JP4002772B2

JP4002772B2 - 恒星投影機

Info

Publication number: JP4002772B2
Application number: JP2002065369A
Authority: JP
Inventors: 貴之大平
Original assignee: 貴之大平
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: JP2003262915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラネタリウムなどに用いられる恒星投影機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラネタリウムで恒星を半球状のドームスクリーン上に投影する際には、例えば図５に示すような従来技術による恒星投影装置４２が知られている。
半球状の恒星投影球の中心には光源ランプ４３が配置され、その周りを投影ユニット４１ａ〜４１ｅが光源ランプ４３を囲むように取り付けられている。
【０００３】
投影ユニットは、図６に示すような構成になっている。光源の出射光線はコンデンサーレンズ５１および遮光性の膜に実際の恒星に相当する微細な透過孔を有する投影原板５０を通り、投影レンズ５２によって、ある定められた範囲の星野を投影する。全天を複数、例えば３２の投影面に分割し、そのうちの半分の１６面あるいはそれ以上の数にあたる投影原板を包含する投影ユニットが、投影面に相当する取り付け角度で取り付けられている。
このような恒星投影球によると、複数の投影ユニット４１から投影された星野をあたかも一様につながった星空のように再現することができる。
【０００４】
恒星投影球をたとえば図７のように組みたて、日周回転軸４４を観測地の緯度に等しい角度に傾けると、その観測地の星空を再現することができる。また、日周回転軸４４の周りに恒星投影球を回転させると、星空の日周運動および経度の変化が再現できる。
【０００５】
図８は恒星投影球を２つ対向して組み合わせた従来技術の例である。
それぞれ南天と北天の星野に相当する投影原板を包含した恒星投影球４７，４８を組み合わせることにより、南天と北天を合わせた全天の星野を再現することができる。さらに、日周回転軸４４を中心に回転させると、星空の日周運動および経度の変化が、また緯度変換軸４５を中心に回転させると、設定された観測地の緯度の変化を再現することができる。
６４は地平線下遮光用の遮光半球であり、水平面以下の床などに星が映らないようにする役目を果たす。
【０００６】
図９は各投影ユニットに取りつけられた公知の地平線下遮光装置の一例を示す図である。
投影レンズ５２を覆うように取り付けられた遮光半球６４が、ベアリング６５によって光軸６６を中心として、またベアリング６８によって軸６７を中心として自由に回転できるように保持されている。
遮光半球６４の一部にはおもり６９が取り付けられており、この働きで、遮光半球は常に水平位を保ち、投影レンズ５２から出射する光線のうち、水平より下方向に向かう光を遮断する。これにより、床や壁に星が映ることを防止できる。
【０００７】
図１０は、恒星投影機全体を被いで囲むことにより図９と同様の効果を得る公知の遮光装置の他の例を示す図である。
遮光板６０は、多数枚重ねられ、水平よりも上方向に向かう光のみ通すように取り付けられている。これにより、床や壁に星が映ることを防ぐことができる。
【０００８】
図１１は、投影ユニットで投影される恒星像の輝度を向上させる従来技術の例を示す図である。
光源から出射した光線をコンデンサーレンズ５３で受け、複数の光ファイバから成る光ファイバ束５４の端面に集光させる。各々の光ファイバの反対側の端面の位置を、投影原板の透過孔にそれぞれ一致させ、図６の従来技術よりも効率良く透過孔に光線を導くことにより、投影像の輝度を向上させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術による恒星投影装置では、投影される恒星像を出来るだけ明るくするために強力な光源を用いる必要があるが、例えばハロゲンランプ等の光源は強い発熱も伴い、光源を十分冷却することが必要となる。しかしながら、恒星球の内部は容積が限られた空間であり、また光源からの漏れを防ぐためには大きな冷却口をむやみに設けることができず、恒星球内部の発熱を抑えることが困難となっていた。
