天象仪的发展及在科普场馆中的应用研究

李艳涛

（北京天文馆，北京100044）

天象仪和天文馆在英文中是同一个单词planetarium，最初用来称呼一种能够演示行星运动的机械装置——行星仪；现在用来指一种光学投影仪器，它能够把恒星、行星、卫星以及各种相关天文现象投影到半球状的银幕上，演示人造星空；安置天象仪的屋子，甚至整个建筑或机构，也叫作planetarium；在中文中，则分别译为天象仪、天象厅和天文馆。因此，经常有人说，世界上因为有了天象仪所以有了天文馆。

1 天象仪的诞生

光学天象仪是用光学、电子和机械技术，真实地放映出肉眼可见的天文现象，因此也叫机械模拟光学投影式天象仪。

一直以来德国蔡司天象仪都是光学天象仪的“主角”，在第二次世界大战以前它是唯一的品牌，第二次世界大战之后，虽然出现了美国的斯匹茨天象仪和日本的五藤天象仪及美能达天象仪等其他品牌，但是其“主导”地位并没有改变，直到今天仍然是这样。

天象仪发明于1923 年，严谨的德国人鲍尔斯菲尔德凭借其丰富的想象力，依托德国坚实的机械和光学实力，发明了可以演示真实星空的天象仪。第一架蔡司天象仪由一个直径50 cm 的恒星球和一组放映日月行星的笼架组成。恒星球上有31 个放映镜头，可以放映出4 500 颗恒星。球心是一个500 W 的放映灯泡。通过31 张星片，就像幻灯片一样，把31 个区域的星星投射到天幕上组成完整的星空。从1923年鲍斯菲尔德发明天象仪到1939 年美国匹兹堡天文馆诞生，这短短的16 年期间，就有27 台蔡司天象仪交付使用。此时的天象仪，已经不仅仅是博物馆中的一件展品，它已经发展成为一个传播天文学知识、历史和文化的中心，天象仪和天文馆已经从德国的耶拿走向了世界。

2 天象仪与北京天文馆

早在1925 年，一名在德国留学的北大学生在《东方杂志》发表了题为《新发明之天文仪器》的文章。文中首次介绍了蔡司天象仪诞生的简要过程，并描述了蔡司Ⅰ型设备的观看体验。此应是蔡司天象仪出现在中国报刊中的最早记录，也是中国人参观蔡司天象仪的最早记录。

1929 年，《学生杂志》的实际负责人邵子风发表《北极星的出没及原因》一文，作者用千余字介绍了蔡司天象仪的简单构造及功能并配图5 幅。这篇文章不但首次向中国读者披露了蔡司天象仪的图片，同时也较为详细地介绍了蔡司天象仪的相关信息。

1931-12-23，在南京举行的中国天文学会第九届年会上，中国近现代天文事业的奠基人高鲁作了题为《假天——就是一架天象仪》的演讲，将蔡司天象仪介绍给国内的天文界同仁。随后，天文学家张钰哲也在《科学》杂志上发表长文《假天》。至此，蔡司天象仪被正式介绍给中国的公众，其中文名称、功能和详细结构部件也随之在中国发表。

1923—1949 年间，高鲁等近代天文学家，以及北京古观象台的工作人员都曾呼吁在中国引进光学天象仪，建立一座天文馆。但由于当时的特殊国情，始终未能实现。然而，天文界人士一直没有放弃在国内建立天文馆的设想，经过李元、张钰哲等人的不懈努力，在新中国政府与中国科学院的支持下，中国大陆第一座天文馆——北京天文馆于1957 年正式对外开放，天文学家陈遵妫任馆长，中国观众从此可以在国内观看蔡司天象仪的表演。

3 天象仪在北京天文馆的变迁

北京天文馆天象厅作为中国最早建设的天象厅，也是中国大陆地区最大的地平式天象厅，自1957-09-29 开馆以来，前后一共使用过3 台大型的光学天象仪。

第一台是耶拿蔡司生产的第二代宇宙投影天象仪，型号为UPP 23/2 型。它是二战后继斯大林格勒天文馆（UPP 23/1S型）、哥白尼天文馆（UPP 23/2 型）之后，耶拿蔡司生产的第三台大型光学天象仪。因此，北京天文馆也就成为了二战后建立的第三座大型天文馆。

