JP6425210B2 - 反射鏡集合体を用いた星空の投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、ドーム状スクリーンや天井、壁面などに星空を表現できる点像を表示するプラネタリウム投影機または演出装置に関する。

従来のプラネタリウムでは、ドーム状のスクリーンを用意し、スクリーン中央に専用の投影プラネタリウム装置を設置し、星空や天体をスクリーンに投影することにより、ドーム内の観客が星空を観察できるような構成となっていた。
これらに用いられる光学式プラネタリウム装置は、光源を有し、光源から与えられる光で、実在の星の位置に対応し、その明るさに応じた径の孔を有する板（「恒星原板」と呼ぶ）を照明し、これら孔を通過した光を投影レンズを使ってドーム状スクリーンに拡大投影することにより、あたかも本物の夜空に見えるような構成となっており、長年活用されてきている。

しかしながら、上記構成のプラネタリウム装置は、恒星原板全面を照明して孔を通った光だけを投影するため、光の利用効率がきわめて悪く、明るい星像を投影することが難しかった。
これら光学式プラネタリウムの欠点を改善するために、ブライトスター投影機と呼ぶ、固有の光源を有する投影機を補助的に用いて、一等星などのごく限られた明るい星を、より高輝度で投影することが行われてきているが、ブライトスター投影機は、明るく投影したい星のすべてに対して１台ずつ用意することが必要であり、煩雑でコストがかかるばかりか、輝度を上げられるのはごく限られた星のみになるという欠点があった。

そこで光源の光を、レンズで集光して複数の光ファイバを束ねた端面に照射し、光ファイバの反対側の対面を、恒星原板上のそれぞれの孔に装着することにより、恒星原板を利用しながら光の利用効率を改善する技術が用いられており、星像の輝度を従来の恒星原板より明るくすることを可能とした。しかしながら、このような光ファイバを組み込むことは、コストと手間を必要とする欠点があった。

一方、舞台演出やテレビ番組などでは、音楽の歌唱や演奏等の背景に、星球と称した小さな電球を壁に多数配置し、あたかも星空のように見えるような演出が行われてきた。
従来の舞台演出などでは、ミラーボールにスポットライトの光やレーザ光を当てて反射させ、会場の天井や壁に多数の光点を投射し、星空のように見せる演出が行われてきた。特にミラーボールを回転させると、その光点がダイナミックに回転し、会場に躍動感ある演出効果を与えることができた。しかしながら、従来のミラーボールにより投影される光のスポットはぼんやりとしたもので、なおかつ明るさが一様であり、本物の星空のように明るい星と暗い星が混在しているものではないため、とても本物の星に見えるようなものではなかった。

特表２０１４−５００５９６号公報 実公昭６２−４０３２１号公報

すなわち、従来の光学式プラネタリウム投影機では、美しくリアルな星空を再現することができるが、投影できる光量に限界があり、かなり広い場所に星空を投影することが出来ない。光ファイバを用いた投影機では、ある程度この問題を解決することができるが、高額であり、なおかつこれでも投影できる光量には限界があった。
ミラーボールを用いる演出では、明るい演出効果が得られるが、星のような点像をリアルに描けるものではなく、華やかではあっても、実在の星とはかけ離れたものであった。

