天文攝影入門---第七章 各種天像的固定攝影

主題已鎖定
頭像
Wongsir
壇主
文章: 3169
註冊時間: 週六 28 6月, 2003 12:03
聯繫:

天文攝影入門---第七章 各種天像的固定攝影

文章 Wongsir » 週日 25 1月, 2004 21:35

7. 各種天像的固定攝影
利用固定方法,可以拍攝星座、銀河、星流跡、流星、人造衛星等,還可以拍攝其他天象,如月食、日食的過程彗星、黃道光、對日照、極光等,以下將會逐項詳細介紹。

獵戶座
日期 : 2003年聖誕節
地點 : 北京興隆
柯達數碼相機 固定攝影
攝影 : 黃隆
圖檔

7.1 星座(及星野)的攝影
7.1.1 曝光限制
由於星空的旋轉,要保持星像不致移動,曝光時間就必須有一定限制。表7.1 說明用各種焦距鏡頭拍攝各天區星體的最長時間限制。
從表中可見,鏡頭焦距愈短,曝光極限愈長。為了方便使用起見,可以記著用標準鏡時(50mm),低緯度(0°~30°)天區可曝光15秒,中緯度(30°~60°)天區20秒,高緯度(60°~90°)天區30秒。
圖7.1 新月與金星的西落。ASA100彩色負片,每5分鐘曝光1次,55毫米標準,f/4曝光2秒

圖7.2 銀河中心
北京 興隆
Pentax 67 照相機
35mm f/4.5 鏡頭
EM200 德式赤道儀
曝光 : 追蹤攝影 60 分鐘
攝影 : 陳一平
圖檔

表7.1 固定星點攝影的極限曝光時間(星點在底片的直徑小於0.05毫米時)

7.1.2 鏡頭的視場(Field of view)
星座在天空所佔的面積有大有小,要拍攝一個星座,應先知道星座的範圍與我們所用鏡頭的視場(拍攝角度)。普通來說,標準鏡已足夠攝下大部分星座。
表7.2 列出35毫攝影機配用的一般鏡頭的視場

表7.2 35mm攝影機配用的一般鏡頭的視場
表7.3 利用100度(ASA100)中速度片對天球赤道星空作固定攝影所得的極限星等


7.1.3 極限星等
恆星距離我們太達,無論採用何種焦距鏡頭拍攝,星像都是一個小點。因此一個鏡頭所能拍攝的極限星等(即在曝光時間限制內所能拍攝到的最暗的星體)就決定於鏡頭的集光能力(有效口徑、Effective aperture)。

鏡頭的有效口徑(mm)=鏡頭焦距(mm)/所用光圈(f/N&)

從上表可見,利用一個f/2的標準(50mm焦距)及100度底片拍攝赤道天區,可以輕而易舉到七、八等的暗星,比肉眼能見的六等還多。這些數字只是理論上的最佳成績,實際上因拍攝地的光害(天空光度、附近燈光)及大氣的透明度(雲層、煙霧)影響而降低。

7.1.4 光圈的大小
用一個大光圈(f/No.小)的鏡頭,如f/1.4,f/1.8,f/2拍攝星座時,我們會發覺底片邊緣的星像多呈扇形而並非圓點,這種不甚美觀的情況是因為鏡頭的各種像差所造成。不過只要把光圈收細一級(犧牲了一些暗星),效果便有顯著的改善。

7.1.5 器材
拍攝星座所需的器材,與一般固定攝影無異。底片方面,宜選用較高速度的,如 ASA200 或 400。顯影方面可用增感顯影藥或延長顯影時間(強化顯影),將暗星亦顯現出來。

7.1.6 拍攝步驟
(1) 查看星圖,看看星座的位置與範圍;查對鏡頭是否可以拍攝整個星座;
(2) 將攝影機固定在三腳架上,將快門繩扭在快門按鈕處,把遮光罩裝在鏡頭前;
(3) 構圖──將攝影機對正要拍攝的方向,在觀景器看清楚是否對正該星座;
(4) 將鏡頭距離調至無限遠(∞);
(5) 將光圈盡開(或再收細一級);
(6) 將快門校至B掣處;
(7) 輕輕按下快門繩(自動銷上)開啟快門,並留意時間,注意不要振動攝影機;
(8.) 在適當的時間後鬆開快門繩的鎖,關上快門;
(9) 將所有攝影數據記錄下來。

