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标题: 〖2005-8-6〗〖转帖〗虑镜在星野摄影的应用 [打印本页]

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标题: 〖2005-8-6〗〖转帖〗虑镜在星野摄影的应用
虑镜在星野摄影的应用

王为豪

虑镜可以部分或完全吸收特定波长的光，而让其他波长的光穿透。摄影时透过使用虑镜，我们可以选择性地让我们想要的光进入镜头，以改变画面的色调、突出某些特定颜色的景物。
做天文摄影时，虑镜最重要的用处之一便是吸收掉包括光害在内的天空背景光。因为当天空背景不够黑时，一些很暗的天体会被淹没在背景中，长时间的曝光所能得到的，也只是泛白的背景而已。这时，只有使用虑镜来隔离天体的光与其他杂光，才有希望拍出这类暗淡的天体。此外，虑镜在天文摄影上较次要的作用是丰富画面的色调、增进画面的美感，使照片更具吸引力。
在这篇文章中，我以几个常被摄星者使用的虑镜为例，向大家介绍我们在选择虑镜时所依据的原理及心目中的考量。本文内容将集中于以传统底片做星野摄影的虑镜应用，我将不讨论 CCD 摄影以及行星或太阳摄影用的虑镜。

发射型星云与光害的光谱

若不考虑对照片色彩产生的视觉效应的话，最理想的虑镜是只让目标天体的光通过，而虑除所有其他天体与光害的光。如果我们想拍的天体是恒星（包括星团与银河）或反射星云（如昴宿星云、心宿二星云等），这是不可能达到的。因为这一类天体发出的光属连续光谱，从蓝光到红光都有，你不可能期望又要虑去光害又不损失这类天体的光。另一方面，发射型星云（ emission nebula，包括红色星云与行星状星云）则是有希望满足前述理想的天体。来自此类星云的光线除了少量散射的连续光外，主要集中在少数几个波长，也就是线型光谱，图一即是一典型的红色星云光谱，我们不妨注意几条明显的谱线，最强的是 Hα（波长 6563Å）及[NⅡ]（6548、6584Å），次强的有  Hβ（4861Å）、[OⅢ]（4959、5007Å）及[OⅡ]（3726、3727Å）等。最强的 Hα与[NⅡ]都在 6500Å 左右是使这类星云在照片呈现红色的主因，而[OⅢ]则在行星状星云中较强，行星状星云的绿色部分可以说就是它造成的（注一）。我们再看看都市中的光害。都市中最主要的照明光源是汞灯(即日光灯)与钠灯，它们发出的都是线光谱，而发出连续光的照明器材比例并不高且多局限于室内。因此，当我们远离都市，看到的光害便以汞灯与钠灯的散射光为主。表一即是光害的几条主要谱线，我们可以看到它们主要集中在波长 5400Å 到 6000Å 之间（即人眼最敏感的范伟，不然要它们做什么呢？）以及 4000 到4500Å 之间，在这两个范围内基本上是没有发射型星云的光的。

利用发射型星云与光害两者谱线位置不重叠的事实，我们比较容易找到适合的虑镜将它们分开，接下来的讨论也将集中在这儿。要拍其他连续光的天体的话，虑镜就只能搔搔痒，不是很有用。不过这也不会是大问题，红色星云不是大部分摄星者的最爱吗？能对付它，我们就很满足了。

