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滤镜在星野摄影的应用

(2.1版, 2002/2/13)

王为豪

  滤镜可以部分或完全吸收特定波长的光,而让其它波长的光穿透。摄影时透过使用滤镜,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、突显某些特定颜色的景物。

  做天文摄影时,滤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,只有使用滤镜来隔离天体的光与其它杂光,才有希望拍出这类暗淡的天体。此外,滤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滤镜为例,向大家介绍我们在选择滤镜时所依据的原理及心目中的考虑。本文内容将集中于以传统底片做星野摄影的滤镜应用,我将不讨论 CCD 摄影以及行星或太阳摄影用的滤镜。

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,最理想的滤镜是只让目标天体的光通过,而滤除所有其它天体与光害的光。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,你不可能期望又要滤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 6563A)及[NⅡ](6548、6584A) ,
次强的有 Hβ(4861A) 、[OⅢ](4959、5007A)及[OⅡ](3726、3727A)等。最强的Hα与[NⅡ]都在6500A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) 。

图一:红色散光星云的光谱,取自Durret,F. and Bergeron, J. (1988)Astron. Astophys. Suppl.75,273.

  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 5400A到 6000A之间(即人眼最敏感的范围,不然要它们做什么呢?)以及 4000 到 4500A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迭的事实,我们比较容易找到适合的滤镜将它们分开,接下来的讨论也将集中在这儿。要拍其它连续光的天体的话,滤镜就只能搔搔痒,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。

表一:光害的几条主要线谱

说明:Airglow即天光,在此归类为光害。其中[O I]为氧原子在 5577A的禁线,它通常比 6300A的氧原子谱线强。

直切式滤镜的应用

  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滤镜。

  首先想到的是直切式滤镜(Sharp Cutting Filter) ,是把波长短于某特定波长(此后称临界波长)全部滤除而长于该临界波长的光全部通过的滤镜,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 6400A以上的光是几乎透明的,而对6400A以下的光则为不透明。其它的直切式滤镜如 SC40、SC56 等,都可由名称后两位的数字来了解该滤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 6500A 以上,而光害则在 5000 到 6000A 之间,我们便可用临界波长在6000 到6500A之间的直切式滤镜来将两者隔开。当然,这是针对黑白底片而言(基本上指的是TP2415,请参考注一),把这样的滤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 6563A,是效果最强的滤镜,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。直切式滤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,会把消色差范围定在人眼较敏感的 4500A到 6500A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 4500A 以下时,色差会急遽地加重。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围都会有蓝晕,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。除了富士的直切式滤镜有系统化的命名法则,其它厂的就很难从名称上一眼看出它是不是直切式滤镜,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滤镜及各厂所生产相当的滤镜名称,供各位参考。

表二:各厂牌直切式滤镜名称对照表

干涉滤镜的应用

  前一段提到的 SC64、SC60 等直切式滤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被滤掉了。这时我们或许会想,要是有一种滤镜能刚好只滤掉 5400 到 6000A之间与 4500A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,干涉型滤镜可以做到这一点。

  一般摄影用的滤镜多半是在镜片材质中加入染料而做成;另一种滤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,这种滤镜即为干涉型滤镜。干涉型滤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滤镜,就是我们泛称的光害滤镜。
光害滤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。

图三:Deep-Sky Filter的特性曲线       图四:UHC滤镜的特性曲线

  在抗光害方面,我在山上使用这款滤镜时,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。这表示它滤除光害方面相当值得信赖,而且禁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滤镜稍短,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显出来。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,而这些连续光会被滤镜吸收掉一大半,所以曝光时间反而要延长(注三)。在照片颜色方面,Deep-Sky 滤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 滤镜在摄影时,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 滤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滤镜的特性曲线,基本上它可以看成是Hβ与[OⅢ]附近开了个窗口的 SC64。因此 UHC滤镜与 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滤镜是比 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 滤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,其它厂也有提供类似的光害滤镜,如美国的 Meade、Orion,日本的 Mizar、Kenko 等,选用时应留心它们是像 Deep-Sky滤镜一样可用于彩色底片(透过范围较大),还是如 UHC 滤镜一般只适用于黑白
底片(透过范围较窄)。

色修正滤镜

  前面提到的滤镜,包括直切式与光害滤镜,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滤镜而不全程使用,例如在曝光前半段加滤镜而后半段不加。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它天体时,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,不如直接用调色的滤镜。

  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滤镜。这类滤镜中,具有代表性的是所谓的色补偿滤镜(Color Compensating Filter,简称CC滤镜,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滤镜的部分。 CC滤镜共有六种色调,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滤镜是用以强调绿色,而抑制红色与蓝色,也就是 G 的补色 M;而 M 滤镜则反过来,可抑制 G 而同时强调 R与B。另一方面,每一种色调的 CC滤镜又由浅到深有各种浓度。以 M 为例,浅到深的完整滤镜名称依序是:025M(这是柯达的称法,富士则称 2.5M) 、05M、10M、20M、30M……。关于 CC滤镜的特性曲线,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滤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,不需藉助特性曲线,方法见注六。

  看到 M 滤镜的特性曲线后,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 色系的滤镜会比较恰当。

  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。

图五:M 色系CC滤镜的特性曲线

  除了 M 色系的 CC 滤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。

  以上的考虑,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 滤镜来修正。

  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 滤镜来修正。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,适用的滤镜从 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 色系的滤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滤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滤镜。只有充分了解天体、滤镜、底片三者的特性,才能拍出色调丰富的照片。关于底片与天体特性方面,请参考我所著的「谈星野摄影底片」一文。

