DE4329025A1 - Projektionseinrichtung zur Fixsternprojektion bei Planetarien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Projektionseinrichtung zur Fixsternprojektion bei Planetarien nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Bei Planetarien, die auf der Grundlage der Projektion arbeiten, erfolgt die Projektion der Fixsterne durch einen Planetariumsprojektor an eine Innenfläche einer Halbkugel, welche die Kuppel des Planetariums darstellt. Daraus und aufgrund der notwendigen Rotationsmöglichkeit des Projektors ergibt sich die Forderung, daß bei einer Projektion die kugelförmige Kuppelinnenfläche in jeder Projektorstellung gleichmäßig mit einem Bildinhalt (projizierter Sternhimmel) ausgefüllt und lückenlos überdeckt werden soll. Diese Forderung besteht bei der Nachahmung von Himmelserscheinungen deshalb, weil wir allseitig von Sternen umgeben sind. Zur Erfüllung dieser Forderung sind drei unterschiedliche Prinzipien bekannt.

Bei einer Lochprojektionseinrichtung (Meier, L. "Der Himmel auf Erden", Ambrosius Barth Verlagsgesellschaft, Leipzig, Heidelberg, 1992, Seiten 57 bis 59 und 77) sind im Zentrum einer Kugel oder eines Polyeders eine Lichtquelle und in der Kugelschale oder in den Polyederflächen kleine Bohrungen unterschiedlicher Größe als Sterne vorgesehen. Häufig werden diesen Bohrungen auch kleine Linsen aufgesetzt, die ein Bild der Lichtquelle an der Kuppelinnenfläche des Planetariums erzeugen. Die entscheidenden Nachteile einer solchen Lochprojektionseinrichtung sind die Unschärfe der Bilder und ihre geringe Intensität, die ungünstige Ausnutzung der Lichtquellenstrahlung und der im wesentlichen auf punktförmige Objekte beschränkte Bildinhalt.

Bei der Projektion mit einer Fischaugenoptik, mit welcher neben der Projektion der Fixsterne auch die Projektion von Gradnetzen und Figuren erfolgen kann, wird bei der Fixsternprojektion der in einem kreisförmigen Diapositiv oder auf einer kreisförmigen Kathode enthaltene Bildinhalt (Sternfeld) mit Hilfe eines Fischaugenobjektives an die Innenfläche der Planetariumskuppel projiziert. Neben der geringen Lichtintensität der so projizierten Bilder ist als weiterer wesentlicher Nachteil eine Verzerrung der Abbildung zum Rand hin zu verzeichnen (Meier, L., Seiten 66, 71 und 77).

Bei der seit Jahrzehnten bekannten und gefertigten optischen Projektionseinrichtung nach Bauersfels sind eine Projektorkugel bzw. zwei voneinander beabstandet angeordnete Projektorhalbkugeln vorgesehen, die mit optischen Projektoren bestückt sind (Meier, L., Seiten 52 bis 55 und 78 bis 80; Beilage zur "Jenaer Rundschau", 1986, Heft 3, Seiten 3 bis 8 und DD-PS 154 921). Diese Projektoren sind bei Verwendung einer Projektorkugel um eine bzw. bei Verwendung zweier Projektorhalbkugeln um insgesamt zwei zentrale Lichtquellen herum angeordnet und umfassen Kondensatoren, Sterndiapositive und eine Projektionsoptik in Form von Projektionsobjektiven. Das lückenlose Zusammensetzen der Bildinhalte (Sternfelder) an der Kuppelinnenfläche und eine günstige Lichtausnutzung der Lichtquelle bzw. der Lichtquellen wird dabei durch eine entsprechende Aufteilung des zu projizierenden Bildinhaltes in einzelne Felder erreicht. Ausgangspunkt bei dieser Aufteilung ist nach Bauersfeld (Hagar, Ch. F. "Planetarium - Window to the universe", C. Maurer, Druck und Verlag Geislingen, 1980, Seite 36) ein regelmäßiger Zwanzigflächner, dessen zwölf Ecken in einer solchen Tiefe abgeschnitten sind, daß alle so entstehenden sphärischen Vielecke gleich große umschriebene Kreise erehalten. Auf diese Weise werden insgesamt 32 Projektoren beenötigt, welche, dicht beieinander angeordnet, die Kugel bzw. die beiden Halbkugeln ausfüllen und zur Projektion sowohl des nördlichen (16 Projektoren) als auch des südlichen (16 Projektoren) Sternhimmels benötigt werden.

