DE3225527C2 - Kleinprojektor zur Darstellung der Bewegung des Sternenhimmels - Google Patents

Abstract

Der Projektor ist für didaktische Zwecke, z.B. Schule, Volkssternwarte einsetzbar. Der Projektor zeigt den Sternenhimmel für beliebige geographische Orte und beliebige Zeiten. Die tägliche Bewegung des Sternenhimmels ist im Zeitraffer darstellbar. Das Gerät besteht im wesentlichen aus drei konzentrisch angeordneten Kugeln. Von innen nach außen: Projektionskugel (K1), Sternenkugel (K2, Analysator), Polarisationskugel (K3). Die Sternenkugel ist innerhalb der Projektionskugel frei drehbar. Sterne werden auf der Sternenkugel oberfläche durch kreisförmige Löcher unterschiedlicher Größe (Helligkeit) und Farbe realisiert und durch Punktlichtlampen (PL) im Mittelpunkt auf der weiß gespritzten Projektionskugel abgebildet. Je nach Stellung von Sternen- und Polarisationskugel zueinander sind Gradnetze und figürliche Darstellungen der Sternbilder ein- und ausblendbar. Planeten und Mond werden durch kleine Einzelprojektoren dargestellt, welche auf einer die Sternenkugel umspannenden Plexiglasleiste (Ekliptik) montiert sind. Positionen von Sternen- und Polarisationskugel können durch Getriebemotoren verändert werden. Rota tionsimpulsgeber (RIG) übermitteln Positionsänderungen einer logischen Schaltung. Dies ermöglicht die Steuerung aller Funktionen des Kleinprojektors per Computer.

Description

— zwei, durch eine Trennscheibe (T) getrennte Punktlichtlampen (PL), die jeweils in einem bestimmten Abstand vom Mittelpunkt der Kugelanordnnrjg angeordnet sind,

— je eine geschlossene Sternen- (K 2) und Projektionskugel (Ki) zur Darstellung des gesamten südlichen und nördlichen Sternenhimmels,

— und Verdreheinrichtungen (P, GMS, CMB), mit der die Sternenkugel (K 2) in jede beliebige Lage gegenüber der Projekttonskugel (K 1) gedreht werden kann.

2. Kleinprojektor nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch

— eine weitere konzentrisch 'inerhalb der Sternenkugcl (K 2) angeordnete durchsichtige Polarisationskugel (K 3). die mil sf ^särischcn Dreiekken aus Polarisationsfolie in einer Anordnung mit alternierender Polarisationsrichiung belegt ist,

— durch die Belegung bestimmter Strukturen auf der Innenfläche der Sternenkugel (K 2) mit Polarisationsfolie in einer Anordnung mit alternierender Polarisationsrichtung in sphärischen Dreiecken,

— und eine weitere Verdreheinrichtung, mit der die Polarisatorkugel (K 3) gegen die Sternenkugel (K 2) verdreht wird.

3. Kleinprojcktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (Ki. K 2, K 3) aus Acrylglas bestehen.

4. Kleinprojektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich Acrylglasringe um die Projektionskugel (K 1) spannen, auf denen Gradzahlen in Azimut und Höhe eingraviert sind, welche infolge Totalreflexion des Lichtes von zwei Glühlämpchen im Querschnitt der Ringe beleuchtet werden.

5. Kleinprojektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Position des Projektors mit Hilfe von Rotationsimpulsgebern in zwei Koordinaten 5 und ßauf zwei LED-Anzeigen erscheint und daß bei Eingabe zweier Werte von S und B über eine Tastatur der Projektor automatisch in die gewünschte Richtung geht.

6. Kleinprojektcr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß auf einer Acrylglasleiste. die die Sternenkugel (K 2) längs der Ekliptik umsäumt, Kleinstprojektoren zur Darstellung von Sonne, Mond und Planeten auf der Projektionskugel (Ki) beweglich montiert sind.

7. Kleinprojektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch,
daß diffus-transparente Streifen auf der Sternenkugel (K 2) längs der Linien maximaler Milchstraßenhelligkeit angebracht sind, die auf der Projektionskugel (K 1) eine verwaschene, noch merklich strukturierte Abbildung der Milchstraße hervorrufen.

Anwendungsgebiet

Der Projektor ist für didaktische Zwecke, z. B. in Schulen und Volkssternwarten einsetzbar.

