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第12章 日全食的摄影观测

社会的发展与进步真是令人感叹。就在十几年或更早以前,看摄影还是很稀奇的事情,经历黑白片摄影、彩色摄影到如今普及数码摄影和电脑图像处理,留下无数精彩的客观实时纪念,心旷神怡,意境升腾。现今,人们的志趣又从大自然风物转向天象奇观。当看到很多爱好者甚至初学的小朋友都成功地拍摄日食的精彩照片,都不令精彩,其中一些不仅可长久观赏,而且有一定研究意义。当然,还会有更多人希望多了解和掌握一些日食摄影的技巧,以便有成效地抓住难得的日全食机遇,获得好而多的日食奇观照片。这方面的内容和资料实在丰富,举不胜举,这里只能提纲挈领地谈些要点。总地说来,入门不难,只要多练习思考。可以很快地掌握技巧,达到较高水平。

首先,日食摄影与一般摄影的原理和技巧是类似的,但日食摄影还有一些特殊之处。这些特点在前面目视观测也谈及。在日全食过程中,日偏食阶段的日轮是极其亮的,直接用照相机拍摄是不安全的,会烧毁底片或数码照相机的电荷耦合器件(CCD),需要减光才可拍摄,而且还要针对偏食大小而定感光时间;在日全食阶段,色球尤其是日冕却是极其暗淡的,这就需要照相机的“光力(物镜口径/焦距)”大,底片感光度或CCD灵敏度足够高,感光时间较长(又涉及跟踪太阳的视运动)。

第二,根据意愿和条件来选择拍摄方案。对于一个日食观测小组,可以分工进行几项观测。

(1)拍摄日食全景和过程于一幅底片上。2008年8月1日的日食时,日轮的地平高度角较小,一般照相机可以同时拍到偏食的日轮和地面景物。采用三脚架固定照相机的方式,按照日食全过程估计日轮的高度角和方位角范围及地面景物,把照相机固定于日轮在日全食时的方向。在物镜前加减光片(透射“密度”大于4,即透射率小于万分之一),从偏食开始每隔一定时间(如10分钟)感光一次。从日全食开始(食既)到结束(生光)期间,拿掉减光片,拍摄色球和日冕。生光时,再加上减光片,间隔拍摄日偏食到日食全部结束,得到类似的效果。

需要指出,底片上日轮像的直径大约是物镜焦距的0·0093倍,例如,物镜焦距60毫米时,日轮像直径仅约0·56毫米,由于底片感光的颗粒大小约20微米,像的分辨解析度尚可。如果物镜焦距太短,就难看出日轮在偏食时的形状了。但焦距过大,偏食日轮像会大,而视场却可能不够了。

对于2009年7月22日的日全食,由于全食时日轮的地平高度角很大,甚至广角照相机也难以把地面景物与偏食的日轮同时拍摄到同幅内,那就只好放弃地面景色,而保证拍摄类似的日食过程。

这种在一张底片上拍摄日食全过程是很美妙的科学艺术欣赏品,尤其是彩色的。但也有缺点:①太阳像很小,“解析度”差,很难分辨细节特征(如,日轮上的黑子)。②仅摄一次日冕(若日全食期间多次感光,日冕像就重叠了)。具体的拍摄感光时间要根据底片的大小和感光度来估计。例如,用一般感光度21DIN(=ISO100/21°=ASA100)的“120”底片的8幅之一,加透射率1/10000减光,用光圈(数)16(即物镜有效通光口径与焦距之比为1/16),拍摄日偏食开始到食分1/2可感光1/500秒,食分1/2到1/4可感光1/250秒,食分1/4到食既可感光1/125秒;日全食阶段取掉减光片,拍摄日冕感光1/30或1/15秒或更长。其他条件下,可以用这样规则来换算感光时间:感光时间与减光片透射率成反比、与光圈(数)平方成反比、与底片感光度(ISO)成反比。

应当指出,拍摄感光时,应当用快门线按钮,而直接用照相机上的按钮容易造成抖动!

(2)每次感光拍一幅较大的像。因日轮像的直径d与物镜焦距F成正比(d=0·0093F),需要用长焦物镜才会得到较大范围的日冕像。例如,用焦距250毫米的长焦照相机,在底片上拍摄的日轮像直径也仅2·325毫米,这比“135”底片的短边(24毫米)小得多,底片上足以拍摄到10倍日轮半径的特长冕旒或物质抛射。采用照相机固定指向就不合适了(偏食的日轮进不了视场),需要在拍摄日食过程中及时调整指向。偏食和全食的拍摄感光时间可以按上面的规则来换算。由于太阳在视运动,感光时间应尽量短,所以采用感光度大的底片。可以充分利用日全食的食延期间,分别用不同感光时间多拍几幅日冕。观测之后,可以用暗室复制技术有序地把多幅像(截取主要部分)组合到一起,其效果用计算机扫描与图像处理的巧妙技术会得到更美妙的图像。

