星象儀的百年演進：探索逼真模擬星空的歷史與未來

重現逼真星空奇景的 Mark I 星象儀

英文單字 planetarium 泛指能表達與演示人類宇宙觀的各種設施，歷史上不同年代、不同設計理念的器材、模型或建築物都可能被稱為 planetarium，在中文裡，則依照其特性翻成不同名稱。目前我們稱為星象儀或天象儀的東西，精確一點應該稱為「投影式星象儀」。依據其投影原理，可以區分成光機（透鏡）式、針孔式和數位式三種。最後，也將會提到一項正在發展中的LED球幕星象儀。

前面提到德國蔡司公司在 1905 年接到德意志博物館的一項展品開發委託計畫。過程中，馮米勒與海德堡大學的沃夫 (Max Wolf) 以及蔡司公司的保瑟菲德 (Walther Bauersfeld) 和史托貝爾 (Rudolf Straubel)，在原有的要求外，他們想到了一個全新的想法。

受芝加哥阿德勒天文館的阿特伍德球啟發，他們把整個天空分成許多小區域，再做出並開發了能投射對應這些區域星點的幻燈投影機，然後，把這些幻燈機固定到一個可轉動的架子上，再將架子固定在一個半球形圓頂的中心。當這些幻燈機把畫面投射到圓頂內牆時，組合起來就是一個完整而逼真的星空了。

如果架子的軸心可以轉動，就可以進一步模擬地球自轉產生的日周運動（東升西落）。至於行星在黃道上運行的變化，則可以外掛幾架獨立的投射筒。這麼一來，這架機器就幾乎可以模擬人眼看得到的所有天體運行了。這就是第一架現代投影式星象儀：蔡司的 Mark I 星象儀。

Mark I星象儀在 1923 年中開發完成，8 月先在蔡司位於耶拿市 (Jena) 的工廠屋頂架了一個直徑16 公尺的圓頂組裝測試，之後再分解運到慕尼黑的德意志博物館重新安裝，不過博物館圓頂直徑只有10 公尺，最後於 1923 年 10 月 21 日正式啟用。

超逼真！迎接天文教學新時代

這種把星點投射到一個球殼形內牆的設備可以投射出整個星空，而且這樣的星空非常逼真，效果是以往那些 planetariums（天球儀、太陽系行星儀）完全無法比擬。而相較於直徑只有 5 公尺的阿特伍德球，16 公尺或 10 公尺圓頂能容納的人數多了數倍，加上觀賞距離拉遠之後看到的星空更接近真實，星點細膩度也遠超過之前的設備，因此廣受大眾好評，一時成為大國炫耀國力的指標，也為天文教學開啟了一個全新的時代。

這種設備完整來說可以叫做「光學機械式 (Opto-Mechanical) 星象模擬儀」（簡稱光機式星象儀）。光機式星象儀的構造，簡單來說就是一個大球殼的中心放一顆大燈泡，球殼上挖了許多大洞，每個洞安裝一架錐形的幻燈機，幻燈機底下是一片雕著星點的黑底玻璃板底片（稱為星點原板），上方則是一組凸透鏡片。當球心的強光燈亮起時，星點原板上的星點圖案就會經由頂端的透鏡組投射到圓頂上，許多架幻燈投射組合起來就構成一個完整的星空了。當這個球的旋轉軸仰角調成和所在地的緯度一樣的時候（例如臺中是北緯 24 度，仰角就調成 24 度），就可以完全還原當地夜間所看到的星空運行。

德國戰後賠償的大量行銷，竟引發全球星象館風潮！

由於光機式星象儀的製作工藝非常高，在二次大戰之前全世界只有蔡司一家獨大。全亞洲也只有大阪市立電氣科學館（現大阪市立科學館）安裝過一架蔡司II型星象儀。但是，在二戰結束後全世界的星象館數量快速增加，其中一個原因竟然是德國拿蔡司星象儀來當作戰爭賠償，像 1957 年中國拿到了一架蔡司 IV 型星象儀之後成立了北京天文館，這就是中國的第一架星象儀和第一座天文館。

當德國拿蔡司星象儀當作戰爭賠償大量行銷各國時，許多國家震撼於其工藝的精密先進，於是也想發展這樣的設備和技術，1958 年日本的 Minolta 跟 1959 年五藤 (Goto) 光學研究所都開發出了自己的光機式星象儀，其中五藤公司後來更因為生產另一種針孔式星象儀而成為全球市佔(數量)最高的星象儀製造商。

