天文攝影入門---第三章 追蹤攝影方法的認識

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天文攝影入門---第三章 追蹤攝影方法的認識

文章 Wongsir » 週二 04 11月, 2003 22:05

3. 追蹤攝影方法的認識

3.1 追蹤原理
因為星空的移動,固定方法的效用及攝影範圍大受限制。如果我們將攝影機固定在一台望遠鏡之上,而利用望遠鏡準確地追縱星空的轉動,星光便能累積起來,形成一個小圓點。追縱方法可算是天文攝影中最有趣味的一環。

圖 3.1

3.2 應用範圍
利用追蹤方法,可作較長時間的曝光,不但可以拍攝星座、星野,還可以拍攝暗淡的天體:如銀河、星雲、星團、星系、彗星等和暗淡的天象(如黃道光,對日照等)。同時對月球或行星進行高倍的放大攝影時,作為放大影像用的望遠鏡亦需要有追蹤設備,才可保持影像的清晰。進行追蹤攝影,應選擇一個暗黑的環境,同時避免月光的影響。


3.3 追蹤設備 - 赤道儀
要準確地追蹤星空的移動,我們需要一台附有微動裝置的赤道儀(赤道式的天文望遠鏡),以抵銷地球的自轉。

赤道儀式的望遠鏡座架,看來與一般攝影用的水平式三腳架結構有所不同。一般腳架有兩條軸,可作上下左右轉動,雖然可將攝影機指向天空任可位置,但用來追蹤星體的移動則不甚方便。因星空的東昇西落並非以垂直方向移動,所以追蹤時便要同時調校兩軸。縱然如此,它周圍的星像亦在攝影機視場內產生旋轉現象,實際上無法達到追蹤的目的。

赤道儀式的座架亦有兩條互相垂直的軸,但其中的一條(稱為極軸Polar axis,或赤經軸Right ascension axis)與水平線成一個角度,這個角度相等於觀測地的緯度(如在香港使用,仰角需校正22.5度),同時極軸亦要指正天球北極的方向(大約在北極星的方向),極軸的作用是用來調校望遠鏡的東西移動。當一個赤道儀式望遠鏡這樣擺放妥當後,我們只要轉動極軸,便可輕易追縱星空的移動。由於星空轉動的速度很慢,所以赤道儀的極軸通常都裝有齒輪驅動裝置,就可達到追縱的目標。
赤道儀的另一條軸稱為赤緯軸(Declination axis),用來調校望遠鏡的南北移動。除了赤道儀外,我們還需要一個裝有十字絲的目鏡,以便透過望遠鏡觀看時,監視追縱工作的進行。

圖 3.3


3.4 追蹤的進行
進行追蹤攝影的步驟如下:
(1) 對準極軸 - 望遠鏡腳架的方位首先要擺放妥當,即極軸對準天球北極(見3.5節)。
(2) 裝好攝影機 - 將攝影機裝在望遠鏡的一個架台上,攝影機的快門調至B掣,鏡頭距離調至無限遠(∞)處,光圈剛調至所需的大小,在快門製上扭上快門繩。
(3) 調校平衡 - 調校望遠鏡的平衡錘(如不夠,再另加一個)使鏡身達到大致平衡,然後使西邊稍重一點,這樣追蹤時較為順滑。
(4) 選擇導星 - 要在拍攝的區域(或附近)找出一顆較亮的星作為「導星」(Guide star) - 追蹤目標。將望遠鏡大致指向該星(用尋星鏡),如有需要,重覆(3)的平衡工作。因為星空是整體移動的,所以導星不需一定在要拍的區域內,不過應避免選用天上太南、太北或近水平線的星作為導星。
(5) 對正導星 - 調校望遠鏡,使在目鏡內見到該導星,並調校極軸及緯軸的微動裝置,將導星放在目鏡內十字線的交叉點上。
(6) 使導星沿線運行 – 留意導星在視場中的移動方向(方向是由東向西),然後轉動目鏡,使導星沿著十字線的其中一條運行。再調校望遠鏡焦點,使星像模糊變大而呈一個很小圓盆狀,以方便監視追縱的進行。
(7) 對準攝影機方向 - 與此同時,盡快將攝影機校至指向要拍攝的區域。
(8) 熟悉追縱 - 再在望遠鏡中找回導星,使在十字線的中央(必要時調校赤經軸微動),然後小心用手慢慢調校極軸的微動裝置(如用電動摩打追蹤,小心控制控制器上的按鈕),使目鏡中的導星星像不斷為十字絲切成四等份。至己相當熟悉控制微動裝置的速度後,另一隻手則按下攝影機快門繩開始曝光。
(9) 不停追縱 - 曝光時耍不停地觀看目鏡及即時扭動(控制)極軸微動以抵銷追縱的任何偏差(注意不要過度左右移動眼睛,以免因視差而影響追縱的準確性)。就算是用電動追縱,亦要不斷監視及作必要的調整。
圖 3.4
圖檔




