天象仪演示系统的演进与具体应用

　　摘    要：　通过介绍当前国际天象仪演示系统的技术发展，分析了各大天文馆中天象仪的性能特点，并结合正在建设中的上海天文馆，探讨了如何“把星空搬进屋子”，运用光学天象仪与数字天文系统展示天文现象、普及天文知识。

　　关键词：　天文馆; 光学天象仪; 数字天文系统;

　　Abstract：　By introducing the technological development of the current international demonstration systems on astronomy, this paper analyses the characteristics of astronomical instruments in planetariums all over the world, and discusses how to "move the stars into the house", and use the optical astronomy and the digital astronomical system to display astronomical phenomena and popularize astronomical knowledge based on the case study of Shanghai Planetarium.

　　Keyword：　planetariums; optical astronomy; digital astronomical system;

　　0 、引言

　　在天文馆中，最经典的展项莫过于天象仪。天象仪是一种历史悠久的天象演示设备，由德国卡尔蔡司公司首创发明，1925年首次出现在德意志博物馆的天象厅。天象仪演示系统主要包括光学天象仪和数字天文系统，可展示恒星天空、太阳系天体、银河、星云星团、星座及各种天文坐标系等。由于社会发展造成的空气污染和光污染，使得城市居民已经很难看到漫天繁星的夜空了。天文馆建立天象厅的主要目的就是利用特殊的光学投射技术，让观众在纯净的星空下沉静心灵，产生对宇宙的崇敬和思考。

　　1、 天象仪演示系统的发展

　　目前，国际知名的光学天象仪设备制造商共有四家：德国卡尔蔡司、日本五藤光学、日本柯尼卡美能达、日本大平技研。从投映方式上分为光纤式和透镜式，其中卡尔蔡司和五藤光学采用了光纤导光，而柯尼卡美能达和大平技研则采用了透镜聚光。相对德国品牌而言，日本品牌具有价格优势，类型多样且性能卓越，在市场上有很强的竞争力。

　　德国卡尔蔡司成立于1846年，是现存最古老的光学产品制造商之一，无论望远镜、相机或是镜头，都相当出色。凭借先进的技术、可靠的质量，其生产的天象仪遍布世界各地。Universarium IX作为旗舰产品虽功能完善，但价格十分昂贵，且所需空间较大，通常适用于直径超过20 m的场地。

　　日本五藤光学研究所于1926年由五藤齐三创立，从天文望远镜的生产、销售起步，致力于制造精良的天文观测和教学设备，对日本的天文普及事业作出了杰出的贡献。1954年，五藤光学研制出日本国产天象仪，打破了卡尔蔡司独家垄断的局面。2004年，五藤光学提出并开发混合式天象仪，通过设置相同的坐标空间，将光学星空与数字投影融为一体。混合式天象仪能耗低、寿命长，成为天象仪演示系统未来的发展方向。

　　1928年，美能达的前身“日独写真机商店”在大阪创立。这是一家日本与德国合作的照相机店，最初依赖于德国技术起家。20世纪50年代，美能达成功研制天象仪，开始进入天文光学领域。2003年，“摄影和光学技术专家”的美能达与“胶卷和感光技术专家”的柯尼卡合并，成立“柯尼卡美能达控股株式会社”。如果说五藤光学天象仪出身于天文望远镜制造商的家族式企业，那么柯尼卡美能达天象仪则出身于相机制造商的控股公司。出身不同，文化背景也不同。相比之下，柯尼卡美能达具有较强的技术实力和较高的管理水平，其制作工艺和外观设计均处于世界领先水平，同时具备星座图、标记等功能。
 

　　大平技研由日本发明家兼工程师大平贵之于2005年创立，以多元化的产品系列和绚丽多彩的星空表演而闻名。大平贵之在中学时期就开始制作天象仪，1998年完成了便携式天象仪———MEGASTAR。MEGASTAR的发表，可谓科技史上的一大突破。首先，它的重量仅为30 kg，与天文馆的大型天象仪相比，简直就是不可思议的轻。不过，更令人惊讶的是MEGASTAR的投影性能。一般而言，大型天象仪可投映数以万计的恒星，就教学用途而言，是绰绰有余的。然而，MEGASTAR却能够投映过百万的恒星，是大型星象仪的几百倍。

　　2、 国内外天文馆中天象仪演示系统的应用

　　在天象厅的技术指标上，通常设定球幕直径在18 m以上的为大型天象厅，12～18 m之间的为中型天象厅，12 m以下的为小型天象厅。如表1所示，根据国际天文馆协会的统计，截至2019年，全球范围内大中型光学天象厅共计331座，其中超过半数的天文馆选择了日本品牌，尤以五藤光学最受欢迎。事实上，由于天象仪发源地在德国，因此建立较早的知名天文馆大多采用卡尔蔡司天象仪。而作为世界天文馆大国的日本，几乎每座城市都有自己的天文馆，则偏爱本国生产的天象仪。

　　表1 全球大中型天象厅中天象仪的制作商统计

　　在回顾天象仪诞生和发展的历程中，我们不得不提到中国制造的天象仪及其在中国天文馆事业中所扮演的角色。我国天象仪的研制始于20世纪50年代，北京工业学院（现北京理工大学）参照卡尔蔡司天象仪，在三个月内自主开发了第一台国产天象仪。后来，该校又借助北京天文馆的力量，与北京光学仪器厂、北京电源控制设备厂合作，研制出具有中国特色的大型天象仪。从1976年至2006年，这台天象仪在北京天文馆连续运转了30年，可表演黄道上的二十四节气、恒星天空上的三垣二十八宿，反映了中国人的观星视角。然而由于种种原因，该项目的后期研发未能跟上，在此后的几十年里，国产天象仪无论在性能还是在技术上都没有本质的提升。2007年，北京天文馆完成更新改造，天象厅中的国产天象仪被更换为卡尔蔡司Universarium IX。

