| 第二节 相机 2-1 数码相机 很多人玩深空摄影，都是先从自己手中的相机开始的。数码相机因为操作简便、不需要电脑控制、可以兼顾日常摄影等优势，占据了深空摄影世界的一大片江山。常见的数码单反、微单甚至是手机都能用于深空摄影，只需要一个与望远镜适配的接环（如果是用镜头的话接环都不需要）与望远镜连接即可。 如果简单地问我，哪几款数码相机适合于深空摄影，我会直接告诉你佳能6D改机、尼康D800破解改机、尼康D5100破解改机、宾得K52改机等。但是知其然也要知其所以然，我为什么会推荐这些，以及等这些机种淘汰了买不到了之后根据什么标准选购相机，才是最重要的。 CMOS基本参数[注2-2.1] 很显然，数码相机的连拍速度、测光精度等性能指标对深空摄影来说没有任何作用，最值得我们关心的是其CMOS的性能指标，也就是我之前提到的读出噪声、满井电荷数、量子效率、ADC位数、暗电流强度、辉光等。但是数码相机之间这些指标一般都差不了多少，我们基本上只需要盯着辉光和ADC位数来看就行了，并且注意我下面提到的内容。 价格是数码相机相对于天文相机的最大优势，相对较少的花费就能买到很大画幅的相机（全画幅的佳能6D只需要7000元，而一英寸画幅的QHY695A标价为16800元），低价与大画幅带来的广视野是数码相机竞争力的来源，所以说小画幅（小于4/3英寸画幅）的数码相机是很鸡肋的。但是也不要太纠结于全画幅，因为支持全画幅的望远镜一般都不便宜，过于纠结可能会给心理和钱包造成负担。 真正纯净的Raw 能否获得真正纯净的原始图片，是一台相机能否用于深空摄影的决定性因素。很多相机即使是Raw文件，也经过了机内处理，导致我们无法进行准确的校准，最终影响图像的质量。机内处理的程度因相机公司而异，佳能和宾得的用户大可不必在意这个问题，因为佳能与宾得的Raw文件是几乎100%纯净的，只附带了一点影响不大的机内处理。 尼康用户则处于比较尴尬的境地。相当一部分尼康相机的Raw文件不是纯净的，其机内处理让准确的暗场校准变成几乎不可能完成的事情。我们需要做一个叫做“固件破解”的操作，才能绕开机内处理，获得纯净的Raw文件。不过破解后的尼康相机Raw文件纯净度要比佳能相机高很多，因此校准也会更准。不过令人遗憾的是，这样的破解只针对某几个特定的机型。 还有一个不得不提的厂家是索尼。索尼近几年推出的α7系列全画幅微单以其优秀的高感性能著称，但高感性能和深空摄影几乎没有任何关系。更讽刺的是，不少索尼相机存在“吃星”问题，其机内处理会滤除影像中的亮点（它认为这些是热像元），导致画面中的星星被吃成三角形。另外，不少索尼相机使用的是12bit的ADC，这对于深空摄影而言是致命的缺陷。 其他厂商的相机用的人实在太少，传出来的经验不多，在此就不再讨论。 高感性能 专门开一个小栏目说高感性能，并不是想说明它有多重要，而是想说明它有多不重要。虽然说提升ISO能有效降低读出噪声，但是大部分的相机在ISO超过1600以后读出噪声的降低就可以忽略不计了（少部分的相机是超过800）。而几乎所有的相机在ISO800左右，增益就达到1 ADU/e-，即ISO超过800以后，因增益过低产生的量化噪声就可以认为不复存在。另外，过高的感光度会产生很多副作用，不仅仅会带来古怪的噪声，甚至可能破坏文件的线性度，影响校准。所以，高感性能和深空摄影八竿子打不着，深空摄影使用的ISO基本不会超过1600。高感光度不是指高QE，提高感光度并不能从根本上提升信噪比。 数码相机的滤镜改造 大家可能听说过，“单反相机要改机之后才适合拍深空”。