直切式虑镜的应用

在了解哪些光是我们想要的，哪些是不要的之后，便可以开始寻找合适的虑镜。
首先想到的是直切式虑镜（ Sharp Cutting  Filter），是把波长短于某特定波长（此后称临界波长）全部虑除而长于该临界波长的光全部通过的虑镜，其中以富士的 SC 系列最有名（SC 缩写即来自 Sharp Cutting）。以最常见的SC64 为例，其特性曲线如图二，我们可以看到图二：SC64 的特性曲线它对波长 6400Å 以上的光是几乎透明的，而对 6400Å 以下的光则为不透明。其他的直切式虑镜如  SC40、SC56  等，都可由名称后两位的数字来了解该虑镜在透光与不透光间的临界波长。
既然来自星云的光绝大多数是在 6500Å 以上，而光害则在 5000 到 6000Å 之间，我们便可用临界波长在 6000 到 6500Å 之间的直切式虑镜来将两者隔开。当然，这是针对黑白底片而言（基本上指的是 TP2415，请参考注一），把这样的虑镜用在彩色底片上的话，拍到的所有东西都会是深红色，令人难以接受。
常被拿来这么用的是 SC64 与 SC60。前者是极深的红色，透过界限紧邻着 Hα 的 6563Å，是效果最强的虑镜，通常与氢气增感后的 TP 及低焦比的光学系统一起使用。SC60 比 SC64 多透过了一些星云的光与光害（天光的 O I，见表一）及大量的恒星光，用它拍出的照片基本上与 SC64 差不多，只是星点稍多而已。通常，拍较亮的红色星云只需用 SC60，很暗的才需要用 SC64。
直切式虑镜也是用来对付色差的好工具。一般不是很好的折射式望远镜，会把消色差范伟定在人眼较敏感的 4500Å 到 6500Å 之间，如此在眼视时并不会感到太大的色差。但这类系统往往在 4500Å 以下时，色差会急剧地加重。偏偏只要是温度比太阳稍高的恒星，就会发出很多短波长的光，而且底片看得到这些光。因此用这类系统拍星星的话，彩色照片上很多星周伟都会有蓝晕，在黑白照片上这些星则会显得肥大，都是不能容忍的。
常被用来削减色差的是 SC42 与 SC46，除了蓝色星云外，大部分的星光都被保留了，被吸收掉的是会让你看出色差的短波长的光。通常，SC46 只适合黑白底片，因为已有不少蓝光被它吸收掉，用彩色底片的话画面会有可察觉的变黄，要拍蓝色星云的话，亦是以SC42较合。当然，也可以视情况使用介于二者之间的SC44。
除了富士的直切式虑镜有系统化的命名法则，其他厂的就很难从名称上一眼看出它是不是直切式虑镜，或其临界波长为何。表二中列出几种天文摄影常用的富士SC虑镜及各厂所生产相当的虑镜名称，供各位参考。

干涉虑镜的应用

前一段提到的  SC64、SC60  等直切式虑镜最大的缺点是不能给彩色底片使用，用于黑白底片时则只适于拍摄红色星云，而不适合行星状星云，因为在行星状星云中很重要的[OⅢ]与 Hβ被虑掉了。这时我们或许会想，要是有一种虑镜能刚好只虑掉 5400 到 6000Å 之间与 4500Å 以下的光，那它不只可用来拍行星状星云，或许还可以给彩色底片用，这岂不是太完美了？事实上，干涉型虑镜可以做到这一点。
一般摄影用的虑镜多半是在镜片材质中加入染料而做成；另一种虑镜则是在镜片表面镀上许多层折射率不同的薄膜，利用光在薄膜间多次反射产生的破坏性干涉来消除我们不想要的光，这种虑镜即为干涉型虑镜。干涉型虑镜在光学波段的天文观测中被极大量地运用，给业余天文摄影用的干涉型虑镜，就是我们泛称的光害虑镜。
光害虑镜中最具代表性的美国 Lumicon 公司所生产的 Deep-Sky  Filter（日本人叫它 DSP，不知为什么），它的特性曲线就像图三那般奇怪的模样。很明显，它对表一所列的几条光害的谱线几乎都是不透明的，却对图一所示来自星云的光只有少量的吸收。加上它仍允许相当多量的蓝光与绿光（注二）通过，即使用于彩色底片，也不会得到只有单一色调的星点。
在抗光害方面，我在山上使用这款虑镜时，尽管用的是光圈3.3与 800度底片这样高速的组合，在一小时以上的曝光后，得到的底片底色仍与未曝光差不多。这表示它虑除光害方面相当值得信赖，而且经得起极长时间的曝光。
在曝光时间方面，对大部分星云来说，曝光时间反而可以比不加虑镜稍短，因为在几乎没有背景的状况下，不用太长的曝光即可令星云突出出来。但若拍的是像 M42、M17、M8 一类明亮且中心发白光的星云，因为它们含有很多连续光，而这些连续光会被虑镜吸收掉一大半，所以曝光时间反而要延长（注三）。
在照片颜色方面，Deep-Sky 虑镜拍出的星点较无变化，除非用对底片，否则不容易拍出红蓝俱全的星点，而它拍出的星云则呈现深红色。较具体的例子是天文通讯 248 期封底的北美洲星云，大家可以参考看看。
需要提醒大家的是，Deep-Sky 虑镜在摄影时，只适于在光害微弱地区用以强调发射型星云。在市中心用它不保证会有好下场；而若要拍反射型星云或星系等连续光天体的话，Deep-Sky  虑镜都会将这类星云的光削弱很多，即使用极长时间的曝光也难以有效拍摄（注四）。
如果拍摄地光害稍重，或希望得到更强烈的效果，则可考虑 Lumicon 公司的另一款 Ultra High Contrast Filter（简称 UHC）。图四是 UHC 虑镜的特性曲线，基本上它可以看成是 Hβ与[OⅢ]附近开了个窗口的 SC64。因此 UHC 虑镜与 SC64 相比，可以在引入最少量的光害下，兼顾了拍摄行星状星云的可能性，而即使拍一般红色星云，也因引入了 Hβ而可省下些曝光时间。从这个角度来看，UHC 虑镜是比 SC64 更值得采用的。当然，其与SC64一样，只适用于黑白底片。
现在，Deep-Sky虑镜在日本已有几位知名的使用者，在台湾几位特别爱拍星云的同好则是人手一片。除了Lumicon厂以外，其他厂也有提供类似的光害虑镜，如美国的Meade、Orion，日本的Mizar、Kenko等，选用时应留心它们是像Deep-Sky虑镜一样可用于彩色底片（透过范伟较大），还是如UHC虑镜一般只适用于黑白底片（透过范伟较窄）。

