天象儀演示系統(tǒng)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀分析

陸琦 施韡 彭博

摘要：通過介紹當(dāng)前國際天象儀演示系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，分析了各大天文館中天象儀的性能特點(diǎn)，并結(jié)合正在建設(shè)中的上海天文館，探討了如何“把星空搬進(jìn)屋子”，運(yùn)用光學(xué)天象儀與數(shù)字天文系統(tǒng)展示天文現(xiàn)象、普及天文知識。

關(guān)鍵詞：天文館 光學(xué)天象儀 數(shù)字天文系統(tǒng)

0 引言

在天文館中，最經(jīng)典的展項(xiàng)莫過于天象儀。天象儀是一種歷史悠久的天象演示設(shè)備，由德國卡爾蔡司公司首創(chuàng)發(fā)明，1925年首次出現(xiàn)在德意志博物館的天象廳。天象儀演示系統(tǒng)主要包括光學(xué)天象儀和數(shù)字天文系統(tǒng)，可展示恒星天空、太陽系天體、銀河、星云星團(tuán)、星座及各種天文坐標(biāo)系等。由于社會發(fā)展造成的空氣污染和光污染，使得城市居民已經(jīng)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(xué)投射技術(shù)，讓觀眾在純凈的星空下沉靜心靈，產(chǎn)生對宇宙的崇敬和思考。

1 天象儀演示系統(tǒng)的發(fā)展

目前，國際知名的光學(xué)天象儀設(shè)備制造商共有四家：德國卡爾蔡司、日本五藤光學(xué)、日本柯尼卡美能達(dá)、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(xué)采用了光纖導(dǎo)光，而柯尼卡美能達(dá)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(jià)格優(yōu)勢，類型多樣且性能卓越，在市場上有很強(qiáng)的競爭力。

德國卡爾蔡司成立于1846年，是現(xiàn)存最古老的光學(xué)產(chǎn)品制造商之一，無論望遠(yuǎn)鏡、相機(jī)或是鏡頭，都相當(dāng)出色。憑借先進(jìn)的技術(shù)、可靠的質(zhì)量，其生產(chǎn)的天象儀遍布世界各地。Universarium IX作為旗艦產(chǎn)品雖功能完善，但價(jià)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(xué)研究所于1926年由五藤齊三創(chuàng)立，從天文望遠(yuǎn)鏡的生產(chǎn)、銷售起步，致力于制造精良的天文觀測和教學(xué)設(shè)備，對日本的天文普及事業(yè)作出了杰出的貢獻(xiàn)。1954年，五藤光學(xué)研制出日本國產(chǎn)天象儀，打破了卡爾蔡司獨(dú)家壟斷的局面。2004年，五藤光學(xué)提出并開發(fā)混合式天象儀，通過設(shè)置相同的坐標(biāo)空間，將光學(xué)星空與數(shù)字投影融為一體?；旌鲜教煜髢x能耗低、壽命長，成為天象儀演示系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

1928年，美能達(dá)的前身“日獨(dú)寫真機(jī)商店”在大阪創(chuàng)立。這是一家日本與德國合作的照相機(jī)店，最初依賴于德國技術(shù)起家。20世紀(jì)50年代，美能達(dá)成功研制天象儀，開始進(jìn)入天文光學(xué)領(lǐng)域。2003年，“攝影和光學(xué)技術(shù)專家”的美能達(dá)與“膠卷和感光技術(shù)專家”的柯尼卡合并，成立“柯尼卡美能達(dá)控股株式會社”。如果說五藤光學(xué)天象儀出身于天文望遠(yuǎn)鏡制造商的家族式企業(yè)，那么柯尼卡美能達(dá)天象儀則出身于相機(jī)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(dá)具有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力和較高的管理水平，其制作工藝和外觀設(shè)計(jì)均處于世界領(lǐng)先水平，同時具備星座圖、標(biāo)記等功能。

大平技研由日本發(fā)明家兼工程師大平貴之于2005年創(chuàng)立，以多元化的產(chǎn)品系列和絢麗多彩的星空表演而聞名。大平貴之在中學(xué)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(fā)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(shù)以萬計(jì)的恒星，就教學(xué)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(nèi)外天文館中天象儀演示系統(tǒng)的應(yīng)用

在天象廳的技術(shù)指標(biāo)上，通常設(shè)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(jù)國際天文館協(xié)會的統(tǒng)計(jì)，截至2019年，全球范圍內(nèi)大中型光學(xué)天象廳共計(jì)331座，其中超過半數(shù)的天文館選擇了日本品牌，尤以五藤光學(xué)最受歡迎。事實(shí)上，由于天象儀發(fā)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(chǎn)的天象儀。

在回顧天象儀誕生和發(fā)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(yè)中所扮演的角色。我國天象儀的研制始于20世紀(jì)50年代，北京工業(yè)學(xué)院（現(xiàn)北京理工大學(xué)）參照卡爾蔡司天象儀，在三個月內(nèi)自主開發(fā)了第一臺國產(chǎn)天象儀。后來，該校又借助北京天文館的力量，與北京光學(xué)儀器廠、北京電源控制設(shè)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(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了30年，可表演黃道上的二十四節(jié)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(xiàng)目的后期研發(fā)未能跟上，在此后的幾十年里，國產(chǎn)天象儀無論在性能還是在技術(shù)上都沒有本質(zhì)的提升。2007年，北京天文館完成更新改造，天象廳中的國產(chǎn)天象儀被更換為卡爾蔡司Universarium IX。

