望远镜与月亮的拍摄(传统胶片)

正
望远镜摄与月亮的拍摄（使用传统胶片）
赵玉春
“小时不识月，呼作白玉盘。又疑瑶台镜，飞在白云端。”
月亮几乎是我们每个人最早认识的及直观中最大的天体之一，天文爱好者最初的天文观测与天文摄影可能都是从月亮开始的。月亮似乎是最容易拍摄的天体，但拍摄好月亮绝非易事，需要掌握很多相关的知识与技术甚致是创意。下面我就如何拍摄好月亮及有关望远镜的一些基本问题逐一介绍给大家。
我们观测与拍摄月亮几乎都是借助天文望远镜，望远镜的作用有如下几个方面：
我们之所以能够观察到一个物体，是因为这个物体能够发射或反射可见光，这种可见光线是往四面八方传播的（手电筒类光源除外）。夜晚暗环境下，我们眼睛瞳孔直径的平均值De约为7mm。如果我们仅是用肉眼观察一个点光源（只要视网膜上的像在一个感光细胞内，与之对应的物即可认为是点光源），那么与这个点光源相关的可见光线，也只有相当于直径7mm圆面积的一小部分能进入我们的视网膜。但如果是通过望远镜观察这个点光源，情况就不一样了：假如我们所使用的某个望远镜物镜的有效口径为D，我们称D为望远镜的入射光瞳（直径），如果是折射式望远镜，D基本上就是物镜镜片的直径。我们称D/为望远镜目镜的出射光瞳（直径），其等于D除以望远镜的放大率。
若D/小于7mm，那么所有望远镜的光通量都能进入眼睛，此时望远镜与眼睛的主观亮度比值为kD2/De2。式中k为望远镜的透光率（视网膜上的像对感光神经末梢的作用所引起的视觉刺激程度，称为主观亮度）。
若D/等于7mm，此时望远镜与眼睛的主观亮度比值同前，也等于k乘以望远镜放大率的平方。
若D/大于7mm，望远镜的出瞳光线不能全部进入眼瞳，此时望远镜的实际入瞳直径相当于De乘以望远镜的放大率，望远镜与眼睛的主观亮度比值只等于k乘以望远镜放大率的平方(注意，7mm只是平均值，公式的应用因人而异)。
如，假设D=100mm，在前两种情况下，与点光源相关的可见光线，就会有大约相当于直径100mm圆面积的部分进入眼睛的视网膜，，望远镜与眼睛的通光面积之比值为：（100/2） 2×π／（7/2） 2×π＝204，望远镜与眼睛的主观亮度比值为：k×100 2／7 2＝204 k。也就是说通过一个直径为100mm的望远镜观察一个点光源时，比用肉眼直接观察它时，能达到视网膜的与这一物体相关的光线增强了将近204倍。
在第三种情况下假设D/＝10 mm（大于De），望远镜的放大率为：100  /10  =10，望远镜与眼睛的主观亮度比值为：k×102=100k。此时有效的入射光瞳为：10De=10×7=70（mm）。其余的光线都投射在瞳孔的外面了。但无论如何通过望远镜观察恒星时，我们感觉恒星更亮了。
对于“有限大小物体”（非点光源），此时像的主观亮度应由投到视网膜上的照度决定（光源发出的光通量投射到某一表面时，在某一微小面积上投射的光通量与该微小面积的比值，称为该微小面积上的光通量）。望远镜与眼睛的主观亮度比值为：k D/2/De2。。显然，D/大于De时，该公式没有实际意义，多余的光线都投射在眼睛瞳孔的外面了，就是说公式的最大值是k（k总是小于1），也就是说通过望远镜观察“有限大小物体”时，望远镜的主观亮度总比肉眼直接观察时要暗。实际上只要D/与De相比不太小，我们一般还是会觉得望远镜的主观亮度大一些，一是好的望远镜的透光率都很高，接近于一；二是因为用肉眼直接观察时，视场中总会有杂光影响，而望远镜的视场小，杂光也少；三是望远镜把物体的像放大了，细节清楚了，也就显得“亮”了。
月亮、行星和深空天体等的特性介于点光源与“有限大小物体”之间，通过望远镜观察时，只要放大率不是太大，感觉比用肉眼直接观察时要亮（但没有点光源“增亮”那么明显）。比如，当我们通过望远镜观察月亮时，只要放大率不是太大，即整个月亮的像不大于视场，我们会感觉比肉眼直接观察时亮。当然，最主要的原因与上面提到的三点有关。再比如，当我们用肉眼观察M42时，它只是一个亮星点，通过望远镜观察它时，星云形象尽显。此时它的像的主要特征不是亮了，而是大了，但我们感觉它是亮了。当然，由于它特性介于点光源与 “有限大小物体”之间，望远镜还是在某种程度上使其“增亮”了。
