JPH05346539A

JPH05346539A - 表示パネル拡大用光学系

Info

Publication number: JPH05346539A
Application number: JP4155411A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kameda; 毅亀田; Gensuke Kiyohara; 元輔清原; Eiichi Takano; 栄一高野
Original assignee: Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1993-12-27

Abstract

(57)【要約】【目的】表示パネル全体を極力視認できるようにする
と共に、計器等の表示パネルの歪を極力防止して拡大視
認することができる表示パネル拡大用光学系を提供す
る。【構成】表示パネルの拡大用レンズ１が凸面２a、３a
を互いに向き合わせた２枚のレンズ２、３からなり、互
いに向き合う２個の凸面のうちの少なくとも一方の面が
非球面とされ、横収差Ｄ−ＤＹが眼の配置位置で3．00m
m以下になるように設計されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車の計器等の表示
パネルを拡大して視認する表示パネル拡大用光学系の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、物体を拡大して視認する光学部
品としては、いわゆるルーペと称する凸レンズ、フレネ
ルレンズが知られている。物を単に拡大して見る場合に
は、眼をレンズに近付けて、単眼（いわゆる片眼）で見
てもよいが、自動車用の計器等を拡大して見る場合に
は、運転席と計器の配設位置との間に所定の距離がある
ため、レンズに眼を近付けて視認するわけにはいかず、
また、両眼で計器を見ることが前提となる。更に、レン
ズの光軸に眼の視軸が一致しているとは限らず、斜めか
ら計器を見ることもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このため、従来の計器
拡大用光学系では、計器が歪んで見える、計器全体を一
度に見ることができない等の不具合がある。

【０００４】そこで、本発明の目的は、計器全体を極力
視認できるようにすると共に、計器の歪を極力防止して
計器を拡大して視認することのできる計器拡大用光学系
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる表示パネ
ル拡大用光学系は、上記の課題を解決するため、

【０００６】表示パネルの前方に拡大用レンズを配置し
て、表示パネルを拡大して視認する表示パネル拡大用光
学系において、前記拡大用レンズが凸部を互いに向き合
わせた複数のレンズからなり、互いに向き合う２個の凸
面のうちの少なくとも一方の面が非球面とされ、横収差
が眼の配置位置でその眼の瞳孔の直径以下になるように
設計したことを特徴とする。

【０００７】

【実施例】図１は、本発明に係わる表示パネル拡大用光
学系の模式図を示すもので、点Ｘ１に表示パネルの拡大
用レンズ１を配設する。この図１には、拡大用レンズ１
としての２枚のフレネルレンズ２、３を用い、その凸面
２a、３aを互いに向き合わせて配置した例が示されてい
る。しかしながら、この拡大用レンズ１には、図２に示
すように、球面レンズ４とフレネルレンズ５との組み合
せを用い、その凸面４aと凸面５aとを互いに向き合わせ
てもよい。

【０００８】この表示パネル拡大用光学系において、Ｏ
は光軸を示す。Ｐ１は光軸と直交する平面を示し、点Ｘ
２は光軸Ｏと平面Ｐ１との交点を示し、この位置に眼が
配設されるものとする。また、Ｌ１は点Ｘ１から点Ｘ２
までの距離を示し、自動車用の計器（表示パネル）の配
設位置と運転席に着座したドライバーとの間隔等を考慮
して、Ｌ１＝750mmとする。眼Ｅ１、Ｅ２は平面Ｐ１内
にあるものとし、両眼は点Ｘ２を中心に半径55mmの円内
に存在するものとする。そして、Ｐ２は光軸Ｏと直交す
る計器の面を示し、面Ｐ２が光軸Ｏと交わる点をＸ３と
する。点Ｘ１と点Ｘ３との間の距離Ｌ２は、Ｌ２＝15
3．3mmとする。更に、表示パネルの大きさは最大でも直
径158mm（半径79mm）とする。