壁やスクリーンに色光を変化させて投影するミラーボールなどを利用した投影装置として、例えば、ミラーボールの表面を複屈折素材で構成し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長域の光を偏光させ、この偏光させた光をミラーボールに照射することにより、各方向に色の異なる光を投影する照明システム（特許文献１）や、球面体の表面に高屈折率素材と低屈折率素材とを多層に積層したフィルタを設け、球面体に入射する光の入射角により反射光の色光を変化させるミラーボールを利用する照明装置（特許文献２）などが開示されている。
しかしながら、これらの構成を参考にするのみでは、明るい星や暗い星，色が異なる星が混在する本物の星空を実現する投影装置を実現することは困難である。
本発明は、以上の従来技術の問題点を解消するために成したもので、その目的は、従来のプラネタリウムよりも格段に明るい星像を投影できる星空投影装置を、比較的安価に実現でき、舞台演出やドーム球場などの巨大施設で星空を見せるなどの演出が可能な反射鏡集合体を用いた星空の投影装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明による請求項１記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、構造物の上に複数の要素鏡が配置され、該複数の要素鏡は構造物の面に対し異なる角度で搭載される反射鏡集合体と、前記反射鏡集合体上の複数の要素鏡を照明可能なビーム径で光束を出射し、前記複数の要素鏡で反射させることにより、所定の距離に結像して点像を投影可能な投影光学系とを有し、前記投影光学系から出射された光束を、前記反射鏡集合体を形成する複数の要素鏡に反射させることにより、前記所定の距離に配置されたスクリーン面の複数位置に各恒星に対応する点像を投影可能としたことを特徴とする。
本発明による請求項２記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１記載の発明において、前記投影光学系に用いる光源は、レーザ光であることを特徴とする。
本発明による請求項３記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１または２記載の発明において、前記投影光学系を複数有し、該複数の投影光学系から同一の反射鏡集合体にそれぞれ光束を照射することにより、単一の投影光学系を用いるより多数の点像をスクリーン面に投影することを特徴とする。
本発明による請求項４記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項３記載の発明において、複数の投影光学系から出射される光束のそれぞれのパワー密度を異なる密度にすることにより、スクリーン面に、異なる明るさの点像を混在して投影することを特徴とする。
本発明による請求項５記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１，２，３または４記載の発明において、前記反射鏡集合体に、少なくとも２種類以上の異なる表面積を有する要素鏡を有することにより、スクリーン面に、異なる明るさの点像を投影することを特徴とする。
本発明による請求項６記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１，２，４または５記載の発明において、反射鏡集合体を形成する複数の要素鏡それぞれが、少なくとも２種類以上の異なる反射率を有することにより、スクリーン面に、異なる明るさの点像を投影することを特徴とする。
本発明による請求項７記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１，２，４，５または６記載の発明において、それぞれ異なる数の要素鏡を有する複数の反射鏡集合体を用いることにより、それぞれの反射鏡集合体によってスクリーン面に投影される点像の数が反射鏡集合体毎に異なることを特徴とする。
本発明による請求項８記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、反射鏡集合体に搭載されたそれぞれの要素鏡の、反射鏡集合体の面に対する角度を、実在の星の位置に応じた角度に設定することにより、スクリーン面に投影される点像を、実在の星に対応する位置に投影することを特徴とする。
本発明による請求項９記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項８記載の発明において、反射鏡集合体面に搭載されたそれぞれの要素鏡の表面積を、実在の星の位置に応じた面積に設定することにより、スクリーン面に投影される点像の明るさを、実在の星に対応する明るさで投影することを特徴とする。
本発明による請求項１０記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項８記載の発明において、反射鏡集合体面のそれぞれの要素鏡の反射率を、実在の星の位置に応じた反射率に設定することにより、スクリーン面に投影される点像の明るさを、実在の星に対応する明るさに投影することを特徴とする。
本発明による請求項１１記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の発明において、反射鏡集合体を、所定の回転軸を中心に回転させることにより、スクリーン面に投影される点像の位置を回転させ、星空の日周運動や緯度変化を再現することを特徴とする。
本発明による請求項１２記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の発明において、前記要素鏡は、平面鏡であることを特徴とする。
本発明による請求項１３記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の発明において、前記要素鏡は、凹面鏡であることを特徴とする。

本発明によれば、従来のプラネタリウムよりも格段に明るい星像を投影できる星空投影装置を、比較的安価に提供でき、たとえば舞台演出やドーム球場などの巨大施設で星空を見せるなどの演出が可能になる。
さらに具体的に言えば、レーザのような高輝度光源を用いて、この光を、複数の反射鏡を有する反射鏡集合体に、所定の太さのビーム径で、なおかつ所定の距離のスクリーン上で焦点を結ぶような構成となっているビームエキスパンダ光学系を用いて照射し、反射光をスクリーン面に投影することにより、きわめて明るく鮮明でなおかつ鋭い恒星状の点像を投影するようにできる。また、こうした反射鏡集合体に照射するビームエキスパンダ光学系を複数用意することにより、投影する点像の数を増やす事ができ、なおかつそれぞれのビームエキスパンダ光学系から照射される光線のパワー密度を異なるものにすることで、異なる明るさの点像を混在して投影し、本物の星空のように明るい星と暗い星が混在した様子を再現することができる。さらに、反射鏡集合体に含まれる反射鏡の面積をそれぞれ異なるものにすることにより、明るい星と暗い星を混在して投影することができる。さらには、反射鏡集合体に含まれる反射鏡の反射率をそれぞれ異なるものにすることにより、明るい星と暗い星を混在して投影することができる。また、複数の、それぞれが異なる数の反射鏡を有する反射光集合体を用いることにより、明るい星を少なく、暗い星を多数、効率的に投影することができる。さらに、反射鏡集合体に含まれる反射鏡の角度を、実在の恒星の位置に応じた角度に設定することにより、単なるランダムな光の点の集合ではなく、本物の星座を表示でき、単に演出効果だけでなく星空の学習にも使えるようにすることができる。さらには、反射鏡集合体に含まれる反射鏡の面積または反射率もしくはそれらの両方を、実在の恒星の明るさに応じたものにすることにより、星の位置のみならず明暗も実在の恒星と同様に再現できる。加えて、この反射鏡集合体を回転させることにより、単に静止した星だけではなく、日周運動や緯度変化も再現することで、時間や場所を変えて星空を再現することができる。

