以數位相機做天文攝影

 

一、前言

   就在三年以前,要玩天文攝影,得準備一部單眼相機、幾顆鏡頭與望遠鏡、再加上底片數卷。然後拍不到半卷底片一夜就過去了,回家之後還得去相館痴痴的等,而且千交代萬交代沖洗店小妹,這是你好不容易去拍到的畫面,千萬不要刮傷底片、千萬不要把底片沖壞了...........

   相信很多同好對上述的畫面都感同身受,因為沖洗店對天文攝影幾乎都不認識,相片洗的不好是正常,洗得好反而不正常了。

   但現在情形完全改觀了!因為就在這三年,數位相機的品質突飛猛進,不但可以拍太陽、月亮與行星,還能做長時間曝光,拍攝暗淡的星雲星團!在這數位相機功能愈來愈強,品質愈來愈高而價錢愈來愈便宜的時代,現在已幾乎是人手一機,也因此利用數位相機來拍攝天文照片的同好,也愈來愈多,這在 三年前真的是不能想像。

 

二、數位相機

   市面上的數位相機種類繁多,大致上可以分為消費型數位相機(以下簡稱DSC)與單眼型數位相機(以下簡稱為DSLR)

 

1.消費型數位相機(DSC)

  DSC的特徵就是一體成型的機身,就如同以往的傻瓜相機那般,鏡頭是直接固定在機身上,不可拆卸與更換。這種相機的好處是簡單易用,不需再花錢購買不同的鏡頭。而這正好也是缺點:因為不可更換鏡頭,而導致限制了某些用途。(1)

1:消費型數位相機—KODAK DC4800

 

  DSC又可以再分為:不可再外接鏡頭與可再外接鏡頭兩類。比較低階或是走時尚設計感的DSC大多不能再外接鏡頭(2)。例如SONY Cyber-Shot L1 Panasonic FX7。而較高階或準專業機,為了讓功能更強,更能應用於各種拍攝主題,則大多能再外接鏡頭。所謂的外接鏡頭,並不是把原有的鏡頭拆下,而是在原有的鏡頭再加上一顆鏡頭(3)。例如CANON PowerShot  G6NIKON COOLPIX  8800

2:具時尚感的MINOLTA F300數位相機,不可外接鏡頭。

 

3:外接鏡頭的NIKON CP4500數位相機。

 

2.單眼數位相機(DSLR)

  DSLR與傳統單眼相機(SLR)是一樣的設計,只是把底片改成電子感光晶片(CCDCMOS),以記憶卡記錄數位化的影像,其餘部份與傳統相機並無不同。可自由更換所需的鏡頭,或拆除鏡頭後直接接上望遠鏡拍攝 (4) 。例如CANON EOS 10DCANON EOS 300DNIKON D100NIKON D70

4:外型與傳統單眼相機一模一樣的數位單眼相機CANON EOS 10D

 

三、以下就以市面上各種類型的數位相機為例子,介紹如何以數位相機做天文攝影。

  DSLR具有可交換鏡頭的特性,所以與傳統相機有共通的配件可以接上望遠鏡,在使用上簡易許多。但DSC因為鏡頭不可拆換,所以直接接上望遠鏡並不能成像,必須先使用目鏡成像,再讓DSC的鏡頭去看目鏡的像。因此,如何讓DSC接上望遠鏡就是一件重要的事了。

 

1.不可外接鏡頭的DSC

   不可外接鏡頭的DSC要接上望遠鏡,有相當程度的困難,不過也有廠商做出了可動式支架來支援這類的相機(5)。當然, 你也可以用手持的方式將相機鏡頭靠近目鏡來拍照(6),但這種方法不但會有手震的問題,還很難對正光軸,所以只能偶一為之。

5:美國MEADE製的DSC用接架。圖片取自日本株式会社ミックインターナショナル網站。

 

6:手持拍攝。這是最不得以時才會用的方法。

 

2.可外接鏡頭的DSC

   既然可以外接鏡頭,那就代表這部相機可以利用同一種方法接上望遠鏡。例如NIKON CP4500這部相機,它的鏡頭前端有28mm的濾鏡螺牙,可以直接接上原廠28mm口徑的外接鏡頭。如果我們把目鏡先裝上一個28mm的套筒,再把這個裝了目鏡的套筒接上相機,那就可以把CP4500接上望遠鏡了(7~9)

7:望遠鏡接上目鏡的原貌。

 

8:目鏡接上一端有著28mm螺牙的套筒。

 

9:將CP4500接上套筒,也就同時接上望遠鏡了。

 

   同理,例如SONY Cyber-Shot F717鏡頭上有58mm的濾鏡螺牙,也可以利用一個有58mm螺牙的套筒,將F717先接上目鏡,再接上望遠鏡(10~12)

10:高階消費型數位相機SONY Cyber Shot F717

 

11:目鏡先接上有58mm螺牙的套筒。

 

12:利用鏡頭前方58mm的濾鏡螺牙,可以接上目鏡套筒,進而接上望遠鏡。

 

  另外有部份可再外接鏡頭的DSC,鏡頭上並沒有濾鏡螺牙,所以無法直接外接鏡頭,例如CANON Power Shot G3。這時需另外購買一個外接鏡頭用的套筒,這個套筒一端可以裝上DSC,另一端有螺牙,這時要接上望遠鏡就與上述的方法一樣了(13~15)

13CANON 高階DSC相機PowerShot G3

 

14:先接上外接鏡頭用套筒,即具有58mm的螺牙

 

15:再把相機套筒接上目鏡套筒,就可以接上望遠鏡了。

 

3.DSC拍什麼?