Stand der Technik

Zur Beurteilung des Stands der Technik liegen folgende Druckschriften vor:

1. DE-PS 8 33 714

2. DE-AS 12 95891

3. DD-PS 48 091

4. US-PS 38 79 862

Die o. g. Druckschriften lassen sich der Aufgabenstellung nach in zwei Gruppen einteilen:

a) (2. u. 4.): Das sind Klcinplanetaricn bzw. - projcktoren, denen die Aufgabe zugrunde liegt, die Planeten- und Mondbewegungen im heliozentrischen Weltbild darzustellen. Der Betrachter nimmt dabei einen Standort außerhalb des Sonnensystems ein. Ferner bieten diese Erfindungen die Möglichkeit, durch eine Punktlichtlampe am Ort der Sonne oder der Erde den Fixsternhimmel an eine sphärische Projektionsfläche zu projizieren. Die Darstellung des gesamten Fixsternhimmels sowie die Darstellung der kontinuierlichen Bewegung des Fixsternhimmels sind aus Gründen der Montierung nicht möglich. Somit sind die Druckschriften 2. und 4. von der Aufgabe her von der hier vorgestellten neuen Erfindung zu unterscheiden.

b) (1. u. 3.): Das sind Kleinprojektoren, bei denen die Aufgabe darin besteht, die Bewegung des Fixsternhimmels u. d. Planeten von einem beliebigen On

so der Erde aus darzustellen. Diese beiden Druckschriften entsprechen von der Aufgabe her dem Wesen der vorliegenden Erfindung. Bei beiden Gruppen erfolgt die Projektion des Fixsternhimmels durch eine Punktlichtlampe. Ferner werden bei beiden Gruppen Konzepte vorgestellt, die die Projektion von Gradnetzen und figürlichen Darstellungen der Sternbilder ermöglichen.

Kritik am Stand der Technik

Die vorgestellten Projektoren 1. bis 4. sind nicht in der Lage, den Sternenhimmel für jeden beliebigen Ort auf der Erde darzustellen, da es nicht möglich ist, mit nur einer Punktlichtta.mpe die gesamte Fixsternkugel aus/.iileuchten. Man beschränkt sich daher auf die Darstellung des Sternenhimmels der nördlichen Hemisphäre. Die Darstellung des südlichen Sternenhimmels ist nur durch eine umständliche Ummontage der Anordnung Fix-

sternkugel/Punktlichtlampe möglich.
Ferner kann die in den Ansprüchen 10 (Druckschrift 2) sowie 3 und 4 (Druckschrift 3) beschriebene »freie Drehbarkeit« um beliebige Achsen nicht darüber hinwegtäuschen, daß dieser freien Drehbarkeit von der jeweiligen Konstruktion her Grenzen gesetzt sind (nicht alle geographischen Breiten sind einstellbar).
Die in beiden Gruppen vorgestellten Konzepte zur Darstellung von Gradnetzen und figürlichen Darstellungen von Sternbildern sind insofern unbefriedigend, da erst durch umständlichen Austausch von Schalen (Anspruch 6) oder Schirmen (Ansprüche 2—5) gemäß der Druckschrift 2 die eine oder andere Darstellungsart (z. B. mit/ohne Gradnetzen) realisiert werden kann.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kleinprojektor zur Darstellung der Lage und Bewegung der Gestirne sowie der astronomischen Koordinatensysteme derart auszugestalten, daß der Sternenhimmel für ' eliebige Orte und beliebige Zeiten auf der Erde darstellbar isL

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben. Durch die in Patentanspruch 2 angegebenen Merkmale ist es in vorteilhafter Weise möglich, einige der abgebildeten Strukturen (z. B. Koordinatensysteme oder figürliche Darstellungen der Sternbilder) ein- und auszublenden.

Hin weiterer Vorteil ist die kompakte Bauweise des Gerätes durch die konzentrische Anordnung der verwendeten Acrylglaskugeln und deren Montierung sowie die daraus resultierende leichte Transportierbarkeil des Gerätes.

Abbildungslegende

Abb. 1

In A b b. I sind die Projektionskugel und die Sternenkugcl abgebildet.

Die Projektionskugel (K 1) hat einen Durchmesser von 60 cm und ist auf ihrer Innenfläche diffustransparent, so daß von innen an die Kugeloberfläche projizierte Strukturen von außen gut sichtbar sind (in einem abgedunkelten Raum).