Dieser mit insgesamt 32 Projektoren ausgerüstete Sternprojektor erfüllt zunächst die Forderungen nach einer lückenlosen Ausfüllung einer Vollkugel mit Bildinhalt. Die Nachteile liegen u. a. erstens im technischen und kostenmäßig hohen Aufwand aufgrund der benötigten großen Anzahl von Projektoren und zweitens in der damit verbundenen weitestgehenden Ausnutzung der Projektorkugel oder der Projektorhalbkugeln, welche nur wenig Raum für eine wünschenswerte zusätzliche Unterbringung von weiteren Baugruppen, wie Sonderprojektoren oder Steuereinheiten, läßt. Auch ist die Ausnutzung der Lichtquelle ungünstig. Die Effektivität der Lichtausnutzung kann durch einen Wirkungsgrad erfaßt werden. Der Wirkungsgrad eines dieser Projektoren kann definiert werden als das Flächenverhältnis im Diapositiv von dem zur Bilderzeugung benutzten Anteil zum gesamten meist kreisförmig) ausgeleuchteten Anteil des Bildfeldes oder näherungsweise durch das Verhältnis von minimaler zu maximaler Entfernung der Randpunkte des jeweiligen sphärischen Vielecks zum Zentrum des Umkreises des betreffenden Vielecks. Durch den hohen Platzbedarf bedingt können weitere Zusatzprojektoren oder andere Baugruppen nicht mehr an der Kugel oder den Halbkugeln angeordnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Projektionseinrichtung zur Fixsternprojektion bei Planetarien zu schaffen, mit welcher mit hohem Wirkungsgrad der Lichtausnutzung, hoher Abbildungsqualität und minimalem technischen und Kostenaufwand eine lückenlose Projektion des Sternhimmels an die Innenfläche der Planetariumskuppel erzielt wird und mit welcher die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches dargelegten Mitteln erreicht. So werden sechs oder zwölf Projektoren in oder an einer als Vollkugel ausgebildeten Projektorkugel angeordnet, deren Achsen durch jeweils zwei Winkel, beispielsweise in äquatorialen (Rektaszension, Deklination) oder in ekliptischen Koordinaten (ekliptikale Länge, ekliptikale Breite), eindeutig bestimmt sind. Bei einem hantelförmigen Planetariumsprojektor, bei dem anstelle einer Vollkugel zwei beabstandete Projektorhalbkugeln vorgesehen sind, befinden sich auf jeder dieser Halbkugeln drei oder sechs Projektoren, mit denen bei der Projektion der Sternplatten die Innenfläche der Planetariumskuppel voll mit Bildinhalt überdeckt werden kann. Jeder dieser Projektoren leuchtet ein Bildfeld aus, welches einem sphärischen Vieleck an der Planetariumskuppel entspricht. Demzufolge sind die optischen Achsen der an oder in den Projektorkugeln oder Projektorhalbkugeln angeordneten Projektoren so vom Mittelpunkt der Kugeln oder Halbkugeln aus­ gerichtet, daß sie durch den Mittelpunkt des die jeweiligen sphärischen Vielecke umschriebenen Umkreises verlaufen. Bei der Anwendung von insgesamt sechs Projektoren sind diese Vielecke sphärische Vierecke. Bei insgesamt zwölf vorgesehenen Projektoren ergeben sphärische Fünfecke.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe erfolgt umfassend, wenn die Fixsternprojektoren folgende Eigenschaften besitzen:

Dabei ist Bildwinkel der Winkelradius des einem sphärischen Vieleck umschriebenen Umkreises. Der Beleuchtungswinkel ist der Winkelradius des vom Kondensor des jeweiligen Projektors aufgenommenen Strahlenkegels, mit dem gleiche Beleuchtungsstärken an der Innenfläche der Kuppel erzeugt werden können. Die Anzahl der die Kugel überdeckenden Vielecke entspricht der Anzahl der verwendeten Projektoren. Der Abstand der Projektoren ist der Winkel für den minimalen Abstand der Projektoren auf der Kugel, der sich aus der regelmäßigen Verteilung der Projektoren ergibt. Als Wirkungsgrad sind hier die Werte für die Näherung "Verhältnis von minimaler zu maximaler Entfernung der Randpunkte des betreffenden sphärischen Vielecks vom Zentrum des entsprechenden Umkreises" angegeben. Der Platzbedarf der Projektoren an der Kugel oder an den Halbkugeln des Fixsternprojektors ergibt sich aus dem Verhältnis des doppelten Beleuchtungswinkels zum Abstand der Projektoren. Hier sind möglichst kleine Werte vorteilhaft, um möglichst viel Raum für weitere Projektoren auf den Kugeln oder Halbkugeln zur Verfügung zu haben, was mit Anordnungen mit sechs oder zwölf Projektoren mit großem Vorteil erreicht wird.