综上所述，一般情况下通过望远镜观察天体要比用肉眼直接观察时要亮，这是我们需要使用望远镜的意义之一。也正是因此，望远镜物镜的有效口径是其重要的指标之一。有一点需要特别说明：望远镜并不能改变物体本身的亮度。当夜晚通过望远镜观察天空时，我们能看到原本无法用肉眼直接看到的天体，但望远镜并没有改变物体本身的亮度，只是收集了更多的与物体相关的可见光线。
当我们用肉眼直接观察一个物体，在距离该物体10m时，肯定比在距离该物体100m时观察得要清楚得多。这除了于近距离观察时，进入我们瞳孔的与被观察物体相关的可见光线的比例，要比远距离观察时有明显的增加外，主要是因为此时该物体相对于我们眼睛的张角增大了。这样，眼睛能分辨物体的细节就增加了。因为我们的眼睛能够分辨一个有“足够亮”的物体细节的最主要因素，取决于该物体相对于我们眼睛的张角（只要我们的视力有“足够”的好）。望远镜能够放大我们所观察物体像的张角，我们可以通过更换望远镜的目镜，达到“任意”放大的目的。但任何事物都是相对的，当通过更换望远镜的目镜，把我们所观察的物体的张角“任意”放大时，望远镜本身总的视场角范围就会变小，视场总体亮度也会变暗。如前所述，其本质是D/太小了（但观察点光源情况除外）。比如我们用某个望远镜观看月亮时，当整个月亮充满望远镜的整个视场时，月亮可能会显得很亮。但由于环形山还是太小，不容易观察到其细节，这样我们就会设法再放大环形山的影像。但当环形山的影像放大得过度时，环形山及整个视场就会变得很暗，我们同样也无法观察到其细节，因为此时通过望远镜的目镜纳入我们瞳孔的光线，只是“整个”月亮进入望远镜光线中的部分光线了。那么其余的光线哪里去了？都主要投射倒目镜筒的内壁或目镜入射光瞳的外面去了。另外一个主要原因是月亮本身不是点光源。
望远镜能够把我们所观察的物体的张角放大的能力，也就是其放大率，其实际的物理概念为：远处物体经望远镜系统所成的像对眼睛的张角的正切与该物体直接对眼睛张角的正切之比。放大率有两种表达方式：一为望远镜的物镜焦距比目镜的焦距；二为望远镜的入射光瞳直径比出射光瞳直径（正因此，相对于某台天文望远镜，是通过更换目镜来改变其放大率的）。一般来说，当望远镜的放大率等于其有效口径的一倍时，就足够大了。比如，有效口径为100mm的望远镜，选用的目镜能使其放大率为100倍时就足可以了（二十倍的天文望远镜就能较清楚地看到月亮上的环形山了）。通过望远镜能够增大我们所观察的物体相对于我们用肉眼直接观察时的张角，这是我们需要使用望远镜的意义之二。
既然当我们通过望远镜观察景物时，我们感觉到的景物的亮度（特别注意是感觉到的，而不是景物本身的亮度）与望远镜物镜的有效口径有关，又与其放大率有关，而放大率又等于物镜的焦距比目镜的焦距。那么不难现解，物镜的有效口径与其自身的焦距之间的关系本身就是决定“亮度”的关键因素之一。我们把物镜的有效口径D与其自身的焦距f/之比定义为相对孔径，即相对孔径等于D/f/。这是表征望远镜、摄影镜头等光学仪器的又一重要指标，它表示该光学系统的集光能力。我们可以设想一下：当f/变得无限大时，物镜本身实际上就是一块平扳玻璃了，当我们通过一块平扳玻璃观察景物时，显然其亮度不会“增加”。此时可以理解为望远镜的集光能力为无限小。当然，平扳玻璃本身就没有能使光线收聚的能力，用其作望远镜的物镜也根本成不了像。
一般天文望远镜的光学结构较为简单，属于小像差光学系统。如果不考虑光学系统可能存在的各种像差或磨制与安装精度，望远镜的分辨率可用简单的公式去表达。这类简单的公式虽然不能反应每个望远镜的真实的分辨率，但有利于“同类”望远镜之间的简单比较。
在天文学中，定义刚刚能被望远镜分开的天球上两个发光点之间的角距离，称为角分辨率（与摄影镜头的线分辨率的概念不同），用δ表示：δ＝⒈22λ／D       λ=0.000555mm时，为人的眼睛最敏感光波的波长。
对于目视观察而言：δ″=140/D
对于普通摄影而言：δ″=〔3100D/ f/＋113〕/D
D为望远镜物镜的有效口径，f/为焦距，两者的单位均为mm，δ″的单位是角秒（1角秒=1/3600角度）。
美国宇船员第一次登上月球时，在月球上插了一面美国国旗。因为月球上没有风，据说这面国旗用一种弹簧装置撑起来，呈现永远“飘扬”状（这面国旗肯定不是普通布料缝制的）。有人曾问我：“你能用望远镜看到或拍到月球上美国的国旗吗？”我回答：“不能”。假如我们手里有一只D=150mm，f=750mm的“极品”天文望远镜（这样的一台天文望远镜是大多数天文爱好者梦寐以求的）。
