天象儀演示系統(tǒng)的演進(jìn)與具體應(yīng)用,天文學(xué)論文摘要：通過(guò)介紹當(dāng)下國(guó)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，討論了怎樣把星空搬進(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(shí)。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：天文館;光學(xué)天象儀;數(shù)字天文系統(tǒng);Abstract：Byintroducingthetechnologicaldevelopmentofthecurrentinternationaldemonstrationsystemsonastronomy,thispaperanalysesthecharacteristicsofastronomicalinstrumentsinplanetariumsallovertheworld,anddiscusseshowtomovethestarsintothehouse,andusetheopticalastronomyandthedigitalastronomicalsystemtodisplayastronomicalphenomenaandpopularizeastronomicalknowledgebasedonthecasestudyofShanghaiPlanetarium.Keyword：planetariums;opticalastronomy;digitalastronomicalsystem;0、引言在天文館中，最經(jīng)典的展項(xiàng)莫過(guò)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(guó)卡爾蔡司公司首創(chuàng)發(fā)明，1925年初次出如今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(yáng)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(huì)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(duì)宇宙的崇敬和考慮。1、天象儀演示系統(tǒng)的發(fā)展當(dāng)前，國(guó)際知名的光學(xué)天象儀設(shè)備制造商共有四家：德國(guó)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，華而不實(shí)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(duì)德國(guó)品牌而言，日本品牌具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，類型多樣且性能卓越，在市場(chǎng)上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。德國(guó)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(wú)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。UniversariumIX作為旗艦產(chǎn)品雖功能完善，但價(jià)格特別昂貴，且所需空間較大，通常適用于直徑超過(guò)20m的場(chǎng)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(cè)和教學(xué)設(shè)備，對(duì)日本的天文普及事業(yè)作出了出色的奉獻(xiàn)。1954年，五藤光學(xué)研制出日本國(guó)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(guò)設(shè)置一樣的坐標(biāo)空間，將光學(xué)星空與數(shù)字投影融為一體。混合式天象儀能耗低、壽命長(zhǎng)，成為天象儀演示系統(tǒng)將來(lái)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(guó)合作的照相機(jī)店，最初依靠于德國(guó)技術(shù)起家。20世紀(jì)50年代，美能達(dá)成功研制天象儀，開場(chǎng)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(huì)社。假如講五藤光學(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(shí)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出名。大平貴之在中學(xué)時(shí)期就開場(chǎng)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?jī)H為30kg，與天文館的大型天象儀相比，幾乎就是不可思議的輕。不過(guò)，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(wàn)計(jì)的恒星，就教學(xué)用處而言，是綽綽有余的。然而，MEGASTAR卻能夠投映過(guò)百萬(wàn)的恒星，是大型星象儀的幾百倍。2、國(guó)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18m以上的為大型天象廳，12～18m之間的為中型天象廳，12m下面的為小型天象廳。如表1所示，根據(jù)國(guó)際天文館協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，截至2022年，全球范圍內(nèi)大中型光學(xué)天象廳共計(jì)331座，華而不實(shí)超過(guò)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，由于天象儀起源地在德國(guó)，因而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(guó)的日本，幾乎每座城市都有自個(gè)的天文館，則偏愛(ài)本國(guó)生產(chǎn)的天象儀。表1全球大中型天象廳中天象儀的制作商統(tǒng)計(jì)在回首天象儀誕生和發(fā)展的歷程中，我們不得不提到中國(guó)制造的天象儀及其在中國(guó)天文館事業(yè)中所扮演的角色。我們國(guó)家天象儀的研制始于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(gè)月內(nèi)自主開發(fā)了第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)天象儀。后來(lái)，該校又借助北京天文館的氣力，與北京光學(xué)儀器廠、北京電源控制設(shè)備廠合作，研制出具有中華特點(diǎn)的大型天象儀。從1976年至2006年，這臺(tái)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(guó)人的觀星視角。