3.5 極軸方向的校正
在未進行追縱之前,極軸必須準確地對正天球北極,否則追蹤時導星像會慢慢向南或北移動,無法用十字絲將它切成四等分。雖然我們可勉強同時慢慢調校赤緯軸,使星像保持在十字線的中央。但這樣做法不但操作困難,而且拍出來的照片除導星呈圓點外,周圍各星都成一條條短短的弧線(假極現象False pole,見圖)。

極軸的準確對位,在長時間曝光中十分重要,如用標準鏡(50mm)作一小時曝光,極軸對位的準確度必須在0.5度之內。如用200mm鏡頭作半小時曝光,必須在0.2度內。如焦距長於一米,必須在一角分之內。

如果望遠鏡是固定在一個天文台內,這項一作只需進行一次。一般天文愛好者,多無固定觀察站,所以每次進行追縱攝影,都要將望遠鏡的方位擺正。以下提供幾個最實際的方法:

圖 3.6

3.5.1 粗略校正極軸
  現時(1982)的北極星(Polaris)的位置為赤經2時11分,赤緯 +89°10』,即離天球北極約50分,所以如能將極軸對準北極星,已可應付較短時間的追縱。
(A) 有刻度盤的望遠鏡(Setting circle)
先將極軸的仰角調至當地緯度(香港為22½°),再調校望遠鏡,使赤緯指針指在赤緯刻度盤的90°刻度處。然後移動望遠鏡的腳座或座架頂部至大約南北方向。這時尋星鏡的視場應可見到北極星。再輕微調仰角及座架頂部的水平方位,使北極星位於十字絲的中央。
(B) 沒有刻度盤的望遠鏡
假如觀測地點或觀察時見不到北極星:(1)可以用指南針粗略校正極軸的南北方位(須查閱當地磁資料,找出真北極與磁北極的相差角度,即所謂磁偏角Declination,1980年香港的磁偏角是 1° 10& ,即真北極在磁北極之東約 1度)。用量角器及水平尺(或一塊直角三角形樣板,角度等於緯度)校正極軸仰角。


3.5.2 準確校正極軸
(A) 極軸望遠鏡法
  如果望遠鏡設有極軸望遠鏡(Polar telescope)同時觀察地點可以見到北極星,我們可以利用仙后座ε星(W形的開端)或大熊座的η星(斗柄末端)作為引線,將北極星調校在極軸望遠鏡視場內小圓周的適當位置上。此法十分快捷,且頗準確。
(B) 逐步迫近法(Trial and error method)
  此法不需要觀看到北極星、大熊η星或仙后ε星,完全依靠逐步嘗試,雖然調校時間較長(可需要一、兩小時),但較準確。
  先依3.5.1段的方法粗略校正極軸,然後在望遠鏡安裝一個有十字絲的目鏡,在觀看視場恆星的移動後轉動目鏡,使十字絲擺正東西南北方向。
  
