JP4741874B2 - 簡易プラネタリウム装置および簡易画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭環境などで簡易に星空を投影できる簡易プラネタリウム装置および画像を投影できる画像投影装置に関する。

昼間でも人工的に星空を再現し、任意に動かすことのできるプラネタリウム装置は、美しい星空を昼夜を問わず再現して鑑賞できるのみならず、恒星などの天体の運行を再現できるため、天文学の学習に好適な装置として、世界中で使用されてきた。
図９は、公知の光学式プラネタリウム装置の基本構成を示した図である。
恒星投影球４８は、日周軸４４の中心で回転できるように支持されており、この角度は観測地の緯度と同じ角度４６に設定されている。４３は光源であり、恒星投影球４８の中心に設置されている。恒星投影球４８の表面には投影ユニット５２が、所定の角度で複数配置されている。光源４３から出た光は、投影ユニット５２のコンデンサレンズ５１，遮光性の素材に恒星に相当する透過孔を有する恒星原板５０，投影レンズ４９を通り、ドームスクリーン４７に焦点を結び星空の画像が再現される。投影ユニット５２ひとつで再現できる星空の範囲には制限があるため、この投影ユニット５２を複数、例えば１２個乃至３２個を配置し全天をカバーすることにより本物の星空に似た人工の星空を再現することができる。

この図９の装置は、恒星球の中心を視点とした場合、ドームスクリーン上の極めて正確な位置に恒星を投影でき、しかもレンズを使用することによりシャープでリアルな星空を再現することができる。特許文献１および２には上記光学式プラネタリウム装置の基本的な構成が類似する一例が示されている。
図１０は、公知のピンホール式プラネタリウム装置の基本構成を示した図である。
光学式プラネタリウムと基本構成は似ているが、遮光性の恒星球に、恒星に相当する透過孔４２が直接開いており、その中に光源４３が設置されている。光源４３から出た光は、この透過孔４２を通り、ドームスクリーン４７に投影され、それが星空のように見える。光学式プラネタリウム装置と同様に、正確な位置に星を投影することができる。
特許文献３には、上記ピンホール式プラネタリウム装置の基本的な構成が類似する一例が示されている。
特許２６３２４３８号 特開昭６１−４３７８１号公報 実開昭５５−１４４３４１号公報

ところで、上記従来技術における光学式のプラネタリウム装置は、複数の投影レンズと恒星原板を使用し、これを恒星投影球に組み付けるという構成のため、構造が複雑で、部品点数が多く、部品製造コストや組み立て、調整コストが高くつき、しかも装置本体の重量が重くなりやすく、取り扱いが難しいという問題点があった。それ故に用途は、資金のある公共施設などのきわめて限定された場所にとどまっていた。また、ピンホール式のプラネタリウム装置は、レンズを使用しないため、構造は上記の光学式プラネタリウムよりも簡易な構成になるが、影を投影する構成であるためシャープな像を得ることが難しく、また像をシャープにするためには極度に発光点の小さい光源を使用する必要があり、光源の選定に制限があった。

さらにこの恒星球は球形の材料もしくは平面の材料を組み立てた多面体などで作られるため、球面への孔加工にコストがかかり、平面の投影原板を組み立てるには作業コストや継ぎ目の発生などの問題があった。さらには投影原板が直接外気に晒されるため星像がゴミの影響を受けやすいという問題点があった。

プラネタリウムは、大自然同様の満天の星空を再現することができる優れた装置であり、この星空を専用の施設のみならず家庭環境でも楽しみ、また星座の動きの学習をしたいというニーズが世の中に存在する。
しかしながら、上記ニーズに応えるためには、ドームスクリーンを設置することは困難、かつ煩雑であり、ドームスクリーンなしの、直方体などの形状の室内に直接星を投影できることが望まれる。上記の光学式プラネタリウム装置およびピンホール式プラネタリウム装置は家庭環境で使用した場合、平面にはかろうじて星や星座が判別しやすく投影できるものの、部屋の隅や、家具類などに重なった場合、星の見える位置が著しくゆがみ、星座などが非常に分かりにくく、家具類の色合いによっては像自体が十分映らないなどの問題を生じる。また、光学式プラネタリウムを持ち込んだ場合は、投影レンズ自体が動き、投影スクリーンとなる壁面との距離が複雑に変動するため、ピントずれを生じ、レンズ間の隙間の間隔が変化して星座の形がゆがむなどの問題点があった。

