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天文摄影的宽带、窄带滤镜

作者: 锋芒 | 分类:天文资料| 发布:2021年03月01日
关键词(标签):滤镜 光害滤镜 双窄带滤镜 红外截止滤镜

【特别声明】 本文为原创作品,本文作者:锋芒

       在上一篇文章中,我们说了关于滤镜的使用和常见滤镜的选择,这一篇作为天文滤镜的最后一篇,我们继续说说天文中使用的宽带和窄带滤镜


【单色相机和彩色相机】

    要聊今天的内容,让我们先从相机说起。因为我们使用的相机,不论是CMOS还是CCD作为感光元件,都只能采集到黑白的图像,我们需要用一定的手段让相机能拍摄出彩色的图像——最常见的两种方法就是:

1、单色相机结合特定颜色滤镜合成彩色;

2、采用拜耳阵列一次性合成彩色。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

 

【彩色相机原理】

    彩色相机,又叫做OSC相机(One ShotColor)——即一次曝光就获得彩色照片,为了实现这样的功能,相机厂商在感光元件上集成这样一个拜耳透镜阵列——在一个2×2的像素矩阵内,让2个像素采集绿光,1个采集蓝光,1个采集红光,随后进行插值运算,就可以生成彩色图像了,这一步一般在相机内部直接进行,市场上的数码相机都是按照这样的方法来让我们可以所拍即所得,但是部分专业的天文相机则需要在后期中通过电脑来实现这样的步骤。


【黑白相机原理】

    黑白相机+滤镜的方案,则是让黑白相机通过特定的滤镜,一次采集一种颜色的图像,在后期进行合成,这一步基本上都依靠后期软件完成。

    那么为什么黑白的图像可以最终合成彩色的呢?让我们先了解一下人眼看到的光。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

     我们知道太阳光可以分解成这样的彩虹色,所以人眼看到的光也是由这些不同色光按比例混合而成的。我们人眼有三种色觉细胞——红(RED)、绿(GREEN)、蓝(BLUE),其他颜色都是通过这三种颜色混合而成,这个混合过程是通过大脑处理实现的,所以这三种颜色就叫做“三原色”。

      我们所看到的大多数显示器,实际上也是利用这个原理展现各种颜色的。如果将每一种颜色通过8bit二进制数值来表示深浅,把三原色的每一个颜色根据深浅从0到255总共256个等级来表示,那么三原色合在一起就有256^3=16,777,216种颜色,也就是我们常说的1600万色。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

     进一步说,红,绿,蓝三种颜色,各自对应的波长分别为700nm附近,546.1nm附近,435.8nm附近,红绿蓝三色在一起可以合成任何我们能看到的颜色。所以当我们在拍摄时单独采集这三者的信息,后期根据固定的科学比例进行合成,就可以还原这个目标原本的颜色。

  【宽带滤镜】

     结合刚才我们说的基础知识,在拍摄某个天体的时候,我们用单色相机,分别采集红绿蓝三色进行曝光,然后再进行合成,就可以还原目标的色彩。所以这里使用的滤镜就是R、G、B滤镜。这里使用的RGB滤镜和之前所说的UV\ IR CUT滤镜类似,在这个波段采用一刀切的方式,比如R滤镜,就让大约580-680nm之间的光,其余的光一律阻隔。可以看出,这里的带宽达到了几十甚至上百纳米,远超过我们之前所说窄带滤镜5nm带宽的级别,所以他们叫宽带滤镜。单色相机+某一个滤镜得到的图像,我们通常称为某个通道的信息。

天文摄影的宽带、窄带滤镜  

     而在RGB之外,我们还会用到L滤镜,这里的L滤镜,实际上就是一块UV/IR CUT滤镜,它实际上就是RGB光谱的总和。因为在天文摄影中,明度(亮度)信息对于目标的信噪比起到了决定性的作用,所以,我们会用单独的一个L滤镜,一起采集RGB总的信息,来提升拍摄效率。此外,既然L是RGB的总和,那么利用RGB也可以模拟出L的总信息,比如天文摄影的高手甚至不拍摄L通道,按照特定比例从RGB通道的图像中合成L(在RGB模式下,像素亮度的计算公式为:L=R*30%+G*59%+B*11%,简称305911公式。有兴趣的小伙伴可以试试)。

    好了,解决了单色相机+宽带滤镜的模式,我们接下去聊聊窄带滤镜。

窄带滤镜】

    在深空摄影中,大部分天体的光线都是有特定元素发出的,一次电离氢发出的射线称作Hα射线;二次电离氢发出的称为Hβ射线;一次电离的硫元素发出的称为Sii射线,二次电离的氧发出的称为Oiii射线。除此之外还有许多其他的元素, 但是Sii、Hβ、Hα、Oiii是最为常见的几种,其中Hα占到了绝大多数。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

     在先前的文章中,我们说到窄带滤镜是针对某个特定光谱,通过率带宽很窄的滤镜。所以我们可以得知,7nm Hα窄带滤镜,是一个以Hα的656.6nm波长为中心±3.5nm,总共7nm为带宽的滤镜,而这个滤镜对应的光谱,整体上都落在了红色(580-680nm)这个区间。