7.1.7 構圖
拍攝每一張天文照片,前應先考慮構圖方面,可用透明膠片畫上各個鏡頭的視野,鋪在相配的星圖上決定構圖及看看能否包括整個星座。視野四周的方向最好是正東南西北,才易於辨別。有地平線景物的天文照片應保持水平。
在實地透過攝影機觀景器取景時,有時會發覺很難見到要拍的星座(尤以使用小口徑鏡頭)。通常這是因為眼睛仍未能適應暗黑的環境,不過為免浪費時間,我們可以棄用攝影機觀景器,而在機上(閃燈插座處)裝上一個外用觀景器。

圖7.3 星野照片的構圖──利用透明膠片先找出要拍攝的區域
圖檔

7.1.8 避免振動
按下、提起或放下快門繩的動作有時會使攝影機產生不必要的振盪。不過利用第四章提及的「鏡前黑咭曝光法」,可以避免。
圖7.4 外用觀景器;a=框的長度;b=框的高度;c=由小孔至框的距離;f=鏡頭的焦距。

7.1.9 全天星圖攝影計劃

拍攝星座,差不多是每一個天文愛好者進入天文攝影領域的第一步。利用一張固定方法拍攝的星座照片,檢對星圖上各星的名字及亮度,甚具趣味性與教育性。
推而廣之,我們甚至可以拍攝一份六、七等(或以上)的全天星圖(指觀測地點可見的,在香港可拍至赤緯-67½°)。理論上,在一個時間內我們可以看到差不多半個星空,而約六小時後,我們可看到另外的四分一。所以隔半年再攝一次,便可完成計劃。
但實際上天氣並非如想像中理想,同時亦不能拍攝接近地平線的星空(最好等待至升至相當高度),因此必須每隔一段時間,選擇一處暗黑的地點及在無月的晚上拍攝。如該星區有行星或小行星出現,則必須等待機會重拍,如不可能避免,應作適當的註明。
要攝製一份完整的全天星圖,必須事先計劃,在星圖上劃分區域,每區域的大小視鏡頭的範圍而家,同時必須互有重疊。每個區域最好多拍幾次,以免底片有瑕疵而前功盡廢。所有操作過程(如拍攝鏡頭、光圈、曝光時間、沖曬情況盡可能相同)必須依照一定的統一程序。
如用標準鏡(50mm)焦距拍攝,在香港起碼要64張始完成計劃,分區可依圖7.5,底片每邊有差不多五度的重疊。應在星圖中畫下每張視場的界限,拍攝時要小心對正,否則便有空洞的天區。


7.2 星流跡的攝影
假如我們將固定星座攝影的曝光時間加長,星像便成條狀,很是有趣。我們可從這些「星流跡」或「星跡」(Star trail)照片中瞭解星空的轉動(週日運動),比較各星的顏色與亮度,及比較鏡頭的像差、底片的特性、觀測地點的光害程度及大氣狀況等,如只曝光一、兩分鐘,銀河的範圍亦可看到。如加上前景的樹木、樓閣、小山,更可溝成一幅充滿意境的沙龍照片。

表7.4 星跡在底片的長短
圖7.5 用標準鏡拍攝全天星圖時的分區(只示北天球的分區,南天球同樣處理)

7.2.1 星跡的長短與弧度
星空的週日運動是以每小時15° 運行,所以星跡的長短,是由曝光時間、鏡頭焦距與星空區域(赤緯)三個因素決定。表7.4是從第二章的公式中計出的實際大小。
拍攝星跡照片,可以顯示天空各區域的週日運動(Diurnal motion)。向天北極方向拍,攝星跡呈弧形,可見各星以天球北極為中心旋轉。由於北極星偏離正北極約1°,所以亦以一個1°半徑的圓弧運行。近赤道區域的星跡則近乎直線,較北的弧形彎向北面,較南的則彎向南面。極南的星跡則呈小弧形,以地平線下一點為圓心。