このような理由で、低コストの装置を使い、家庭で美しい星空を楽しみ、また星座を学習するというニーズに応えることは困難であった。
然るに、本発明は、従来技術の光学式プラネタリウムよりもはるかに低コストで扱い易しく、ピンホール式よりも投影される星空がシャープで美しく、なおかつ専用のドームスクリーンを用いずに家庭環境などで気軽に星空を再現することのできる簡易プラネタリウム装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、星の数や、星座の絵の有無などを自由に変えられるプラネタリウム装置およびさまざまな画像を投影できる画像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の請求項１は、光源と、前記光源の光を集光する集光用光学系と、天極に対応する位置を回転中心として恒星，星座など星に対応する多数の透過孔によって構成される透過パターンが平面に配置された恒星原板を差し替え可能に装着する機構と、前記恒星原板の前または後ろに配置され投影される範囲を制限する透過窓が設けられた遮光性板よりなる絞りと、前記透過窓の外側に配置され、前記装着機構に差し替え可能に装着された前記恒星原板の前記回転中心を通る軸を回転軸とする回転を前記恒星原板に伝達する回転機構と、投影レンズ及び必要に応じ前記投影レンズの前または後に挿入された反射鏡で形成される投影光学系と、を備え、前記集光用光学系から出た光の光軸が前記透過窓に対しほぼ直交するように配置されており、前記投影光学系から投影される光の出口は開口となっており、前記集光用光学系から出た光の光軸および前記回転軸は、ともに前記透過窓の内側を通り、互いに離間して位置するように配置されてなり、前記回転機構により回転する恒星原板の前記透過窓に重なる部分を変化させることで、前記透過窓を通して投影される前記恒星原板の位置を移動可能とし、前記恒星原板の前記透過窓に重なる部分の透過光を前記投影光学系で前記開口から装置の外方に投影することで前記天極に対応する位置の周りに広がる星空の日周運動を模擬的に再現することを特徴とする。
本発明の請求項２は請求項１記載の簡易プラネタリウム装置の発明において前記絞りは、固定された絞りであることを特徴とする。
本発明の請求項３は請求項１また２記載の簡易プラネタリウム装置の発明において前記恒星原板の回転軸と、前記集光用光学系から出た光の光軸の間の距離を変化させるスライド移動手段を有することを特徴とする。
本発明の請求項４は請求項１，２または３記載の簡易プラネタリウム装置の発明において前記光源は発光ダイオードを使用することを特徴とする。
本発明の請求項５は前記請求項１，２，３または４記載の装置を、複数設置し、該複数の装置の間を電気的に接続するか、または機械的手段に接続して連動させ、それぞれの装置の投影をオン，オフ制御することにより複合的な演出効果を実現することを特徴とする。
本発明の請求項６は投影画像を生成するための透過原板を着脱可能に装填する透過原板装着部と、前記透過原板装着部の外方に配置され、前記透過原板装着部に着脱可能に装填された透過原板の中央部を回転軸とする回転を前記透過原板に伝達する回転機構と、前記装填された透過原板の一部に限定して透過光を供給する光源光学系と、前記透過原板の前記一部を透過した光によって生成される画像を投影する投影光学系と、を含み、前記光源光学系は、前記透過原板の前記一部を透過する光の光路が前記透過原板に対し直交するように配置され、前記光源光学系が供給する前記透過原板の前記一部に対し直交する方向に透過する光の光路は前記透過原板の回転軸から偏心して配置されてなり、前記光源光学系は、前記透過原板の下方に配置された発光ダイオードと前記発光ダイオードの発する光を前記透過原板の前記一部に対し直交する方向に導く集光手段と、を備え、前記回転機構により回転する前記透過原板の前記一部の位置が移動し、前記透過原板の前記光路を通過する透過光が前記投影光学系で部屋の天井または壁などの水平面，斜行面，垂直面，曲面または球面に投影されることによって生成される画像パターンが前記透過原板の回転に伴い変化するように構成されてなることを特徴とする。
本発明の請求項７は請求項６記載の簡易画像投影装置の発明において前記光源光学系は、前記回転軸から偏心した位置に配置され、実際に投影される範囲に対応する輪郭を備えた光透過部を備えた固定絞りを含み、光源から発せられた光が前記光透過部と前記透過原板の前記一部とを介して前記投影光学系に導かれることを特徴とする。
本発明の請求項８は恒星原板を着脱可能に装着する装着部と、前記装着部の外方に配置され前記装着部に着脱可能に装着された前記恒星原板の中央部を回転軸とする回転を前記恒星原板に伝達する回転機構と、前記恒星原板に透過光を供給する光源光学系と、前記透過光によって生成される画像を投影する投影光学系と、前記透過光の光路断面を制限する絞り窓を有する絞り部材と、を備え、前記投影光学系から投影される光の出口は開口に構成されており、前記恒星原板は遮光性板によって構成され、天極に対応する位置を中心として平面に展開された恒星に対応する位置にそれぞれ光透過孔が設けられており、前記回転機構は、装着された前記恒星原板が前記天極対応位置を中心として回転するように構成されており、前記絞り部材と装着された前記恒星原板は、前記光源光学系および投影光学系によって構成される光軸方向から見て重なり、前記絞り窓の中央部が天頂に、前記絞り窓の輪郭が地平線に、それぞれ対応し、前記光軸が前記絞り窓の前記中央部を通り、前記恒星原板の回転軸が前記絞り窓内であって前記絞り窓の前記中央部から離間した位置を通るように配置されてなり、前記絞り窓によって制限された部分の前記恒星原板を通る前記透過光によって生成される星空の画像が前記開口から外方に向かって投影され、前記恒星原板の回転に伴い前記絞り窓と重なる前記恒星原板の部分が変化することで前記星空の投影画像が変化し、前記天極対応位置を囲んで広がる恒星の日周運動を模擬的に再現するように構成されてなることを特徴とする。
本発明の請求項９は請求項８記載の簡易プラネタリウム装置の発明において前記光軸と前記回転軸の距離を変化させるスライド移動手段をさらに含むことを特徴とする。