【０００９】そして、この拡大用レンズ１を用いて、計
器の表示パネルを１．７倍に拡大して視認することにす
る。ここで、倍率とは、拡大用レンズ１がないときの計
器の端ｔ１を見る視覚αと、拡大用レンズ１があるとき
の計器の端ｔ２を見る視覚βとの比率α／βをいう。こ
の倍率を決めると、拡大用レンズ１の焦点距離Ｆを決定
することができる。焦点距離Ｆの詳細な値は具体例にお
いて記載する。面Ｐ２の虚像Ｐ３のできる位置は点Ｘ１
から距離Ｌ３だけ離れた点Ｘ４であり、Ｌ３＝306．2mm
となる。また、Ｐ４は平面Ｐ１の共役像であり、点Ｘ５
はその共役像Ｐ４ができる位置を示しており、Ｌ４は点
Ｘ１から点Ｘ５までの距離であり、Ｌ４＝518．8mmとな
る。眼Ｅ１、Ｅ２の実像は共役像Ｐ４の平面内にでき
る。その実像をＥ１´、Ｅ２´とする。

【００１０】今、点Ｘ２に眼Ｅ１、Ｅ２の眼幅の中心が
あるとすると、点Ｘ５に眼Ｅ１、Ｅ２の実像Ｅ１´、Ｅ
２´の眼幅の中心の実像ＥＩができる。

【００１１】計器を歪みなく見ることができるには、図
３に示すように、この点Ｘ５から射出されて計器の存在
する円内の全てを通過した光線が、眼の瞳内（通常瞳孔
径３mmないし６mm）に入るという条件を満足すればよ
い。仮に、計器の面Ｐ２の上端ｔ１を通った光線Ｑ１は
眼に入るが、計器の面Ｐ２の下端ｔ１´を通った光線Ｑ
２は眼に入らないとすると、一度にこの二点を見ること
ができず、計器が歪んで見えることになる。眼Ｅ１、Ｅ
２の眼幅の中心の位置を光軸Ｏと直交する平面Ｐ１内で
移動させたときも、その眼Ｅ１、Ｅ２の眼幅の中心の位
置と共役位置に形成される実像Ｅ１´、Ｅ２´の眼幅の
中心ＥＩを点光源と考えて、その点光源から射出された
光線が計器の存在する全ての円内を通り、眼Ｅ１、Ｅ２
に入ればよい。計器拡大用レンズ１の大きさは、瞳結像
関係の条件により定まり、この場合には、半径75mmの大
きさがあればよい。

【００１２】そこで、図４に示すように、眼Ｅ１、Ｅ２
の眼幅の中心の実像ＥＩが光軸Ｏ上にあるときを０点と
し、眼Ｅ１、Ｅ２の眼幅の中心の実像ＥＩが光軸Ｏから
Ｙ方向又はＺ方向に最大離れた点を38．9mm（眼の眼幅
の中心が光軸Ｏから55mm離れた位置にあるときの共役位
置）とし、半径38．9mmの円を考え、その半径のルート
２分の１（27．5062mm）、38．9mmの１／２（19．45m
m）にあるときの４点を物点とする。図４におい
て、（）内の数値は規格化した値を示す。

【００１３】そして、計器の面Ｐ２を入射瞳と考え、そ
の半径を75mm とし、光軸Ｏに眼Ｅ１、Ｅ２の眼幅の中
心の実像ＥＩが存在するときには、入射瞳の90％、ルー
ト２分の１、50％の点を通る縦球面収差が眼の瞳内に入
るか否かを検討し、また、実像ＥＩが軸外にあるときに
は、この実像ＥＩを物点と考え、この物点と拡大用レン
ズ１の中心を通る光線を主光線とし、入射瞳75mmの半径
と、そのルート２分の１の点とを通る光線を追跡し、眼
Ｅ１、Ｅ２の瞳の中に入るか否かを検討する。レンズ設
計の常套手段に従って、画面サイズの端の点、その７０
％の点、５０％の点、光軸上での収差を検討することに
したものである。

【００１４】表４はこれらの条件を満足する入射光線の
初期値を示し、表４において、Ｙは物体高、ＹＭは主光
線の入射瞳上でのＹ座標（面Ｐ２でのＹ座標）、ＹＯは
上線の入射瞳上でのＹ座標（面Ｐ２でのＹ座標）、ＹＵ
は下線での入射瞳上でのＹ座標を示す。なお、物点Ｏの
ＹＵの値を「０」と記載しているのは、物体高さゼロの
ときのＹＵは実際にはＹＵ＝−79．0mmであるのである
が、光軸上では回転対称光学系なので、上線と下線とが
全く対称の位置を通り、光線追跡を行わなくて済むので
ゼロと記載し、光線追跡に使用しないことにしたもので
ある。