   利用上述的方法可以很容易的拍攝太陽、月球與行星的照片,因為先經過目鏡成像,很容易就可以得到極長的焦距,對擴大攝影非常有利。(16)

16:使用CP4500拍攝的太陽黑子。

 

  三年前左右的DSC產品,長時間曝光的影像品質,都還在不能接受的程度,雜訊非常的嚴重(17)。但現在的高階DSC,在長時間曝光時,都能得到相當優秀的影像了,因此可以利用DSC長時間曝光來拍攝小型的星團與星系。

17:使用CP4500曝光50秒的影像,雜訊已強到不能接受的程度,畫面非常粗糙。

 

4.DSLR

   單眼相機具有可交換不同鏡頭的特性,因此可以把鏡頭拆卸,然後利用一個相機接環把相機接上望遠鏡,等於把望遠鏡當成一顆長焦距的鏡頭來用,如此可以不經過目鏡與相機鏡頭,即可直接讓望遠鏡成像,對影像品質的提昇,有極大的助益(18~20)

18:可拆卸鏡頭的單眼數位相機。

 

19:使用標準的相機接環T-ring,不同的T-ring可接上不同的單眼相機。

 

20:接上DSLR的樣子。

 

5.DSLR拍什麼?

  DSLRSLR差別只在感光元件與儲存方式,相機的使用與操作是同樣的方法。因此傳統SLR可以拍攝的太陽、月球與行星,在DSLR上也是同樣可拍,沒有問題。甚至因為數位有即拍即看的特性,反而更適合用於日月行星的擴大攝影(21)

21:大接近時的火星,以CANON EOS 10D拍攝。

 

   而在拍攝深空天體部份,需要的是長時間的曝光,底片在長時間曝光上沒有數位的雜訊問題,因此適合極長時間的曝光。不過現階段的DSLR的影像品質愈來愈高,即使是長時間的曝光,雜訊也在很輕微的程度,很容易事後去除。再加上CCD(CMOS)是線性的感光元件,沒有底片的低照度倒數率失效問題,反而可以以短一點的曝光時間,就得到與底片一樣的影像濃度(22)

22:以CANON EOS 10D曝光10分鐘五張疊合的照片。

 

五、冷卻型CCD

   電子感光的元件,都需要使用電力才能工作,一旦用了電,就不可避免地會伴隨著熱的出現,而這個熱會讓感光元件產生不要的訊號,這些不是真正來自光子的訊號,我們稱為暗電流。在DSCDSLR相機中,暗電流仍然相當明顯,需要在電腦上花許多的時間處理以消除暗電流,這是相當累人的工作。

  既然是因為熱而產生的訊號,那把CCD工作時的溫度降低,是不是就可以降低暗電流的程度?答案是肯定的。在專業用途上的CCD,都使用各種方法以降低CCD工作時的溫度,以最普遍的美國SBIG生產的全系列CCD相機來說,它使用致冷晶片與氣冷風扇來降低CCD的溫度,若因氣冷降溫的效率太差,還可以使用水冷的方法以提高降溫的效率。以這種方法最多可以降到比室溫低40度的程度(23~25)

23SBIGST-237冷卻CCD相機

 

24:使用氣冷風扇散熱降溫。

 

25:使用目鏡座將冷卻CCD接上望遠鏡。

 

   至於大天文台用的研究用專業CCD相機,則使用液態氮來冷卻,一次把溫度降到攝氏零下196度,完全去除因為熱而產生的所有不要的訊號。

 

六、網路攝影機(WEBCAM)

   利用網路攝影機來拍攝天體是很新的一種方法,而在去年的火星世紀大接近時,達到最高峰(26)

26PhilipsToUCam PRO網路攝影機。

 

   其實網路攝影機也是使用CCDCMOS來感光的一種數位相機,只是它不是一次只拍攝一幅畫面,而是每秒30張畫面!

   每秒30張畫面,代表它的每一張畫面最少是1/30秒曝光,短時間的曝光就有機會凍結大氣的擾動,拍到清晰的影像。

   但短時間曝光也代表了不能拍太暗的天體,再加上WEBCAMCCD面積都很小,所以都把WEBCAM應用在行星攝影上。

  WEBCAM原始的用途是用於視訊上,所以都會附著鏡頭,但這顆鏡頭比起DSC的鏡頭品質可差很多,所以要先把WEBCAM的鏡頭拆除,接上與目鏡座規格一致的套筒,再接上望遠鏡,類似DSLR的接法(27~30)

27:拆掉鏡頭後接上套筒。

 

28:把WEBCAM接上望遠鏡。

 

29:如果望遠鏡焦距不夠長,還可以自製接環把WEBCAM接上目鏡來放大影像。

 

30:利用目鏡放大影像再接上WEBCAM

 

七、結語:

   以科技進步的速度來看,數位取代底片的日子已經近在眉梢、指日可待了。