上記構成によれば、低コストで製作でき、ドームなどの付帯設備を使用せず、家庭環境などで使用可能で、クリアで美しい星空を投影できる簡易プラネタリウム装置およびクリアな画像を投影できる簡易画像装置を実現できる。

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、本発明によるプラネタリウム装置の実施の形態を示す概略図である。
例えば発光ダイオードによる光源６から出た光は、コンデンサレンズ５を通った後、透過原板３、固定絞り２、広角の投影レンズ１を通って、スクリーンに投影されて星空を映し出す。
透過原板３は、実際の星の位置と明るさに相当する透過孔３ａを多数有する遮光性の円板であり、通常、金属薄膜のエッチング法や、写真フィルムなどを応用して低コストで製造される。透過原板３は、回転軸１０を中心とするボールベアリング４の内輪で支持されており、回転軸１０を中心に回転可能となっている。この透過原板３は、ベルト７を介してモータ８によって駆動される。モータ８の出力軸１２に取り付けられたプーリ１３と、透過原板３に固定されたプーリ１１の間に上記ベルト７が掛け渡され、モータ８の回転が減速されて透過原板３に伝達される。透過原板３以外の部品は固定されている。投影レンズ１、固定絞り２の窓、コンデンサレンズ５および光源６の中心はすべて光軸９上に配置され、透過原板３，プーリ１１およびボールベアリング４の中心は、回転軸１０に一致している。

透過原板３の中で投影レンズ１により映し出される範囲は、透過原板３の回転位置と、固定絞り２の位置関係により決定される。
図２は、この透過原板の座標設定を示したものである。
恒星は、赤道座標によって位置が定義されているが、この透過原板３は、中心を天の北極３５とし、回転方向に赤経、半径方向に赤緯を設定するようになっている。赤緯線３４は、本図では赤緯１０度刻みの目盛を記してあって、天の北極すなわち赤緯９０度の中心から、外周方向に、赤緯８０度、７０度となっている。点線３３は赤緯０度すなわち天の赤道である。さらに外周には、赤緯−１０、−２０度といった形で、南天の範囲も一部含まれている。