本発明による反射鏡集合体を用いた星空の投影装置の白色レーザ光源の詳細を示す斜視図である。 白色レーザ光源とレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダを利用した投影光学系の詳細を示す断面図である。 投影光学系から出力した光束が、一定の距離を隔てたスクリーン面上に結像して点像を作ることを説明するための図である。 ２つの白色レーザ光源で同じ反射鏡集合体に光を当てる実施の形態を示す斜視図である。 本発明による投影装置を、屋内野球場のドーム天井に星を投影するために使用する実施の形態を示す図である。 反射鏡集合体の断面を示す図であり、表面積が異なる３つの要素鏡を混在させた例を示す図である。 光の透過量を制限するＮＤフィルタ膜を貼付した反射鏡集合体の要素鏡を示す断面図である。 複数の、それぞれ異なった面積の反射鏡を含む２つの反射鏡集合体を用いて、明るさの異なる点像を投影する実施の形態を示す図である。 等級毎に実在の恒星の数と明るさを示し、各恒星に対する平面鏡面積と、それぞれのトータル面積の関係を現した表である。 星の日周運動を再現する実施の形態を示す斜視図で、反射鏡集合体と投影光学系を観測地の緯度に相当する所定の角度に傾斜させて設置し、回転軸を中心に反射鏡集合体を回転させるようにしたものである。 図１０に示す実施の形態における反射鏡集合体のみを取り出した図である。 要素鏡に凹面鏡を用いた反射鏡集合体による投影光学系の概略を示す図である。 北天対応の反射鏡集合体と南天対応の反射鏡集合体の背面を対向配置させ、それぞれ北天投影光学系と南天投影光学系で照射することにより全天球の恒星を投影可能とした実施の形態を示す斜視図である。

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、本発明による反射鏡集合体を用いた星空の投影装置の白色レーザ光源の詳細を示す斜視図である。
本発明の実施に有用な光源は、直進性が高く、遠方まで高輝度の点像を投影できる高輝度光源である。それに最も適合する光源はレーザ光源が挙げられる。ただし、他にも白色発光ダイオード、高圧放電灯等があり、これらを用いても本発明は実施可能である。
白色レーザ光源は、青色レーザダイオード１，緑色レーザダイオード２および赤色レーザダイオード３からのレーザ光を合成して構成される。各光源を出射したレーザ光は、それぞれコリメータレンズ４ａ，４ｂおよび４ｃにより平行光となり、ダイクロイックプリズム５，６および７に入射する。青色レーザダイオード１は、およそ４５０ｎｍの青色光を、緑色レーザダイオード２は、およそ５３０ｎｍの緑色光を、赤色レーザダイオードはおよそ６５０ｎｍの赤色光をそれぞれ発振する。

ダイクロイックプリズムは、内部の斜面で、それぞれ、所定の波長より短い光を透過し、それより長い光を反射するプリズムで、ダイクロイックプリズム５は可視光を全て反射し、ダイクロイックプリズム６は青色のみ透過してそれより長い光を反射し、ダイクロイックプリズム７は緑色まで透過し、それより長い光を反射する。したがってそれぞれのダイクロイックプリズムの反射と透過の境界波長を、ダイクロイックプリズム５の場合は４５０ｎｍ以下、ダイクロイックプリズム６の場合は５００ｎｍ付近、ダイクロイックプリズム７の場合は６００ｎｍ付近に設定することにより、出力ビーム８は、赤、緑、青のレーザ光が重なり白色光となって出力される。このレーザ光のビーム径は、コリメータレンズの焦点距離やレーザダイオードの広がり角などによって変わるが、概ねφ１０ｍｍ以下である。

図２は、白色レーザ光源とレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダを利用した投影光学系の実施の形態を示す断面図である。
白色レーザ光源９から出力されたレーザ光は、集光レンズ１０により集光された後、発散し投影レンズ１２でほぼ平行光となり、出力ビーム１３となって出力される。この出力ビームの径は、最大で投影レンズ１２の径に達する。この出力ビーム１３は完全に平行ではなく、ある一定距離で収束して１点で焦点を結ぶように調整されている。