また、そのために大きなワット数の光源を用いることができず、恒星像の輝度を十分に上げることができなかった。さらに発熱による温度上昇で光源および投影ユニットが損傷を受けることを防ぐためには恒星投影球をある程度大きくする必要が生じ、恒星投影球の小形化の妨げとなっていた。
【００１０】
従来技術では、光源の出射光のうち、投影ユニットに入射することなく無効となる光束が大きな割合を占め、投影機の効率低下を招き光量の低下となるため大ワット数の電球を必要とし、このような理由からも投影機の小形化を妨げる原因となっていた。
さらには、ハロゲンランプなどの光源ランプには寿命が存在するため、定期的に交換が可能な構造としなければならないが、従来技術では光源ランプが恒星球中心に置かれるため、光源ランプを容易かつ安全に交換できるような構造とすることに設計上の制約があり、投影装置の小形化やコストダウンに制約を生じていた。
【００１１】
図１１の従来技術で恒星の輝度を向上させた場合、投影原板上にランダムに配置される透過孔に恒星の数に匹敵する光ファイバを一致させて接続しなければならないため、製造コストがかかり、製品全体のコストアップの原因となる問題が生じていた。
また、図８に示すように、全天の恒星を投影するように組みたてると、光源が回転体の内部に収納されるため、光源に電力を送るためにスリップリング等の部品を必要とし、コストアップになるのみならず、スリップリングの接点が磨耗部品となるため、メンテナンスが必要になるなどの問題点を生じていた。
【００１２】
つぎに図７や図８のような従来技術では、光源として電源電圧を変えることによりゼロから１００％まで任意の範囲で調光が可能なハロゲンランプが多く用いられてきたが、ハロゲンランプはメタルハライドランプなどの放電ランプと比較して効率や色温度などの面で劣り、リアルで明るい恒星像を再現することができないでいた。
プラネタリウムの恒星投影装置では、さまざまな演出に応じて恒星の明るさをゼロから１００％までスムースに可変できることが必要となるが、メタルハライドランプなどの放電ランプは、原理的にその光量をゼロから１００％までスムースに変化させることが困難である。プラネタリウム用の光源として用いる場合は、調光のために各投影レンズにシャッタや絞りなどの機構を装着するなどの必要があり、投影装置のコストアップの原因となっていた。
【００１３】
また、図８のような従来技術では、床や壁に星が映らないようにするため、図９に示すような特別なシャッタ装置を各レンズに取りつける必要があった。しかしながら、装置のコストアップや、誤作動、メンテナンス性などの問題を生じていた。さらに図１０のような装置では、覆いが投影機全体を囲むために装置全体がかさばり、運搬性などに障害があり、デザインにも制約が生じていた。
本発明の目的は以上の従来技術の問題点を解決することができる恒星投影機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明による恒星投影機は、複数の投影ユニットを含む恒星投影球によって星空を分割投映するプラネタリウムにおける星空の恒星投影機において、前記恒星投影球の外部に置いた光源からの射出光線を、中空回転軸を通じて恒星投影球の内部に導き、前記恒星投影球の中心付近に配置した負の屈折力を持つレンズまたは凸面を有する反射鏡よりなる光学ユニットにより光線を屈折または反射させることによって発散光を作り、前記発散光の各光線方向を前記複数の投影ユニットの光軸に一致させ星野投影面に一様に照明するように構成されている。
本発明は上記恒星投影機において、前記恒星投影球の中心付近に配置した負の屈折力を持つレンズまたは凸面を有する反射鏡の表面を、複数の平面または曲面で構成し、これらの面で発散させられる発散光の各光線方向を前記各投影ユニットが存在する方向にのみ導くように前記レンズまたは反射鏡と前記各投影ユニットを配置することにより各投影ユニットに効率的に光線を導くように構成されている。
