天象儀演示系統的發展歷程及應用現狀分析

陸琦 施韡 彭博

摘要：通過介紹當前國際天象儀演示系統的技術發展，分析了各大天文館中天象儀的性能特點，并結合正在建設中的上海天文館，探討了如何“把星空搬進屋子”，運用光學天象儀與數字天文系統展示天文現象、普及天文知識。

關鍵詞：天文館 光學天象儀 數字天文系統

0 引言

在天文館中，最經典的展項莫過于天象儀。天象儀是一種歷史悠久的天象演示設備，由德國卡爾蔡司公司首創發明，1925年首次出現在德意志博物館的天象廳。天象儀演示系統主要包括光學天象儀和數字天文系統，可展示恒星天空、太陽系天體、銀河、星云星團、星座及各種天文坐標系等。由于社會發展造成的空氣污染和光污染，使得城市居民已經很難看到漫天繁星的夜空了。天文館建立天象廳的主要目的就是利用特殊的光學投射技術，讓觀眾在純凈的星空下沉靜心靈，產生對宇宙的崇敬和思考。

1 天象儀演示系統的發展

目前，國際知名的光學天象儀設備制造商共有四家：德國卡爾蔡司、日本五藤光學、日本柯尼卡美能達、日本大平技研。從投映方式上分為光纖式和透鏡式，其中卡爾蔡司和五藤光學采用了光纖導光，而柯尼卡美能達和大平技研則采用了透鏡聚光。相對德國品牌而言，日本品牌具有價格優勢，類型多樣且性能卓越，在市場上有很強的競爭力。

德國卡爾蔡司成立于1846年，是現存最古老的光學產品制造商之一，無論望遠鏡、相機或是鏡頭，都相當出色。憑借先進的技術、可靠的質量，其生產的天象儀遍布世界各地。Universarium IX作為旗艦產品雖功能完善，但價格十分昂貴，且所需空間較大，通常適用于直徑超過20 m的場地。

日本五藤光學研究所于1926年由五藤齊三創立，從天文望遠鏡的生產、銷售起步，致力于制造精良的天文觀測和教學設備，對日本的天文普及事業作出了杰出的貢獻。1954年，五藤光學研制出日本國產天象儀，打破了卡爾蔡司獨家壟斷的局面。2004年，五藤光學提出并開發混合式天象儀，通過設置相同的坐標空間，將光學星空與數字投影融為一體。混合式天象儀能耗低、壽命長，成為天象儀演示系統未來的發展方向。

1928年，美能達的前身“日獨寫真機商店”在大阪創立。這是一家日本與德國合作的照相機店，最初依賴于德國技術起家。20世紀50年代，美能達成功研制天象儀，開始進入天文光學領域。2003年，“攝影和光學技術專家”的美能達與“膠卷和感光技術專家”的柯尼卡合并，成立“柯尼卡美能達控股株式會社”。如果說五藤光學天象儀出身于天文望遠鏡制造商的家族式企業，那么柯尼卡美能達天象儀則出身于相機制造商的控股公司。出身不同，文化背景也不同。相比之下，柯尼卡美能達具有較強的技術實力和較高的管理水平，其制作工藝和外觀設計均處于世界領先水平，同時具備星座圖、標記等功能。

大平技研由日本發明家兼工程師大平貴之于2005年創立，以多元化的產品系列和絢麗多彩的星空表演而聞名。大平貴之在中學時期就開始制作天象儀，1998年完成了便攜式天象儀——MEGASTAR。MEGASTAR的發表，可謂科技史上的一大突破。首先，它的重量僅為30 kg，與天文館的大型天象儀相比，簡直就是不可思議的輕。不過，更令人驚訝的是MEGASTAR的投影性能。一般而言，大型天象儀可投映數以萬計的恒星，就教學用途而言，是綽綽有余的。然而，MEGASTAR卻能夠投映過百萬的恒星，是大型星象儀的幾百倍。

2 國內外天文館中天象儀演示系統的應用

在天象廳的技術指標上，通常設定球幕直徑在18 m以上的為大型天象廳，12～18 m之間的為中型天象廳，12 m以下的為小型天象廳。如表1所示，根據國際天文館協會的統計，截至2019年，全球范圍內大中型光學天象廳共計331座，其中超過半數的天文館選擇了日本品牌，尤以五藤光學最受歡迎。事實上，由于天象儀發源地在德國，因此建立較早的知名天文館大多采用卡爾蔡司天象儀。而作為世界天文館大國的日本，幾乎每座城市都有自己的天文館，則偏愛本國生產的天象儀。

在回顧天象儀誕生和發展的歷程中，我們不得不提到中國制造的天象儀及其在中國天文館事業中所扮演的角色。我國天象儀的研制始于20世紀50年代，北京工業學院（現北京理工大學）參照卡爾蔡司天象儀，在三個月內自主開發了第一臺國產天象儀。后來，該校又借助北京天文館的力量，與北京光學儀器廠、北京電源控制設備廠合作，研制出具有中國特色的大型天象儀。從1976年至2006年，這臺天象儀在北京天文館連續運轉了30年，可表演黃道上的二十四節氣、恒星天空上的三垣二十八宿，反映了中國人的觀星視角。然而由于種種原因，該項目的后期研發未能跟上，在此后的幾十年里，國產天象儀無論在性能還是在技術上都沒有本質的提升。2007年，北京天文館完成更新改造，天象廳中的國產天象儀被更換為卡爾蔡司Universarium IX。