図３は投影光学系１４から出力した出力光束１３が、一定の距離を隔てたスクリーン面１５上に結像して点像１６を作る状態を説明したものである。図４は、２つの白色レーザ光源で同じ反射鏡集合体に光を当てる実施の形態を示す斜視図である。
ビームエキスパンダ付き白色レーザ光源１７に注目して説明すると、白色レーザ光源１７から出射されたレーザ光は反射鏡集合体１９を照射し、この反射鏡集合体１９の表面を覆う多数の要素鏡で反射される。この実施の形態では、要素鏡は平面鏡が用いられている。この構成により、要素鏡を反射した光はスクリーン側に投影された時に、スクリーン上の各々の要素鏡の角度に応じた位置に点像を結ぶ。この点像の明るさは、もちろん図３のような光源の光を単一の点に結像するよりは、光束が多数に分岐される分暗くなるが、例えば、白色レーザ光源の光が１Ｗ程度の光パワーを有するならば、１００枚の鏡で分割されても、１枚当たりの反射光、すなわち１つの星に割り当てられる光パワーは１Ｗ／１００＝１０ｍＷとなる。これは従来のプラネタリウムの星像に比べてきわめて大きな値である。

実際の星の明るさを元に、０等星の明るさを投影距離１０ｍで再現する場合に必要な光束は、以下の計算で求める事が出来る。
すなわち、まず実在の恒星の明るさを計算するために、基準光源として太陽の明るさを計算し、これをもとに換算を行う。
太陽は指向性のほとんどない球状の光源であり、地球上の太陽直下の最大照度はおよそ１３０，０００ｌｘとなる。
地球の軌道半径が１．４９５９Ｅ＋１１ｍ（Ｅは指数の表記）
より、太陽全光束は、
１３０，０００＊４＊ＰＩ＊（１．４９５９Ｅ＋１１)²＝３．６６Ｅ＋２８ｌｍ
と算出できる。

太陽の絶対光度は４．８３等級とされている。これは１０パーセクすなわち
３．０９Ｅ＋１７ｍ の距離から観察した時の等級である。
星の見かけの光度は距離の２乗に反比例するから、この値をもとに、距離１ｍで４．８３等級の明るさに観察できる光源の全光束を算出すると、この光源に太陽と同じく指向性が無いと仮定して、
３．６６Ｅ＋２８／（３．０９Ｅ＋１７)²＝３．８４９Ｅ−７ｌｍ
となる。これは４．８３等級の場合の値であるから、全天で特に明るい０等級に変換するには、０等級と４．８３等級の光度比すなわち ２．５１^4.83＝８５．４倍を乗じて３．２８Ｅ−０５ｌｍとなる。

仮に大型屋内野球場などのスタジアムを想定して観察距離１００ｍとすると、見た目の明るさはやはり距離の２乗に反比例するから、
３．２８Ｅ−０５／１００² ＝０．３２８ｌｍ となる。
白色光の光パワーとルーメンの換算値は大よそ ２２０ｌｍ／Ｗであるから、
０．３２８／２２０＝０．００１４９＝１．４ｍＷ となる。
実際にはスクリーン像の投影像には指向性があり、スクリーン面が完全に発散する面と仮定すれば、必要な光束はこれの１／２、つまり０．７ｍＷ、実際にはスクリーンの反射率や光路の減衰などを加味して、１ｍＷほどが観察距離１００ｍから、０等星に見える明るさに星を投影するための必要光パワーと算出できる。

実際のプラネタリウム演出、特に演出効果を狙う場合は実在の恒星と同じ明るさでは足りない事が多いが、仮に１０倍に明るさを強調したとしても、１０ｍＷとなり、上記の計算の通り、十分な明るさで星を投影できることが判る。すなわち本発明により、半径１００ｍ級の巨大ドームに星を投影する事が可能であることが判る。
図４では、さらにこの白色レーザ光源１７以外にもう一つの白色レーザ光源１８があり、同じ反射鏡集合体に光を当てている。このように白色レーザ光源が複数あると、スクリーンに投影される光点の数も光源の台数に比例して増加する。白色レーザ光源の１台あたりの出力に限りがあっても、光源の台数を増やすことにより、反射鏡集合体を構成する反射鏡の面数を増やさなくてもスクリーンに投影される点像の数を増やすことができる。