目前，國產(chǎn)天象儀在我國中小型天文館中占據(jù)主導(dǎo)地位，而大型天文館則主要使用外國品牌。比如，中國科學(xué)技術(shù)館的球幕影院采用了日本五藤光學(xué)研究所的Super Helios天象儀與美國益世電腦公司的數(shù)字天文系統(tǒng)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(dú)一無二的視聽享受。河北省科學(xué)技術(shù)館的宇宙劇場引進(jìn)了日本五藤光學(xué)研究所的GSS-VI天象儀及數(shù)字放映設(shè)備，其直徑為23 m、傾角為25°，既可放映天象節(jié)目，又可放映科學(xué)影片。

3 對天象儀演示系統(tǒng)功能的探討

近百年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，天象儀也隨著時代的變遷引發(fā)了一系列革命。1983年，美國益世電腦公司推出了數(shù)字天文系統(tǒng)，完全拋棄了傳統(tǒng)的光學(xué)投影模式，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，制作出電腦繪圖的數(shù)字天象儀。今天，光學(xué)天象儀與數(shù)字天文系統(tǒng)相結(jié)合成為現(xiàn)代大型天文館天象儀演示系統(tǒng)的首選解決方案。

作為光學(xué)天象儀核心部分的恒星星板，由專用超精密激光設(shè)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(shù)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(dú)立LED投影的真實(shí)色彩的亮星，可隨時控制開關(guān);恒星顏色基于恒星的光譜類型，能夠再現(xiàn)3.5等星范圍內(nèi)恒星的固有色調(diào)。系統(tǒng)包含太陽、月亮和行星投影機(jī)（肉眼可見的行星：水星、金星、火星、木星、土星）?？裳菔咎祗w的基本視運(yùn)動，包括周日視運(yùn)動、周年視運(yùn)動;太陽、月球和主要行星的視運(yùn)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(diǎn)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(biāo)系統(tǒng)（赤道、地平，黃道及其刻度值等），以及基本點(diǎn)、基本圈;準(zhǔn)確快速地切換至上下4 000年地球上任何地點(diǎn)所見的星空;運(yùn)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(jī)，多通道拼接融合實(shí)現(xiàn)全穹幕放映畫面的完整流暢，使得數(shù)字投影圖像對光學(xué)星空不產(chǎn)生影響。具備自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，可校準(zhǔn)混合數(shù)字圖像，并與光學(xué)投影保持同步。另外，數(shù)字投影系統(tǒng)可設(shè)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(chǎn)生設(shè)備或觀眾的陰影，不額外占據(jù)多余面積。

4 上海天文館中天象廳的建設(shè)

在建的上海天文館是當(dāng)前世界上建筑規(guī)模最大的天文館，旨在建設(shè)與上海城市形象相適應(yīng)的國際頂級天文館。其將擁有兩個大型球幕系統(tǒng)：（1）23 m多功能數(shù)字球幕影院配有8K數(shù)字投影系統(tǒng)、數(shù)字天文系統(tǒng)、激光表演系統(tǒng)和舞臺表演系統(tǒng)，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(xué)天象儀、數(shù)字投影系統(tǒng)、數(shù)字天文系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)與數(shù)字的聯(lián)動，逼真地演示自然星空及太空漫游。

經(jīng)過綜合考量，我們選用了日本五藤光學(xué)研究所的ORPHEUS天象儀與美國益世公司的數(shù)字天文系統(tǒng)Digistar 6。如圖1所示，ORPHEUS是2017年發(fā)布的新式中型天象儀。其安靜節(jié)能，機(jī)身結(jié)構(gòu)緊湊時尚，專用的行星投影機(jī)和日月投影機(jī)都集成在恒星球的兩端，尤其適用于混合式天象系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)圓頂直徑達(dá)8～16 m，且對應(yīng)水平、傾斜穹頂可擴(kuò)展至21 m，能夠同時容納100～200名觀眾。獨(dú)創(chuàng)性的星等調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)時間準(zhǔn)確計(jì)算行星的位置，顯示其大小和亮度的變化。Digistar 6數(shù)字天文系統(tǒng)主要由系統(tǒng)軟件包、主控服務(wù)器、圖形服務(wù)器、同步控制器、操作控制臺、外設(shè)接口、千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無線路由器等組成。作為全球第一家推出數(shù)字天象儀的廠家，美國益世公司開發(fā)了完整的數(shù)字天文數(shù)據(jù)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(jié)目以滿足觀眾的個性化需求。該系統(tǒng)成熟可靠，操作簡便，兼容性好，并可跨平臺使用云服務(wù)，真正做到互相通訊、共享數(shù)據(jù)。

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(fēng)吹樹葉），并配合大型穹頂?shù)谋普嫘强眨瑺I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(qū)域內(nèi)特別采用了紅色燈光，以避免觀眾的瞳孔縮小，達(dá)到最佳的視覺效果。工作人員穿梭其間，現(xiàn)場講解各種天文知識，充分體現(xiàn)了天象廳的科普價(jià)值，發(fā)揮其在天文教育領(lǐng)域的引領(lǐng)作用。

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