由于日轮和日冕的亮度相差太悬殊,可以使用两个照相机,一个照相机装感光度低的底片,物镜前面加减光片,专摄偏食的日轮。另一个照相机装感光度高的底片,不加减光片,专摄全食时的色球和日冕。

(3)用望远镜拍摄高分辨的日食像。因为日轮的角直径仅半度多,即使长焦照相机所成的像也不大,不能分辨出黑子、日珥、日冕射线等细节特征。例如,用“135”(长边35毫米)软片拍摄到5倍日轮直径范围的日冕特征,即日轮像直径6毫米,相应地选用F=6/0·0093毫米=645毫米≈0·6米的物镜,这是一般长焦照相机的物镜达不到的。而且,由于太阳在视运动,尤其是感光时间较长(1/10秒以上)时,需要跟踪太阳拍摄,才能得到高清晰像。因此,应当使用有跟踪驱动的望远镜作为照相仪。一种简单方法是把底片直接放在望远镜物镜的焦平面上拍摄。可以取下照相机的物镜,使用它的暗箱和快门以及取景器。按上面规则制定拍摄程序,一幅一幅依次拍摄。但是,望远镜物镜的焦距是固定的,如果过长,甚至日轮像也会超出底片范围,只是拍摄日轮边缘附近的日珥和日冕弧或极射线是很好的。而欲兼顾拍摄日冕全貌和局部,则可以采用照相机二次成像方法,把望远镜的物镜和照相机物镜组合为等效的“变焦”物镜。拿掉望远镜的目镜,把照相机(物镜的前焦点)装在望远镜物镜焦面之后距离d,则望远镜物镜(焦距Fe)与照相机物镜(焦距Fe)组合的等效焦距为Fe-Ff/d。照相机物镜把望远镜物镜焦面的像二次成像在底片上,底片离照相机物镜的距离为L=f(1+d)/d,像放大f/d倍。由此可见,若f/d>1,则像放大,Fe/F>1——相当于望远镜增焦;若f/d<1,则像缩小,Fe/F<1——相当于望远镜缩焦。因为Fe与f是一定的,改变距离d就相当于变焦。可以按照拍摄目的,估算出所需Fe,再估算出d后,实际操作时微调d来最后选定。用望远镜物镜的口径和等效焦距及底片来拟定观测计划方案,可以拍摄月球来练习技巧。由于照相机加在望远镜的目镜端可能过重和过长,需考虑望远镜的平衡。显然,用轻的短焦照相机为宜。

黑白、彩色与数码摄影观测

用黑白干板大底片拍摄日食是传统的办法,经济方便、相当有效,已有一套黑白底片日食像的专业处理分析方法,尤其可以用很大的天文底片。就是爱好者也容易搞一个简易暗室,自己可以按意愿冲洗、翻印底片和放大照片,而照相馆的通用流程难以满足冲洗日食底片的特殊需要。前面已谈过,日冕亮度随远离日轮边缘的变化是非常大的,用一般显影方法洗出来的像甚至如同一块不大的无趣味白斑。如果使用微粒显影液并稀释,加长息影时间,就可以得到范围大、细节清晰的妙趣横生像,或者再在暗室用“硬度(反差)”小的底片复制(乃至二次、三次复制)、用反差小的显影液“冲洗”等方法实验,可以把辛苦拍到的日冕信息较充分显示出来。如果有兴致,还可以用扫描仪和计算机技巧处理为令人瞩目的伪彩像。

用彩色底片拍摄的日食像便于科学艺术欣赏。但是,除了研究形态,很难进行亮度测量分析。由于自己没有彩色冲洗设备,只能送照相馆按通用程序洗印底片和照片,往往丢失不少辛苦拍摄到的细节和信息。

许多年前,电荷耦合器件(CCD)还是稀奇昂贵的。近年来,CCD数码照相机和摄像机发展很快,甚至高性能的也开始普及使用。拍摄后马上在屏上显示出来,打印照片也方便。如今400万、800万像素的数码照相机相当多了。CCD取代底片已是大势所趋。照相底片的严重缺点在于其感光范围——“宽容度”小,只能拍摄到亮度范围100倍以内,亮的部分感光过度、暗的部分感光不足,底片上都显露不出来,而且感光效果(“黑度”响应)跟像亮度不是成正比的,或者说“非线性的”,需要用拍“光度标”做“特性曲线”来归算。CCD没有这些缺点,在亮度范围10000倍也是“线性的”,马上在储存卡录下数据,而不需要底片那样麻烦的测黑度及特性曲线归算。CCD感光度也很高(ISO200,ISO400,ISO800)。