【００１５】以下に、従来例の設計値と比較しつつ本発
明の具体例の設計値を説明する。

【００１６】なお、軽量薄型化を図るためにフレネルレ
ンズを用いる場合には、そのリングピッチを0．3mmと
し、また、球面と非球面との加工上のコストが違わない
ので、フレネルレンズを非球面とすることにする。

【００１７】

【従来例】表１は図５に示す表示パネル拡大用光学系の
設計データである。この図５において、拡大用レンズ１
にはフレネルレンズが用いられている。

【００１８】表１（後述する表２、表３も同じ）におい
て使用する符号は下記の通りである。

【００１９】ＮＯ：面番号Ｄ：面間隔ＮＤ：ｄ線に対する屈折率ＮＣ：ｃ線に対する屈折率ＮＦ：Ｆ線に対する屈折率Ｒ：屈折面の曲率半径Ｆ：前側焦点距離ＢＦ：後側焦点距離Ｏ１：前側主点位置ＯＫ：後側主点位置

【００２０】図６はその設計データに基づく光学系を模
式的に示したものであり、番号３の面は、非球面とされ
ている。

【００２１】非球面は、光軸からの高さがYとなる非球
面上の座標点の非球面頂点の接平面からの距離をXとし
て、下記の式により表わされる。

【００２２】x＝（CY**2）／｛1+√(1-(1+K)C**2Y**
2)｝+A4Y**4+A6Y**6+A8Y**8+A10Y**10 Ｋ：円錐定数Ｃ：非球面頂点の曲率(1/Ｒ) Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０：４次、６次、８次、10次の
非球面係数

【００２３】非球面の４次、６次、８次、10次の係数は
ここでは０である。

【００２４】表５はこの従来の計器拡大用光学系の設計
データによる光線追跡結果を示している。

【００２５】ここで、Ｙは平面Ｐ１における光線の像
高、ＤＹは横球面収差、ＳＡは縦球面収差、Ｙは平面Ｐ
１における像高、Ｄ−ＤＹはその像高55．105、39．03
2、27．623mmにおける横収差で、その数値は入射瞳の光
軸からの高さ10、７、０、−７、−10の光線の値を示し
ている。非球面レンズを用いているため、メリジオナル
面内では、上下非対称となり、上線側と下線側との光線
追跡が必要なのであるが、この時検討点をできる限り少
なくして正確さを増すためには、上線と主光線の入射瞳
座標間を１００％とし、かつ、その７０％の点を通る光
線を入射瞳上でゼロ座標である主光線を基準に光線追跡
したのである。下線側についても同様である。

【００２６】この表５から理解されるように、表１に示
す従来の表示パネル拡大用光学系の設計データの場合に
は、光軸上に眼Ｅ１、Ｅ２の眼幅の中心があるときには
横球面収差は0．34mmで、充分眼の瞳に入ると考えられ
るが、軸外の横収差Ｄ−ＤＹは眼幅の中心の実像ＥＩが
光軸から38．9mm離れた点では、横球面収差は最大11．9
6mmあり、眼の瞳（眼の瞳孔の直径は明るいところでは
約３mm、暗いところでは８mmくらいあり、３〜８mmの範
囲）に入らない。従って、従来のレンズ拡大用光学系で
は、斜めから計器を見ると、計器が大きく歪んで見える
ことになる。

【００２７】

【具体例１】この具体例１の表示パネル拡大用光学系
（図１に示す光学系）の設計データを表２に示す。図７
はこの表２の設計データに基づく光学系の模式図を示し
ている。この具体例１では、二枚のフレネルレンズは平
凸レンズから形成され、対称性を増大させることにより
軸外コマ収差の補正の良好化を図っている。また、互い
に向き合う２個の凸面を双方とも非球面として、球面収
差と軸外横収差とを補正するようにしている。この表２
に基づく光線の追跡結果を表６に示す。

【００２８】この表６から理解されるように、縦球面収
差ＳＡ、横球面収差ＤＹの補正は従来例と較べて低下す
るが、横収差Ｄ−ＤＹは３mm以下となり、横収差の補正
が良好となる。