人眼对于H-α波段（波长6563 Å，近红外光）并不敏感，为了让数码相机拍摄的结果接近于人眼，相机厂商会在CMOS前加装一块H-α透过率比较低的IRCut（过滤红外光）滤镜。但是宇宙中存在大量的H-α信息，H-α信息的缺失会降低图像的信噪比、让图像颜色变得难看，我们肯定不希望如此，因此我们就要对数码相机进行滤镜改造（改机）。  [图2-2-1.1]上方图片为佳能6D改机拍摄，焦比F6.5，总曝光20min；下方图片为佳能5D3拍摄，焦比F6.7，总曝光45min。拍摄地环境相差不大。右边图片是左边图片局部亮度提升的结果。可以看见对于M8这种发射星云，改造过的相机具有巨大的优势，能获得更高的信噪比、更均衡的颜色与更多暗弱的天体细节。从另一个角度看，使用未改造的相机拍摄发射星云得到的结果可能会很奇妙，不失为一种创新。 滤镜改造分为三种，分别为BCF改机、“裸奔”改机与黑白改机。BCF改机是将相机原有的IR Cut滤镜换成BCF滤镜，BCF滤镜在H-α波段有很高的透过率，同时还能过滤掉红外光。BCF改机的优势在于能有效避免红外光的干扰，毕竟有些地方红外波段光污染相当严重。并且，由于BCF滤镜与原来的IR Cut滤镜厚度一致，BCF改机之后相机的焦点位置不会发生变化。但是廉价的BCF滤镜可能会产生光晕，导致星点呈现一圈一圈同心圆之类的形态，非常难看，而优质的BCF滤镜则十分昂贵，令人望而却步。 “裸奔”改机则是直接将原有的IR Cut滤镜摘除。这样能让相机的量子效率达到最大，并且不会受到光晕的困扰，也省去了购买BCF滤镜的花费。但是光路中少了一块玻璃会造成焦点偏移，需要微调CMOS位置（一般改机商可以提供这个服务）或者在相机设置里面设置焦点偏移（不一定能成功）。由于允许红外光入射，在红外光泛滥的区域，“裸奔”改机拍摄的结果会非常差劲。不过在野外，一般不会有严重的红外光污染，笔者本人只在明安图太阳观测站核心区的射电望远镜旁检测到过明亮的红外光（可能是观测站的监控照明光），其它地方则没有发现过。 BCF改机与“裸奔”改机都会影响白平衡，因此若要在日常摄影中使用，需要使用自定义白平衡模式，在拍摄前用一张白纸或者白平衡卡校准白平衡。但即便如此，由于大量额外红光的入射，改机与未改机仍可能产生较大的色彩差别。如果是很昂贵的相机并且希望兼顾日常使用，请慎重考虑改机。  [2-2-1.2]佳能40D移除原装IR Cut滤镜之后量子效率的变化。蓝色与绿色通道的变化基本可以认为是测量误差，而红色尤其是H-α的量子效率有巨大的提升。数据来源于astrosurf.com。 黑白改机指将相机拜耳滤镜刮除或溶解，同时摘掉或换掉原装IR Cut滤镜的改机方式。拜耳滤镜会降低CMOS的解析力与量子效率、限制拍摄的自由度，因此有发烧友就想办法把拜耳滤镜刮掉，把彩色相机当做黑白相机使用。但这样操作的现实意义不大，因为黑白改机成本昂贵，可能损坏CMOS（因此黑白改机被称为“刮刮乐”），拜耳滤镜表面的微透镜被刮除有可能会导致量子效率的降低（刮除拜耳滤镜又能使量子效率提高，二者大致抵消），很多情况下不如直接买一台天文专用黑白CMOS相机合算。鉴于黑白改机用户太少，后文中的改机统一指不刮除拜耳滤镜的改机。 目前佳能与尼康都推出了官方的“天文改机”，如佳能的60Da、EOS Ra与尼康的D810A，使用一块优化过的IR Cut滤镜，让H-α波段有较高的透过率。需要注意的是，为了兼顾日常摄影的色彩，官方改机往往不如民间手动改机纯粹，优化过的滤镜在拍摄天体方面依然存在一些不尽如人意的毛病，在深空摄影领域是不敌民间手动改机的。 2-2 天文相机 其实严格来说天文相机也是数码相机，因为输出数字图像的都是数码相机；而数码相机在很多人眼里似乎还是傻瓜式相机（卡片机）的代名词。