拱極星流跡 , 北京興隆
50mm f/5.6 標準鏡
1小時 固定攝影
攝影 : 陳一平
圖檔

東南方向的星流跡
日期 : 2003年 聖誕節
地點 : 北京興隆天文台
攝影 : Passerby-B
圖檔

7.2.2 器材
拍攝星流跡的器材與一般固定攝影無異,底片方面可選用中速至高速的,亦可獲得一定的效果。不過如所用攝影機的快門是電子控制的,就必須翻查說明書,看看用B掣時是否耗電。如用觀景器內有LED(發光二極管)指示燈的攝影機,必要時要出電池,以免過度耗電及減少:LED發出的光線漏入底片而影響影像質素的可能性。

7.2.3 拍攝步驟
拍攝星流跡的步驟與星座相同(見7.1.6 段)。如先曝光15~30秒後,用黑紙遮蓋鏡頭15秒,再作長時間曝光,每條星跡前便有一星點,可方便連成星座辨認。

7.2.4 極限曝光時間與光圈
開盡光圈拍攝星流跡照片,通常會發覺一個不良現象,就是相片的中央較亮,四角較暗,很不順眼(這缺點可於曬相時作局部加光補救),同時邊緣星跡較為鬆散。如將光圈數細一級,多有很好的改善。
至於曝光時間的長短,並沒有一定的標準。不過最長(極限)曝光時間則有一定的限制。在最暗黑的環境及最清澈的大氣下,星空背景亦有一定的亮度(稱為「天光」Sky glow,是由無數背景恆星的光線與大氣分子本身電離後發出的微光組成)。超過這個極限,照片便呈灰白(Fogged),所記錄的星跡漸漸減少。
表7.5 天文攝影的理論上極限曝光時間
從表中所見,如要用四百度底片拍攝四小時的星跡,光圈不能大於f/11。由於光害與大氣透明度的影響,實際極限比表列的為短,至於數字如何,必須作實地長時間曝光試驗找出。
作長時間曝光,還要注意凝露(Dewing)問題,這點可參考 第 8.1.5-(3) 章。


7.3 流星的攝影
7.3.1 流星的本質
夜裡有時見到一線白光突然劃破長空,這就是流星(Meteor或俗稱Shooting star)。平常肉眼注意到的一般都亮於二等。亮於金星的(負四等或以上)叫做火流星或火球(Fire-ball),有些於燃燒過程中還會產生爆炸。較亮的火流星燃燒後多在天空留下煙痕(Vapour trail)。視乎高空大氣的情況,這些煙痕可能停留一、兩分鐘,期間形狀多有變化,顯示出高層大氣的氣流。
拍攝流星方法相當簡單,但拍到與否則視乎運氣,因它們出沒無常,只持續一、兩秒,可說稍縱即逝。

7.3.2 拍攝方法與器材
拍攝流星通常需要用「守株待兔」的方法來捕捉,辦法就是打開攝影機的快門作長間的曝光,如有流星在這段時間內在拍攝的區域出現,便會記錄下來。當然如多用幾架攝影機向不同方向拍攝,機會便大增。
拍攝方法與星流跡相似,通常需要利用較高速底片(ASA200以上,如用彩色可記錄其顏色),及一個較闊角的鏡頭(標準至廣角),光圈不能太小(光圈值不大於2.8),每張底片可曝光10分鐘至半小時。通常流星的縱影與星會有不同方向及長度,同時亮度可能並不平均(一般頭尾較幼)。
要拍攝煙痕,必須用最高速底片(ASA400或以上)及盡開光圈,用固定方法曝光10~30秒。如一連拍攝多張,更可見其形態變化。
當然我們亦可用追蹤方法,使星像不呈條狀,但利用這麼多精神追蹤去捕捉流星,似乎本末倒置。
作長時間曝光,凝露問題(尤以午夜後)應特別注意。
圖7.7 獅子座流星雨
日期 : 2001年11月18日
16mm f/2.8 魚眼鏡,
柯達PJ800負片, 曝光10分鐘.
攝影 : Subaru
圖檔

圖7.6 各個天區的星流跡


7.3.3 拍攝時間
通常每晚都可見到多顆流星,但在一年的某些日子裡,流星在某天區出沒的數目較多,這就是所謂「流星雨」(Meteor shower),那時,大部份流星好像是在天空某點(輻射點)射出。很多天文書籍都會列出一些流星群的出沒日期、星區及輻射點位置,而天文年表中亦多列出各流星雨的高潮期,在這日期的前後數天拍到的機會較大。
另一方面,流星的出沒以下半夜較上半夜為多,同時要選擇沒有月色影響的晚上。