色修正虑镜

前面提到的虑镜，包括直切式与光害虑镜，其特性曲线的形状是极端的，对大部分的波长而言，不是完全透过就是完全吸收，这在使用彩色底片时，会对画面色调产生相当大的影响。日本流行的折衷方法是，只在曝光中途使用这些虑镜而不全程使用，例如在曝光前半段加虑镜而后半段不加。如此，摄得的彩色照片不会有过度偏差的色调，红色星云也可获得加强（注五）。同样的手法也可以在拍摄其他天体时，用以部分抑制光害。
前述的两段式用法在操作上并不容易，且只适于在弱光害下搔搔痒。这种时候，不如直接用调色的虑镜。

摄影家们在用彩色底片拍照时，常需要针对现场的照明环境与底片特性，用一些能使画面色调产生微妙变化的虑镜。这类虑镜中，具有代表性的是所谓的色补偿虑镜（Color Compensating Filter，简称 CC 虑镜，柯达与富士都有生产），其他还有柯达的 Conversion Filter、Light Balancing Filter 等。我们以下的介绍将集中在 CC 虑镜的部分。
CC 虑镜共有六种色调，分别是三色及其补色：R（红）、G（绿）、B（蓝）、C（cyan，生青）、M（magenta，紫红）、Y（黄）。例如 G 虑镜是用以强调绿色，而抑制红色与蓝色，也就是 G 的补色 M；而 M 虑镜则反过来，可抑制 G 而同时强调 R 与 B。另一方面，每一种色调的 CC 虑镜又由浅到深有各种浓度。以M为例，浅到深的完整虑镜名称依序是：025M（这是柯达的称法，富士则称 2.5M）、05M、10M、20M、30M……。关于 CC 虑镜的特性曲线，我只以 M 为例绘于图五，因为详细的曲线形状并不重要。而且，CC 虑镜对于其所抑制色光的吸收量可直接由其名称上的数字读出，不需借助特性曲线，方法见
注六。
看到 M 虑镜的特性曲线后，大家应该可以想得到，它也可以用来抑制微弱的光害。当拍摄时天空透明度不顶好或拍低仰角天体时，得到的背景常泛着微绿，这时若不是真的要拍很暗的天体，用 M 色系的虑镜会比较恰当。
例如，10M  约抑制了  20%的绿光（注六、图五），适合在光害微弱时使用。20M  较深，不适合拍摄绿色成份较重的天体，如行星状星云与呈现橙色的夏季银河 ( 因为橙色是红色加绿色)。而更浓的30M对绿光的吸收已达50%，不但只适合拍红色与蓝色的天体，最好只与负片搭配使用，这样要是不幸画面调色改变过剧，还可以在洗相时加以修正。
除了 M 色系的 CC 虑镜可用来修正因光害而偏绿的背景，R 色系也可用来单独强调红色星云。例如，较浅的 10R 可用于正片；较深的 20R 或 30R 则只适用于负片，且要小心对其他颜色天体的影响。
以上的考量，都是只考虑天体与背景的效应，但是很多时候，底片本身在做天体摄影时就会有色调偏移。当你拍的天体较亮，这种色调偏移较不明显；当你拍的天体很暗，就会看出很明显的色调偏移。这是因为彩色底片的红、绿、蓝三层感光乳剂的倒数律失效（Reciprocity Failure）步调不一致而造成。这种现象严重的底片当然不宜使用；轻微者，负片可在放相时修正回来，正片则可考虑用CC虑镜来修正。
例如，富士的G400（约流行于 1994 到 1997 年）是很优秀的天文摄影用负片，它对蓝、绿色光的感光能力很强，红光相较之下稍弱。这时，可考虑用 10R 或 20R 来修正，拍暗的红色星云时，还可考虑用 30R。又例如，Konica 的400 度负片有偏紫色的传统，从过去的 XG400 到 LV400（97 年停产）皆是。若拍的不是以红、蓝光为主的较暗的天体，可以考虑用 G 色系的 CC 虑镜来修正。例如，若要拍明亮的夏季银河，色偏会较不明显，用浅色的 5G 或 10G 即可；拍椭圆星系时因对象较暗，适用的虑镜从 10G 到 30G都可能（注七）。正片方面，柯达的 EPP、EPD、 EPL 及富士的 Provia  400 等，都需要用 R 色系的虑镜来修正红色的不足，修正量因底片而异，使用者须事先测试。
各种不同色调、不同浓度的 CC 虑镜的应用不只以上几例，尤其面对连续光谱天体及使用彩色底片时，其所能产生的变化远多过直切式与光害虑镜。只有充分了解天体、虑镜、底片三者的特性，才能拍出色调丰富的照片。