図３は、この透過原板３と固定絞り２を重ねて光軸方向から見て重ね、実際に投影される範囲を示した図である。
斜線の入った透過窓３７が実際に投影される範囲であり、投影原板の一部である。この透過窓の中心が天頂であり、輪郭が地平線であり、それぞれに東西南北の方位が設定されている。南と天頂と北を結ぶ直線３８は子午線である。
ここで、図３では、子午線上が赤経０ｈと重なっているので、恒星時が０ｈの状態である。これは概ね秋の夜空を再現している状態になる。ここで透過原板３を９０度回転させた状態が図４であり、子午線に赤経６ｈが重なっているので、恒星時６ｈの状態となる。これは概ね冬の夜空になる。このように透過原板３を回転させることにより恒星時を任意の値に設定でき、春夏秋冬の季節の変化、および時刻の変化という、星の基本的な日周運動を再現することができる。これは、すなわち、図７で示す公知の星座早見板と同じ構成であり、本実施の形態で星の日周運動を模擬的に再現できることを示す分かりやすい一例である。

図６は本発明の他の実施の形態を示すもので、図１の実施の形態にさらに改良を加え、透過原板およびボールベアリングの回転軸１０を、光軸９に対して可変とするスライドレール機構を設けたものである。
ボールベアリング１７および透過原板１６は、側面にラックギア２９が付設されたスライド板２８に支持されている。モータ３１の出力軸にはピニオンギア３０が取り付けられ、該ピニオンギア３０は上記ラックギア２９に噛合している。モータ３１を正逆転駆動することによりスライド板２８を矢印Ａの方向にスライドできるようになっている。
図５に、図６のスライド機構により、固定絞りに対して透過原板の位置が移動した状態が示されている。投影される範囲が中心方向に移動することにより、南天の星はより低く（中心から離れる）、北天の星はより高い位置（中心に近づく）に投影される。この状態は、より高緯度の地点に移動したことを意味する。

このように光軸９と回転軸１０の距離を変えるだけで、さまざまな緯度の土地の星空を再現できる。光軸９と回転中心軸１０が一致した状態は、北極点の星空に相当する。すなわち星が昇ったり沈んだりしない日周運動の再現である。なお、ここでは北半球の星空の運行を示したが、代わりに中心を天の南極とし、外周方向に赤緯を大きく、赤経の方向を逆の透過原板を使用し、回転方向を逆にすれば、南半球の星空も再現できることはいうまでもない。

図８は、本発明による簡易プラネタリウム装置を使い、一般室内で星を投影している様子を示した図である。
室内の隅や本棚２５，机２６などの家具類に妨げられることなく、天井２３のみに全天にほぼ相当する星を投影できるため、全天にわたって星座２４を容易に観察できる。またレンズ投影によるためシャープでリアルな星空を再現できる。さらに、透過原板は低コストで製造できるため、透過原板装脱着機構を設け透過原板を差し替えることにより、たとえば星の数を多い原板を使用すれば、美しく降るような星空を再現して、リラクゼーションや上級者の天体観望に好適である。逆に星の数が少なめの原板を使用すれば、星座を見つけやすい星空を再現できる。

星座絵や星を結んだ星座線、星座名などの文字を記入した原板を使用すれば、容易に星座を見つけて学習することができる。さらには、その月々の惑星の位置を記入した原板を使用すれば、惑星などの天体も再現することができる。また、恒星や惑星などの天体以外の透過パターン、例えば風景や人物、文字などを記した透過原板を使用すれば汎用のスライド投影機や照明装置としても使用でき、汎用性を持たせることができる。
複数の本装置を使用し、これら装置を連動させて、投影像を重ね合わせ、１つの装置に例えば星座絵のみ、もう１つの装置に恒星のみ投影する原板を装填し、恒星の原板を装填した投影装置は常にオンし、星座絵の原板を装填した投影装置はオンオフを切り替えれば、恒星を背景に星座絵を表わしたり消したりといった演出もできる。上記動作は、各装置間を電気的接続し、制御回路によって各投影装置をオン，オフ制御することによって実現できる。また、機械的に連動させて各投影装置をオン，オフすることもできる。
なおオーロラその他の天体、文字などあらゆるものについて同様の応用ができるのはもちろんのことである。