Die Aufteilung der Vollkugel in die genannten sechs bzw. zwölf sphärischen Vielecke und damit die Lage der Projektoren kann durch zwei sphärische Winkelkoordinaten (Xi) und (Eta) für die Lage der Mittelpunkte der umschriebenen Kreise auf der Kugel erfaßt werden, wobei eine "sphärische Länge" und "sphärische Breite" bedeuten. Im Falle einer einzigen verwendeten zentralen Projektorkugel beschreiben diese Koordinaten gleichzeitig die Durchstoßpunkte der optischen Projektorachsen durch die Projektorkugel und somit die Lage der Projektoren auf der Kugel. Im Falle zweier beabstandeter Projektorhalbkugeln eines Fixsternprojektors sind entsprechende geringfügige, vom Durchmesser der Planetariumskuppel abhängige Korrekturen aufgrund der exzentrischen Lage der Mittelpunkte der Halbkugeln zum Mittelpunkt der Planetariumskuppel zu berücksichtigen.

Für die Anwendung zur Fixsternprojektion im Planetarium ist es vorteilhaft, die Koordinaten der Projektoren in Rektaszension und Deklination anzugeben. Durch Transformation der sphärischen Koordinaten, d. h. durch Drehung des Bildinhaltes des Sternhimmels zur Projektorkugel, kann eine besonders vorteilhafte Sternhimmelaufteilung auf die verwendeten Projektoren erreicht werden. Damit wird gewährleistet, daß der Bereich am Ekliptikpol und auch der Bereich entlang des Äquators nicht mit Projektoren für die Sternfelder belegt werden, so daß u. a. Planetenprojektoren im Bereich des Ekliptikpols auf der Projektorkugel oder den Projektorhalbkugeln angeordnet werden können. Für die Ausbildung eines Mittelteils zwischen den Projektorhalbkugeln ist es wichtig, daß auch der Bereich des Äquators frei von Projektoren ist.

Die Position der einzelnen Projektoren zueinander bleibt dabei die gleiche.

Nach der sphärischen Koordinatentransformation ergeben sich, wie oben dargestellt, die Feldmittelpunkte in Rektaszension und Deklination bzw. in ekliptischer Länge und ekliptikaler Breite und damit, wie beschrieben, die Durchstoßpunkte der optischen Achsen der Projektoren durch die Projektorkugel oder Projektorhalbkugeln, wie sie in den Patentansprüchen 2 und 3 dargelegt sind.

An einem hantelförmigen Planetariumsprojektor sind für die Projektion der Sternfelder an die Innenfläche der Planetariumskuppel zwei beabstandete Projektorhalbkugeln an einem Stegteil angeordnet, nämlich eine überwiegend für die Darstellung des nördlichen und eine für die Darstellung des südlichen Sternhimmels. Je nach der Anzahl der verwendeten Projektoren besitzt jede dieser Projektorhalbkugeln drei oder sechs Projektoren.

Das genannte Prinzip der Aufteilung und Überdeckung der Vollkugel mit Bildinhalt ist unabhängig von der Art der Erzeugung des Bildinhaltes. Dieser kann auch auf elektronische Weise, z. B. als Videobild, erzeugt sein.

Die erfindungsgemäße Projektionseinrichtung besitzt einen hohen Wirkungsgrad der Lichtausnutzung und gewährleistet eine den Forderungen entsprechende hohe Abbildungsqualität bei geringem technischen und Kostenaufwand. Mit ihr ist ein brillanter Sternhimmel im Planetarium darstellbar. Besonders vorteilhaft ist der geringe Platzbedarf der Projektoren an der Projektorkugel oder den Projektorhalbkugeln, so daß weitere Baugruppen, wie Planeten- und Sonderprojektoren und auch Versorgungseinheiten dort Platz finden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen hantelförmigen Planetariumsprojektor mit einem Ausschnitt der Planetariumskuppel,

Fig. 2 und 3 die anordnung und Verteilung von insgesamt sechs Projektoren an einer Projektorkugel und

Fig. 4 in vereinfachter Darstellung eine Projektorkugel mit zwölf Projektoren.