Obere Halbkugel von K 1 : Sphäre über dem Horizont. Untere 'Halbkugel von K 1 : Sphäre unter dem Horizont. Um den Horizont von K 1 (Verbindungssaum der beiden Halbkugeln) spannt sich ein Acrylglasring, an dessen Innenseite eine Gradskala für den Azimut eingraviert ist (der Übersichtlichkeit halber nicht abgebildet). Im Süden und Norden sind jeweils in einer Bohrung ein Glühlämpchen angebracht. Dadurch gelangt Licht in den rechteckigen Querschnitt des Acrylglasrings, welches infolge von Totalreflexon den ganzen Ring durchflutet. An den Stellen der Ringinnenfläche, wo eine Gradkrrbe oder Gradzahl eingraviert ist, kann Licht austreten. Dies hat zur Folge, daß die eingravierte Skala im Dunkeln hell aufleuchtet und gut abzulesen ist. Über die obere Halbkugel von K 1 kann von Süden über den Zenit nach hJor«in ein entsprechender Acrylglashalbring als Ortsmeridian mit Gradeinteilung für die Höhe angebracht werden. Er wird von den gleichen Glühlämpchen ausgeleuchtet wie der ο g. genannte Azimutring. Die Sternenkugel K 2 hat einen Durchmesser von 50 cm und dient der Abbildung der Fixsterne, der Milchstraße, von Koordinatensystemen, Sternbildgrn und Sternnamen etc. Eine Halbkugel repräsentiert den nördlichen Sternhimmel, die andere den südlichen.
Die beiden Halbkugeln werden durch eine Scheibe in der Ebene des Himmelsäquators getrennt. Die so entstehenden Halbräume von K 2 werden mit je einer

ίο Punktlichtlampe ausgeleuchtet, welche jeweils auf dem Mittelpunkt der Trennscheibe montiert ist Die Scheibe dient der Vermeidung von Doppelabbildungen. Alle im folgenden beschriebenen Strukturen K 2 werden mit den Punktlichtlampen auf K 1 projiziert und können von außen betrachtet werden.
Abb. 2

K 2 ist bis auf die abzubildenden Strukturen lichtundurchlässig. Ein transparentes Gradnetz in Rektaszension und Deklination sowie die Ekliptik sind auf der Innenfläche von K 2 aufgebracht. Jee-^m Ort auf der Oberfläche von K 2 ist ein Ort auf der Himmelssphäre zugeordnet. Sterne werden durch kreisförmige Löcher auf K 2 realisiert. Die Lochdurchmesser variierte je nach Helligkeit des darzustellenden Sternes. Auf diese Weise isi es möglich, alle mit bloßem Auge sichtbaren Sterne (ca. 6000, 1.—6. Größenklasse) als leuchtende Punkte helligkeitsgetreu auf K 1 abzubilden. Die hellsten 500 Sterne lassen sich je nach ihrer Spektralklasse farbig abbilden (weiß, blau, gelb, orange, rot).

Längs der Linien maximaler Milchstraßenhelligkeit sind auf K 2 diffus-transparente Streifen aufgetragen, welche in der Nähe von Koordinatenlinien unterbrochen werden, um die Abbildung des Koordinatennetzes nicht zu stören. Das an diesen Stellen aus K 2 austretende

j5 Licht breitet sich diffus aus und ruft auf K 1 eine verwaschene, aber noch merklich strukturierte Abbildung hervor, die der Milchstraße sehr ähnlich sieht.
Ferner können auf K 2 die in vielen Sternkarten verwendeten Verbindungslinien zwischen Sternen zur Darstell· ng der Sternbilder oder die Umrisse figürlicher Darstellungen der Sternbilder, wie es in Großplanetarien üblich ist, transparent aufgetragen werden.
Abb. 3
Mit Hilfe einer speziellen Polarisationsvorrichtung ist es möglich, Koordinatensysteme und Darstellungen von Sternbildern ein- und auszubilden. Zu diesem Zweck werden die Innenflächen der beiden Halbkugeln von K 2 in je 36 sphärische Dreiecke unterteilt. Eine solche Unterteilung ist bereits durch die Rektaszensionslinien gegeben, man denke äich die Unterteilung jedoch um 5 Grad versetzt zu der Rektaszensionslinienunterteilung. Alle Strukturen auf K 2, die ein- und ausgeblendet werden sollen, werden in der o.g. genannten Unterteilung mit Polarisationsfolie belegt. Die Folien wer Jen so aafgebracht, daß sie entweder in Rektaszensions- oder in Deklinationsrichtung polarisieren, und zwar alternierend von Dreieck zu Dreieck. Die in K 2 konzentrisch gelagerte Kugel KZ hai einen Durchmesser von 49 cm. Die Innenfläche von K 3 ist in gleicher Weise mit Polarisationsfolie belegt wie K 2, daher gibt es zwei ausgezeichnete Stellungen der Kugeln K 2 und K 3 zueinander:

I. Durchlaßstellung: Alle Dreiecke von K 2 und K 3 kommen zur Deckung bei jeweils gleicher Polarisa-

b¹, tionsrichtung. Das Licht der Punktlichtlampen kann aus den mit Polarisationsfolie belegten Strukturen austreten und die Strukturen werden auf K 1 abgebildet. Die jeweiligen Strukturen sind eingeblendet.

II. Sperrstellung: K 3 ist bezüglich K 2 zur vorherigen Stellung um 10 Grad verdreht. Es kommen wieder alle Dreiecke von K 2, K 3 zur Deckung, jedoch haben die Folien nun jeweils verschiedene Polarisationsrichtungen. Die mit Polarisationsfolie belegten Strukturen auf > K 2 kommen auf K I nicht zur Abbildung, denn aus ihnen kann kein Licht austreten — ausgeblendet.

A b b. 4 a. b

Darstellung von Sonne, Mond und Planeten:
Die Kugel K 2 ist längs der Ekliptik von einer optisch durchsichtigen Acrylglasleiste von außen umsäumt. Die Leiste ist auf der K 2 -Oberfläche an einigen Punkten befestigt, so daß sie einen Abstand von einigen Millimetern hat. Die Leiste ist an den Schnittpunkten der Ekliptik mit dem Himmelsäquator unterbrochen. Auf der Innenfläche der Leiste verlaufen zwei Leiterbahnen, denen über die Schleifkontakte am Himmelssüdpol von K 2 StrorTi rügeführt wird. Sonne, fviuncl und uie neusten Planeten (Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn) werden durch kleine Projektoren dargestellt, welche an der Leiste verstellbar befestigt sind. A b b. 4a zeigt den Aufbau dieser einfachen Miniprojektoren und ihre Befestigung an der Ekliptikleiste. Eine Miniatur-Projektionslinse (0 4 mm) bildet die Oberfläche eines durch eine Lochblende begrenzten Farbfilterscheibchens auf K I ab. 2i Auf die abzubildende Oberfläche des Filterscheibchens ist jeweils das Symbol des betreffenden Planeten aufgetragen. Die Blende im Mondprojektor ist verstellbar, so daß die verschiedenen Mondphasen dargestellt werden können. Je nach Helligkeit der Planeten ist dem entspre- to chenden Miniaturglühlämpchen ein elektrischer Widerstand vorgeschaltet.

Auf der Ekliptikleiste isl eine feine Skala in ekliptischer Länge zur Einstellung der Planeten aufgetragen.

A b b.5

Die A h b. 5 7p\o\ schematise™ die Anordnung von K 1, K 2 und K 3. K 2 ist drehbar in einem Acrylglasring gelagert, und zwar an den Orten der Himmelspole. Der Acrylglasring ist völlig klar durchsichtig, um die Abbildung von K 2 auf K 1 nicht zu beeinträchtigen. Der Ring ist mit K 2 drehbar auf dem Horizont von K I in der Ost-West-Achse gelagert.

Somit kann K 2 jede beliebige, konzentrische Lage bezüglich K I annehmen. Eine Drehung um die Ost-West-Achse bewirkt eine Änderung der geographischen Breite B. In A b b. 1 und A b b. 5 ist B = 90 Grad, denn am Nordpol der Erde fallen Himmelsnordpol und Zenit zusammen, und der Himmelsäquator deckt sich mit dem Horizont. Eine Drehung von K 2 um die Himmelspole simuliert die tägliche Bewegung der Gestirne relativ zur Erde. Diese Drehung bzw. die jeweilige Position von K 2 wird beim Projektor durch den Stundenwinkel 5 beschrieben. Das ist der Winkel (in Stunden und Minuten) zwischen Frühlingspunkt und dem Ortsmeridian. Er läßt sich aus Sternzeit und geographischer Länge berechnen. Durch die Angabe von B, S ist die Anordnung des Systems Ki. K 2 vollständig beschrieben (-90°<ß< + 90°, O"<5<24*). Zur Stromversorgung von K 2 werden Kabel längs des Acrylglasrings von Osten zum Himmelssüdpol verlegt Am Himmelssüdpol befinden sich Schleifkontakte, um die Punktlichtiampen, die Lämpchen der Planetenprojektoren und den K 2—K 3-Servo (siehe A b b. 7) mit Strom zu versorgen. Außerdem ist auf der Achse am Himmels-südpo! ein Rolationsimpulsgeber montiert, der die Positionsänderun- b5 gen von K 2 bezüglich des Stundenwinkels S in Form von digitalen Impulsen einem elektronischen Zähler übermittelt. Auf der Ost-West-Achse befindet sich ebenfalls ein Rotationsimpulsgeber, welcher einem elektronischen Zähler die Information über die geographische Breite ßzuführi (siehe auch A b b. 7,8).