このように、従来は困難であった家庭で、特別のドームなどの設備を使用せずに美しい星空を楽しむ簡易プラネタリウム装置を実現することができる。これは青少年の理科教育や、世代を問わぬリラクゼーションなどにも好適である。また星空の投影機能と同時に任意の画像も投影できるために、学習、娯楽を問わず幅広い応用が可能である。さらに、簡易プラネタリウム装置および簡易画像投影装置は上述したように透過原板を装脱着できる機構を設けることにより、容易に投影内容を変えることが可能である。

以上の実施の形態では、透過原板を通過した光を投影レンズで天井などに投影する例を説明したが、投影レンズの後ろ面に反射鏡を挿入して投影方向を変える構成にしてもよい。また、反射鏡で光の方向を変えた後に、投影レンズで投影するようにしても良い。このような構成にすれば、家庭の壁などの垂直部分，斜め面にも投影できる。また、平面に投影する例を示したが、スクリーンとして曲面や球面などに投影することも可能である。
さらに、光源として発光ダイオードを用いた例を示したが、色の付いた他の光源を用いても良い。さらにはスライドレール機構のスライド板を移動させる手段として、ラックピニオン式の例を示したが、モータの回転運動を直線運動に変換する機構であるならば、他の機構を用いても良い。
透過原板の回転中心と光学系の光軸とを偏心させた例を示したが、透過原板の回転中心と光学系の光軸とを一致させて回転する機構も実施することができる。

一般の家庭などに設置して天井などに星座を再現できる簡易な構成のプラネタリウム装置であり、通常の画像投影装置としても使用可能である。

本発明による簡易プラネタリウム装置の実施の形態を示す概略斜視図である。 図１の透過原板の座標設定を説明するための図である。 図１における透過原板と固定絞りによって実際に投影される範囲を示した図である。 図３において透過原板を９０度回転させた状態を示す図である。 スライドレール機構により、固定絞りに対して透過原板の位置が移動した状態を示す図である。 本発明の他の実施の形態を示す図で、透過原板およびボールベアリングの中心回転軸を光軸に対して可変としたものである。 星座早見板を示す図である。 本発明による簡易プラネタリウム装置を使い、一般室内で星を投影している様子を示した図である。 公知の光学式プラネタリウム装置の基本構成を示した図である。 公知のピンホール式プラネタリウム装置の基本構成を示した図である。

符号の説明

１ 投影レンズ
２ 固定絞り
３ 透過原板（投影原板）
４ ボールベアリング
５ コンデンサレンズ
６ 光源（発光ダイオード）
７ ベルト
８ モータ
９ 光軸
１０ 回転軸（回転中心軸）
１１，１３ プーリ
１２ 出力軸
１４ 窓
１５ 星座早見板
２２ 日周軸
２３ 天井
２４ 投影された星座
２５ 本棚
２６ 机
２７ 簡易プラネタリウム装置

Claims (9)