这种概念问题不必太纠结，这里的天文相机指专门为天文摄影设计的、带有温控功能的相机。 黑白与彩色 黑白相机还是彩色相机，这几乎是所有人买天文相机时面临的第一个选择。彩色相机的量子效率和解析力都相对较差，但是拍摄较为方便；黑白相机具有无可匹敌的量子效率，但其操作较为麻烦，需要通过滤镜拍摄多个通道之后合成出彩色图像。 这里我们做一个计算，定量分析黑白相机与彩色相机的拍摄效率（也就是相同曝光时间下信噪比）。假设二者的区别只在于是否覆盖拜耳滤镜，且黑白相机不拍摄L通道。黑白相机RGB三通道各拍摄一小时，彩色相机总共拍摄3小时。那么对于黑白相机而言，RGB三通道都是100% × 1小时，而彩色相机则是：R，25% × 3小时，G，50% × 3小时，B，25% × 3小时，因为拜耳滤镜是1个R、1个B和两个G的组合。这样看来，彩色相机在R和B上的效率是黑白相机的3/4，G则是3/2。深空摄影像箍桶，任何事情都取决于最差的那个，况且宇宙中除行星状星云与超新星遗迹之外几乎不存在绿色天体，G通道多出来的那25%几乎是浪费的。考虑到转色时使用的是插值运算，彩色相机的效率还要更低一些。另外对于某些颜色单一的天体（比如发射星云），黑白相机可以依情况调整各通道的曝光时间，而彩色相机则被锁死在1:2:1，灵活性要差得多。并且，窄带摄影对于彩色相机而言效率太低，很不现实，可以说是黑白相机的专利。 但是从操作性的角度看，又是另一种情况。设想一下（实际上这是我真实遇见过的情况），我计划使用黑白相机拍摄M45，准备拍摄12张L、6张R、6张G、6张B，单张曝光5分钟，以6L、3R、3G、3B的顺序拍摄两次。但是天气不尽如人意，等我拍完R通道以后，M45已经被云层遮蔽，而且似乎不会再放晴。这样我只能放弃拍摄计划，带着6张L和3张R回家，无法合成出彩色图像。第二天的天气已经不理想，得等一段时间才能再次拍摄。而下一个晴天的月相情况如何，我有没有时间，都是未知数。如果当时以1L、1R、1G、1B的形式轮换拍摄，则可能造成严重的对焦问题，因为更换不同滤镜可能厚度不同，导致焦点出现偏移。另外，如果拍摄彗星这种快速移动的天体，使用黑白相机拍摄可能会无法将彗核对齐，而彩色相机则无需考虑这一点。 价格方面，即使是同款CCD/CMOS，彩色版本也会比黑白版本便宜不少，还不需要额外的滤镜花费。综上，我的建议是，如果建立远程固定天文台，毫无疑问选择黑白相机，这样才能充分发挥固定台的实力；而如果是新手并且以出摊式拍摄为主，或者预算紧张，则多考虑一下彩色相机。 CCD与CMOS 我们面临的第二个选择——选CCD还是CMOS？CMOS具有极高的读出速度（对于深空摄影没有太大意义）、很低的读出噪声（现在新研发的CCD读出噪声也很低）、相对较弱的暗电流（在制冷情况下与CCD没有多大区别）与较低的价格（这个就很重要了，是CMOS竞争力的主要来源）。从参数上看，CMOS的性价比要高得多——尤其是量子效率，我们能用很便宜的价格买到量子效率很高的CMOS相机。 但是CMOS的缺陷也很致命。首先是CMOS存在FPN（Flexible Pattern Noise，固定模板噪声，由于CMOS每个像元都有自己的放大器，但这些放大器之间均一性不佳，FPN由此产生。FPN实际上并不是噪声而应该属于假信号），严重污染影像，因此几乎所有的CMOS相机都会在机内把FPN扣掉。但是这样会严重影响之后的偏置、暗场与平场校准，因为机内FPN校准的具体情况无从得知。其次，CMOS的噪声形态和CCD有很大区别，最典型的是CMOS拍出来的图像中经常会出现奇怪的孔洞，这些孔洞貌似是校准无法去除的。