図面 (/)

技術 反射鏡集合体を用いた星空の投影装置

出願人 有限会社大平技研
発明者 大平貴之
出願日 2015年5月7日 (3年11ヶ月経過) 出願番号 2015-094886
公開日 2016年12月15日 (2年4ヶ月経過) 公開番号 2016-212220
状態 特許登録済
技術分野 教示用装置
主要キーワード パーセク トータル面積 半リング 支持フォーク 半リング状 主軸ギヤ ドーム天井 球面体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年12月15日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (14)

課題

従来のプラネタリウムよりも格段に明るい星像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。

解決手段

光源として青色,緑色および赤色のレーザダイオード1,2,3から出射する光をそれぞれコリメータレンズ4a,4b,4cでビーム状に生成し、ダイクロイックプリズム5,6,7で所定の波長を透過,反射させて合成することにより白色レーザ光を生成する。このように生成した白色レーザ光は、所定の範囲に光強度が大きく放射されるため、それぞれ異なる面積の要素鏡が搭載されている反射鏡集合体で反射される光は、1つの要素鏡で、1つの恒星所定位置に、遠い距離まで明るく投影できる。しかも明るさや色相も恒星毎に変える構成で本物の星空を表現できるようにした。

概要

背景

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、星空天体をスクリーンに投影することにより、ドーム内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、レンズ集光して複数の光ファイバ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、舞台演出テレビ番組などでは、音楽歌唱演奏等の背景に、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、ミラーボールスポットライトの光やレーザ光を当てて反射させ、会場天井や壁に多数の光点投射し、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。

概要

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。光源として青色,緑色および赤色のレーザダイオード1,2,3から出射する光をそれぞれコリメータレンズ4a,4b,4cでビーム状に生成し、ダイクロイックプリズム5,6,7で所定の波長を透過,反射させて合成することにより白色レーザ光を生成する。このように生成した白色レーザ光は、所定の範囲に光強度が大きく放射されるため、それぞれ異なる面積の要素鏡が搭載されている反射鏡集合体で反射される光は、1つの要素鏡で、1つの恒星所定位置に、遠い距離まで明るく投影できる。しかも明るさや色相も恒星毎に変える構成で本物の星空を表現できるようにした。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項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投影装置

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

技術分野

0001

本発明は、ドームスクリーン天井、壁面などに星空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。

背景技術

0002

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。

0003

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。

0004

そこで光源の光を、レンズ集光して複数の光ファイバ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。

0005

一方、舞台演出テレビ番組などでは、音楽歌唱演奏等の背景に、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。

先行技術

0006

特表2014−500596号公報
実公昭62−40321号公報

発明が解決しようとする課題

0007

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。

0008

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。

課題を解決するための手段

0009

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。

発明の効果

0010

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。

図面の簡単な説明

0011

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。
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。

実施例

0012

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。

0013

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レーザダイオード広がり角などによって変わるが、概ねφ10mm以下である。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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 2.514.83=85.4倍を乗じて3.28E−05lmとなる。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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,25bND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

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

新着 最近 公開された関連が強い 技術

  • 学校法人五島育英会の「 移動体データ処理装置、方法及びコンピュータプログラム」が 公開されました。( 2019/02/21)

    【課題】移動体の移動軌跡の解析において、計算負荷を増大させずに、移動軌跡の解析の自由度を確保する。【解決手段】複数の移動体の異なる時刻における位置を示す移動体位置データを記憶する収集DB101と、地表... 詳細

  • 株式会社パークランドの「 追跡ゲーム・システム」が 公開されました。( 2019/02/21)

    【課題】ターゲットとプレイヤとにそれぞれ搭載された測位・通信デバイスを用いることにより、現実空間上で不特定に移動するターゲットをプレイヤが同じ現実空間上で追跡するという追跡ゲームを行うシステムを提供す... 詳細

  • 清水建設株式会社の「 検査支援システムおよび検査支援装置」が 公開されました。( 2019/02/21)

    【課題】構造物の各検査対象を検査する場合の利便性を向上すること。【解決手段】検査支援システムは、測定装置と、サーバ装置と、端末装置と、を備え、測定装置は、識別情報を含む測定結果情報を生成してサーバ装置... 詳細

この 技術と関連性が強い 技術

関連性が強い 技術一覧

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する挑戦したい社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