図５は、図４で示す投影装置を、屋内野球場の内面に星を投影するために使用する実施の形態を示す図である。本図では屋内野球場全体の断面図に加え、グランド面に設置された投影装置の周囲を拡大して図示している。
屋内野球場のグランド面４４の上にステージ４２が設置され、その上に投影装置を設置している。投影光学系３０から出射した光束４３は、反射鏡集合体１９上の要素鏡によって反射され、スクリーンとなるドーム天井１５に点像４１を投影する。このような実施の形態では、天井面の広い範囲に星空が再現されていれば演出効果としては十分であり、通常のプラネタリウム施設のように必ずしも１８０度の範囲に星空を投影する必要はない。そのため単一の反射鏡集合体を用いた実施例でも十分な効果を得ることができる。

ところで実際の星空には、明るい星と暗い星が混在しており、星空を人工的に映し出す場合に、すべての星の明るさが均等では、不自然な印象を与えてしまう。そこで本物の星空同様に異なる明るさの点像を混在して投影することが必要となる。
図６は、反射鏡集合体の断面を示す図であり、表面積が異なる３つの要素鏡を混在させた例を示している。
１９ａは反射鏡集合体１９の断面であり、３つの異なる表面積（本図の場合はサイズ）の要素鏡を図示している。白色レーザ光源から照射されるレーザビームは大要素鏡２０，中要素鏡２１，小要素鏡２２で反射され、それぞれが異なる方向に反射される。これらの要素鏡２０〜２２はその表面積が異なるため、反射光の強度も表面積に比例するものとなり、結果的に明るい星と暗い星が混在することとなる。例えば、１等星と４等星ではおよそ１５．８倍の明るさの差があるので、２つの要素鏡の表面積をこの比率で、すなわち直径比でおよそ４倍の差をつけることで、投影される点像の明るさには、１等星と４等星の光度差がつくことになる。

図７は、光の透過量を制限するＮＤフィルタ膜を貼付した反射鏡集合体の要素鏡を示す断面図である。
本図は、それぞれの要素鏡２４，２５の表面に光の透過量を制限するＮＤフィルタ膜２４ｂ，２５ｂを貼ったものである。要素鏡を反射する際に、光は入射と反射の２回、ＮＤフィルタ膜を透過し、所定の比率で減衰する。たとえばＮＤフィルタ膜２４ｂの透過率が５０％であった場合、反射光２４ａの強度は、往復で５０％×５０％で２５％となる。もう一つの要素鏡２５の表面のＮＤフィルタ膜２５ｂの透過率が２０％であった場合は、反射光２５ａの強度は、２０％×２０％＝４％となる。

図８は、複数の、それぞれ異なった面積の反射鏡を含む２つの反射鏡集合体を用いて、明るさの異なる点像を投影する実施の形態を示す図である。
反射鏡集合体２７は小面積多数の要素鏡を有し、反射鏡集合体２９は大面積少数の要素鏡を有する。投影光学系２６は、反射鏡集合体２７に光束を照射し、投影光学系２８は反射鏡集合体２９に光束を照射している。反射鏡集合体２７からは、暗い光点が多数、反射鏡集合体２９からは、明るい光点が少数、スクリーンに投影される。これにより実在の星空と同じように明暗ある星を混在して投影することが出来る。例えば、星空の等級ごとに、反射鏡集合体と投影光学系のセットを複数用意し、それぞれを１等星用、２等星用、３等星用とし、それぞれの反射鏡集合体上の反射鏡の面積を、実在の恒星の光度比と同様におよそ２．５倍の比率を設ければ、より本物の星空に近い効果を得ることができる。

図９は、等級毎に実在の恒星の数と明るさを示し、各恒星に対する平面鏡面積と、それぞれのトータルの面積の関係を現した表である。
等級の小さな、すなわち明るい星ほど数が少ない。従って、本表に従い、たとえば０等星用の反射鏡集合体には面積が１の平面が７つ含まれ、１等星用の反射鏡集合体には、面積が０．４の平面が１２個含まれる、というように反射鏡集合体を設計していけばよい。星の数は、暗い星になるほど指数関数的に増加していくが、１つの反射鏡集合体に含まれる要素鏡の総面積は、要素鏡面積×星数になるが、具合が良い事に明るい星ほど少なくなっているので、要素鏡面積×星数には、等級ごとに数倍ほどの差しかなく、どの等級用の反射鏡集合体も、ほぼ同じようなサイズで制作することができる。