(a)校正極軸水平(南北)方位
1. 選擇一顆在天球赤道附近而又剛在子午線(南北線,即剛過中天)的恆星(在香港即剛在天頂附近),將望遠鏡指向該星,並把它調至在視場央十字絲的交叉點上。
2. 在視場中觀看恆星的移動,只扭動極軸微動追縱,或隔5 ~ 10 分鐘後,只扭動極軸(不准扭動緯軸)追回該星,如發覺:
(1) 該星仍在十字絲之中央 - 表示極軸的方向已經很準;
(2) 該星已移往十字絲之北 - 表示要將極軸頂部移向東面;
(3) 該星已移往十字絲之南 - 表示要將極軸頂部移向西面。
3. 經以上調整後再觀察10 ~ 20分鐘,再作適當調整、觀看或再重複過程,直至準確為止。

圖 3.7


(b)校正極軸仰角
1. 選擇一顆近天球赤道及近東邊*水平線附近的恆星。將望遠鏡指向該星,並把它調至在場中央的十字絲交叉點上。
2. 在視場中觀看恆星的移動,同時只扭動極軸追縱,或隔五至十分鐘後始扭動極軸追回該星(期間不准扭動緯軸),如發覺:
(1) 該星仍在十字絲之中央 - 表示仰角已經很準;
(2) 該星已移往十字絲之北 - 表示必須減少仰角;
(3) 該星已移往十字絲之南 - 表示必須增加仰角。
*以上是指選擇一東面水平附近的星作為目標,如選西面的星,則作相反調校。
4. 經以上調校後,再觀察10 ~ 20分鐘,再作適當調校、觀看或重複過程,直至準確為止。

望遠鏡已準確地擺好方位,可將三腳架各腳的方位用油漆畫好,並記下各腳的伸延的長度(如可調校的),其他仰角及方位等不要再胡亂調校,這樣,以後在同一地點使用時便不需再校正。
圖 3.8

圖 3.9


3.6 器材的選擇

3.6.1 追蹤望遠鏡及赤道儀
  因為望遠鏡只是用來監視追縱的過程,所以它的光學質素要求不高,一支普通的60mm口徑或更小的折射鏡已甚足夠。反而赤道儀式的座架必須十分堅固,齒輪系統必須沒有虛位或不能過緊,以保證追蹤(尤其手動的)能順滑地進行。望遠鏡的高度必須適中以便可以坐著(用折射鏡時)或站著(用反射鏡時)操作,以減輕長時間追蹤時的疲勞。
  此外追蹤望遠鏡的倍率不可太低,如用廣角或標準鏡拍攝,倍率不應小於30 ~ 50倍,用更長焦距鏡頭時,倍率應相增大(最低限度1mm焦距以半倍計算,如400mm起碼200倍)。倍率愈高,準確度愈好.必要時可以用巴羅鏡(Barlow lens)擴大倍率。
  近年美國及日本很多望遠鏡廠家都有製造一些較便宜的追蹤專用赤道儀,多配有極軸望遠鏡及電動摩打微動裝置,可裝在重型三腳架上,十分輕便。



3.6.2 攝影機與鏡頭的選擇
攝影機方面以單鏡反光機較為方便,但其他任何攝影機一樣適合。有關鏡頭的選擇,則要視乎拍攝對象的大小(角度),由魚眼、廣角、標準等(以拍攝銀河及較大範圍的星野)至普通攝影用的「長火」(如200 ~ 500mm,以拍攝範圍小於一度的星雲星團)都可適用。