本発明は上記恒星投影機において、前記恒星投影球の回転軸と直交し、恒星投影球を傾ける作用を持つ回転軸中を通じて光源からの射出光線を導き、ミラーまたはプリズムを用いて恒星投影球の回転軸中心に導き、各投影ユニットに効率的に光を導くように構成されている。
本発明は、上記恒星投影機において、前記恒星投影機を２組対向して組み合わせることにより、回転軸による投影死角を解消し、全天をくまなく投影するように構成されている。
本発明は上記恒星投影機において、前記光源からの光路中に光学濃度を可変できる調光素子を配置し、恒星の投影光度を変化させることを可能に構成されている。
本発明における前記調光素子は、任意のパターンで濃度もしくは透過率を可変できるか、または任意のパターンで反射率もしくは反射角を可変できる素子であり、恒星の投影光度を任意のパターンで変化させることを可能に構成されている。
本発明における前記調光素子は、液晶素子，可動シャッタまたはＤＭＤ（ディジタル・マイクロ・デバイス）素子で構成される。
【００１５】
すなわち、光源ランプを恒星投影球の外部に設置し、これからの出射光をミラーやプリズム等の光学部品を用いて恒星球の内部に導き、この光線を負の屈折力を持つ凹レンズまたは凸面鏡から成る光学素子を用いて屈折、反射させることにより、あたかも恒星投影球の中心に光源が設置されているのと同様に、各投影ユニットに光線を導くようにしたことを特徴とする。
また、上記の凹レンズおよび凸面鏡を、一様な曲面だけでなく、複数の平面または曲面の集合で構成することにより、投影ユニット外に漏れる無効な光束を減少させ、光束の利用効率を向上させたことを特徴とする。
さらに、光源ランプの光量を変化させることなく、投影される星を全面または特定範囲でオンオフしたり明るさを任意に可変させるため、光源ランプの出射光路中に透過率を可変できる素子もしくはシャッターを挿入したことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１は、本発明による恒星投影機の第１の実施の形態を示す概略図である。
ミラー付光源ランプ５は、光源用電源装置１１により点灯される。この出射光はミラー６により直角に反射され、焦点位置１３を経て、恒星投影球７の内部に入射する。この光線の一部は、負の屈折力を持つ凹レンズ９により屈折され、光線入射方向と反対側に位置する投影ユニット２ａ，２ｂ，２ｅおよび２ｆを照明する。一方、他の光線は中央に孔を持った凸面鏡１０により反射され、光線入射方向側に位置する投影ユニット２ｃおよび２ｄを照明する。
【００１７】
８は光線の透過、非透過を制御できるシャッタまたは一様に光線の透過率を変化させることができる調光素子（以下、「調光素子等」という）であり、制御回路１２によりコントロールされる。これを入射光路中に挿入することにより、ミラー付き光源ランプ５には変化を与えずに、恒星投影像をオンオフしたり、明るさを可変することができる。
【００１８】
また、調光素子を任意の遮光パターンを作り出せるもの、例えば、透過型ディスプレイに用いられるような、任意の遮光パターンを作り出せるマトリックス形の液晶素子を用いることができる。このマトリックス形の液晶素子を光軸上で焦点位置１３から適度に離した位置に設置し、液晶素子の遮光パターンを適度にコントロールすることにより任意の範囲の恒星のみを遮光することが可能となる。この液晶素子を用いることにより、例えば地平線の下に隠れて本来は投影したくない範囲の恒星を消したり、または星空に何らかの映像を重ね合せて投影する際に、映像と重なる部分の恒星のみを消すこと等が可能となる。
調光素子等としてその他に可動シャッター，ＤＭＤ素子を用いることができる。
【００１９】
図１の実施の形態は、恒星球７の中心に配置する発散のための光学系として凹レンズと凸面鏡を組み合わせた例を示したが、凹レンズのみ、または凸面鏡のみで構成してもよい。凹レンズのみで構成する場合には、図１の凸面鏡で光が反射して届く位置まで屈折光が達するように凹レンズの屈折率を広げるようにすれば良い。また、凸面鏡のみで構成する場合には反対に図１の凹レンズで光が屈折して届く位置まで反射光が達するように凸面鏡の反射面を広角にし、かつ設置角度を調整すれば良い。