A b b. 6. 7

Antrieb von B, S: Die geographische Breite B kann mit einem Getriebemotor eingestellt werden. Sein Drehmoment wirkt direkt auf die Ost-West-Achse. Er ist im Osten montiert. Der Stundenwinkel wird mit einem weiteren Getriebemotor verändert. Dieser ist im Westen montiert. Hier wird die eigentliche Antriebsachse durch die als Hohlachse ausgebildete Lagerachse (Ost-West-Achse) geführt. Über Kegelzahnräder, von denen eines auf der o. g. Antriebsachse sitzt, und Gummiprofile wird die Kugel K 2 angetrieben. Die Trennscheibe ist eigens dafür von einem Gummiprofil umsäumt.

Die Kugel K 3 ist in K 2 um die Himmelspole gelagert. Außerdem sind die beiden Haibschaien von AC 3 mit Zahnrädern auf runden Zahnstangen gelagert, welche auf beiden Seiten der Trennscheibe befestigt sind. Die beiden Halbschalen von K 3 sind durch Aussparungen in der Trennscheibe miteinander verbunden. Die beiden Stellungen (Durchlaßstellung. Sperrstcllung) von AC 3 bezüglich K 2 lassen sich durch einen Servomotor einstellen, welcher auf eines der Zahnräder wirkt, mit denen die Halbschuhen von K 3 uuf Zahnstangen gelagert sind.

A bb. 8

A bb. 8 zeigt ein Blockschaltbild der Steuerung. Der Aufbau ist für beide Koordinaten (geographische Breite B. Stundenwinkel S) prinzipiell der gleiche, lediglich die Zähler sind verschieden. Der Zähler für die geographische Breite B zählt vorwärts und rückwärts von -90° bis + 90° in O.l-Grad-Schritten. Der Zähler für den Stundenwinkel zählt vorwärts und rückwärts von COO'" bis

Für beide Koordinaten gibt es zwei Digitalanzeigen, eine für die Ist-Werte und die andere für die Soll-Werte. Soll das Gerät eine bestimmte Position annehmen, so wird der gewünschte Wert jeder Koordinate über ein Tastenfeld eingegeben, gelangt in ein Schieberegister und von dort über einen Dekoder in die Soll-Wert-Anzeige. Ein digitaler Vergleicher vergleicht nun den Ist-Wert im Zähler mit dem Soll-Wert im Schieberegister: Wenn Ist-Wert <Soll-Wert, schaltet der Vcrglcichcr über ein Relais den entsprechenden Motor in Vorwärtsrichtungein.

Wenn Ist-Wert > Soll-Wert, läßt der Verglcicher den Motor rückwärts laufen.

Wenn Ist-Wert = Soll-Wert, wird der Motor vom Vergleicher wieder abgeschaltet.

Es muß also lediglich das Wertepaar B. S eingegeben werden, damit das Gerät automatisch in die gewünschte Position geht. Das Gerät kann auch manuell gesteuert werden.

Die Heiligkeit der Punktlicht-, Skalen- und Mini-Projektorlampen sowie die Geschwindigkeit der Getriebemotoren sind über Hochlastpotentiometer einstellbar.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Kleinprojektor zur Darstellung der Gestirne, bestehend aus einer um ihre Längsachse drehbaren Sternenkugel, in deren Mittelpunkt sich eine punktförmige Lichtquelle befindet und auf der die Gestirne durch Löcher geeigneter Größe und die Koordinatenlinien durch durchsichtige, lichtwerfende Markierungen wiedergegeben sind, und aus einer die Sternenkugel konzentrisch umschließenden Projektionskugel, auf der die Gestirne als Lichtpunkte und die Koordinatenlinien als leuchtende Linien abgebildet werden, gekennzeichnet durch