其他关于虑镜的问题

前面我介绍了几种虑镜在星野摄影上的应用，现在让我来谈谈虑镜本身的问题，这是使用者最好要知道的。

虑镜的材质

一般摄影者用的虑镜几乎都是玻璃制的，圆形的玻璃虑镜在外侧套上金属框后，旋在镜头前或望远镜中使用。本文中提到的B+W、Kenko、Lumicon 等厂的虑镜皆属此类。另一种虑镜是薄片型虑镜，其材质有胶质（gelatin）与醋酸纤维（acetate）两种。本文提到的柯达的Wratten与CC属胶质虑镜，富士的SC 与 CC 则属醋酸纤维虑镜。柯达的胶质虑镜只有 0.1mm（?0.01mm）厚，最常见的尺寸为75mm 见方，也有 100mm 或更大的。据柯达宣称，醋酸纤维虑镜的厚度不均匀性会比胶质虑镜大，光学表现稍差。
刚买回来的薄片型虑镜就是很单纯的一片胶片，四周没有支持体，使用上比玻璃虑镜不方便。想加在镜头前的话，可以配合Cokin的虑镜架与其供薄片型虑镜用的框；若要放在望远镜里，就得自行切割成适当的形状，再设法加进光路。除了使用不便外，薄片型虑镜的另一个缺点是脆弱，它禁不起任何触摸、刮损及潮湿，很容易受潮而弯曲、褪色，甚至长时间处于明亮的环境也会引起褪色。基本上，要有把它当消耗品来用的心理准备。
但另一方面，薄片型虑镜有个玻璃虑镜完全比不上的优点，那就是它的光学表现。当虑镜不是放在光学系统的正前方，而是光路中，正如大部分的望远镜头与天文望远镜一般，虑镜本身即会引起焦点的移动以及包括色差在内的各种像差（请看下一小节）。这种效应，虑镜愈厚愈严重。因此相较之下，只有0.1mm 厚的薄片型虑镜对影像品质的影响可说小之又小，尤其是厚度均匀性相当好的胶质虑镜。
我自己使用胶质虑镜的方式是，裁成圆形后夹在两个虑镜环中，当然，原有的玻璃虑镜已被我拿下来了。不用时我会将虑镜取下，用拭镜纸夹住、压平后放入干燥箱。即使如此，山上山下的潮湿也很快地伤害了它，估计使用五个夜晚后就要更新了。B+W 公司很体贴地把柯达的 CC 虑镜胶封在两片玻璃内，制成圆形虑镜出售，不仅使用上方便，更不用担心虑镜受到伤害。不过，这只适用于镜头前，若用于光路中，则失去了薄片型虑镜的优势，要有接受相对后果的觉悟。

虑镜对成像的影响

我们平常关心虑镜的光学品质时，通常只在乎其两个表面的平行性与平面性。这是因为若把虑镜加在镜头前，只要平面性与平行性良好，就不会影响影像品质。然而，若是加在光路中，通过虑镜的是汇聚的而非平行的光束，此时即使是拥有完美平面性的虑镜，也会大大影响最终成像。