    与此相同,深空摄影常用Sii、Oiii滤镜,Oiii属于蓝绿色,Sii属于红色,比Hα射线更红的红色。

    而在后期合成中,我们根据波长从长到短依次将S\H\O三个通道的信息对应成R\G\B三种颜色,我们叫做SHO合成,这就形成了我们常说的哈勃色,如果将H\O\O通道的信息对应成RGB三原色,则称为HOO合成,HOO的合成方式更为接近真实色彩。要注意,因为不管是SHO还是HOO,这都并不是这些元素的真实色彩,所以我们一般将窄带合成的图像成为伪色彩。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

你看上图,绿色是Hα射线被赋予的颜色,但实际上Hα射线是红色光,这就是伪彩色照片。


双窄带滤镜

    使用窄带滤镜,因为通过的光线被集中在了特定而狭窄的光谱上,所以形成的图像通常来说有着非常漂亮的反差,星点也相对更为细腻,加上哈勃色的独特色彩,让窄带深空摄影拥有无法比拟的吸引力。但如果使用彩色相机拍摄,每个2×2的像素矩阵中,只有特定的1-2个像素可以接收到光信息,效率极低,所以在不久前,窄带滤镜几乎是黑白相机独享的特权,但是随着技术发展,适合彩色相机使用的窄带滤镜也随之出现了。比如STC的Dual-Nrarrow band、宇隆的L-enhance、IDAS的NB1滤镜。

    这些滤镜都有一个共同的特点,并不是单独的选取某一种元素的光谱,而是将多个光谱结合,一次性的让彩色相机的所有像素都能感光。而这其中,最常见也最有科研价值的Hα、Hβ、Oiii就成为了被选择的元素,我们也把这类窄带滤镜叫做双窄带。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

你看上图,竖线除了标明了常见的Ha、Hβ、Oiii、Sii谱线可以高通过率的透射的同时还将常见的城市汞、钠等光害阻隔在外。从而让彩色相机可以一次性的拍摄高质量、高反差、星点细腻的窄带图像。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

【宽带/窄带滤镜常见问题】

问1:如果说使用窄带滤镜可以有效避免城市光害,是不是我直接在市区,无脑用窄带滤镜拍摄就可以了?

答:当然不可以,首先,即便是窄带滤镜Hα波段几乎不受光害影响,但在Oiii(或者其他靠近蓝光)的波段受光害影响还是非常重要的,不要说城市光害了,即使是不同月相的影响,也会让Oiii的信噪比有很大差异。其次,并不是所有的目标都适合使用窄带拍摄。

问2:那什么类型的目标适合宽带或窄带呢?

答:一般来说,典型的发射星云,例如NGC6960面纱、M8礁湖、M16鹰状星云等纯发射星云都适合用窄带来拍摄,一些既包含发射又包含反射星云的目标就不太适合了,如M42、IC434马头星云,纯反射星云和星系完全不可以使用窄带来拍摄,只能用窄带提高一部分细节。

     像下图,Hα通道和L通道下的M33三角座星系,Hα突出显示了星系中正在孕育恒星的区域——电离氢区,而整体细节基本是没有的。在高级的合成手法中,我们会将窄带信息与宽带信息混合,来突出某些部分的细节。因此,能将星系拍出小红花成为了“高手的标志”。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

问3:窄带滤镜的带宽比宽带滤镜窄很多,那是不是窄带需要更长时间的曝光?

答:我们需要明确,不论宽带还是窄带滤镜,R滤镜和H滤镜,在Hα元素656.6nm波段的信息都是相同的通过率,所以相同时间内采集到的特定元素信息是相等的。从视觉效果上看,在这些元素扎堆出现的星云上,同等时间曝光的窄带图像显得比宽带图像信噪比和反差都更高,例如马头星云。而拍摄一些星系时,窄带图像的信噪比远不如宽带。所以,决定曝光时间的,更多是拍摄目标而不是滤镜。但要注意,因为窄带滤镜通常星点更细更小,所以在自动对焦、解析这类操作时,窄带确实需要更长时间的曝光。

问4:说了这么多滤镜,能不能简单的总结一下?

答:其实非常简单,宽带是适用于所有目标的滤镜,窄带(不管是黑白的SHO还是彩色的双窄带)都只有一部分目标适用。窄带是为了采集特定光谱、拍摄特定类型图像(如哈勃色)而使用的滤镜。从带宽上来说,UV/IR CUT或LRGB通过的光最多,适用于光害条件比较好的环境。Lpro之类的光害滤镜过滤一部分光害,大部分情况可以当做一个L或UV/IR CUT滤镜使用,窄带通过光最少,是特定目标使用的。最后,使用了窄带就不用Lpro之类的光害滤镜了,使用了光害滤镜,也就不再用L或UV/IR CUT了。

最后,让我们看一张宽带和窄带的对比图像作为整个滤镜系列科普的结尾吧。

天文摄影的宽带、窄带滤镜

天文摄影的宽带、窄带滤镜

好了,关于天文滤镜的话题,我们就聊到这里,各位小伙伴有什么想要聊的,可以在公众号发消息,我们逐一解答。



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01 03月

2021-03-01 09:19:52

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