図１０は、反射鏡集合体と投影光学系を観測地の緯度に相当する所定の角度に傾斜させて設置した実施の形態を示す斜視図である。回転軸を中心に反射鏡集合体を回転させることにより、星の日周運動を再現させている。
多数の大小さまざまな反射鏡（要素鏡）３１ａで覆われている反射鏡集合体３１は、回転軸３５で回転可能な状態で保持されている。反射鏡集合体３１は回転中心が回転軸３５となる半球形状であり、半球形状の表面に多数の反射鏡（要素鏡）３１ａが搭載されている。
半球形状の反射鏡集合体３１の周囲に外周にギヤを有する主軸ギヤ３２が設けられている。主軸ギヤ３２の周囲にモータ３３が配置されており、モータ３３の出力軸にモータギヤ３４が取り付けられている。モータギヤ３４は主軸ギヤ３２と噛合している。
モータ３３の出力はモータギヤ３４および主軸ギヤ３２を介して反射鏡集合体３１に回転力として伝達され、反射鏡集合体３１を回転駆動する。

回転軸３５の角度は水平面に対して緯度に相当するＬＡＴだけ傾いている。投影光学系３０の光軸も、この反射鏡集合体３１の回転軸３５と一致した状態で固定して保持されている。投影光学系３０は反射鏡集合体３１に光束を照射すると、反射鏡集合体３１上の要素鏡３１ａにより光が反射され、その光は多数の点像となってドーム状スクリーンに投影される。
反射鏡集合体３１を回転させると、投影される点像は、回転軸３５の延長ＰＯＬＡＲ方向を中心に回転し、日周運動と同じ運動が再現される。
この実施の形態では投影光学系と反射鏡集合体は１つずつであるが、実際にはこれらのセットを複数用意し、図８で示す実施の形態と同様、各セット毎、星の等級ごとに分けて投影しても良い。この場合、各セット間に視差が発生することが予測される。しかしながら、本発明の投影装置は遠い位置に明るい恒星を投影できる構成であるため、直径が３００ｍｍ程度に小形化することが可能であり、直径１００ｍを超える規模の巨大ドームに投影する場合、この視差はほとんど問題にならない。

本発明では、従来は困難であった巨大なドーム状天井に星空を再現させることが可能となる。学習用に使われるプラネタリウムでは、それぞれの星の位置や明るさを本物の星のそれと一致するように再現することが求められる。しかしながら、演出装置として星空を出現させる場合は、そのような星の位置の正確さは必ずしも要求されない。それはテレビ番組や舞台、映画の背景に場する星空が、殆ど、ランダムな星の配置であることからも明らかである。そのため、本発明ではここまで、実在の恒星の位置や明るさを再現する方法については言及していなかった。

しかしながら、学習用途や、星座の鑑賞のために本発明の技術を応用できればなおよい事はもちろんである。そこで図１１では、星の位置と明るさを実在の恒星と同様に再現する方法について図１０の実施の形態を用いて説明する。
図１１は、図１０に示す実施の形態における反射鏡集合体のみを取り出したものである。
回転軸すなわち日周軸にあたる軸が３８である。そして春分点方向の軸が３６、天の赤道上で赤経９０度の方向の軸が３７である。説明の容易化のため、反射鏡集合体３１の表面を覆う多数の要素鏡のうち、１枚の要素鏡３１ａを取り出して説明する。

投影光学系からの光束は、日周軸３８に対し、殆どが平行に入射する。それに対して反射光の方向を決めるのは、要素鏡３１ａの法線４５の方向である。
例えば、赤経ＲＡ、赤緯ＤＥＣの恒星を再現するためには、法線４５の角度は概ね以下のように定義すればよい。
すなわち、
Ａ＝ＲＡ
Ｂ＝ＤＥＣ×０．５＋４５°

要素鏡３１ａの法線４５は、必ずしも日周軸３８と交差するとは限らない。それは、多数の恒星に相当する大小多数の要素鏡をできるだけ密集して配置するために、其々の要素鏡が理想となる位置に配置できるとは限らないためである。
この実施のための計算例では、それぞれの要素鏡の位置に起因する視差の補正などは考慮していない。しかし巨大なドーム状天井に投影するためには、視差の補正は特に行わなくても実質的には問題ないことが多い。