让我们看看图六的例子，两束原本要要汇聚到 F1 点的光，在加了虑镜后各自产生偏移，成为汇聚到 F2 点。这告诉我们第一件事，在汇聚光路中加入虑镜会让焦点向后移动，例如，若用的是厚度 3mm、折射率 1.5 的虑镜，对于焦比 2.8、4 与 6 的光学系统来说，焦点的后移量都约是 1mm，但造成的星点直径增加则分别有 0.36mm、0.25mm 与 0.17mm，都非常大（注八）。所以，在望远镜中加入或更换虑镜后，重新对焦是绝对必要的。

这种焦点后移的效应基本上与虑镜厚度成正比。因此，若使用的是前述的薄片型虑镜，除非使用的是焦比极低的系统，否则加入虑镜后即使不重新对焦也无所谓。

除了焦点后移外，虑镜也会引入球面像差。如图七，来自主镜不同区域的两组光束 A、B，原本可顺利地汇聚到同一点，但经过虑镜后各自产生偏移而汇聚到不同的两点。这效应基本上也是正比于虑镜厚度而反比于主镜焦比。例如，仍是厚 3mm、折射率 1.5 的虑镜，而主镜焦比 2.8，因此产生的星点变粗，少则10µm，多 20µm，不可不慎。
不过，这种困扰只出现在天文望远镜上，因为虑镜内置的长镜头在设计时即已考虑到这现象而加以消去。这也是为什么望远镜头即使不使用虑镜，也要放一块透明的保护镜在里面，不放反而会产生像差。而对天文望远镜来说，此一现象主要影响着焦比 3.5 以下且焦距在 600mm 以下的系统；长焦的系统不论焦比是大是小，都较不受影响。而使用薄片型虑镜是唯一合理的解决方式。
焦点后移与球面像差是光路中的虑镜所引入的两个主要问题，除此二者，还有色像差、像面弯曲等等，但就星野摄影的角度来看，这些就显得比较次要，故不再加以讨论。

结语

不论用的底片是黑白或彩色，虑镜的效果都可以是立竿见影的，前题是要用得对、用得好。你总得先知道背后的理由，才能判断该怎么做、会出现什么结果。希望本文带给大家的，不是一堆虑镜的型号，而是知其然还要知其所以然的态度，这永远是拍出好照片的必要条件。

注释

注一：值得留心的是，贡献红色星云中绝大多数的光的 Hα与 NⅡ等谱线，波长都在 6500Å 以上，而对大部分的黑白软片来说，在 6500Å 以上的感光能力是很差的，但柯达的 TP2415 是个例外。若要用 TP2415 以外的黑白底片来拍红色星云，只能寄望拍到较弱的 Hβ、[OⅢ]、[OⅡ]等谱线，效率会很低。

注二：附带说明一下，最粗略的分法是：5000Å  以下是蓝色光，5000Å  到 5800Å是绿色光，而 5800Å 以上是红色光。

注三：M42 是最明显的，其中含有大量的连续光，任何人都可以看出 M42 中心不似其他星云那么红。我个人用 Deep-Sky 虑镜拍 M42 的经验是，曝光时间几乎要加倍，因此可能不用还比较好。

注四：最佳反面教材是“天文ガィド”杂志 1996 年 12 月号 145 页上半部的M33，作者用了 Deep-Sky 虑镜后，一页原本只要一小时曝光即可的照片，变成即使配合了冷却相机这么有力的增感方式、长达两小时的曝光，及显影增感等手段，星系本体都仍处于曝光不足的状态，讯噪比非常地差。相反的，星系中的红色星云却快曝光过度了。

注五：一个成功的例子是，在注四中所述的同一期杂志，第 144 页下方的 IC1805、1848。
注六：见下一贴的图

注七：事实上，因为在呈现橙色的椭圆星系中，绿色光占了重要的比例，对绿光感应力不佳的 Konica 负片其实是不宜使用的。因为即使用虑镜修正了色偏，曝光时间也要很长才行。

注八：要算出这些数字一点也不难，只需用到高中物理里的折射定律。若需要简单易算的公式的话，对于厚度 d 的玻璃虑镜而言，若光学系焦比是 F，则焦点后移后将导致星点直径增加 d×0.35/F。而在最一般的状况下，底片上星点的典型大小是在 30µm 到 50µm 之间，亦即在 0.03~0.05mm。

注九：本文原出处为 ALOHA 文小站

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