7.3.4 拍攝流星的價值
單獨捕捉到一顆流星,沒有很多的科學價值,但如果我們在流星雨出現期間作出系統的觀測,才有助於找出流星群的真正輻射點及其他資料。
先在星圖中點出該流星群的輻射點所在,取景時將這點放在視場的一邊,最好是利用多架攝影機(或與其他同好分工合作)同時向輻射點四周天區拍攝。拍攝期間,留意所拍區域,記錄下每顆流星出沒的時間與大約位置,及曝光的開始及結束時間,才能準確地在星圖中畫出每顆流星的軌跡,從而找出真正的輻射點。
此外我們可與數十里外的同好約定(或事後比對),除拍攝外還記錄每一流星的出沒時間及情況(如光度、顏色、速度、持續時間、有沒有爆炸及煙痕)。兩地所得的資料有助於天文學家利用三角視差法計算流星進入大氣的方向、高度與飛行路線等數據。
利用心算估計流星由出現至消失的時間當然不甚準確。如有意作長期的流星攝影觀測,可以自製一個特別的儀器。它的車葉是利用摩打推動,每秒將流星截斷20~40次(速度可預先測定),從流星跡的截數可以準確算出出沒的時間。


7.4 人造衛星的攝影
7.4.1 辨別
在黃昏或黎明的一段時間內,很多時會發現天上有一些「星」會慢慢移動。這些慢慢移動的星體並非流星,而多是人造飛行物體。
這些人造飛行物體包括了人造衛星、太空船(站)、火箭、火箭殘骸、大氣球,甚至高空的飛機,當然還包括有些我們未能查明究竟的「不明飛行物體」(U.F.O.)。這些飛行物體本身大都不發光,它們是靠反射太陽的光線始為我們見到。因距離我們起碼幾十公里,所以看來移動較慢,一般約需兩、三分鐘才橫過天際,有時更會進入地球陰影而突然消失。通常為肉眼注意到的起碼約有三等亮度。在1979年底仍然在地球軌道運行的人造物體己超過四千件,再加上每日昇空的氣象氣球更不計其數,所以見到這些物體的機會很,有時甚至在同一時間內可以見到三、兩個。

圖7.9 人造衛星的軌跡
圖檔


7.4.2 拍攝方法
拍攝人造衛星等飛行物體,我們可以用固定方法,先將攝影機固定在三腳架上。於見到這些物體時,趕忙將攝影機對正方向拍攝(通常要將物體放在攝影機視場的一角,讓其慢慢橫過)。步驟與拍星座或流星一樣,但記著要記錄下攝影機對著的星座(或較光恆星)及拍攝時刻。
如拍攝多張十多秒曝光的一系列照片,可以找出物體在每個時刻的位置。如作一兩分鐘曝光,可拍下物體在天空的移動軌跡。底片方面,宜用較高速的(四百度),鏡頭光圈起碼要有f/2。至於曝光多少實無一定的標準,須視乎環境而定,很多時因天色仍未全黑或己微露曙光,所以宜多拍幾張不同曝光選擇。

圖7.8 (a)固定攝影時攝得的流星;(b)追蹤攝影時攝得的流星;(c)流星流下的煙痕 A/BC
圖7.10 黃道光


7.5 黃道光(與對日照)的攝影
7.5.1 出現情況
黃道光(Zodiacal light)與對日照(Gegenshein)是沿黃道區的一種暗淡光芒,這些光芒是由在黃道面(地球軌道平面)的微塵反射陽光所致。由於十分暗淡(最亮部份略比銀河稍亮),所以觀測十分困難,必須在極暗黑的環境及極清澈的大氣下始能見到。
在中緯度地方,黃道光通常在春秋兩季較易見到。它在春季日沒後西方天空的地平上(或秋季日出前東邊的地平上)另一個三角錐形的暗淡光芒,地平寬30°~60°,沿黃道區伸展50°~60°。
而對日照則呈一個較小橢圓形(20°X10°)的暗淡光芒,於黃道上與太陽相反(180°)的位置。最佳的拍攝季節是十一月(秋季)日出前的東方或二月(春季)日沒後的西方。

