ−７、Ｂ＝０．１８５Ｅ−１１とする。
【００３２】
図９（Ａ）は表示面１２ａの形状に相当する像を示し、図９（Ｂ）はこのようなフレネルレンズ１１によって拡大された表示面１２ａの形状に相当する拡大表示像Ｆ´を示す。
【００３３】
その結果、平均拡大率約１．１５倍が得られた。この際においても、実施例１と同様に、厳密には縦方向が横方向よりやや伸びるという歪みがあるが、実際には運転者Ｄが気付かない程度のものである。また、不要像は観察されず視認性の良好な拡大表示像Ｆ´が得られた。
【００３４】
このように、本発明の拡大表示装置にあっては、光軸Ｊをフレネルレンズ１１の上縁部または上縁部の上方あるいは下縁部または下縁部の下方に位置させると共に、フレネルレンズ１１を前後方向に傾けて配置し、そのフレネルレンズ１１の傾け方として、フレネルレンズ１１の下方が視認者（運転者Ｄ）に近い場合には、図１（Ｃ）に示すように、光軸Ｊがフレネルレンズ１１の上縁部または上縁部の上方に位置するように配置し、フレネルレンズ１１の上方が視認者に近い場合には光軸Ｊがフレネルレンズ１１の下縁部または下縁部の下方に位置するように配置することにより、フレネルレンズ１１の不要像の発生が防止される。また、フレネルレンズ１１の曲率を、フレネルレンズ１１と表示器１２の表示面１２ａとの距離が大きいところの曲率を小さいところの曲率よりも小さくしたことにより拡大表示像Ｆ´の歪みを低減することができるという効果を奏する。
【００３５】
この際、フレネルレンズ１１は、従来のフレネルレンズ１１やその他の拡大レンズとなんら設計、製作、使用上の困難さを伴わず問題の解決を図ることができる。尚、本実施例１，２では、車両用表示器への応用について記述したが、本発明が情報機器用表示器等の他の産業上の拡大表示装置にも有用であることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の拡大表示装置にあっては、フレネルレンズは、平凸レンズであって、運転者とは反対側にレンズ面が向くように配置され、フレネルレンズはその光軸がフレネルレンズの上縁部または上縁部の上方あるいは下縁部または下縁部の下方に位置し、フレネルレンズの下端が視認者に近い場合にはフレネルレンズの光軸がフレネルレンズの上縁部または上縁部の上方に、フレネルレンズの上端が視認者に近い場合には光軸がフレネルレンズの下縁部または下縁部の下方に位置するようにフレネルレンズを前後方向に傾けると共に、フレネルレンズの傾斜部を非球面で形成したことにより、不要像の発生を抑え、視認性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる拡大表示装置を示し、（Ａ）は拡大表示装置の光学配置図、（Ｂ）はフレネルレンズの配置状態での部分拡大図、（Ｃ）は表示像の一例を示す表示面の正面図、（Ｄ）は拡大表示像の一例を示すフレネルレンズの正面図である。
【図２】同じく、（Ａ）はフレネルレンズの断面図、（Ｂ）はフレネルレンズの背面図である。
【図３】同じく、不要像発生防止の原理を説明するための光学説明図である。
【図４】同じく、運転者近傍の像が不要像とならないことを説明するための光学説明図である。
【図５】同じく、（Ａ）は拡大表示像に歪みが発生する要因を説明するための光学説明図、（Ｂ）は拡大表示前の像の正面図、（Ｃ）は拡大表示状態の像の正面図である。
【図６】本発明の実施例１に係わる拡大表示装置を示し、拡大表示装置の光学配置図である。
【図７】同じく、（Ａ）は拡大表示前の像の正面図、（Ｂ）は拡大表示状態の像の正面図である。
【図８】本発明の実施例２に係わる拡大表示装置を示し、拡大表示装置の光学配置図である。
【図９】同じく、（Ａ）は拡大表示前の像の正面図、（Ｂ）は拡大表示状態の像の正面図である。
【図１０】従来の拡大表示装置を示し、（Ａ）は拡大表示装置の光学配置図、（Ｂ）は表示像の一例を示す表示面の正面図、（Ｃ）は拡大表示像の一例を示すフレネルレンズの正面図である。
【図１１】同じく、（Ａ）はフレネルレンズの断面図、（Ｂ）はフレネルレンズの背面図である。
【図１２】同じく、不要像が写り込んだ状態のフレネルレンズの正面図である。
【図１３】同じく、（Ａ）は不要像発生の原理を示す光学説明図、（Ｂ）は図１３（Ａ）の（ａ）で囲んだ部分を拡大したフレネルレンズ内部の光路図、（Ｃ）は図１３（Ａ）の（ａ）で囲んだ部分を拡大したフレネルレンズ内部の光路図である。
【符号の説明】
１１…フレネルレンズ
１１ａ…傾斜部
１２…表示器
Ｊ…光軸
【図１】
0004372269.tif 000004
【図２】
0004372269.tif 000005
【図３】
0004372269.tif 000006
【図４】
0004372269.tif 000007
【図５】
0004372269.tif 000008
【図６】
0004372269.tif 000009
【図７】
0004372269.tif 000010
【図８】
0004372269.tif 000011
【図９】
0004372269.tif 000012
【図１０】
0004372269.tif 000013
【図１１】
0004372269.tif 000014
【図１２】
0004372269.tif 000015
【図１３】
0004372269.tif 000016