つぎに、星の明るさを正確に再現するための、要素鏡の直径の算出方法について説明する。
反射光のパワーは、要素鏡の表面積に比例するが、本実施の形態の場合、投影する星の天の北極からの角距離が大きくなるほど、回転軸すなわち極軸に対する要素鏡の法線の角度が大きくなるため、投影光学系から見た要素鏡の投影面積が小さくなる。
この投影面積は、要素鏡の法線と極軸のなす角をθとした場合、ｃｏｓθに比例する。反射鏡集合体に照射される光束のパワー密度が均一であるとした場合、要素鏡で反射される光束のパワーは、要素鏡の投影面積に比例するため、星の明るさを所定の値にするためには、以下のような計算式で求める。

恒星の等級をＭとする。
投影する光量Ｐ＝Ｋ×２．５１^-M（Ｋは比例定数）
反射鏡の半径Ｒ＝（Ｐ）^1/2 ／ｃｏｓθ
→Ｒ＝（Ｋ×２．５１^-M) ^1/2 ／ｃｏｓθ
と算出できる。
レーザ光は通常、ビーム全域でパワー密度は均等ではなく、周辺部に行くほどパワー密度が下がることが多いが、この影響を補正するには、さらにパワー密度のプロファイルを計算または実測で求めて逆補正すればよい。
本実施の形態では、投影したい恒星を全て一つの反射鏡集合体を使って再現することができる。また、図８と同様に、星の明るさによって複数の反射鏡集合体を用いて実施してもよい。

これまで反射鏡集合体を構成する要素鏡は、平面鏡を用いる前提で実施の形態を説明してきたが、実際には要素鏡に所定の曲率半径を有する凹面鏡を用いることにより、投影光学系を小形化することが可能である。その実施の形態を図１２に示す。
投影光学系４６は、反射鏡集合体４８よりも小さな口径で設計され、投影光学系４６から反射鏡集合体４８に照射される光束は発散光４７となっている。その光を平面鏡で反射させると、反射光は更に発散してしまうが、その際に反射鏡集合体を構成する要素鏡が所定の曲率半径を有する凹面鏡４８ａであると、反射光は平行ないし収束光４９となってスクリーン側に反射されるため、製造投影像５０を点像にすることができる。投影光学系４６を小形化することにより投影光学系４６の低価格化を可能にする他、投影光学系自身による影すなわち、死角を小さくすることが出来る。要素鏡を凹面鏡４８ａにすることは、平面鏡に比べてコストがかかりやすいが、別途製造した大きな凹面鏡を断裁したり、または反射鏡集合体自体を一体成型で製造したりすることにより、低価格化を実現できる。

図１３は、反射鏡集合体と投影光学系からなる投影装置２個を背中合わせに配置し、全天球の恒星を投影可能とした実施の形態を示す斜視図である。
北天反射鏡集合体５１には、北天投影光学系５２の光が、南天反射鏡集合体５３には、南天投影光学系５４の光がそれぞれ照射され、それぞれの反射鏡集合体が天の赤道を挟み北天と南天の星を投影する。
北天用と南天用の反射鏡集合体５１，５３は、リング材５８により結合されている。支持フォーク５６は半リング形状であり、その先端はリング材５８に固定されている。半リング状の支持アーム５５の先端に、北天投影光学系５２と南天投影光学系５４がそれぞれ支持され、その中央部分は支持フォーク５６の中央部分に結合されている。
このような構成により北天反射鏡集合体５１と南天反射鏡集合体５３は日周軸５７を中心に回転可能な状態となっている。

この装置全体は、緯度軸を自在に傾斜できるような構造体（図示されていない）によって保持されている。緯度軸と水平面のなす角を変えることにより地球上の任意の緯度の星空を再現できる。また日周軸の回転駆動機構（図示されていない）を内蔵すれば日周軸を中心に日周運動をさせることも出来る。
この投影装置は、演出用のみならず学習用としても十分活用可能である。投影可能な恒星数は限られるが、ディジタル投影手段と併用し、より暗い星はディジタル投影手段により投影することで、明るい星をきわめて明るく鮮明に投影可能な特長を持ちつつ、暗い星の恒星数の制限なく、リアルな星空を再現することができる。

以上の実施の形態では、例えば、観測距離が１００ｍになるドーム天井に投影する場合の必要な光パワーは、観察距離１００ｍから０等星に見えるようにするため１ｍＷ程度必要であることを説明したが、例えば観察距離が５０ｍであれば、０等星に見えるようにするには、０．２５ｍＷ程度となる。また、観察距離１５０ｍから０等星に見えるようにするためには、２．２５ｍＷ必要となる。さらに観察距離２５ｍの場合には、０．０６２ｍＷ程度のパワーで済むことになる。このように、ドーム天井の投影距離に応じて投影装置自体の小形化を図ることができる。

