天象仪

天象仪（Planetarium projector）是安放在天文馆天象厅内的一种仪器，主要用于展示天文和夜空有关的教育与娱乐节目，或用于天文导航的训练。大多数天象仪的主要特征是有巨大的圆顶投影萤幕，可以在上面呈现恒星、行星和其他的天体，也可以演出和模拟它们在天球上复杂的运动和移动的现象。可以使用多种技术创建天体的场景，例如结合光学和机电技术等精密工程的恒星球，幻灯片投影机、放映机、全天投影系统和激光。无论使用那些技术，目的都是将天空中的目标连结在一起，提供它们精确的位置和相对运动。典型的系统可以依照地球上的纬度任意的设置一个时间点，无论是过去或未来，呈现出世界任一地点夜晚的天空。

天象仪在一些地区已经普遍应用，有些天象仪甚至是私人拥有的，粗略的估计在美国每十万人就有一个天象仪。这些天象仪所在的场所大小不一，从海顿天象馆直径20米可容纳430人的圆顶，到直径3米席地而坐的便携式充气圆顶都有。这些可以携带的天象仪可以在那些常设装置的博物馆和科学中心之外提供教学服务。

天象仪这个名称有时也会被用作说明与描述太阳系仪器，像是电脑模拟的太阳系仪（orrery）。天象仪软件是将三度空间的天空以二度空间的平面影像呈现在电脑萤幕上的软件。

## 历史

### 早期

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阿基米德被认为是第一位拥有可以预测太阳、月球与行星运动的原始天象仪的人，安提基特拉机械的发现，证明这种设备在古代早就已经存在。Johannes Campanus（1220-1296）在他著作的Theorica Planetarum描述了天象仪的结构和制作的方法。这种设备在今天通常称为太阳系仪（Orrery这个名称来自一位爱尔兰的贵族：18世纪的Orrery伯爵曾经建造了一个）。事实上，今天有许多的天象仪仍被称为太阳系仪投影器，因为它们只能将太阳和环绕着的行星（通常只从金星到土星）相对于时间的运动，在圆顶上正确的呈现出来。

在18世纪，太阳系仪的传统大小限制了它们的影响，在该世纪结束时，教育工作者才尝试制做较大尺寸的模拟天空。亚当沃克（1730-1821）和他的儿子，试图将教育的期望融合在戏剧的幻想中的努力是值得注意的。沃克的Eidouranion是他们在公开演讲和戏剧演出时的核心。沃克的儿子在介绍这个精致的机械时，描述他是个20尺高，27尺直径：在开始操作前，它垂直站立在观众之前，这个球体是如此的巨大，在距离剧场很远的地方都能看得见。每颗行星和卫星似乎都是单独的悬在空中，没有任何的支撑，也没有任何明确的理由日复一日。年复一年的运转着。其他的演讲者提升它们自己的设备：R E劳埃德公布他的Dioastrodoxon，或称为巨大透明的太阳系仪；在1825年，William Kitchener提供他自己的Ouranologia，这是直径42ft42尺（13米）的大圆。但这些设备几乎都牺牲了天文学上的精确性，只是以耸动的影像对人们的景观和感觉挑战。

最古老的，仍能够操作的天象仪存在于荷兰的小镇法兰内克。他被建造在Eise Eisinga（1744-1828）的房屋的客厅中。Eisinga的天象仪于1781年建造完成，花了他7年的时间。

在1905年，位于德国慕尼黑德意志伯物馆的奥斯卡·冯·米勒（1855-1934）委托在耶拿的卡尔蔡司光学公司的总工程师M Sendtner，后来由Franz Meyer接手，更新原本由齿轮驱动的太阳系仪。那是当时最大的机械式天象仪，可以演示以地球为中心和以太阳为中心的两种运动。德意志博物馆的这件展示受到一次大战的影响一度中断，直到1924年才完成。行星的运动使用电动马达，沿着架空的轨道运行：土星轨道的直径达到11.25米，电灯泡可以在墙面上投射出180颗恒星。