黃道光軌跡
(www.space.com)
圖檔

黃道光
Dominic Cantin
2000年8月
加拿大Quebec
曝光 2 分鐘
金星在照片的右面
圖檔

7.5.2 拍攝方法與器材
黃道光(與對日照)可以用固定或追蹤方法拍攝,最好選用較廣角的鏡頭(28~35mm焦距)及高速底片(400度或以上)開盡光圈曝光2~10分鐘左右。為了增強反差,可用高反差的顯影藥(如D-19)或增感顯影藥或加長顯影時間,放大時則用硬調相紙。


7.6 光譜的攝影
7.6.1 原理
如在攝影機鏡頭前放置一個三稜鏡(作為物端稜鏡Objective prism)或一個直視分光鏡(Direct vision spectroscope),便可將視場內恆星的光譜攝下。由於色散後光度暗淡,所以必須選用大光圈的鏡頭與高速底片(以彩色的效果最佳),一般曝光在5~15分鐘或以上,鏡頭的焦距愈長影像愈大。

圖7.11 三稜鏡攝譜儀;(左)實物;(右)構造
圖檔

7.6.2 三稜鏡方法
所需要的基本器材包括一個三稜鏡(每角60°的,每邊長度最好有五十毫米左右),一個安裝攝影機及三稜鏡的木架,一個尋星鏡等。
由於稜鏡對光線的屈折,所以攝影機一般並不對著要拍攝的方向,因此在木架上最好安裝上一個尋星鏡。要得到最大的屈折(最闊的光譜),三稜鏡必須與攝影機鏡頭光軸成一個角度(θ),這個角度可用下列公式求得:θ=〔2Sin¯¹(nsin A/2)〕-A°(A=稜鏡的角度,n=稜鏡的折射率Refractive index,一般玻璃可當作1.5計算,這裡A=60°,因此θ約為37°)
要將稜鏡的光譜像擴闊成帶狀,可以利用星空本身的週日運動,因此稜鏡長邊的方向須與要拍攝天區東昇西落(週日運動)的方向差不多一致,這樣光譜便向南北方向。
拍攝較光恆星的光譜,可以用固定方法,將攝影機裝置固定在三腳架上,鏡頭校至無限遠。
拍攝較暗恆星的光譜,必須採用追蹤方法,將攝影機固定在赤道儀上的架台,攝影機擺放的方向如上述一條(東西方向的)短線。如用電動追蹤,可將摩打速度調快或調慢1倍左右。如用手動追蹤,則可採用下述的「固定及追蹤混合法」。
(1) 先將導星放在追蹤目鏡的十字絲交叉點上,隨即按下快門繩開始光。
(2) 不要扭動極軸微動裝置,只讓週日運動慢慢地把導星帶至追蹤目鏡視野邊緣。
(3) 迅速轉動極軸微動,將導星重新帶回十字絲交叉點上。
(4) 重複 (1) 及 (3) 步驟,直至曝光完畢為止。

7.6.3 直視分光鏡方法
直視分光鏡內部裝有一連串稜鏡,前端亦有狹縫,因此拍攝方向與攝影機鏡頭方向一致,用起來較為方便,同時亦只須利用追蹤方法拍攝。
此法可以用來拍攝太陽光譜,如想擴大光譜的闊度以攝下更多吸收線,可用一個較長焦距的鏡頭,微微傾斜分光鏡可將光譜的不同部份投射至攝影機之內。底片方面可用高反差兼微粒的慢速底片,曝光則必須通過實驗找出,顯影方面可選用增感的顯影藥或加長顯影時間。

圖7.12 固定追蹤混合法

圖檔

7.7 其他天像的攝影
7.7.1 範圍
利用固定方法,還可以拍攝其他較亮的天體與天象,如:
(1) 月球與地面風景
於新月或殘月階段將月球與地面風景拍下,甚具詩意。用標準鏡拍,攝影像太小,可用100~200毫米鏡頭。增加曝光時間,可同時拍下地照(Earthshine)。
(2) 月球、行星的升落
利用「多重曝光法」每5~10分鐘曝光一,次可以在同一底片上拍下月球或行星的升落及其亮度變化(大氣吸收所致)。如拍攝太陽,必須加上足夠的曝光鏡,在未參考第十四章「太陽的攝影」前切勿嘗試!