規模の大きいドーム状スクリーンや天井、壁面などに星空を表現できる点像を投影するプラネタリウム投影装置である。

１ 青色レーザダイオード
２ 緑色レーザダイオード
３ 赤色レーザダイオード
４ａ，４ｂ，４ｃ コリメータレンズ
５，６，７ ダイクロイックプロズム
８，１３ 出力ビーム（出力光束）
９，１７，１８ 白色レーザ光源
１０ 集光レンズ
１１ 鏡筒
１２ 投影レンズ
１４，２６，２８，３０，４６ 投影光学系
１５ スクリーン面（ドーム天井）
１６，４１ 点像
１９，２７，２９，３１，４８ 反射鏡集合体
１９ａ 反射鏡集合体の断面
２０ 大要素鏡
２０ａ，２１ａ，２２ａ，２４ａ，２５ａ 反射光
２１ 中要素鏡
２２ 小要素鏡
２４，２５，３１ａ 要素鏡
２４ｂ，２５ｂ ＮＤフィルタ膜
３２ 主軸ギヤ
３３ モータ
３４ モータギヤ
３５ 回転軸
３６ 軸（春分点方向）
３７ 軸（赤経９０°方向）
３８ 回転軸（日周軸）
４２ ステージ
４３ 光束
４４ グランド面
４５ 法線
４７ 発散光
４８ａ 凹面鏡
４９ 収束光
５０ 製造投影像
５１ 北天反射鏡集合体
５２ 北天投影光学系
５３ 南天反射鏡集合体
５４ 南天投影光学系
５５ 支持アーム
５６ 支持フォーク

Claims (13)

1. 構造物の上に複数の要素鏡が配置され、該複数の要素鏡は構造物の面に対し異なる角度で搭載される反射鏡集合体と、
   前記反射鏡集合体上の複数の要素鏡を照明可能なビーム径で光束を出射し、前記複数の要素鏡で反射させることにより、所定の距離に結像して点像を投影可能な投影光学系と、
   を有し、
   前記投影光学系から出射された光束を、前記反射鏡集合体を形成する複数の要素鏡に反射させることにより、前記所定の距離に配置されたスクリーン面の複数位置に各恒星に対応する点像を投影可能としたことを特徴とする反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
2. 前記投影光学系に用いる光源は、レーザ光であることを特徴とする請求項１記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
3. 前記投影光学系を複数有し、該複数の投影光学系から同一の反射鏡集合体にそれぞれ光束を照射することにより、単一の投影光学系を用いるより多数の点像をスクリーン面に投影することを特徴とする請求項１または２記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
4. 複数の投影光学系から出射される光束のそれぞれのパワー密度を異なる密度にすることにより、スクリーン面に、異なる明るさの点像を混在して投影することを特徴とする請求項３記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
5. 前記反射鏡集合体に、少なくとも２種類以上の異なる表面積を有する要素鏡を有することにより、スクリーン面に、異なる明るさの点像を投影することを特徴とする請求項１，２，３または４記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
6. 反射鏡集合体を形成する複数の要素鏡それぞれが、少なくとも２種類以上の異なる反射率を有することにより、スクリーン面に、異なる明るさの点像を投影することを特徴とする請求項１，２，４または５記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
7. それぞれ異なる数の要素鏡を有する複数の反射鏡集合体を用いることにより、それぞれの反射鏡集合体によってスクリーン面に投影される点像の数が反射鏡集合体毎に異なることを特徴とする請求項１，２，４，５または６記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
8. 反射鏡集合体に搭載されたそれぞれの要素鏡の、反射鏡集合体の面に対する角度を、実在の星の位置に応じた角度に設定することにより、スクリーン面に投影される点像を、実在の星に対応する位置に投影することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
9. 反射鏡集合体面に搭載されたそれぞれの要素鏡の表面積を、実在の星の位置に応じた面積に設定することにより、スクリーン面に投影される点像の明るさを、実在の星に対応する明るさで投影することを特徴とする請求項８記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
10. 反射鏡集合体面のそれぞれの要素鏡の反射率を、実在の星の位置に応じた反射率に設定することにより、スクリーン面に投影される点像の明るさを、実在の星に対応する明るさに投影することを特徴とする請求項８記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
11. 反射鏡集合体を、所定の回転軸を中心に回転させることにより、スクリーン面に投影される点像の位置を回転させ、星空の日周運動や緯度変化を再現することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
12. 前記要素鏡は、平面鏡であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。
13. 前記要素鏡は、凹面鏡であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の反射鏡集合体を用いた星空の投影装置。

Images