【００２９】フレネルレンズのパワーは、番号３の面の
曲率半径が番号４の面の曲率半径よりも大きいことから
理解されるように、計器の面に近い側のフレネルレンズ
２のパワーがフレネルレンズ３のパワーよりも若干大き
いが、フレネルレンズ２のパワーとフレネルレンズ３の
パワーとをほぼ等しくすると、軸外横収差の補正を良好
に行うことができる。また、フレネルレンズ２の非球面
は光軸方向に長軸を持つ楕円であり、フレネルレンズ３
はパラボラに近い双曲面である。軸外横収差の補正の向
上を図るために、番号３、４の面をより高次の非球面と
することもできる。

【００３０】なお、同一の光学特性を有する非球面のフ
レネルレンズを互いに向き合わせて、光線追跡を行った
が、軸外横収差を３mm以下に補正することはできなかっ
た。

【００３１】

【具体例２】この具体例２の表示パネル拡大用光学系の
設計データを表３に示す。図８はこの表３の設計データ
に基づく光学系の模式図を示している。この具体例２で
は、計器の面に近い側のレンズが球面レンズであり、他
方のレンズがフレネルレンズである。球面レンズを非球
面とするのは加工が困難であるので、球面のままとし
た。番号４の面は、非球面係数をパラボラに近い双曲線
となるように選んだ。

【００３２】その光線追跡結果を表７に示す。

【００３３】この表７から理解されるように、縦球面収
差ＳＡ、横球面収差ＤＹの補正は従来例と較べて低下す
るが、横収差Ｄ−ＤＹは３mm以下となっている。

【００３４】以上、具体例１、具体例２において説明し
たように、眼の位置において横収差を３mm以下とする
と、明るい条件のもとで斜め方向から計器を視認した場
合でも、計器を歪なく見ることができて好ましい。

【００３５】図９はこの表示パネル拡大用光学系の正面
図を示し、この図９において、二点鎖線１０は二つの計
器板の目盛りを示しており、眼を半径55ミリメートルの
円11内のいずれにおいても二つの計器を歪みなく見るこ
とができる。なお、符号12はフレネルレンズ３の輪郭線
を示しており、この輪郭線のピッチは、ここでは、既述
のように０．３ミリメートルである。

【００３６】以上実施例について説明したが、両凸レン
ズ、メニスカスレンズを用いてもよく、また、両方のレ
ンズを球面レンズとしてもよい。

【００３７】更に、パワーの分割を選定するという自由
度と、２次非球面の選定を行う自由度との二つの自由度
を採用することにより、軸外の横収差を３mm以下としつ
つ、球面収差の補正の向上を図ることができる。

【００３８】なお、以下に本発明に用いた表を示す。

【００３９】

【表１】 NO RADIUS D ND NG NC NF 1 PLANE 153.3000 AIR 2 PLANE 1.5000 1.49430 1.50190 1.48900 1.49750 3 -150.8300 0.0000 AIR 4 PLANE 0.0000 AIR NO K A4 A6 A8 A10 3 -3.50000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 F=305.139 BF=305.139 O1=154.304 OK=0

【００４０】

【表２】 NO RADIUS D ND NG NC NF 1 PLANE 153.0000 AIR 2 PLANE 1.5000 1.49430 1.50190 1.48900 1.49750 3 -271.1600 0.5000 AIR 4 339.1400 1.5000 1.49430 1.50190 1.48900 1.49750 5 PLANE 0.0000 AIR 6 PLANE 0.0000 AIR NO K A4 A6 A8 A10 3 7.50000E-01 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 4 -1.70000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 F=304.963 BF=303.681 O1=154.226 OK=-1.28177

【００４１】

【表３】 NO RADIUS D ND NG NC NF 1 PLANE 145.000 AIR 2 PLANE 25.000 1.49430 1.50190 1.48900 1.49750 3 -284.0000 0.7500 AIR 4 321.0000 1.5000 1.49430 1.50190 1.48900 1.49750 5 PLANE 0.0000 AIR 6 PLANE 0.0000 AIR NO K A4 A6 A8 A10 4 -1.04000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 F=305.031 BF=303.629 O1=162.083 OK=-1.40198

【００４２】

【表４】 Y YM YO YU 10.00 -38.900000 0.0000 79.0000 -79.0000 7.00 -27.506200 0.0000 79.0000 -79.0000 5.00 -19.449600 0.0000 79.0000 -79.0000 0.00 0.000000 0.0000 79.0000 0.0000