由於光機式星象儀非常精密昂貴，難以普遍安裝而有效達到教育推廣的功能。因此在 1940 年代美國有一位報業富商 Arnold Spitz 就想到用針孔投影方式開發一種影像品質沒那麼好，卻簡單便宜大家都用得起的星象儀。他最早做出來的型號叫做 Spitz A，但成功大量推廣的叫做 Spitz A2。臺灣的第一架星象儀是由清華大學旅美校友會於 1957 捐贈給臺灣科學館（現國立臺灣科學教育館）的 Spitz A 星象儀。

以親民價格帶動天文教育是哪一種星象儀？

根據聯合國 1992 年出版的一份報告 (A. J. Friedman, Planetariums, ±25years, Planetarium: A Challenge for Educators, United Nation, New York, 1992)，全世界的星象館數目在 1960 年左右開始快速增加，到 1970 年代初更是年年翻倍，兩、三年之內從 200 左右增加到 1,000 多座。報告中分析兩個主要原因：一個是蘇聯在 1957 年發射史波尼克一號衛星，造成美國的危機感與焦慮，於是開啟了太空競賽和教育改革；另一個則是出現低價低技術的針孔式星象儀，造成中小型星象館大量成立。因此，適用於中大型圓頂的光機式星象儀和只適用於小圓頂的針孔式星象儀，恰恰形成了完美的互補。

Spitz 早期的針孔星象儀是由五邊形組成的 12 面體球，每一面都按照星點位置打了許多大小孔洞，把這些面拚合成一個立體球後，在中心放一顆燈泡就可以透過針孔向外投射光點。這樣的星點遠不如光機式的細膩漂亮，但價格差距卻達到 50 倍甚至 100 倍，連許多小城市或私人團體也買得起，現在還有很多廠商沿用這樣的設計，甚至在網路上都有套件提供給小朋友買回去 DIY 當玩具，可見其簡易親民的特性。

針孔投影也有一種方式是用塑膠圓球取代 12 面球，這樣的星點會更精細。日本的五藤公司便採用這樣的方式大量生產，當時主要有 E3 跟 E5 兩種款式，E3 是搭配 3 公尺圓頂，E5 則是搭配5 公尺圓頂，價格不到大型光機式的 1/100。在這樣便宜的價格推動下，日本文部省曾經大批採購配發給全國中小學每校一套設備，也促成了天文教育在日本的蓬勃發展。臺灣在 1970-80 年代很多中小學也購置過這樣的設備，只可惜大多因為缺乏師資沒有被好好使用。

就是它！讓科學館新世代星象儀產生革命性轉變

之後，持續了將近半世紀的時間裡，中大型國家或城市科學館使用了 9 公尺以上的光機星象儀，中小型村鎮或學校則使用 9 公尺以下針孔星象儀。然而，近年又有另一種新的技術「數位投影」，再次大幅改變星象儀生態。

不管是光機或針孔投影方式，兩者的星點都是固定刻畫在版面上，不能改變或移動。隨著個人電腦以及電視等電子動態影像普及，1980 年代初有人想到把一種新的影像投射方式運用到星象儀上面。美國的 Evans & Sutherland (E&S) 原本是做軍用飛行模擬器的公司，他們在 1983 年嘗試在老式陰極射線管螢幕上點出星空，再用鏡片把畫面投到圓弧形銀幕上，最早的目的是訓練飛行員在夜間航行時用星座辨認方向，這樣的產品被叫做 Digistar，意思是數位星空。

剛開始的數位星空亮度跟畫質都很差，只能顯示最亮的幾顆星的大概位置。但是因為數位影像的動態效果是傳統星象儀完全做不到的，因此成為一個緩慢而穩定的新方向。從那之後，電腦運算能力及數位影像科技的發展呈現指數型爆發，到了 2010 年代中，這種技術終於接近成熟的程度。

從「勉強可接受」到媲美傳統光機的全新突破！

除了 E&S 公司之外，日、德及歐美也有許多企業在 1990 年代開始投入數位星象投影的開發，到了 2000 年代中期更呈現百花齊放的榮景。但是 2010 年以前的數位星空還是有星點渙散、肥大與明暗對比不足的缺點，只能說「不滿意但勉強可接受」，許多館所都只是想用它的影片播放功能來取代 IMAX 放映機，星象還是靠傳統光機星象儀，於是產生了大量的混合式 (Hybrid) 組合。