当这件工作还在进行时，冯米勒也在蔡司的工厂工作，与德国天文学家马克斯·沃夫，海德堡大学王座山天文台天文台台长，合作，进行一种全新和新型的设计，灵感则来自芝加哥科学院工作的Wallace W. Atwood和出自卡尔·蔡司Walther Bauersfeld的想法。结果是安装在一间半球型房间中心，可以利用内部的光学投射出恒星和行星的光点，并且演示所有必要运动状况的天象仪设计。在1923年8月，第一架蔡司天象仪（地一带模组）在耸立在蔡司工司屋顶上，直径16米半球的球心，将夜空的图像投影在砌上白石膏的混凝土穹顶。第一次公开的播放则是于1923年10月21日在慕尼黑的德意志博物馆举行。

在第二次大战之前，几乎所有的天象仪都是蔡司公司制造的，只有唯一的例外，由名为Korkosz的两兄弟建造，一个是在麻塞诸塞州春田市，和另一个在加利福尼亚圣荷西，由美国的玫瑰十字会（Rosicrucian AMORC）下的订单。

### 二次大战后

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当德国在二次大战后分裂成东德和西德时，蔡司公司也分裂为两部分，留在东德耶拿的是传统的总部，而有部分迁移到西德。设计出第一架蔡司天象仪的Walther Bauersfeld，直到1959年过世时都留在耶拿。

西德的蔡司公司在1954年恢复大型天象仪的产制，几年后东德蔡司也恢复小型天象仪的生产。同时间，缺乏天象仪制造商的特殊环境，也造成一些机构尝试发展出独立的模型，像是加利福尼亚州科学院在旧金山市金门大桥公园建造的，从1952年一直工作到2003年。另一架由Korkosz兄弟为波士顿科学博物馆建造的天象仪，在很长的一段时间内，是唯一能投射出天王星的，大多数的天象仪都因为只有在最好的条件下肉眼才能看见的理由，将天王星省略掉了。

担心会因为失去在太空中发现新事物的机会而丧失领先优势，受到刺激的美国在1950和60年代的太空竞赛时期，在全美各地的高级中学安装了超过1,200架的天象仪，为天象仪在全球的普及提供了很大的推动力。

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阿曼德·史匹哲认为小而便宜的天象仪有市场的价值，于是推出他的第一个模型，史匹哲A，从一个12面体投射出恒星的设计，从而减少了创建一个球体所需要的加工费用。行星虽然不能由机械投射，但可以用手动来移动。在之后又推出了数种功能晋阶的模组，最后一种是A3P，可以投射超过一千颗的恒星，并可以用马达变换纬度、周日运动、太阳的周年运动、月球（包括相位变化）和行星。从1964年至1980年代，有数百个中学、高中，甚至小型博物馆都安装了这种模组。

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日本从1960年代也进入天象仪的制造商务，五藤光学研究所(株)和美乐达这两家公司都成功的行销几种不同的模组。五藤公司特别成功，经由日本教育部将它们最小的E-3或E-5型（数字代表相对应的圆顶直径）分送给日本国内的每个小学。

在纽约市海顿天象馆的知名讲师，菲利浦·斯特恩（Phillip Stern），有个创意，要剑造一架可程控的天象仪。他在1967年介绍的阿波罗模组，采用塑胶程式模板，录制讲词电影带。由于自己无力支付研发所需费用，斯特恩成为Viewlex公司天象仪部门的主管，这是位于长岛的一间中等规模的视听公司。大约制做了30种套装节目，可以提供不同程度的内容给民众观赏与学习，而且操作者还可以在天象仪上即时执行自己创建的天象节目。阿波罗的买主可以任意的挑选两个套装节目，并且还可以选购更多其他的节目。在售出了数百个之后，在1970年代末期，Viewlex宣布破产，但原因与天象仪的业务无关。

在1970年代，OmniMax影片系统（就是现在的IMAX Dome）被构思在天象仪的银幕上放映。最近，有一些天象馆已经重新定位自己是圆顶剧场（dome theaters），更广泛的产品包括宽银幕或环场影片、全天域视频和激光绘图模组。

