JP3566460B2

JP3566460B2 - 光学装置

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Publication number: JP3566460B2
Application number: JP16985296A
Authority: JP
Inventors: 貞安宮崎
Original assignee: Tomy Co Ltd
Current assignee: Tomy Co Ltd
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2016-06-28
Also published as: EP0818698B1; EP0818698A1; JPH1020187A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光学装置に関するもので、さらに詳しくは、フィルムに保持された像を光像として投影する光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フィルム上に保持された像に裏側から光を照射し、その光像を天井や壁に投影する投影玩具（光学装置）が知られている。この投影玩具では、一般的に、１枚の画像保持フィルムを回転させて、天井等に投影された光像を次々に変化させるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、１枚の画像保持フィルムを回転させた場合、光像変化はあるものの静的画像が単に動くだけで、光像の変化に乏しく、面白味が少ないという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、光像の変化を十分に楽しめる光学装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の光学装置は、以下のＩ及びＩＩの要件を備える。
Ｉ．下記条件を満たす、正パワーメニスカスレンズからなるレンズＬ１と、正パワーレンズからなるレンズＬ２と、前記レンズＬ１，Ｌ２の間に設けられる絞りとを備え、前記レンズＬ１は、前記絞りの一側に、該絞りに凹面（Ｒ２面）を向けた状態で配置され、また、前記レンズＬ２は、前記絞りの他側に、該絞り側に曲率の弱い面（Ｒ３面）を向けた状態で配置され、前記レンズＬ１，Ｌ２のうちのレンズＬ２側に照射手段が設けられている。
（１）パワー配分０．５＜（Ｌ１／Ｌ２）＜１．０
（２）レンズＬ１曲率０．６＞（Ｒ１／Ｒ２）＞０．３
（３）レンズＬ２曲率｜Ｒ３／Ｒ４｜＞３
ＩＩ．仮想楕円体の一の焦点近くに設けられた電球と、前記仮想楕円体のほぼ半部に設けられ、かつ、この仮想楕円体よりも内側に反射面があり、前記電球から出た光を、前記レンズＬ１，Ｌ２の投影レンズの後ろ主点近傍で円環状に結像させるためのリフレクタと、このリフレクタからの光を前記投影レンズの後ろ主点に結像させるための同心円状プリズムとを備え、前記同心円状プリズムと前記投影レンズとの間には前記画像保持フィルムが配設されている。
【０００６】
レンズＬ１，Ｌ２を以上のような形状とした理由は次のとおりである。すなわち、パワー配分（Ｌ１／Ｌ２）を０．５以下とすると、レンズＬ２のパワーと曲率がレンズＬ１に対して相対的に強くなり、球面収差を悪化させるからである。一方、パワー配分を１．０以上とすると、レンズＬ１のパワーがレンズＬ２に対して相対的に上がり、非点収差や歪曲収差の補正に必要な凹面（Ｒ２面）が弱くなり、非点収差や歪曲収差の補正が困難となるからである。また、レンズＬ１の（Ｒ１／Ｒ２）を０．３を下回る値とすると、非点収差が大きくなり、特にメリジオナル面の平坦化が困難となるからである。一方、レンズＬ１の（Ｒ１／Ｒ２）を０．６を越える値とすると、レンズＬ１のパワーが弱くなりすぎ、レンズＬ２にパワーをおぶさるため、レンズＬ１のメニスカスの度の強さと合わせて球面収差の悪化を招き、また、歪曲収差が大きく負となって補正が難しくなるからである。また、レンズＬ２の｜Ｒ３／Ｒ４｜を３を下回る値とし、Ｒ３面の凸形状を強くすると正の歪曲収差が増大し、また、Ｒ３面の凹面形状を強くすると、レンズＬ１と対称型レンズとなり、球面収差の悪化を招くからである。このような光学装置によれば、口径比がＦ１．５〜Ｆ２．８と明るく、画角７０゜〜９０゜（超広角）であり歪曲収差が±３％に入るモールドプラスチック投影レンズの実現が図れる。その結果、超広角レンズが安価に生産できることになる。一般に、光学装置（投影玩具を含む）では、光学性能が未熟なため、画角２０゜〜３０゜の狭い範囲にあるのが現状であり、天井や壁等の全面に光像を投影するのに、本発明は特に有効である。