國內幾座兼具影片播映的中大型星象館（大型的有臺中科博館和臺北天文館，中型的有南瀛天文館）自 2012 年開始陸續將原有的光機式星象儀 + IMAX 放映設備更新為數位設備。科博館是三者之中最後完成數位更新的，於 2015 年 7 月才將使用了 29 年的 IMAX 放映機 + 五藤 GSS-1 星象儀更換為 E&S 的 Digistar 5 純數位星象儀；2013 年開放的南瀛天文館 3D 球幕劇場因為是新設館所，所以直接採用了純數位式設備；2012 年進行數位更新的臺北市立天文館宇宙劇場則在新的 Global Emersion 數位影像之外，還保留了原有的蔡司 VI 光機星象儀。在當時，數位星象的品質明顯還是遜於傳統光機，因此不少單位會選擇這樣的混合式設計。

但是在科技持續快速發展下，近年已經有不少足以媲美傳統光機品質的數位系統出現。其中一個方向是追求人眼極限的 10.8K * 10.8K 解析度，這可以經由增加投影機的畫素或數量來達成，也可以使用發展中的大片弧形 LED 螢幕組成球幕型的 LED 牆。後者是近年才剛開發出來的技術，最早是美中合作於 2020 年初開發成功，並在南京和鹽湖城各安裝了一座做為測試與展示之用。但最終首先正式安裝並對大眾開放的，卻是 2021 年 10 月 27 日在名古屋的イオンモール和 2022 年 3 月 24 日在日本橫濱ゲートタワー (Gate Tower) 開幕的兩座 15 公尺圓頂。

體驗真實星空的秘密：LED 數位球幕技術解析

筆者對於數位球幕一直充滿好奇與期待，因此在 2022 年底聽說國內也有廠商在開發 LED 數位球幕，便前去拜訪，在親眼看過實際效果後感到非常驚豔，也確認了之前對於這項技術的一些猜測。相較於傳統的幾種投影方式，LED 數位星象儀最大的兩個優點是 1. 底色夠黑，2. 畫素夠細。至於其他亮度、色彩飽和度等優點相較之下反而不是關鍵。僅有的缺點大概只有對比還是差了一點跟價格非常貴，目前造價比起數位投影或光機式都要貴上許多倍。

傳統的幾種星象儀最被人挑剔的是，星空底色無法像真實的那麼黑以及星點無法像真實的那麼細。前一個的原因是投影板底色漏光以及銀幕反光，後一個的原因是亮星需要多個畫素 (pixel) 或較大面積的孔來提高亮度。LED 數位球幕的一個優點是該黑的時候它真的完全不發光，而且因為表面設計的特性對場地雜光的反射非常小。另一個優點則是它由許多個別發光的 LED 點所組成，目前業界稱每一個顆粒的大小（或是兩個顆粒間的間距）為 P，例如 P4 意思是兩個點間距為 4 毫米。以科博館太空劇場的 23 公尺圓頂來說，達到人眼極限的理想值須要每個點距在 3.3 毫米以下，以傳統光機式來說 1 等亮星可以到 12 毫米，而目前使用的 DS5 數位投影只能到18 毫米。所以，只要使用 P4 等級的 LED 屏幕就幾乎可以模擬出理想的真實星空了，如果使用 P2.5 等級的話那根本就是完美了。

未來最有潛力的星空模擬技術竟然是…

LED 星象儀是一項快速發展中的新科技，其性能已經超越過去的幾種技術非常多。然而，造價高昂和實用經驗不足是兩個很大的缺點，還有很多需要加以優化的地方。不過，隨著技術已經接近成熟，價格預期也將在大量生產後快速下降，或許 5 年之內就會成為新的主流。

蔡司公司在 1923 年發明了世界上第一架（幻燈）投影式星象儀，在之後的百年中又有針孔式、數位投影式（包含雷射投影機）以及數位 LED 屏幕等各種技術出現，讓模擬的星空越來越接近真實。隨著科技發展的日新月異，未來肯定還有許多更好的新技術被引進，且讓我們拭目以待吧。