麻塞诸塞州的星空实验室在1977年发展出第一个可以携带的天象仪，它能从可移动的圆柱投射出恒星、许多神话的星座图、天球坐标系统和其他许多天体（Viewlex和其他人也有自行发展的便携式天象仪）。

当1989年两德统一时，两间蔡司公司也合而为一，它们在天象仪的产品也涵盖了各种大小不同的圆顶。

### 电脑操控天象仪

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在1983年，Evans & Sutherland安装了第一架使用电脑影像的天象仪（犹他州盐湖城的汉森天象馆），使用Digistar I数位投影机以向量图来显示星场，效果如同简图一样好。

最新一代的天象仪完全使用数位投影系统，并使用全天域视频技术。这给操作人员极大的灵活性，不只可以显示现从地球能看见的夜空，还能显示任何他们想呈现的影象（包括从距离遥远的太空和时间所见到的夜空）。

新一代的家用天象仪在大平贵之（Takayuki Ohira）和世嘉公司的合作下于日本推出。2005年在爱知博览会的展示，使大平成为全球知名的便携式天象仪研发首脑人物。他的家庭之星天象仪可以装在一个小盒子内，其大小仅能供家庭使用，但却可以在天花板上投射出一万颗的恒星，使它足以做为半专业的使用。

## 天象仪技术

### 圆顶

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天象仪圆顶的尺寸可以从3米到30米，容纳的人数从1个人至500人不等。它们可以是永久固定式的，也可以是可携带的，取决于当初的设计。

- 便携式充气圆顶的结构可以在几分钟内展开，这种圆顶的构造通常用于行动式的参观，例如学校和社区中心的天象仪。
- 使用玻璃纤维强化塑胶（GRP）的临时结构，可能用扇形螺栓，安装在框架上。它们可能需要花几个小时来搭建，这种组合比较适用于展览的场合，而这种圆顶至少会持续的用上好几天。
- 负压充气的穹顶结构，适用于半永久性的场所。它们使用风扇从圆顶后面的表面抽取空气，利用大气压力使它保持正确的型状。
- 较小的永久性天象馆圆顶经常是使用玻璃纤维强化塑胶建造。这是种价格便宜，但是做为投影表面时不仅会反射光线也会反射声音，这种型式圆顶内部的声学会减损它的实用性。因为空气不能通过，对有着大量观众的天象馆，这种固态的圆顶也存在着散热和通风的问题。
- 使用传统建筑材料的较老旧天象馆，圆顶表面会使用石膏。这种方法比较昂贵，并且和玻璃纤维强化塑胶一样有着传声和通风的问题。
- 最现代的天象馆使用背后有骨架结构支撑的铝板，在做为圆顶的铝板上面很容易打出数千个小孔，这就减少了反射至观众的声音（提供了较佳的声音特性），让声音可以透过圆顶后面的音响系统投射（使声音似乎来自与其相关的方向），并且允许空调系统的气流能经由投影表面的小孔流通。

在天象厅观看体验的现实性取决于影像的动态范围，也就是黑暗和光亮的对比。这对任何一个半球形的投影环境都可说是一种挑战，因为在圆顶的一侧投射出明亮的影像，会将光线反射至另外一侧，提升黑暗水准，使整个的影像看起来失去真实感。因为传统天象仪的演示主要是在黑暗的背景上显示出小光点（也就是恒星），这还不是一个重要的问题，但是数位投影系统开始用明亮的物件填充了圆顶的大部分，这就成了一个大问题（例如，在出现太阳的巨大影像前后）。因为这样，现代的天象厅圆顶通常不会绘画成白色，而宁愿使用中灰色，使反射率降到只有35-50%。这会增加对比度和感知的水准。