また、正パワーの２枚レンズでは負パワーのレンズがないので色収差は補正できないが、この光学装置では超広角であり焦点距離が小さいことから色収差は無視することができる。また、２枚のレンズではペッツバールの値は０にならず像面の完全平面化はできないが、レンズＬ２のＲ２面である凹面の適正化とレンズ間隔をおくことによりメリジオナル面を正にし、このメリジオナル面とサジタル面（負となっている）との中間に平坦かつ流れの少ない像を得られる。しかし、この面の格差が大きいことから、前記絞りで周辺光の上下光束をカットすることが必要であり、その周辺光のカットにより、多少周辺光量は低下するが像の改良が図れる。このような光学装置は、マイクロ印刷された透明フィルム小サイズのポジ写真フィルム等のスクリーンへの投影に適し、大口径、超広角であることから弱い光源でありながら巨大スクリーン（壁、天井等）に超ワイド映像を投射できる。
また、上記ＩＩの構成によって、投影系において電球の影を可及的に低減させることができる。さらに、プリズムを同心円状に刻むことで肉厚が均一化するため、成型時間の短縮によるコストダウンと、成型時に「ひけ」を押さえることによる品質の向上が図れる。
【０００７】
請求項２記載の光学装置は、請求項１記載の光学装置において、前記レンズＬ１，Ｌ２は同質のプラスチックで構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この光学装置によれば、レンズＬ１，Ｌ２の径、厚み、ボリュームを近似させることにより、２種のレンズを同型に掘りこみ同時に成形することもできる。その結果、レンズＬ１，Ｌ２が安価に生産可能である。また、非球面を使用しなくても相当の性能をもつことから、金型も安価となる。
【０００９】
請求項３記載の光学装置は、請求項１または請求項２記載の光学装置において、前記絞りは、大きな幅を有する１枚の絞り部材、または大きな距離を持つ２枚の絞り部材から構成されていることを特徴とする。
【００１０】
この光学装置によれば、大きな幅を有する１枚の絞り部材、または大きな距離を持つ２枚の絞り部材から構成されているので、非点収差を大幅に改善することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１には本実施形態の光学装置が示されている。この光学装置１の本体２は、下枠２ａと上枠２ｂとから構成されている。下枠２ａには図２に示すように電球ボックス３と電池ボックス４が設けられている。
このうち電球ボックス３には電球５が設置されている。つまり、電球５は、その基部が環状の電球アダプタ６に差し込まれ該電球５の一の端子が電球接点板７に接した状態で、電球押さえ８によって電球ボックス３内に固定されている。また、電球ボックス３の下端開口は電池蓋９によって閉塞される。一方、電池ボックス４内には電池１０（図４参照）が設置される。この電池ボックス４の下端開口は電池蓋１１によって閉塞される。
【００１４】
電球５の頭部は図５に示すように電球ボックス３上に突出し、この電球５の他の端子は電球接点板１２に接している。また、電球５の頭部は、電球ボックス４上に設置されるリフレクタ１３内に臨んでいる。また、リフレクタ１３の上には同心円状プリズム１４が設置されている。さらに、同心円状プリズム１４の上には図３および図５に示すように投影レンズ１５が設けられている。この投影レンズ１５はレンズ枠１６に支持された状態で支持板１７に取り付けられる。なお、リフレクタ１３、同心円状プリズム１４および投影レンズ１５の構造については後述する。
【００１５】
レンズ枠１６の外周には図３および図６に示すように部分的に歯車部１６ａが形成され、この歯車部１６ａには、同じく支持板１７に支持された中間歯車１８が噛合している。また、この中間歯車１８には、焦点調整ダイヤル１９の軸に付設した駆動歯車２０が噛合している。焦点調整ダイヤル１９は上枠２ｂの側方から一部突出し、指で回転操作できるようになっている。そして、この焦点調整ダイヤル１９を回転操作することで、レンズ枠１６が回転し、螺進式動作により上下動して、投影レンズ１５の焦点合わせができるようになっている。なお、図３において符号２１はレンズ枠１６を押さえるための押さえばねである。
【００１６】
また、電池ボックス４上にはフィルム駆動枠２２が取り付けられている。このフィルム駆動枠２２内には図７に示すようにモータ２３が設置されている。そして、このモータ２３の動力は図８にも示すように歯車２４ａ〜２４ｍを順次に経て上ローラ２５ａに伝達されるようになっている。また、モータ２３の動力は歯車２４ａ〜２４ｌおよび２６ａを経て下ローラ２５ｂに伝達されるようになっている（図９参照）。この下ローラ２５ｂは上ローラ２５ａと同じ方向に回転する。なお、ここで、上ローラ２５ａの軸２７ａと下ローラ２５ｂの軸２７ｂとの間には図１０に示すように引きばね２８が掛けられている。