还有就是CMOS对于暗电流的响应和CCD有所不同，随着暗电流亮度的增加，CMOS暗电流噪声的分布情况会变得诡异，虽然大体上还是符合泊松分布，但会出现很多离群值，看上去就是冷热像元非常多，而下一次开机之后这些冷热像元位置又可能发生改变，令人十分头疼。另外，16bit的ADC几乎只出现在CCD中，消费级CMOS几乎全部都是采用14bit的ADC（除此之外是12bit和10bit[注2-2.2]）。 很多人可能会认为读出噪声是很重要的指标，认为CMOS较低的读出噪声是其优势，实则不然。随着科技的发展，新研发的CCD读出噪声基本都很低，而能买到的读出噪声高的CCD，要么是因为性能稳定均衡（如KAF-8300），要么是因为性能指标极其强悍（如KAF-16803），而没有遭到淘汰。 CCD/CMOS的基本参数 不像数码相机，不同的天文相机之间CCD/CMOS的基本参数差异非常显著，需要认真对比各个参数，综合考量。我的建议是，先在黑白与彩色间做选择，然后确定是CCD还是CMOS（CMOS需要排除掉有辉光的型号）。根据这两步筛选之后，剩下的型号应该不多，再从里面选择经济能力允许、量子效率与画幅尽量大的。如果依然纠结的话，再选择满井电荷数最大的那款。 上面的选择方法并没有考虑易用性的影响。画幅越大，对望远镜光学性能的要求就越高，光轴、焦平面的调整也越困难，大画幅相机的重量（尤其是单色相机，滤镜轮也是个大块头）也会对整个系统的机械强度提出很高的要求。总而言之，大画幅相机的易用性会比较低，调试系统的难度较大，但其优势也是显而易见的——可以轻松获得视场与解析力（不考虑像元特别大的机种）兼备的图像。反过来，小画幅的易用性相对较高，调整、拍摄过程中不容易出岔子，但视野太小，图像的丰富度不足，需要靠马赛克来弥补。 温度控制 尽管现在的CCD/CMOS普遍不存在温控问题，但是我觉得还是有必要再强调一次：真正的天文相机需要的是温控，而不只是制冷。能制冷到给定温度并控制温度不变的，才是合格的天文相机。有一些老款相机的制冷系统只能全功率运作，其芯片温度仍然取决于环境温度，这种相机在校准（尤其是暗场的校准）时很容易出现问题。另外还有一些相机控温系统设计不当或是出现故障，导致芯片温度不稳定，上下漂移，遇见这种情况要尽快返厂修理。 2-3 整体的比较 如果抛开所有其他因素，只是粗暴地下一个结论的话，我会给出这样的排名：从好到差依次是冷冻黑白CCD、冷冻黑白CMOS、冷冻彩色CCD、冷冻彩色CMOS、数码相机改机。但器材永远不是最重要的那一部分，拍摄者的思想才是最终结果的决定性因素，所以大家不必太纠结于器材的比较，用好手头的器材才是最重要的。 如果是要购买新器材用于深空摄影并且打算很认真地拍摄，我的建议是放弃数码相机，除非你的预算实在是太低。专门买一台数码相机用于深空摄影非常不合算，你需要给一大堆没用的功能交钱，还不能控制芯片温度——温度的漂移会给校准带来巨大的麻烦。而且，数码相机的法兰距一般都比较大，因此不少望远镜与相机之间无法安装OAG（偏轴导星装置）。电脑软件控制数码相机也可能会出现困难，如无法控制反光镜预升等。 [注2-2.1] 现在市面上的数码相机，几乎全是使用CMOS作为感光元件（因CMOS在常温下的暗电流比较弱、读出速度快等原因），CCD相机基本灭绝。所以在后文中，我直接把数码相机当做CMOS相机，数码相机具有CMOS的一切特性。另外，数码相机也都是彩色相机，具有彩色相机的一切特性。 [注2-2.2] 目前，消费级16bit单色CMOS已经上市，这无疑是一个巨大的进步。 |