【００４３】

【表５】 Y Y Y 55.105 39.032 27.623 DY SA D-DY D-DY D-DY 10 -0.3432 -2.250 10 9.8736 10 7.0626 10 5.0018 9 -0.2282 -1.663 7 4.9858 7 3.5544 7 2.5063 7 -0.0841 -0.782 0 0.0000 0 0.0000 0 0.0000 5 -0.0260 -0.342 -7 5.4374 -7 1.3979 -7 2.7599 0 0.0000 0.000 -10 11.9674 -10 2.9172 -10 6.0347

【００４４】

【表６】 Y Y Y 54.821 38.911 27.566 DY SA D-DY D-DY D-DY 10 0.8490 5.620 10 -2.1168 10 -0.7321 10 -0.0115 9 0.9422 6.943 7 -1.1988 7 -0.2765 7 0.2107 7 0.6995 6.557 0 0.0000 0 0.0000 0 0.0000 5 0.3135 4.142 -7 1.3718 -7 0.4437 -7 -0.1872 0 0.0000 0.000 -10 1.7150 -10 0.3917 -10 -0.3404

【００４５】

【表７】 Y Y 52.929 37.563 26.609 DY SA D-DY D-DY D-DY 10 1.0732 7.062 10 -0.2127 10 0.5920 10 0.9544 9 1.0119 7.362 7 -0.3814 7 0.2465 7 0.5353 7 0.6766 6.202 0 0.0000 0 0.0000 0 0.0000 5 0.2962 3.801 -7 1.6464 -7 0.5061 -7 0.0323 0 0.0000 0.000 -10 2.3815 -10 0.5812 -10 0.0137

【００４６】

【効果】本発明に係わる表示パネル拡大用光学系は、以
上説明したように構成したので、表示パネル全体を極力
視認できるようにすると共に、表示パネルの歪を極力防
止して表示パネルを拡大して視認することができるとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例１の表示パネル拡大用光学系の
模式図である。

【図２】本発明の具体例２の表示パネル拡大用光学系に
用いるレンズを示す図である。

【図３】歪なく計器を見る条件を説明するための光線の
結像関係を示す光学図である。

【図４】光線追跡結果を説明すための光線の光軸からの
位置を示す図である。

【図５】従来例の表示パネル拡大用光学系を示す模式図
である。

【図６】表１に対応する光学系の拡大模式図である。

【図７】表２に対応する光学系の拡大模式図である。

【図８】表３に対応する光学系の拡大模式図である。

【図９】本発明に係わる拡大用レンズの平面図である。

【符号の説明】

１拡大用レンズ２、３フレネルレンズ２a、３a 凸面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表示パネルの前方に拡大用レンズを配置
して、該表示パネルを拡大して視認する表示パネル拡大
用光学系において、前記拡大用レンズが凸面を互いに向き合わせた複数のレ
ンズからなり、互いに向き合う２個の凸面のうちの少な
くとも一方の面が非球面とされ、横収差が眼の配置位置
でその眼の瞳孔の直径以下になるように設計したことを
特徴とする表示パネル拡大用光学系。
【請求項２】表示パネルの前方に拡大用レンズを配置
して、表示パネルを拡大して視認する表示パネル拡大用
光学系において、前記拡大用レンズが凸面を互いに向き合わせた複数のレ
ンズからなり、互いに向き合う２個の凸面のうちの少な
くとも一方の面が非球面とされ、横収差が眼の配置位置
で３ミリメートル以下になるように設計したことを特徴
とする表示パネル拡大用光学系。
【請求項３】表示パネルの前方に拡大用レンズを配置
して、表示パネルを拡大して視認する表示パネル拡大用
光学系において、前記拡大用レンズが凸面を互いに向き合わせた二枚のレ
ンズからなり、互いに向き合う２個の凸面のうちの少な
くとも一方の面が非球面とされ、横収差が眼の配置位置
で３ミリメートル以下になるように設計したことを特徴
とする表示パネル拡大用光学系。
【請求項４】前記二枚のレンズの一方がフレネルレン
ズであり、他方のレンズが凸レンズであることを特徴と
する請求項３に記載の表示パネル拡大用光学系。
【請求項５】前記二枚のレンズが両方ともフレネルレ
ンズであることを特徴とする請求項３に記載の表示パネ
ル拡大用光学系。