当我们用它观察月面时：δ1″=140/150=0.″933
当我们用它拍摄月面时：δ2″=（3100×150/750＋113）/150=4.″89
月球与地球的平均距离为384401公里，对于地球上的观察者而言，设X为月面上对应于δ″的直径。我们能非常容易地推导出：X=2×384401×tg(δ″/2)。那么可以算出：
当我们用上述望远镜观察月面时：X1=1.73公里
当我们用上述望远镜拍摄月面时，X2=9. 11公里。
看来用这只即使是“极品”的天文望远镜，我们无论如何既拍不到也看不到月球上“飘扬”的美国国旗。
比较上面计算出的X1和X2，我们也可以得出一个结论：望远镜的目视分辨率远远大于摄影分辨率。这也是我们经常用望远镜观看月亮时，觉得月亮上的环形山历历在目，而用望远镜把它拍摄下来之后，照片却总是那么不尽人意的原因之一。当然，一张月亮照片的清晰度也并不能完全代表该望远镜真实的摄影分辨率，因为调焦的失误，拍摄时望远镜的微小振动，后期制做时的损失，相纸的明锐度特性等因素，都会影响照片最终的清晰度。
有人可能会对上述结论提出质疑，因为在网上经常能够看到用数码设备拍摄的清晰度非常高的月亮照片，特别是感觉照片中月亮的清晰度，绝不差于目视时的清晰度。其实，这完全是一种误解，不是一两句话能讲明白的问题，容以后专论。
假果有一台有效口径为150mm，焦距为1500mm的天文望远镜，对于爱好者来说，此望远镜的焦距已经是足够的长了，如果配合适当的目镜观看月亮，效果已经是相当的不错了。但当我们用此望远镜直接拍摄月亮后，会发现照片上的月亮还是太小，与我们通过望远镜的目视观看相比，差距还是非常明显的。
在拍摄月亮之前，我们可以先计算出月亮在底片上的大小，做到心里有数。因为在拍摄月亮时，照相机取景屏中只有明晃晃的月亮，很容易给人造成错觉，以为拍到的也是这个效果。实际上胶片和相纸的宽容度和反差等，与我们的视觉相比是非常有限的。在胶片上月亮的像如果没有足够的大，那么制成照片后，一切低反差的细节都会被湮没。
天体在底片上像的大小的公式为：h=0.000291fθ
式中h为天体在底片上的直径，f是望远镜（或镜头）的焦距，单位均为mm。θ是天体在天球上投影的视直径，单位为角分。
月亮在天球上投影的视直径平均为31角分（与太阳差不多），如果用上述天文望远镜采用直接焦点法拍摄月亮，其在底片上像的直径为：
h=0.000291×1500×31=14（mm）
135相机底片尺寸为24mm×36mm，直径为14mm的月亮的像在底片上显然还不够大。为了拍摄到月球上环形山的细节，我们还应没法增长天文望远镜的焦距。较实用的方法有两种：一是在望远镜上加增焦镜。二是在望远镜上加目镜及延长接管。
加增焦镜的方法亦有两种：一是加望远镜本身随配的增焦镜（也叫增倍镜）；二是加摄影类专用增焦镜。后者的效果明显地好于前者，甚致可以两只增焦镜叠加使用。望远镜加增焦镜后，焦距增长了，相对口径必然会相应地缩小，摄影时的曝光时间也必须要相应地延长。
望远镜上加目镜及延长接管后，相对于成像面的焦距也增长了，此时望远镜的合成焦距为：
f合=f物（L /f目—1）
式中f物为望远镜物镜的焦距，f目为所配目镜的焦距，L为目镜出瞳位置到底片的距离。假如上述望远镜接上f=25mm的目镜，再加一延长接管后，算出L=100mm,那么此时的合成焦距为：
f合=1500（100/25—1）=4500(mm)
注意此时望远镜的合成相对孔径为：150/4500=1/30
我们把1/30倒过来，再套用摄影镜头光圈的概念，那么此时望远镜的合成光圈为30，记作F30。假如此时月亮是满月且恰好运行到中天的位置，即满月的月亮正好通过子午线，此时月亮在天空上的位置最高也最亮。由于我们所使用望远镜的合成光圈仅为F30，那么曝光时间应为1/15秒（胶片感光度为100）。在这种情况下只能把望远镜架在赤道仪上跟踪拍摄，所用相机也最好有反光板预升功能，甚至应该采用“机外快门”控制曝光时间，不然所拍摄的照片都会是虚的。
月亮的曝光数据较为复杂，除了所用光学系统的相对孔径和胶片的感光度之外，还与月相（日期）、运行位置（地平高度）、天空条件等有关，容以后再论。
文

老大，你帖子发重复了。

是电脑的问题,请斑竹把重复的删掉.谢谢!