目前，國產天象儀在我國中小型天文館中占據主導地位，而大型天文館則主要使用外國品牌。比如，中國科學技術館的球幕影院采用了日本五藤光學研究所的Super Helios天象儀與美國益世電腦公司的數字天文系統Digistar 6，其直徑為30 m、傾角為30°，以仰望蒼穹的視角和清晰璀璨的影像帶給觀眾獨一無二的視聽享受。河北省科學技術館的宇宙劇場引進了日本五藤光學研究所的GSS-VI天象儀及數字放映設備，其直徑為23 m、傾角為25°，既可放映天象節目，又可放映科學影片。

3 對天象儀演示系統功能的探討

近百年來，科學技術的發展日新月異，天象儀也隨著時代的變遷引發了一系列革命。1983年，美國益世電腦公司推出了數字天文系統，完全拋棄了傳統的光學投影模式，運用計算機技術，制作出電腦繪圖的數字天象儀。今天，光學天象儀與數字天文系統相結合成為現代大型天文館天象儀演示系統的首選解決方案。

作為光學天象儀核心部分的恒星星板，由專用超精密激光設備加工而成，以保證1 μm的位置精度。光源采用高亮度、長壽命的LED，以保證30 000 h的使用壽命。主要演示功能包括投影天球全夜空星體，其中恒星數量不少于9 500顆，最暗的目視星等至少為6.5可視星等，最亮的恒星（除太陽以外）視直徑不大于10′，星體銳利明亮并具有閃爍特征;擁有不少于27個獨立LED投影的真實色彩的亮星，可隨時控制開關;恒星顏色基于恒星的光譜類型，能夠再現3.5等星范圍內恒星的固有色調。系統包含太陽、月亮和行星投影機（肉眼可見的行星：水星、金星、火星、木星、土星）。可演示天體的基本視運動，包括周日視運動、周年視運動;太陽、月球和主要行星的視運動;顯示歲差的影響;逼真顯示銀河、大小麥哲倫星系、著名的深空天體、變星和目視雙星;逼真顯示日食、月相變化及月食、近地點滿月、流星雨等主要天象;在球幕地平線投映城市地景、自然景色、大氣等的全景圖像，包括晨昏蒙影、極光、黃道光及模仿城市光污染的大氣效果;顯示全天88星座連線、圖案和中文名稱，以及中國古代星宿連線、圖案和中文名稱;顯示基本天文坐標系統（赤道、地平，黃道及其刻度值等），以及基本點、基本圈;準確快速地切換至上下4 000年地球上任何地點所見的星空;運動速度不小于18°/s。選用高對比度原生4 K分辨率的激光工程投影機，多通道拼接融合實現全穹幕放映畫面的完整流暢，使得數字投影圖像對光學星空不產生影響。具備自動校準系統，可校準混合數字圖像，并與光學投影保持同步。另外，數字投影系統可設置在天象廳的中央圍欄之中，也可放置于球幕的邊緣，且在球幕上不產生設備或觀眾的陰影，不額外占據多余面積。

4 上海天文館中天象廳的建設

在建的上海天文館是當前世界上建筑規模最大的天文館，旨在建設與上海城市形象相適應的國際頂級天文館。其將擁有兩個大型球幕系統：（1）23 m多功能數字球幕影院配有8K數字投影系統、數字天文系統、激光表演系統和舞臺表演系統，屆時不僅可以播放壯美磅礴的宇宙大片，而且可以舉辦如夢似幻的星空音樂會;（2）17 m地平式天象廳配有光學天象儀、數字投影系統、數字天文系統，實現光學與數字的聯動，逼真地演示自然星空及太空漫游。

經過綜合考量，我們選用了日本五藤光學研究所的ORPHEUS天象儀與美國益世公司的數字天文系統Digistar 6。如圖1所示，ORPHEUS是2017年發布的新式中型天象儀。其安靜節能，機身結構緊湊時尚，專用的行星投影機和日月投影機都集成在恒星球的兩端，尤其適用于混合式天象系統。標準對應圓頂直徑達8～16 m，且對應水平、傾斜穹頂可擴展至21 m，能夠同時容納100～200名觀眾。獨創性的星等調節功能，可根據時間準確計算行星的位置，顯示其大小和亮度的變化。Digistar 6數字天文系統主要由系統軟件包、主控服務器、圖形服務器、同步控制器、操作控制臺、外設接口、千兆網絡交換機、無線路由器等組成。作為全球第一家推出數字天象儀的廠家，美國益世公司開發了完整的數字天文數據庫，包括大量天文事件、天體及探測器模型，便于用戶自行制作天文節目以滿足觀眾的個性化需求。該系統成熟可靠，操作簡便，兼容性好，并可跨平臺使用云服務，真正做到互相通訊、共享數據。

如圖2所示，在上海天文館的天象廳中，高聳的樹木剪影，起伏的地面草坪，伴隨自然界的背景音效（如蛐蛐叫聲、風吹樹葉），并配合大型穹頂的逼真星空，營造出暮色將盡、華月初生的情景，人們仿佛被布滿閃爍星星的天空所包圍。值得注意的是，區域內特別采用了紅色燈光，以避免觀眾的瞳孔縮小，達到最佳的視覺效果。工作人員穿梭其間，現場講解各種天文知識，充分體現了天象廳的科普價值，發揮其在天文教育領域的引領作用。

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