其它关于滤镜的问题

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

滤镜的材质

  一般摄影者用的滤镜几乎都是玻璃制的,圆形的玻璃滤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 等厂的滤镜皆属此类。

  另一种滤镜是薄片型滤镜,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 属胶质滤镜,富士的 SC 与 CC 则属醋酸纤维滤镜。柯达的胶质滤镜只有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,醋酸纤维滤镜的厚度不均匀性会比胶质滤镜大,光学表现稍差。

  刚买回来的薄片型滤镜就是很单纯的一片胶片,四周没有支持体,使用上比玻璃滤镜不方便。想加在镜头前的话,可以配合 Cokin 的滤镜架与其供薄片型滤镜用的框;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,薄片型滤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,薄片型滤镜有个玻璃滤镜完全比不上的优点,那就是它的光学表现。当滤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,滤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,滤镜愈厚愈严重。因此相较之下,只有0.1mm厚的薄片型滤镜对影像质量的影响可说小之又小,尤其是厚度均匀性相当好的胶质滤镜。

  我自己使用胶质滤镜的方式是,裁成圆形后夹在两个滤镜环中,当然,原有的玻璃滤镜已被我拿下来了。不用时我会将滤镜取下,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 滤镜胶封在两片玻璃内,制成圆形滤镜出售,不仅使用上方便,更不用担心滤镜受到伤害。不过,这只适用于镜头前,若用于光路中,则失去了薄片型滤镜的优势,要有接受相对后果的觉悟。

滤镜对成像的影响

  我们平常关心滤镜的光学质量时,通常只在乎其两个表面的平行性与平面性。这是因为若把滤镜加在镜头前,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,通过滤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滤镜,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,在加了滤镜后各自产生偏移,成为汇聚到 F2 点。这告诉我们第一件事,在汇聚光路中加入滤镜会让焦点向后移动,例如,若用的是厚度 3mm、折射率 1.5 的滤镜,对于焦比 2.8、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滤镜后,重新对焦是绝对必要的。这种焦点后移的效应基本上与滤镜厚度成正比。因此,若使用的是前述的薄片型滤镜,除非使用的是焦比极低的系统,否则加入滤镜后即使不重新对焦也无所谓。

图六              图七   

  除了焦点后移外,滤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,但经过滤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滤镜厚度而反比于主镜焦比。例如,仍是厚 3mm、折射率1.5 的滤镜,而主镜焦比 2.8,因此产生的星点变粗,少则 10μm,多则 20μm,不可不慎。 不过,这种困扰只出现在天文望远镜上,因为滤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滤镜,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。而使用薄片型滤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滤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,滤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,不是一堆滤镜的型号,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 6500A以上,而对大部分的黑白胶卷来说,在6500A 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:5000A 以下是蓝色光,5000A 到 5800A是绿色光,而5800A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 中心不似其它星云那么红。我个人用Deep-Sky 滤镜拍 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 滤镜后,一张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:要了解 CC 滤镜前方的数字,我们必须了解什么是摄影家口中的〝浓度〞(density) 。浓度是用来衡量底片、照片、滤镜颜色的深浅,浓度愈高表示颜色愈深。定量上,浓度是透光率(这是对底片与滤镜而言,照片的话则是反光率)倒数的对数,即D=log(1/T)=–logT 其中D是浓度,而T是透光率。例如SC64在6600A的透光率是92%,则其在6600A的浓度是–log0.92=0.036;而其在 6400A 的透过率约是 50%,则其在 6400A 的浓度是–log0.5=0.3。

  CC滤镜名称中的数字,即是补色浓度减主色浓度后乘以 100。以 R色系为例,主色是 R,补色是C(=G+B),则其名称前的数字#其实是

# =100 (DC–DR) = 100 ( -logTC+logTR) = 100 log(TR/TC)

  反过来就成了 TR/TC = 10#/100

  或者,一般而言 T补/ T主 = 10-#/100

  例如 20R,由上式可知 TR/TC = 10-20/100=10-0.2= 63%,也就是说,这块滤镜将蓝色光与绿色光都压抑到成为红色光的63%。又以 10M 为例,主色是 M(=R+B),补色是 G,则TG/TM = 10-0.1=79%,表示它把绿色抑制成红与蓝79%。这种算法其实比从特性曲线看要准确,特性曲线有时候会骗人,而且不见得每个人都弄得到特性曲线,用算的显然方便多了。

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。因为即使用滤镜修正了色偏,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 的玻璃滤镜而言,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,请参考我所著的「谈星野摄影底片」一文。

注九:本文原出处为ALOHA天文小站

版权声明
本文作者是王为豪(whwang@asiaa.sinica.edu.tw),本文著作权归作者所有。只要将此版权声明原封不动地放在文章中,并以此为唯一的版权声明,任何人可自由地以任何形式修改、复制与散布全部或部份的本文,包括贩卖图利,以及将本文重新排版成各种档案格式,而不需经任何人同意。请你注意的是,不论你如何散布或修改本文,除了这段版权声明,你不能对你的散布品作任何其它的限制,也就是你不能限制他人散布你的散布品,否则作者将对你采取法律行动。如果你对扩充或修改本文有任何建议,请与作者联络,作者将乐于把你的大名放在本文的扩充版本里。

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