In Fig. 1 ist ein hantelförmiger Planetariumsprojektor 1 dargestellt, welcher in der Mitte einer Planetariumskuppel 2 angeordnet ist. Er umfaßt zwei beabstandete Projektorhalbkugeln 3 und 4, welche mit einem um Achsen 5 drehbaren Mittelstück 6 über Stegteile 7 und 8 verbunden sind. Im Zentrum einer jeden Projektorhalbkugel 3; 4 befindet sich eine zentrale Lichtquelle 9; 10, von welcher aus über nicht dargestellte Kondensoren die an die Innenfläche 11 der Planetariumskuppel 2 durch Projektoren 12; 13 zu projizierenden Sterndiapositive beleuchtet werden. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, projiziert jeder der Projektoren 12 das ihm zugeordnete Sterndiapositiv an die Innenfläche 11 der Planetariumskuppel 2 und überdeckt so in einem Raumwinkel ω die Innenfläche 11 mit einem Bildinhalt. Bei dem hantelförmigen Planetariumsprojektor 1 ist die eine Projektorhalbkugel 3 überwiegend für den nördlichen und die zweite Projektorhalbkugel 4 überwiegend für den südlichen Sternhimmel vorgesehen. Überwiegend deshalb, weil in der Praxis auch einzelne Projektoren der Projektorhalbkugel 3 Sterne des südlichen Sternhimmels projizieren können und umgekehrt. Bei der Ausführungsform mit insgesamt sechs Projektoren 12; 13 besitzt jede dieser Projektorhalbkugeln 3, 4 drei Projektoren. Anstelle eines hantelförmigen Planetariumsprojektors findet auch häufig in Planetarien ein aus einer Projektorkugel 16 bestehender Planetariumsprojektor Anwendung, wobei die Projektorkugel dann alle sechs Projektoren umfaßt (Fig. 2 und 3).

In Fig. 2 ist stark vereinfacht und perspektivisch die Lage der Projektoren in einer mit sechs Projektoren 12 und 13 ausgestatteten Projektorkugel 16 dargestellt. Diese sind um eine zentrale Lichtquelle 17 herum angeordnet. Hierin kennzeichnet EK die Lage der Ekliptikebene und EP den Ekliptikpol. Mit EQ ist die Äquatorialebene und mit NP der Himmelnordpol bezeichnet.

Wie der Fig. 2 weiterhin zu entnehmen ist, bleiben vorteilhafterweise bei dieser Anordnung der Bereich um den Ekliptikpol EP und um den Himmelsnordpol NP und die Äquatorebene EQ frei von Projektoren, so daß hier genügend Raum für weitere Projektoren, wie Planeten- oder Sonderprojektoren, zur Verfügung steht. Die optischen Achsen der Projektoren 12; 13 schließen jeweils einen Winkel von 90° ein, und die von diesen Projektoren 12; 13 an der Planetariumskuppel 2 auszuleuchtenden Bereiche stellen sphärische Vierecke dar, die lückenlos aneinander anschließen.

Die in Fig. 3 dargestellte Projektorkugel 16 umfaßt sechs Projektoren 12; 13, von denen vier sichtbar sind. Die optischen Achsen dieser Projektoren 12; 13 gehen vom Mittelpunkt M der Projektorkugel 16 aus und durchstoßen die Oberfläche der Projektorkugel 16 in einem Punkt P, welcher der Mittelpunkt des Umkreises ist, der dem dem jeweiligen Projektor 12; 13 zugeordneten sphärischen Viereck 19 auf der Oberfläche der Projektorkugel 16 umschrieben ist. Die durch die Mittelpunkte M und P verlaufende optische Achse 18 ist eindeutig durch zwei Winkel definiert, die sowohl imm ekliptikalen Koordinatensystem als ekliptikale Länge λ und ekliptikale Breite β als auch im äquatorialen Koordinatensystem als Rektaszension α und Deklination δ ausgedrückt werden können.

Diese Koordinaten sind in untenstehender Tabelle für die Projektorkugel 16 mit sechs Projektoren 12; 13 in Winkelgraden angegeben.