上面所述的日食感光估算方法同样适用于数码照相机拍摄,勿需赘述。这里引述一个日食摄影感光指导。计算感光时间的公式为t(秒钟)=N2/(I×2Q),其中,N是光圈数(即照相机物镜的焦比,N=焦距/通光口径),I是底片感光度(ISO数),Q是亮度指数。

日食摄影感光指导

使用感光技术先选定底片感光度ISO(值);然后再选定光圈数;最后感光时间。例如,选定ISO100和光圈数11,拍摄对象日珥应当用感光时间1/500秒。或者用公式计算,t=N2/(I×2Q)=112/(100×29)≈1/423秒。

概括了一些日食拍摄感光时间的实例。可以说,感光时间的选取很重要,有一定选取规则,但又不是太严格的,只要控制在合理范围就可以了。因为实际情况涉及较多的因素,例如,太阳的高度角大、地球大气透明度大、当时的日冕较亮,就可以适当减少感光时间。

色球的亮度仅为光球的千分之几,拍摄色球、日珥等则用更短的感光时间,但贝利珠往往是感光太过而没有肉眼所见精彩。日冕亮度只有光球的百万分之几,大致跟月球上弦或下弦的亮度相当,因此拍摄日冕的条件也跟拍摄月球类似。但外日冕比内日冕暗几百乃至千余倍,一次拍摄不可能兼顾内日冕和外日冕,而需不同感光时间的底片综合起来才能了解日冕的全貌。拍摄日冕特别重要的是尽量减少仪器内的杂散光问题,只要1%的色球光杂散到中外冕,就超过了那里的日冕亮度,因而严重破坏日冕的像质。减少杂散光的方法是物镜前加遮光筒(但其直径要足够大而不遮挡有效视场)、望远镜筒内加光栏(但应不减少有效视场)。很多望远镜的镜筒内是涂无光漆的,但仍有杂散光,我们的一个简便检查方法是:在黑暗中,把望远镜对向一颗亮星或远方光源,取下目镜,直接用眼镜扫视各部位,较亮的部位就是杂散光的源、在那里贴黑绒布就可消除杂散光。前面谈过,照相底片的感光宽容度不足,拍摄不到很亮和很暗的像特征,CCD数码照相机虽然宽容度很大,但冲洗出来的照片仍然是宽容度不足。人眼的灵敏度是很高的,适应性相当强的,或者说宽容度很大;眼睛用望远镜看到的日冕微弱特征,往往在限定时间的摄影拍不出来。所以,洗印的好照片也不如目睹看到的精彩,因此,有志趣者辛苦地奔赴日全食地区——干热的沙漠、严寒的极区或颠簸的海洋去观测日全食。

内冕与外冕的亮度相差悬殊,一般照片上不能同时显示诸如长冕旒等特征,为了同时显示,可在底片上日冕亮部分前面加减光片拍摄,或者把显示内、外部分的两幅像用洗印技术合成为一幅。

现在,用计算机图像处理技术,可以用程序更好地实现减弱CCD图像的超强部分、增强暗弱部分,达到显示冕旒等特征;也可以制作伪彩图像。于是,把摄影得到的信息过滤而突出地展现出来,真是妙趣横生。刚在食既后和生光前,色球闪现为细的亮圆弧,拍摄的光谱称为“闪光谱”,显示出一些发射线,不仅观赏有趣,也有一定的研究意义。前面谈过早期这种观测的重大发现。现在,天文学家用大型光谱仪拍摄更精细的色球光谱,一般日食观测者没有这样条件,但仍可以用较简易设备作些尝试,取得一定的成果。

实际上,在小型望远镜的物镜前面加一个小顶角(例如,7度左右)三棱镜(或透射光栅)就构成棱镜照相机,对准色球,在物镜的焦面上就可呈出色球光谱。这样的光谱展开的范围与物镜焦距成正比,需要物镜焦距很长(如1米以上)才有可观的展开(约几毫米)。还可以采用上述的物镜与数码照相机组合来增焦,但还需考虑有足够的有效光力(D/Fe)才可以在较短感光就拍到光谱,显然,用感光度高的彩色底片可以拍到很美的彩色光谱。需要指出的是,由于棱镜色散而偏移了光束,望远镜光轴指向应偏离太阳一定角度,可以改变寻星望远镜与棱镜照相机成这样的角度,以便用寻星望远镜对准太阳时,正好拍摄到光谱。

要想拍摄色球局部或日珥的更好光谱,则需要用有入射狭缝的摄谱仪。取下望远镜的目镜,把小型摄谱仪安装在终端,使入射狭缝在望远镜物镜的焦面上。让望远镜所呈色球或日珥所选择部分的像成在入射狭缝上,由摄谱仪拍摄其光谱。为了充分利用望远镜所聚集的日珥光,摄谱仪入射狭缝后的准直透镜的焦比应跟望远镜物镜的焦比相等。

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