【００２０】
本発明は、光源ランプがほぼ固定位置にあるから、電源装置１１との接続にはスリップリングなどを必要とせず直接電線で接続する構成を採用することができる。
また、光源ランプは恒星球の外に配置されるから、恒星球内部の発熱量は従来例に比べて遥かに少ないものとなり、恒星球の小形化が実現できる。さらに恒星球内部の冷却のため大きな冷却口を設ける必要がなく、遮光も簡便となる。さらには光源ランプはほぼ固定された位置に配置されるから、光源ランプの冷却が容易となるだけでなく交換などのメンテナンス作業性も改善される。
【００２１】
図２は、本発明による恒星投影機の第２の実施の形態を示す概略図である。
この実施の形態は北天恒星球と南天恒星球の２つを組み込んだものである。
電源装置２１ａで点灯されるミラー付光源ランプ１５ａの出射光は、制御装置２２ａで制御される調光素子１８ａを通り、凹レンズ３１ａで出射角を調整された後、ミラー３２ａでほぼ直角に反射する。さらにプリズム３３ａで角度を修正された後、負の屈折力を持つレンズ１９ａにより発散すなわち出射角を拡げられ、北天恒星球３４ａ内の投影ユニット２３ａ，２３ｂ，２３ｃおよび２３ｄを照明する。
一方、１５ａに対する位置にあるミラー付光源ランプ１５ｂの出射光は同様にして南天恒星球３４ｂ内の投影ユニット２４ａ，２４ｂ，２４ｃおよび２４ｄを照明する。これにより、全天をほとんど死角なく恒星を投影することができる。
【００２２】
北天恒星球と南天恒星球を共に日周軸４を中心に回転させれば星空の日周運動が、緯度軸３を中心に回転させれば緯度の変化を再現することができる。
調光素子１８ａおよび１８ｂを、任意の遮光パターンを作り出せる、たとえば透過形液晶パネルを用いれば、第１の実施の形態と同様に、地平線下の星を遮断したり、特定範囲の恒星のみを消すことなどが可能になることはもちろんである。
【００２３】
図３は、第１の実施の形態１および２において、負の屈折力を持つレンズ９ならびに１９ａおよび１９ｂの表面を一様な曲面でなく、複数の曲面３９ａ〜３９ｊで構成した凹レンズ系の外観図である。
凹レンズ系の光軸から外に向かって屈折率が大きくなるように表面がカットされている。各カット面は曲面でなく、平面であっても良い。
【００２４】
図４は図３の凹レンズを用いた恒星球の一部断面図である。
光源側からの入射光束３５は、多面レンズ３６に入射し、出射構成面３７ａ，３７ｂおよび３７ｃを経て投影ユニット３８ａ，３８ｂおよび３８ｃにぞれぞれ入射する。このとき投影ユニット３８ａ，３８ｂおよび３８ｃと出射構成面３７ａ，３７ｂおよび３７ｃの位置関係を適切に保つことにより、出射構成面３７ａ，３７ｂおよび３７ｃを通った光は、単一曲面のレンズを使った場合より高い比率で投影ユニットに入射する。
このような構成により従来問題となっていた光束のロスが大幅に低減し、輝度を向上させるとともに必要ランプ電力を低減することができる。
図３および図４では発散光学系として負の屈折力を持つレンズについて多面レンズを採用する例を説明したが、同様の原理により、凸面鏡の表面を複数の面で構成したものと同じ効果が得られるのはもちろんである。
【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、従来技術のように恒星球内部に光源を配置してもよいので、恒星球を従来例に比べ大幅に小形化することが可能になる。また、恒星球の外部に光源ランプを配置するため光源ランプの冷却が容易になったのみならず、ランプの交換やメンテナンスが簡単になるという効果がある。
さらに、従来例では光源に広い配光特性を必要としたため、使用できる光源の種類がきわめて限られていたが、本発明によれば、光源ランプの光量を変化させずに調光することを容易に行えるようにしたので、調光が難しいためプラネタリウムへの応用が限られていた放電ランプを容易に採用することが可能となる。
さらには、一方に出射光を放射する光源を用いることができるので、例えば近年液晶プロジェクタ用などに普及し、市場拡大に伴いコストダウンと性能向上の著しい、プロジェクタ用メタルハライドランプや高圧水銀ランプなどを使用することが可能となり、設計の自由度の向上や光源ランプのコストダウン、調達性の向上、および輝度向上の道が開ける。