圆顶的另一个挑战是，要使接缝尽可能的消失于无形。绘画圆顶是一种主要的手段，如果做得适当，接缝几乎可以完全被消除。

传统上，天象厅的圆顶是水平架设的，以匹配真实自然环境真实的夜空。但是，因为这样的结构需要配置高度倾斜的椅子才能舒适的竖直向上观察，越来越多的圆顶被修渐成对水平倾斜5至30度之间，以获得更大的舒适度。倾斜的圆顶倾向于会创造出一个最适宜观赏的和受到偏爱的'甜斑点（热门区）'，大约集中在圆顶的最低点至最高处三分之一处。倾斜圆顶的座椅安排一般都像体育场一样，是分层成列的排列；水平式圆顶的座位通常成圆弧列，同心圆排列（面向中心）或偏心圆弧列（面像前方）。

偶尔有些天象馆会在座椅的扶手上安装控制器，像是按钮或摇杆，让观众回馈可以即时的影响节目的剧情。

通常围绕着圆顶（穹窿）周边通常会有：

- 类似环绕在天象馆周围地区的地理环境或建筑物的轮廓。
- 模仿黄昏或城市光污染的灯光效果。
- 在天象馆的地平线装饰包括不明飞行物在内的飞行器小模型。

传统上，天象馆需要布置许多白炽灯环绕着穹窿协助观众进入和离开，并且模拟日出和日落，并为清洗圆顶的工作提供照明。最近，固态的LED照明已经减少了大量的电力耗费，并且不需要经常更换灯泡，也减少经常性维护照明设备的需求。

世界最大的机械式天象仪座落在威斯康辛州莫尼卡（Monico）的科瓦奇（Kovac）天象仪，直径22英尺，重2公吨，球体全由木材制作，并且由可变频调速的马达控制与驱动。它比在芝加哥的亚特坞球（直径15英尺）大，但只是海顿天像仪的三分之一大小。

## 全球最大的天文圆顶

日本名古屋市科学馆兴建的一座天文圆顶，于2011年春季完成，为目前全球最大的天文圆顶，直径为35米。在此之前，全球最大的天文圆顶位于日本爱媛县新居滨市的爱媛县总合科学馆，圆顶直径为30米。

### 传统的电子机械/光学投影器

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传统的天象仪投影设备使用内置灯泡的空心球，以针孔呈现每一颗恒星，因此这个球称为"恒星球（star ball）"。对最亮的一些恒星（例如：天狼星、老人星、织女星），洞孔必须够大才能通过足够的光量，因此必须要一个小透镜将光线聚集在圆顶上产生锐利的光点。在以后和现代天象仪的恒星球，这些亮星通常会有独立的、形状像手电筒的投影器，以单独的透镜聚集灯光，并联上断路器或遮罩以防止投影机投射到'地平线'下方。

恒星球通常安置在架台上，它可以整体的旋转以模拟地球的周日运动，并且可以改变模拟的纬度。通常，这也意味着它也可以旋转来制造分点岁差的现象。有时，恒星球会附加上黄道南极，在这种情况下，不能进行太南方的观察，因为投影在圆顶上的南天会是一片黑暗的区域。有些恒星投影是用在支架两端像哑铃一样相对着的两个球，在这种情况下，天空中全部的恒星，无论是极区还是任何其它的区域，全部都能显现出来。但是，在两颗球重叠的部分（通常是赤道区域）的投射必须能重叠并相互匹配在一起。

更小的天象仪投影器包括一套恒星、太阳、月球和行星，还有各式各样的星云。更大的投影机还包括彗星和更多可选择的恒星。额外增加的投影机可以在屏幕的周边显示暮曙光（包含完整的城市或乡村景色）和银河，其它的还有座标线和星座、摄影的幻灯片、激光秀，和显示其他的影像。

