〖2005-8-6〗〖转帖〗虑镜在星野摄影的应用

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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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skystar

好贴！加精华了。

xytjm

好贴,留下慢慢学.