第二台是20 世纪70 年代由当时的北京工业学院、北京光学仪器厂、北京电源控制设备厂和北京天文馆联合研制的国产大型天象仪。该天象仪从1976—2007 年在北京天文馆连续服役31 年，接待了2 000 多万观众，成为了一代人的集体记忆。该国产天象仪的主要特点就是能够表演黄道上的二十四节气以及恒星天空中的三垣二十八宿，反映出了中国人的观星视角。

第三台是卡尔蔡司Universarium IX 型光学天象仪，它是整个天象厅的心脏，能够逼真地还原地球上肉眼可见的9 000 颗左右恒星，投影星空的质量和真实星空的感觉一致，恒星的闪烁、星点颜色感觉真实自然，为观众带来最真实的星空体验。该光学天象仪演示的全天恒星位置以国际通用星表为基础，与实际位置没有可察觉偏差，星板上恒星位置偏差小于1 μm；光源采用2 个功率为400 W 的普通弧光灯，以保证系统能运行在一个安静和低热的环境中；在23 m 天象厅中单独使用Universarium IX 光学天象仪的情况下，其亮度可以达到150 勒克斯以上。投影部分包括恒星球和行星投影器，可以演示天体的基本视运动，包括周日运动和周年运动。恒星球可以投影银河、仙女座大星云、大小麦哲伦星系、鬼星团、毕星团以及天狼星、老人星、牛郎织女星等知名亮星；显示全天88 星座连线、图像和中文名称；显示基本天文坐标系统，包括赤道、地平、黄道及其刻度值等。行星投影器用来演示太阳、月球和主要行星的视运动；独立演示不同类型的日食、月食；逼真还原水星逆行、金星逆行等平时难以观测到的天文奇观。蔡司Universarium IX 型光学天象仪自2008 年投入使用以来，凭借逼真的星空还原效果，备受观众喜爱。

天象仪是帮助人们认识星空了解宇宙的一个工具，其自诞生到如今已近百年，历经数次科技革新。然而，无论天象仪怎样变革，其所要表现的最本质的概念依旧是灿烂的星空，没有了星空，一起都无从谈起。

4 天象仪的应用探讨

4.1 “现场秀”式光学天象节目探索

目前，中国所有的科技场馆球幕影院都是以播放球幕影片为主，研究探索“现场秀”式光学天象节目可以拓宽球幕影院的应用范围，挖掘球幕影院的最大科普功效。“现场秀”式光学天象节目可以按照学龄前儿童、小学生、中学生、大学生及一般观众等不同年龄段进行细分，使得科普内容更具有针对性；另外，“现场秀”式光学天象节目可以根据社会热点或重要天文现象随时调整内容，使得每个节目都具有唯一性，达到节目常换常新的效果，有利于科普宣传。

4.2 回放式光学天象节目制作

以北京天文馆蔡司天象仪的Unipost 系统为例，其既可以通过手动面板操作，也可以使用PC 键盘启动所有控制命令。更重要的是，蔡司天象仪支持直接创建Cue 文件，按照天象节目剧本进行指令编辑，再通过设置固定时间和相对时间将各种指令进行串联，形成完整的按照时间排序的节目指令段。除此之外，蔡司天象仪最新的Skycontrol 控制系统可以自动识别SMPTE 时间码，因此可以通过读取时间码跟天象厅的其他多个不同设备同步协作，进而制作出各种回放式光学天象演示节目。

4.3 光学天象仪与数字天象系统结合的天象节目研究

一般意义上认为，光学天象仪能够给观众提供更好的观星体验，而数字天象系统则可以演示更丰富的节目内容和更强烈的视觉沉浸感。各系统之间可以通过串口信号进行通信，实现光学天象、数字天象以及激光系统的协同。在天象节目创作过程中，如何巧妙地调用各个系统使其发挥出自身优势，将成为新型天象节目创作的一个难点。

5 结语

目前，国内的科普场馆球幕影院多是以播放回放式节目为主，对于天象仪的应用研究较少，究其原因就是对天象仪的功能定位模糊以致找不到合适的切入点。

相比数字天象节目而言，“现场秀”式光学天象节目更能调动观众积极性，触动人们内心深处对于美好星空的向往。本质上，天象仪的作用应该类似于图书馆而非电影院，其核心在于对各阶段学校教育的补充以及对青少年天文学的启蒙。科普场馆需要利用天象仪架设起公众与璀璨星空之间的鹊桥，传播科学精神，启发天文梦想。