【００１７】
前記支持板１７には図３に示すようにカセット収納口１７ａが設けられている。このカセット収納口１７ａは上枠２ｂの前側に開口しており、この開口からカセット２９を着脱できるようになっている。カセット枠は図１２に示すように下枠２９ａと下枠２９ｂとから構成されている。この下枠２９ａと上枠２９ｂとは、下枠２９ａの中心に設けたボス３０を上枠２９ｂに設けた孔３１に嵌合させることにより、相互に結合される。この下枠２９ａと上枠２９ｂ内には２枚の円板状の画像保持フィルム３２ａ，３２ｂが設置されている。各画像保持フィルム３２ａ，３２ｂは、特に限定はされないが、マイクロ印刷された透明フィルムや小サイズのポジ写真フィルム等で構成されている。
また、カセット枠の後部には切欠き部３３が設けられ、この切欠き部３３から画像保持フィルム３２ａ，３２ｂの一部が露出している。そして、カセット２９を前記カセット収納口１７ａに挿入した状態では、図１１に示すように、前記切欠き部１７ａから露出する２枚の画像保持フィルム３２ａ，３２ｂの上下にそれぞれ上ローラ２５ａおよび下ローラ２５ｂが当接するようになっている。
なお、カセット枠の偏心位置には上下に窓が設けられ、この窓に対応する画像保持フィルム３２ａ，３２ｂの画像が光像として投影されるようになっている。
【００１８】
支持枠１７の後ろ側には図１３〜図１７に示すように横方向に移動可能なスライダ４０が設けられている。このスライダ４０の先端部（左端部）には切欠き部４０ａが設けられている。そして、このスライダ４０が左方へ移動した際、その切欠き部４０ａに下ローラ２５ｂの軸２７ｂが挿入されるようになっており、これによって、スライダ４０と軸２７ｂとの干渉が防止される。
また、スライダ４０の先端部上片には先端に向けて窄まるようにテーパが付けられている。そして、このテーパ部は、スライダ４０が左方に移動した際には、上ローラ２５ａの軸２７ａと下ローラ２５ｂの軸２７ｂとの間に入り込み上ローラ２５ａと下ローラ２５ｂとを離反させるようになっている。
【００１９】
このように構成されたスライダ４０は、ばね４１によって、右方へ向けて付勢されている。また、スライダ４０には、傾斜部４０ｂが設けられていて、この傾斜部４０ｂをリセットボタン４２の押圧操作によって上から押圧することで、スライダ４０を左方へ移動させることができるようになっている。また、スライダ４０の上辺には切欠き部４３が設けられている。この切欠き部４３には、軸４４ａを中心として揺動可能なレバー４４の一端が係合しており、このレバー４４は、スライダ４０の左右動により、軸４４ａを中心に揺動するようになっている。レバー４４の他端には鉤形部４４ｂが設けられている。この鉤形部４４ｂの先端部には傾斜部４５ａが設けられている。この鉤形部４４ｂの先端部は常態（リセットボタン４２が押されない状態）ではカセット２９の移動域に位置している。そして、鉤形部４４ｂの先端部は、カセット２９を挿入したとき、図１４に示すように、まず、カセット２９の斜状部４６に当接される。この結果、レバー４４はばね４１の付勢力に抗して軸４４ａを中心に反時計方向に回転する。そして、図１５に示すようにカセット２９の側部が鉤形部４４ｂの先端部に至った後は、カセット２９の側部に接触し続けるので、レバー４４は反時計方向の回転を止める。さらに、カセット２９が挿入されると、図１６に示すように、カセット２９の側部の凹部４５ｂに鉤形部４４ｂの先端部が合致して、ばね４１の付勢力によって凹部４５ｂに鉤形部４４ｂの先端部が嵌合する。なお、凹部４５ｂと鉤形部４４ｂの先端部の嵌合解除は、リセットボタン４２を押圧することによってなされる。すなわち、リセットボタン４２を押圧すると、このリセットボタン４２によって傾斜部４０ｂが押されてスライダ４０を左方へ移動させる。そして、レバー４４を反時計方向へ回転する。これによって、図１７に示すように凹部４５ｂと鉤形部４４ｂの先端部の嵌合が解かれる。この嵌合が解かれる、カセット２９の挿入によってチャージされていたばね４ｂの作用によりカセット２９が前方へ押し出される。
【００２０】
また、上枠２ｂには図３に示すように前記投影レンズ１５に対応する箇所に孔４７が設けられている。この孔４７には円状の透明カバー４８がかぶせられている。さらに、上枠２ｂにはカセット入れ用凹部４９が設けられている。このカセット入れ用凹部４９には前記カセット２９が複数枚挿入できるようになっている。