1. 光源と、
   前記光源の光を集光する集光用光学系と、
   天極に対応する位置を回転中心として恒星，星座など星に対応する多数の透過孔によって構成される透過パターンが平面に配置された恒星原板を差し替え可能に装着する機構と、
   前記恒星原板の前または後ろに配置され投影される範囲を制限する透過窓が設けられた遮光性板よりなる絞りと、
   前記透過窓の外側に配置され、前記装着機構に差し替え可能に装着された前記恒星原板の前記回転中心を通る軸を回転軸とする回転を前記恒星原板に伝達する回転機構と、
   投影レンズ及び必要に応じ前記投影レンズの前または後に挿入された反射鏡で形成される投影光学系と、を備え、
   前記集光用光学系から出た光の光軸が前記透過窓に対しほぼ直交するように配置されており、前記投影光学系から投影される光の出口は開口となっており、
   前記集光用光学系から出た光の光軸および前記回転軸は、ともに前記透過窓の内側を通り、互いに離間して位置するように配置されてなり、
   前記回転機構により回転する恒星原板の前記透過窓に重なる部分を変化させることで、前記透過窓を通して投影される前記恒星原板の位置を移動可能とし、前記恒星原板の前記透過窓に重なる部分の透過光を前記投影光学系で前記開口から装置の外方に投影することで前記天極に対応する位置の周りに広がる星空の日周運動を模擬的に再現することを特徴とする簡易プラネタリウム装置。
2. 前記絞りは、固定された絞りであることを特徴とする請求項１記載の簡易プラネタリウム装置。
3. 前記恒星原板の回転軸と、前記集光用光学系から出た光の光軸の間の距離を変化させるスライド移動手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の簡易プラネタリウム装置。
4. 前記光源は発光ダイオードを使用することを特徴とする請求項１，２または３記載の簡易プラネタリウム装置。
5. 前記請求項１，２，３または４記載の装置を、複数設置し、該複数の装置の間を電気的に接続するか、または機械的手段に接続して連動させ、それぞれの装置の投影をオン，オフ制御することにより複合的な演出効果を実現することを特徴とする簡易プラネタリウム装置。
6. 投影画像を生成するための透過原板を着脱可能に装填する透過原板装着部と、
   前記透過原板装着部の外方に配置され、前記透過原板装着部に着脱可能に装填された透過原板の中央部を回転軸とする回転を前記透過原板に伝達する回転機構と、
   前記装填された透過原板の一部に限定して透過光を供給する光源光学系と、
   前記透過原板の前記一部を透過した光によって生成される画像を投影する投影光学系と、
   を含み、
   前記光源光学系は、前記透過原板の前記一部を透過する光の光路が前記透過原板に対し直交するように配置され、
   前記光源光学系が供給する前記透過原板の前記一部に対し直交する方向に透過する光の光路は前記透過原板の回転軸から偏心して配置されてなり、
   前記光源光学系は、前記透過原板の下方に配置された発光ダイオードと前記発光ダイオードの発する光を前記透過原板の前記一部に対し直交する方向に導く集光手段と、を備え、
   前記回転機構により回転する前記透過原板の前記一部の位置が移動し、前記透過原板の前記光路を通過する透過光が前記投影光学系で部屋の天井または壁などの水平面，斜行面，垂直面，曲面または球面に投影されることによって生成される画像パターンが前記透過原板の回転に伴い変化するように構成されてなることを特徴とする簡易画像投影装置。
7. 前記光源光学系は、前記回転軸から偏心した位置に配置され、実際に投影される範囲に対応する輪郭を備えた光透過部を備えた固定絞りを含み、光源から発せられた光が前記光透過部と前記透過原板の前記一部とを介して前記投影光学系に導かれることを特徴とする請求項６記載の簡易画像投影装置。
8. 恒星原板を着脱可能に装着する装着部と、前記装着部の外方に配置され前記装着部に着脱可能に装着された前記恒星原板の中央部を回転軸とする回転を前記恒星原板に伝達する回転機構と、前記恒星原板に透過光を供給する光源光学系と、前記透過光によって生成される画像を投影する投影光学系と、前記透過光の光路断面を制限する絞り窓を有する絞り部材と、を備え、
   前記投影光学系から投影される光の出口は開口に構成されており、
   前記恒星原板は遮光性板によって構成され、天極に対応する位置を中心として平面に展開された恒星に対応する位置にそれぞれ光透過孔が設けられており、
   前記回転機構は、装着された前記恒星原板が前記天極対応位置を中心として回転するように構成されており、
   前記絞り部材と装着された前記恒星原板は、前記光源光学系および投影光学系によって構成される光軸方向から見て重なり、前記絞り窓の中央部が天頂に、前記絞り窓の輪郭が地平線に、それぞれ対応し、前記光軸が前記絞り窓の前記中央部を通り、前記恒星原板の回転軸が前記絞り窓内であって前記絞り窓の前記中央部から離間した位置を通るように配置されてなり、
   前記絞り窓によって制限された部分の前記恒星原板を通る前記透過光によって生成される星空の画像が前記開口から外方に向かって投影され、前記恒星原板の回転に伴い前記絞り窓と重なる前記恒星原板の部分が変化することで前記星空の投影画像が変化し、前記天極対応位置を囲んで広がる恒星の日周運動を模擬的に再現するように構成されてなることを特徴とする簡易プラネタリウム装置。
9. 前記光軸と前記回転軸の距離を変化させるスライド移動手段をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の簡易プラネタリウム装置。

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