【００２６】
また本発明によれば、従来と異なり複雑な機械式のシャッタ機構やサイズがかさむ覆いを用いずに地平線下の星を遮光できるため、機械式シャッタに比べて低コストで、覆いを用いる方法に比べて装置をコンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による恒星投影機の第１の実施の形態を示す概略図である。
【図２】本発明による恒星投影機の第２の実施の形態を示す概略図である。
【図３】負の屈折率を持つレンズの表面形状の一例を示す斜視図である。
【図４】図３のレンズを適用した状態を示す部分概略図である。
【図５】従来の恒星投影装置の一例を説明するための部分概略図である。
【図６】投影ユニットの構造を説明するための断面図である。
【図７】図５の恒星投影装置の組立例を示す概略図である。
【図８】従来の恒星投影装置の他の例を説明するための部分概略図で、恒星投影球を２つ対向して組み合わせたものである。
【図９】投影ユニットの他の構造を説明するための断面図で、光線導入に光ファイバを用いた例である。
【図１０】各投影ユニットに取り付けられる従来の地平線下遮光装置の一例を示す概略図である。
【図１１】従来の地平線下遮光装置の他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
２ａ〜２ｆ，２３ａ〜２３ｄ，２４ａ〜２４ｄ，３８ａ〜３８ｂ投影ユニット
４日周軸
５，１５ａ，１５ｂミラー付光源ランプ
６，３２ａ，３２ｂミラー
７恒星球
８調光素子等
９，３１ａ，３１ｂ凹レンズ
１０凸面鏡
１１光源用電源装置
１２制御回路
１３焦点位置
１８ａ，１８ｂ調光素子
１９ａ，３６レンズ
２１ａ，２１ｂ電源装置
２２ａ，２２ｂ制御装置
３３ａ，３３ｂプリズム
３４ａ北天恒星球
３４ｂ南天恒星球
３５光束
３７ａ〜３７ｃ，３９ａ〜３９ｊ出射構成面

Claims

複数の投影ユニットを含む恒星投影球によって星空を分割投映するプラネタリウムにおける星空の恒星投影機において、
前記恒星投影球の外部に置いた光源からの射出光線を、中空回転軸を通じて恒星投影球の内部に導き、
前記恒星投影球の中心付近に配置した負の屈折力を持つレンズまたは凸面を有する反射鏡よりなる光学ユニットにより光線を屈折または反射させることによって発散光を作り、
前記発散光の各光線方向を前記複数の投影ユニットの光軸に一致させ星野投影面に一様に照明するように構成したことを特徴とする恒星投影機。
請求項１記載の恒星投影機において、
前記恒星投影球の中心付近に配置した負の屈折力を持つレンズまたは凸面を有する反射鏡の表面を、複数の平面または曲面で構成し、
これらの面で発散させられる発散光の各光線方向を前記各投影ユニットが存在する方向にのみ導くように前記レンズまたは反射鏡と前記各投影ユニットを配置することにより
各投影ユニットに効率的に光線を導くことを特徴とする恒星投影機。
請求項１または２記載の恒星投影機において、
前記恒星投影球の回転軸と直交し、恒星投影球を傾ける作用を持つ回転軸中を通じて光源からの射出光線を導き、
ミラーまたはプリズムを用いて恒星投影球の回転軸中心に導き、
各投影ユニットに効率的に光を導くことを特徴とする恒星投影機。
請求項３記載の恒星投影機において、
前記恒星投影機を２組対向して組み合わせることにより、回転軸による投影死角を解消し、全天をくまなく投影するように構成したことを特徴とする恒星投影機。
請求項１，２，３または４記載の恒星投影機において、
前記光源からの光路中に光学濃度を可変できる調光素子を配置し、
恒星の投影光度を変化させることを可能にしたことを特徴とする恒星投影機。
請求項５記載の恒星投影機において、
前記調光素子は、任意のパターンで濃度もしくは透過率を可変できるか、または任意のパターンで反射率もしくは反射角を可変できる素子であり、
恒星の投影光度を任意のパターンで変化させることを可能にしたことを特徴とする恒星投影機。
請求項６記載の恒星投影機において、
前記調光素子は、液晶素子，可動シャッタまたはＤＭＤ素子であることを特徴とする恒星投影機。