每颗行星都被明锐聚焦的灯光投射在圆顶上成为光点。行星投影仪都必须有转动的机械装置可以移动位置，从而可以模拟这些行星的运动。它们可以有这些类型：

- 哥白尼学说：轴代表太阳。每个转动的物件代表一颗行星，这个灯光必须被安排和引导，使明亮的一面永远朝向代表地球的物件。这样的机器目前有下列的问题：
- 行星的灯光由电线供给，当行星转动时电线会被扭转，会使电线中的铜（金属）因为反复不断的被扭转而导致金属疲乏。
- 当行星在与地球冲的位置时，它的光线很容易被机械的中心轴遮蔽。(如果机械的设置从实际位置旋转180°，灯光从地球照射到每一颗行星，则每颗行星在与地球合时，也会发生遮蔽的风险。)（对天象馆，这需要一个托勒密系统的轨道来固定天王星，当年托勒密并不知道这颗行星。）
- 托勒密系统：此处，中心的轴代表地球。代表行星的灯光只需要绕着轴心旋转，它只需要进行周转圆（本轮）变化的调整（或是无论天象仪的制造商如何称呼它）。此处，托勒密的数值必须修定和移除周日运动，这是天象仪需要顾虑到的。
- 计算机控制：所有行星的灯光都在支架上，只相对于中心轴旋转，并且由计算机来校准。

尽管能提供良好的观测经验，传统的恒星球投影器仍然受到一些固有的限制。从一个实用的观点看，在低光度的环境下，眼睛需要几分钟才能完成黑暗适应，恒星球在教学上的用途被局限地球环境下看见的夜空。最后，对多数传统放映机的挑战是各种不同投影系统的覆盖，要正常的呈现掩星是无能为力的。这就是说当行星投射在星场时，应该被遮蔽的恒星依然会在行星的影像上闪耀着，贬低了观众观赏的品质。另一个相关的原因，是有些天象仪会将地平线以下的恒星投射在圆顶下方的墙面上或是地板上，或是（对亮星或行星）会照射到某些观众并在它们的眼睛中闪烁著。

但是，新生产的光学机械投影机使用光纤技术来呈现恒星，使天空的显示更接近真实的图像，远比任何数位星象投影机的效果更好。

### 数位投影器

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越来越多的天象仪使用数字技术来取代整个系统内互相关联和环绕着传统灯泡的投影机，以解决系统所受到的限制。相较于传统灯泡的天象仪，数位天象仪的制造商自称不仅能降低了维修的成本，还能提高了可靠度，因为只需要使用少数几个的移动机制，并且这几个独立的系统不再需要与圆顶同步运动。有些天象馆在同一个圆顶中混合了传统的光学投影机与数位这两种技术。

一个全数字化的天象仪，圆顶内的影像通常是由电脑来生成，然后使用包括阴极射线管、LCD、DLP或激光投影机等各种设备来将影像投射道圆顶上。有时在接近圆顶的中心点用单一的鱼眼镜头将灯光投射到整个圆顶，而在其他的配置中，会在环绕圆顶地平线附近，使用几个投影机投射出无缝接合的影像。

所有数位投影机的系统都将夜晚的星空图像作成一个巨大的像素阵列，一般来说，一个系统可以显示的像素越多，观看时的体验也就越好。当时第一代的数位投影机还没有足够的像素可以与传统的高清灯泡投影机相匹敌，而现在的高端系统已经达到人类视力解像力的极限值。

LCD投影机在投射出真实的黑色光线上有其基础能力的极限，因而限制了他们在天象仪上的应用。LCOS和改良过的LCOS投影机已经改善了液晶的对比比率，同时也消除了像素之间微小缝隙的“萤幕门”现象。“黑芯片”DLP投影机改善了标准DLP投影机的设计，并且对明亮的影像提供了更便宜的解决方案，但是投影机需要实体的阻绝器。由于技术的成熟和价格的降低，使激光投影机用于圆顶的前途看好，它提供了明亮的影像、大的动态范围和宽广的色彩空间。

## 天象仪秀内容

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## 参考资料

- King, Henry C. "Geared to the Stars; the evolution of planetariums, orreries, and astronomical clocks" University of Toronto Press, 1978
- Directory of Planetariums, 2005, International Planetarium Society
- CATNYP -- Catalog of New York Planetariums, 1982

## 外部链接

- IPS (International Planetarium Society)
- WPD (Worldwide Planetariums Database)
- PlanetariumsClub
- /Science/Astronomy/Institutions/Planetariums/