3.6.3 其他器材
1) 攝影機架台(Camera mount)
  用以將攝影機固定在望遠鏡上,一般可以自製。架上最好裝上一個搖攝(或全景)雲台(Pan head,可從三腳架拆下),以方便指向任何方向。架台通常可裝在鏡管上,或在赤道儀的一平板上或在平衡錘的位置。
(2) 遮光罩
  適當長度以減少外來光線影響,最好是用金屬製品,以便可以繞上幾圈發熱線,於晚上接上小電池產生微熱,驅除鏡頭表面的凝露。
(3) 快門繩
  最好用一條較長(50cm以上)、柔軟而可自動鎖上的一種,以便不需把眼睛移離十字線亦能按下快門。
(4) 十字絲目鏡
  這類目鏡並非一座望遠鏡的正常配件,通常可以購買或利用另一目鏡改裝(暫時拆下尋星鏡的目鏡亦可勉強代用,但倍數稍嫌過低)。如覺視場太暗難於見到十字絲,可購買有照明設備的十字絲目鏡(亦可自己改裝)。
(5) 同步摩打及電子調頻裝置
  裝在望遠鏡的摩打多是同步摩打(Synchronous motor),其轉速可用一個電子調頻裝置(Drive corrector或Oscillator)改變,以適合各種天體不同的速度,因月球、行星及彗星的移動速度與星空有些微差異,作高倍放大或長時間曝光時會有誤差。


3.7 底片的選擇
  底片的選擇須視乎對象的光暗,,不過一般星雲、星團、星系與彗星都十分暗淡,所以最好選用較快速的底片,以減少曝光時間。作長時間曝光需要瞭解底片的「倒易律失效」(或倒數失效),詳情可參考第六章「感光材料的認識」及各章有關各天體攝影法的介紹。

3.8 追蹤誤差
因為底片本身的散射,就算追蹤絕對準確,星像在底片的直徑,最小亦有一個限度(平均在0.02 ~ 0.03mm)因此追縱時是容許有輕微誤差的。表3.1列出追縱誤差的極限,如用50mm標準鏡拍攝天球赤道天區時,追縱的誤差不得大於7秒(即可間中中斷7秒而不會使星點變長)。表中並列出追縱時導星移離十字絲中心的最大容許角度。如極軸的方向不準,經一段時間後赤緯出現的誤差會比能容許的為大,星點便呈長形。


表3.1 追蹤攝影容許的最大誤差



3.9 簡便木製赤道儀
一座赤道儀望遠鏡,售價不菲,並非一般青年學生所能負擔,同時亦相當笨重,不易隨身攜帶。這裏介紹一個輕便而實用的木製赤道儀,它的構造相當簡單。
圖 10

圖 10a

製造
(1) 首先將兩塊大小相同的木板A、B以兩個門鉸C、D鑲在一起。
(2) 在底板B下釘上兩塊三角形木板E、F(斜邊角度為當地緯度,在香港為22½°)。
(3) 在面板A鑽一 ¼"直徑小孔,距離門鉸11.4英吋。
(4) 在這位置鑲入(或黏上)一個 ¼"絲母G。
(5) 在這絲母G穿入一支 ¼"直徑螺絲桿H。
(6) 在螺絲桿H上銲上十小鐵枝I作為把手。
(7) 在面板A中央釘上一木方J。
(8) 在木方J上安裝一個搖攝雲台(腳架頭)K,以便裝上攝影機。

  使用方法
(1) 將木板放在一處平坦的地方(如一張檯上)或將底板裝在三腳架上(底板中央可先鑲入一個 ¼英吋絲母)。
(2) 將木板鑲有門鉸的一邊對準北極星方向(或用指南針對正方位)。
(3) 將一個有秒針的手錶放在木板附近,用手轉動把手I,慢慢跟隨著秒針方向的移動每分鐘轉動螺絲一次。為方便追縱起見可在螺絲母附近畫上十二條線(每隔30度一條)。


  原理
  ¼" 螺絲(粗牙,B.S.W.)每英吋有20齒,即每轉動一轉木板A便升高二十分一英吋。在11.4英吋距離外,每分鐘升高二十分一英吋相等於每分鐘木板A繞門鉸旋轉四分一度,亦即星的運轉速度。只要門鉸(極軸)已對準北極星,我們便達到追縱的目的。

  應用
  這個木板赤道儀相當簡便,所費相信不足十元(不連腳架頭),可以作不太長時間(十五分鐘以內)的追縱攝影,實地試驗效果不俗。不過由於極軸的擺放可能不太準,所以只宜用135mm焦距以下的鏡頭拍攝。

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