　　目前，国产天象仪在我国中小型天文馆中占据主导地位，而大型天文馆则主要使用外国品牌。比如，中国科学技术馆的球幕影院采用了日本五藤光学研究所的Super Helios天象仪与美国益世电脑公司的数字天文系统Digistar 6，其直径为30 m、倾角为30°，以仰望苍穹的视角和清晰璀璨的影像带给观众独一无二的视听享受。河北省科学技术馆的宇宙剧场引进了日本五藤光学研究所的GSS-VI天象仪及数字放映设备，其直径为23 m、倾角为25°，既可放映天象节目，又可放映科学影片。

　　3、 对天象仪演示系统功能的探讨

　　近百年来，科学技术的发展日新月异，天象仪也随着时代的变迁引发了一系列革命。1983年，美国益世电脑公司推出了数字天文系统，完全抛弃了传统的光学投影模式，运用计算机技术，制作出电脑绘图的数字天象仪。今天，光学天象仪与数字天文系统相结合成为现代大型天文馆天象仪演示系统的首选解决方案。

　　作为光学天象仪核心部分的恒星星板，由专用超精密激光设备加工而成，以保证1μm的位置精度。光源采用高亮度、长寿命的LED，以保证30 000 h的使用寿命。主要演示功能包括投影天球全夜空星体，其中恒星数量不少于9 500颗，最暗的目视星等至少为6.5可视星等，最亮的恒星（除太阳以外）视直径不大于10′，星体锐利明亮并具有闪烁特征；拥有不少于27个独立LED投影的真实色彩的亮星，可随时控制开关；恒星颜色基于恒星的光谱类型，能够再现3.5等星范围内恒星的固有色调。系统包含太阳、月亮和行星投影机（肉眼可见的行星：水星、金星、火星、木星、土星）。可演示天体的基本视运动，包括周日视运动、周年视运动；太阳、月球和主要行星的视运动；显示岁差的影响；逼真显示银河、大小麦哲伦星系、着名的深空天体、变星和目视双星；逼真显示日食、月相变化及月食、近地点满月、流星雨等主要天象；在球幕地平线投映城市地景、自然景色、大气等的全景图像，包括晨昏蒙影、极光、黄道光及模仿城市光污染的大气效果；显示全天88星座连线、图案和中文名称，以及中国古代星宿连线、图案和中文名称；显示基本天文坐标系统（赤道、地平，黄道及其刻度值等），以及基本点、基本圈；准确快速地切换至上下4 000年地球上任何地点所见的星空；运动速度不小于18°/s。选用高对比度原生4 K分辨率的激光工程投影机，多通道拼接融合实现全穹幕放映画面的完整流畅，使得数字投影图像对光学星空不产生影响。具备自动校准系统，可校准混合数字图像，并与光学投影保持同步。另外，数字投影系统可设置在天象厅的中央围栏之中，也可放置于球幕的边缘，且在球幕上不产生设备或观众的阴影，不额外占据多余面积。

　　4、 上海天文馆中天象厅的建设

　　在建的上海天文馆是当前世界上建筑规模最大的天文馆，旨在建设与上海城市形象相适应的国际顶级天文馆。其将拥有两个大型球幕系统：（1) 23 m多功能数字球幕影院配有8K数字投影系统、数字天文系统、激光表演系统和舞台表演系统，届时不仅可以播放壮美磅礴的宇宙大片，而且可以举办如梦似幻的星空音乐会；（2) 17 m地平式天象厅配有光学天象仪、数字投影系统、数字天文系统，实现光学与数字的联动，逼真地演示自然星空及太空漫游。

　　经过综合考量，我们选用了日本五藤光学研究所的ORPHEUS天象仪与美国益世公司的数字天文系统Digistar 6。如图1所示，ORPHEUS是2017年发布的新式中型天象仪。其安静节能，机身结构紧凑时尚，专用的行星投影机和日月投影机都集成在恒星球的两端，尤其适用于混合式天象系统。标准对应圆顶直径达8～16 m，且对应水平、倾斜穹顶可扩展至21 m，能够同时容纳100～200名观众。独创性的星等调节功能，可根据时间准确计算行星的位置，显示其大小和亮度的变化。Digistar 6数字天文系统主要由系统软件包、主控服务器、图形服务器、同步控制器、操作控制台、外设接口、千兆网络交换机、无线路由器等组成。作为全球第一家推出数字天象仪的厂家，美国益世公司开发了完整的数字天文数据库，包括大量天文事件、天体及探测器模型，便于用户自行制作天文节目以满足观众的个性化需求。该系统成熟可靠，操作简便，兼容性好，并可跨平台使用云服务，真正做到互相通讯、共享数据。

　　图1 ORPHEUS天象仪

　　如图2所示，在上海天文馆的天象厅中，高耸的树木剪影，起伏的地面草坪，伴随自然界的背景音效（如蛐蛐叫声、风吹树叶），并配合大型穹顶的逼真星空，营造出暮色将尽、华月初生的情景，人们仿佛被布满闪烁星星的天空所包围。值得注意的是，区域内特别采用了红色灯光，以避免观众的瞳孔缩小，达到最佳的视觉效果。工作人员穿梭其间，现场讲解各种天文知识，充分体现了天象厅的科普价值，发挥其在天文教育领域的引领作用。

　　图2 上海天文馆天象厅

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