月球
攝影 : Starshing
圖檔

(3) 月球與行星或行星與行星的相對位置變化(如在Conjunction現象前後的日子)或星空中行星及月球與星座有趣的排列
利用高速的底片,較大的光圈,曝光幾秒至十多秒(視乎天色及星體光度),如每隔一段時間拍攝的一系列照片,可顯示天體的相互運動,很具科學價值。
(4) 行星的位置與亮度變化
在不同日期拍攝該區星野可以察覺到行星在星空的視運動,甚至6等的天王星與8等的海王星及幾顆較亮的小行星都可拍下。如每幅底片的曝光與沖曬都是一樣,更可比較其亮度變化。有關行星及小行星的出沒時間與位置可查對天文年表或年曆。
(5) 較亮的彗星
用高速底片曝光十多秒至一分鐘以內,彗星像只有輕移動。
(6) 銀河
用高速底片及較大光圈的鏡頭曝光1~2分鐘。雖然星點己成短短的線條,但亦可以見到銀河(尤以夏夜)的壯觀。
(7) 較光的星雲星團
一些較大較亮的星雲星團,如獵戶座的M42星雲,天蠍座的M6、M7星團,人馬座的M8星雲,M22星團,巨蟹座的M44,金牛座的M45,七姊妹星團等都可以在拍攝星座時一併拍下,用高速彩色底片更可顯出其瑰麗色彩。

獵戶座的M42星雲
日期 : 2001年1月13日
28mm 鏡頭 f3.5, 曝光 1 分鐘
柯達 E200 幻燈片
攝影 : 關祝文
圖檔
(8.) 雙星
一些肉眼可見(距離較遠較亮)的雙星,如北斗的開陽雙星、天鵝座的β星,天琴座的ε星等都可於拍星座時拍下,如將光圈收細一級,影像多較為清晰。

北斗的開陽雙星
日期 : 2003年
地點 : 元朗天文農莊
Toucam
攝影 : Wah
圖檔
(9) 日食與月食的過程
見第十五與十二章有關的各段。
此外一些大氣的現象,如曚影(Twilight)極光(Aurorae)等,都可以用高速底片及較大光圈鏡頭,曝光1秒至1分鐘攝下。因這些現象無一定的亮度,所以必須依據經驗及體察情況多拍幾張不同曝光選擇。

7.7.2 多重曝光法
多重曝光法(Multiple exposure)的作用是在同一張底片上作多次曝光,每次攝影機都保持在同一位置,所以必須使用堅固的三腳架,操作時並要十分小心,避免移動攝影機。
在未作第一次曝光,前應用攝影機的底片回捲曲柄(Film rewind crank)將底片拉緊,然後用膠紙將之貼緊,才可避免底片在機內移動。
多重曝光法的操作如下:
(1) 有重拍裝置的攝影機
於第一次曝光後,按下或撥上重拍裝置,再拉動攝影機的輸片桿(Film advance lever),準備作第二次曝光。

圖7.13 多重曝光法的準備

(2) 沒有重拍裝置的攝影機
a. 於第一次曝光後,將攝影機底部的底片回捲鈕(Film Rewind button)按住,並同時拉動輸片桿,這樣便可準備下一次曝光。
b. 一些不能用a法操作的攝影機可用「間歇揭蓋法」,方法是用鏡頭蓋蓋好鏡頭,攝影機快門校至B掣,用可自動銷上的快門繩按下開啟快門,再用一塊黑咭紙遮在鏡頭前面,於適當時候輕輕移開鏡頭蓋,再移開黑咭,曝光後立即用黑咭遮著鏡頭,並輕輕蓋回鏡頭蓋(當然曝光時間不可能太短,一般不短於半秒。

圖7.14 間歇揭蓋法:1. 用黑咭或鏡頭蓋蓋著鏡頭,相機校至B掣;2. 開啟快門;3. 移開黑咭曝光;4. 曝光後再蓋上,重覆3及4之步驟

圖檔

主題已鎖定

回到「天文攝影入門 Introduction to Astrophotography」

誰在線上

正在瀏覽這個版面的使用者:沒有註冊會員 和 1 位訪客