Die in Fig. 4 dargestellte Projektorkugel 14 umfaßt insgesamt zwölf Projektoren 15, von denen acht in der Figur sichtbar sind. Die optischen Achsen dieser Projektoren 15 gehen wie bei der Anordnung nach Fig. 3 vom Mittelpunkt M der Projektorkugel 14 und durchstoßen die Oberfläche dieser Projektorkugel 14 im Punkt P, welcher Mittelpunkt des Umkreises ist, der dem dem jeweiligen Projektor 14 zugeordneten sphärischen Fünfeck auf der Oberfläche der Projektorkugel 14 umschrieben ist. Die Lage der durch die Mittelpunkte M und P verlaufenden optische Achse 20 ist ebenfalls durch zwei Winkel eindeutig bestimmt, deren Koordinaten in untenstehender Tabelle in Winkelgraden angegeben sind.

Die in den Tabellen angeführten Winkelwerte können geringfügige Abweichungen aufweisen, welche durch die Fertigung bedingt sind, ohne daß am Wesen der erfindungsgemäßen Lösung etwas verändert wurde.

Die in den obenstehenden Tabellen aufgeführten Koordinatenwerte gelten unter der Bedingung, daß der Mittelpunkt der Projektorkugel oder die Mittelpunkte der Projektorhalbkugeln mit dem Mittelpunkt der Planetariumskuppel zusammenfallen. Ist dieses nicht der Fall, müssen diese Werte, den gegebenen Bedingungen entsprechend, umgerechnet werden. Eine solche Umrechnung ist bei einem Planetariumsprojektor mit beabstandeten Projektorhalbkugeln notwendig, da hier die genannten Mittelpunkte nicht zusammenfallen.

Claims (6)

1. Projektionseinrichtung zur Fixsternprojektion bei Planetarien, umfassend einen aus einer Projektorkugel oder einen aus zwei beabstandeten Projektorhalbkugeln bestehenden Fixsternprojektor, wobei im Innern der Projektorkugel oder der Projektorhalbkugeln eine zentrale Lichtquelle und um diese Lichtquelle herum, die die Fixsterndiapositive an die Innenfläche einer Planetariumskuppel projizierenden, Projektoren angeordnet sind, derart, daß ein lückenloses Zusammensetzen der Bildinhalte an der Innenfläche der Planetariumskuppel gewährleistet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sechs oder zwölf Projektoren (12; 13; 15) in der Projektorkugel (14; 16) oder je drei oder sechs Projektoren in jeder Projektorhalbkugel (3; 4) vorgesehen sind, deren optische Achsen (18; 20) auf das Zentrum M der Projektorkugel (14; 16) oder der Projektorhalbkugeln (3; 4) gerichtet sind und daß die Durchstoßpunkte P dieser optischen Achsen (18; 20) durch die Kugel- oder Halbkugeloberfläche eindeutig durch allgemeine sphärische Koordinaten ξ und η bzw. durch speziell astronomische shärische Koordinaten des äquatorialen Systems in Rektaszension α und Deklination δ oder des ekliptikalen Systems in ekliptikaler Länge λ und ekliptikaler Breite β festgelegt sind.

2. Projektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fixsternprojektor mit insgesamt sechs Projektoren (12; 13) die Durchstoßpunkte P der optischen Achsen (18) der Projektoren (12; 13) auf der Oberfläche der Projektorkugel (16) oder der Projektorhalbkugeln (3; 4) folgende Koordinaten in Winkelgraden aufweisen:

3. Projektionseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fixssternprojektor mit insgesamt zwölf Projektoren (15) die Durchstoßpunkte P der optischen Achsen (20) der Projektoren (15) auf der Oberfläche der Projektorkugeln (14) oder den Projektorhalbkugeln folgende Koordinaten in Winkelgraden aufweisen:

4. Projektionseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Projektorkugel (14; 16) oder in den Projektorhalbkugeln (3; 4) angeordneten Projektoren (12; 13; 15) Projektoren mit elektronisch erzeugtem Bildinhalt sind.

5. Projektionseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Projektorkugel (14; 16) oder in den Projektorhalbkugeln (3; 4) angeordneten Projektoren (12; 13; 15) Videoprojektoren sind.

6. Projektionseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinaten der Durchstoßpunkte der optischen Achsen (18) der Projektoren (12; 13; 15) durch die Oberfläche der beabstandeten Projektorhalbkugeln (3; 4) der tatsächlichen gegenseitigen Position der Mittelpunkte der Projektorhalbkugeln (3; 4) und der Planetariumskuppel (2) angepaßt sind.