然而由于種種原因，該項(xiàng)目的后期研發(fā)沒(méi)有能跟上，在這里后的幾十年里，國(guó)產(chǎn)天象儀無(wú)論在性能還是在技術(shù)上都沒(méi)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(guó)產(chǎn)天象儀被更換為卡爾蔡司UniversariumIX。當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)天象儀在我們國(guó)家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(guó)品牌。比方，中國(guó)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SuperHelios天象儀與美國(guó)益世電腦公司的數(shù)字天文系統(tǒng)Digistar6，其直徑為30m、傾角為30，以仰望蒼穹的視角和清楚明晰璀璨的影像帶給觀眾唯一無(wú)二的視聽(tīng)享受。河北省科學(xué)技術(shù)館的宇宙劇場(chǎng)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23m、傾角為25，既可放映天象節(jié)目，又可放映科學(xué)影片。3、對(duì)天象儀演示系統(tǒng)功能的討論近百年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，天象儀也隨著時(shí)代的變遷引發(fā)了一系列革命。1983年，美國(guó)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)投影形式，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)合成為當(dāng)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，由專用超精致細(xì)密激光設(shè)備加工而成，以保證1m的位置精度。光源采用高亮度、長(zhǎng)壽命的LED，以保證30000h的使用壽命。主要演示功能包括投影天球全夜空星體，華而不實(shí)恒星數(shù)量不少于9500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(yáng)以外〕視直徑不大于10，星體銳利亮堂并具有閃爍特征；擁有不少于27個(gè)獨(dú)立LED投影的真實(shí)色彩的亮星，可隨時(shí)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(yáng)、月亮和行星投影機(jī)〔肉眼可見(jiàn)的行星：水星、金星、火星、木星、土星〕。可演示天體的基本視運(yùn)動(dòng)，包括周日視運(yùn)動(dòng)、周年視運(yùn)動(dòng)；太陽(yáng)、月球和主要行星的視運(yùn)動(dòng)；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、黃道光及模擬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(guó)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4000年地球上任何地點(diǎn)所見(jiàn)的星空；運(yùn)動(dòng)速度不小于18/s。選用高比照度原生4K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好流暢，使得數(shù)字投影圖像對(duì)光學(xué)星空不產(chǎn)生影響。具備自動(dòng)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)置在天象廳的圍欄之中，可以放置于球幕的邊緣，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)下世界上建筑規(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(guó)際頂級(jí)天文館。其將擁有兩個(gè)大型球幕系統(tǒng)：〔1)23m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(tái)表演系統(tǒng)，屆時(shí)不僅能夠播放壯美磅礴的宇宙大片，而且能夠舉辦如夢(mèng)似幻的星空音樂(lè)會(huì)；〔2)17m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(dòng)，逼真地演示自然星空及太空遨游。經(jīng)過(guò)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(guó)益世公司的數(shù)字天文系統(tǒng)Digistar6。如此圖1所示，ORPHEUS是2021年發(fā)布的新式中型天象儀。其平靜節(jié)能，機(jī)身構(gòu)造緊湊時(shí)髦，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(duì)應(yīng)圓頂直徑達(dá)8～16m，且對(duì)應(yīng)水平、傾斜穹頂可擴(kuò)展至21m，能夠同時(shí)包容100～200名觀眾。獨(dú)創(chuàng)性的星等調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)算行星的位置，顯示其大小和亮度的變化。Digistar6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(tái)、外設(shè)接口、千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無(wú)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(guó)益世公司開發(fā)了完好的數(shù)字天文數(shù)據(jù)庫(kù)，包括大量天文事件、天體及探測(cè)器模型，便于用戶自行制作天文節(jié)目以知足觀眾的個(gè)性化需求。該系統(tǒng)成熟可靠，操作簡(jiǎn)便，兼容性好，并可跨平臺(tái)使用云服務(wù)，真正做到相互通訊、分享數(shù)據(jù)。圖1ORPHEUS天象儀如此圖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(yíng)造出暮色將盡、華月初生的情景，人們仿fo被布滿閃爍星星的天空所包圍。值得注意的是，區(qū)域內(nèi)十分采用了紅色燈光，以避免觀眾的瞳孔縮小，到達(dá)最佳的視覺(jué)效果。工作人員穿梭其間，現(xiàn)場(chǎng)講解各種天文知識(shí)，充分具體表現(xiàn)出了天象廳的科普價(jià)值，發(fā)揮其在天文教育領(lǐng)域的引領(lǐng)作用。圖2上海天文館天象廳以下為參考文獻(xiàn)[1]林清.上海天文館[J].科學(xué)，2021(5):37-41.[2]施韡.在上海天文館暢游宇宙[J].中學(xué)科技，2021(2):6-9.[3]張楠.國(guó)產(chǎn)大型光學(xué)天象儀的早期研制與影響[J].自然辯證法研究，2021(7):55-60.[4]陳丹.中國(guó)天象儀[J].天文喜好者，2020(3):82-85.[5]郭霞，李元.天象儀80年變遷[J].天