【００２１】
さらに、光学装置１においては、各種のスイッチが設けられている。この各種スイッチについて図３および図４に基づいて説明する。
１）電源スイッチ
この光学装置１の基板５０の裏側に取り付けられたＩＣは、常に、待機状態にある。そして、電源スイッチ５１を入れると、電球５を点灯させ、それからモータ２３を駆動し、スピーカＳＰから曲を流す。
また、途中で電源スイッチ５１を動作させると、モータ２３が停止し、電球５が消灯し、曲の演奏が止まる。
２）曲選択スイッチ
この曲選択スイッチ５２を１回押すと、ＩＣが多くの曲の中からランダムに１つの曲を拾い出す。特に聞きたい曲がある場合、この曲選択スイッチ５２を使う。この曲選択スイッチ５２を何回か押すことにより選択できる。なお、選択された曲は１秒間の空白の後、タイマーが切れるまで、繰り返される。
３）タイマ選択スイッチ
このタイマ選択スイッチ５３を操作することにより、光学装置１の作動時間をコントロールすることができる。選択できるのは、１０分と２０分の２つである。
途中で設定時間を変えた時には、タイマが解除され、変更後のタイマ時間が最初から開始する。
４）音量スイッチ
この音量スイッチ５４を操作することで、音量が変えられる。
【００２２】
次に、電球５、リフレクタ１３および同心円状プリズム１４を備えている。
【００２３】
電球５としては、特に限定はされないが、白熱電球等が用いられる。
【００２４】
リフレクタ１３は、電球５の設置点と、投影レンズ１５の後ろ主点を２つの焦点とする仮想楕円体の半部よりもやや窄んだ形状を有している。リフレクタ１３が前記仮想楕円体の半部と同一の形状を有している場合、つまり楕円リフレクタの場合、前記同心円状プリズム１４がないとすれば、電球５から出て楕円リフレクタで反射した光は投影レンズ１５の後ろ主点Ｆに集光される。しかし、本実施形態におけるリフレクタ６３では、反射面を、仮想楕円体の外郭の各点を、電球６２の設置点を中心に、仮想楕円体の外郭よりも前記各点がわずかに内側に入り込むような方向に、所定角度回転させてあるので、前記同心円状プリズム６４がないとすれば、前記後ろ主点近くで環状に集光されることになる。
【００２５】
同心円状プリズム１４は、図１８および図１９（ａ），（ｂ）に示すように、半径方向に沿った断面が鋸刃状となっている。この同心円状プリズム１４の各輪状プリズム部の形状は、前記後ろ主点近くで環状に集光される光を投影レンズ１５の後ろ主点Ｆに集光させるためのものである。
このような構成とするため、プリズムの楔の角度はそれぞれの輪帯の光をレンズ後ろ主点に向かわせるように設定する。つまり、本実施形態の同心円状プリズム１４のプリズム角度は、光の進路が最適化されるように固有の角度を有している。また、プリズムの段差の角度は光の進路に平行となるようにそれぞれ設定され、段差によるリング状の影が最小化されるように設定されている。
この同心円状プリズム１４と前記リフレクタ１３とを組み合わせれば、図２３の従来のものに比べて、電球５の影による影響を低減することができる。すなわち、電球５の影は光軸近くに現れるが、同心円状プリズム１４と前記リフレクタ１３との組み合わせにより、電球５の影を極力小さくすることにより、電球５の影による影響を低減することができる。さらに、プリズムを同心円状に刻むことで肉厚が均一化するため、成型時間の短縮によるコストダウンと、成型時に「ひけ」を押さえることによる品質の向上が図れる。また、このプリズムを使用することで、電球サイズに対して相対的に小型のリフレクタであっても、電球５の影（ブラックアウト）を小さくでき、全体構造の小型化・ローコスト化が図れることになる。
なお、画像保持フィルム３２は、特に限定はされないが、透明ポジフィルムすなわちスライドフィルムが用いられている。勿論、この画像保持フィルム３２として、フィルム上に画像を印刷したものを用いても良い。
【００２６】
投影レンズ１５は図１８および図２０に示すように２枚のレンズＬ１，Ｌ２から構成され、このレンズレンズＬ１，Ｌ２の間には絞り６０が設けられている。このうち絞り６０は２つの絞りＩＲＩＳ１，ＩＲＩＳ２からなり、この２つの絞りは大きな幅を有する１枚の絞り部材から構成されている。このような絞り６０を設けることで、非点収差を大幅に改善することができる。レンズＬ１，Ｌ２および絞り６０は次の第１例および第２例のような構成となっている。
【００２７】
【表１】

この第１例の投影レンズ１５は図２０に示されるものであって、図２１にはその収差図が示されている。この第１例の投影レンズ６によれば、−Ｒ１＝Ｒ４でＲ３が平面となっているため、金型代を安価にすることができる。また、レンズＬ１，Ｌ２の厚み（ＴＨ１，ＴＨ２）の厚み（ボリューム）が同じなので、同時成型性が良い。
【００２８】
【表２】

この第２例の収差図が図２２に示されている。この投影レンズ１５によれば、Ｒを全てベスト状態にしているので、成型性の点は除いて、より球面収差を小さくし、かつよりＦナンバーを大きくとれる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定はされず、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の代表的なものによれば、２枚の板状画像保持フィルムを互いに逆方向あるいは速度を違えて回転駆動させるので、光像の変化に富んだ投影玩具の実現が図れる。
【００３１】
また、２枚の板状画像保持フィルムはカセット方式で本体に着脱自在に構成されたものでは、別に用意した他の２枚の板状画像保持フィルムと容易に変えることができるので、光像変化をより楽しめることになる。
【００３２】
さらに、マイクロ印刷された透明フィルム小サイズのポジ写真フィルム等のスクリーンへの投影に適し、大口径、超広角であることから弱い光源でありながら巨大スクリーン（壁、天井等）に大型ワイドな映像を投射できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学装置の構成図である。
【図２】図１の光学装置の下部構成の分解斜視図である。
【図３】図１の光学装置の上部構成の分解斜視図である。
【図４】図１の光学装置の回路図である。
【図５】図１の光学装置の照明手段および投影手段の縦断面図である。
【図６】図１の光学装置の合焦手段およびその近傍の分解斜視図である。
【図７】図１の光学装置のフィルム駆動手段の分解斜視図である。
【図８】図１の光学装置のフィルム駆動手段の平面図である。
【図９】図１の光学装置のフィルム駆動手段の一部の歯車の噛合関係を示す図である。
【図１０】図１の光学装置の出力部の側面図である。
【図１１】図１の光学装置の出力部と画像保持フィルムの係合関係を示す側面図である。
【図１２】図１の光学装置のカセットの分解斜視図である。
【図１３】図１の光学装置のカセット収納部およびその近傍の斜視図である。
【図１４】図１の光学装置のカセット収納部およびその近傍の斜視図である。
【図１５】図１の光学装置のカセット収納部およびその近傍の斜視図である。
【図１６】図１の光学装置のカセット収納部およびその近傍の斜視図である。
【図１７】図１の光学装置のカセット収納部およびその近傍の斜視図である。
【図１８】図１の光学装置の照明手段および投影手段の構成図である。
【図１９】図１の光学装置の同心円状プリズムの構成図である。
【図２０】第１例の投影レンズの構成図である。
【図２１】第１例の収差図である。
【図２２】第２例の収差図である。
【図２３】従来の光学装置の構成図である。
【符号の説明】
１光学装置
５電球
１３リフレクタ
１４同心円状レンズ
１５投影レンズ
２９画像保持フィルム

Claims

以下のＩ及びＩＩの要件を備える光学装置。
Ｉ．下記条件を満たす、正パワーメニスカスレンズからなるレンズＬ１と、正パワーレンズからなるレンズＬ２と、前記レンズＬ１，Ｌ２の間に設けられる絞りとを備え、前記レンズＬ１は、前記絞りの一側に、該絞りに凹面（Ｒ２面）を向けた状態で配置され、また、前記レンズＬ２は、前記絞りの他側に、該絞り側に曲率の弱い面（Ｒ３面）を向けた状態で配置され、前記レンズＬ１，Ｌ２のうちのレンズＬ２側に照射手段が設けられている。
（１）パワー配分０．５＜（Ｌ１／Ｌ２）＜１．０
（２）レンズＬ１曲率０．６＞（Ｒ１／Ｒ２）＞０．３
（３）レンズＬ２曲率｜Ｒ３／Ｒ４｜＞３
ＩＩ．仮想楕円体の一の焦点近くに設けられた電球と、前記仮想楕円体のほぼ半部に設けられ、かつ、この仮想楕円体よりも内側に反射面があり、前記電球から出た光を、前記レンズＬ１，Ｌ２の投影レンズの後ろ主点近傍で円環状に結像させるためのリフレクタと、このリフレクタからの光を前記投影レンズの後ろ主点に結像させるための同心円状プリズムとを備え、前記同心円状プリズムと前記投影レンズとの間には前記画像保持フィルムが配設されている。
前記レンズＬ１，Ｌ２は同質のプラスチックで構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
前記絞りは、大きな幅を有する１枚の絞り部材、または大きな距離を持つ２枚の絞り部材から構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学装置。