相機淺談------陳政全
基於課程需要，編此講義，如有謬誤，不吝指教。（８６．４．１初稿） （８６．６．２２完槁）
前言
每當提到天文攝影時，就免不了要提到相機，在此介紹基本的使用概念。依筆者淺見，將相機分成機身及鏡頭分別介紹。
PART 1.機身
（ 1 ）單眼、雙眼
所謂單眼相機（嚴格說，應是單眼反光相機），即是以一反光鏡將鏡頭出射的光線反射至一五棱鏡中，再從五稜鏡將光線射至眼睛取景，此時光圈大部份是以全開狀態以供攝影者足夠亮度取景。若執行攝影時，則反光鏡彈起，光圈關至攝影者所需之數值，並快門開啟讓底片感光。結束曝光時，快門關閉，反光鏡鬆回原位，光圈回復最大，完成曝光（見圖一）。由此知，單眼相機取景時所得影像與攝得影像幾乎相同，無論近遠皆是，而這種情形在雙眼相機上將有所改變。
所謂雙眼相機，即在實際鏡頭外再另開一觀景窗供取景，但觀景窗的視野與實際攝得的視野大致相同，但實際上略有差距（因只是平形，而非相同光束）， 在近距取景時尤甚，大部份傻瓜相機即是一種雙眼相機，但由於多使用廣角鏡，上述視差情形較不嚴重。而天文攝影當然選用單眼為最佳，因單眼相機還有更重要的功能值得利用！以下皆以介紹單眼相機為主，並介紹簡單操作概念。
（ 2 ）快門
快門乃控制曝光時間的裝置，主要有兩種形式，一為葉狀快門（或光圈快門），一為焦（點）平面快門，前者為以鏡頭中的花辦式金屬薄片構成，涵蓋成一圓形區域，長相如今日鏡頭光圈，是以一開一關方式進行曝光，快門置在鏡頭中或後，因此設計難以更換鏡頭（快門在鏡頭上，機身無法直接控制曝光），故多應用在無法更換鏡頭的系統中，如傻瓜相機（但也有不少傻瓜相機用焦平面快門）。而焦平面快門應用甚廣，多數（可說幾乎了）相機使用焦平面快門，意謂快門簾置於機身中，底片前，操作方式為曝光時第一片快門簾捲下，使曝光，結束，第二片捲下，像兩片遮光板一樣，先後遮住快門達成曝光；當快門較高速時，此時曝光方式是漸進的：第一片簾放下時，先開了一開口，而後第二片簾馬上放下，第一和第二片之間形成一條狹長細縫，從上刷（”滾印”的字眼也不錯）下來，細縫寬窄和滾過速度跟快門速度有關（見圖二）。底片就以這種方式一部份一部份曝光，而並非同時。焦平面快門又有水平移動和垂直移動兩種，但效果皆同。另一點要注意的，是操作快門的方式，有分機械和電子兩種，天文攝影大都選擇機械控制，不耗電（氣溫低的山上電子相機不夠壯是成不了大事的），避免「出槌」，且B快門「一定」要是機械的，否則上山沒電後果不堪設想！！又電力控制快門的電子相機也非一無是處，只不過遇冷易出狀況，電池不如平地用的久，而其它還有一些機械相機沒有的功能。但論及天文攝影，機械相機還是較好的選擇。（不過同一機型機械相機比電子相機貴）又一般相機皆有測光表，它是依據目前的影像亮度、底片感度、光圈大小，來建議曝光時間的長短，就算是機械相機，也要裝個電池測光用（當然不裝也可以，只是測光表不能用而以，機械快門不耗電哩。在拍月及日時測光表則可派上用場，長時間曝光就不必了。）
操作實務：試看機械相機有一標有曝光時間的轉盤（別和底片感度搞混）標示數字即曝光時間的倒數，B快門是手控曝光時間的裝置，天文攝影超級常用，當然，避免相機晃動，請用快門線。
（ 3 ）底片
底片的種類、尺寸大小、各種特質，都將深深影響影像的外觀，故應慎選。
１.負片及正片：負片紀錄下來的影像，呈現出相反色調，也就是主體的明亮區域，在底片上記錄下來時呈現暗色調，透過光線投影在相紙上的光線較少，相紙在這一區感光較少，產生濃度較淡，呈現出的影像又回復和真實影像相同亮，反之亦然。我們一般買的底片就是負片，負片又分為黑白和彩色兩種。正片則直接呈現出和實物相同的影像，透過光線可投影出原色，故做為幻燈片用，通常是彩色的，有些老師拍星星用正片拍，做成幻燈片來教學用。
２.片幅：即是指底片大小，現在多數的底片，多可分類成１３５、１２０兩種（還有什麼１１０，１２６．．．拉拉雜雜林林總總，以前提的兩種為重點）１３５底片即是在seven-eleven可買到的那種３５ｍｍ寬的底片，畫面的短邊長二點四公分，長邊三點六公分；而１２０底片寬度是五點六公分（當做是六公分），每四點五公分截一幅就是所謂的六四五規格，每六公分一幅就是六六規格（正方型畫面），七公分就是六七，還有多種長度和六搭配。當然，所用相機就跟著不同，像PENTAX 67或MAMIYA 645就是，而其中的〞67〞、〞645〞指的就是片幅大小。它們畫面大小不一樣，但用的底片是相同的。一卷１２０底片可拍十五張六四五或十張六七照片。另外還有一種叫２２０的底片，寬度與１２０一樣，比１２０長兩倍，捲法略有不同。１２０與２２０同稱中片幅底片，１３５就是小底片，而底片大小至少是四英吋乘五英吋以上的就是大片幅底片。小 底片、小相機適合初學者使用 ，而底片大最大的好處是畫面細膩。例如，１３５底片的標準鏡頭焦長４５ｍｍ，６４５規格的標準鏡頭是８０ｍｍ，它們拍出的照片看起來是〞相似〞的（數學上的相似形的相似），但相較之下８０ｍｍ鏡頭的成像當然比４５ｍｍ的細緻很多（容後解釋）。而同是放大成５＊７照片，１３５底片要放大五倍，六四五只需三倍，看起來底片粒子也會細很多。這些是大底片最主要的優點。（標準鏡頭的定義是鏡頭焦距等於底片畫面的對角線長，故１３５底片的標準鏡頭是３６ｍｍ的平方加２４ｍｍ的平方再開根號得約４３ｍｍ，又因一些變故，使今日都稱標準鏡是焦長５０ｍｍ的鏡頭。其實由此知，中型底片的標準鏡就依片幅大小各不同了，非大家認為的５０ｍｍ。）
３.感度：依照底片對光的敏感度亦可分類，一般常用的感光度數值，是以ASA（American Standers Association，美國中央標準局，今已改名美國國家標準局，但此簡寫仍沿用至今）來表示，底片的ASA值越大，對光的敏感性越大，底片之間感光度比例可從ASA數值算出來。例：２００度是１００度的兩倍，故曝光達到同樣光量（正常情況）所需時間便是１００度的二分之一，但感光粒子平均大小較粗（通常以微米為單位=１０^-6M)(不是粗兩倍），故畫面較粗糙，且解析度較低。在光線微弱的場合或需用高速快門以凝結動態影像的狀況，可使用高感度底片如４００，８００，１６００等；而需要影像品質高時可用低感度底片如１００，６４，３２等，達到細緻且解析度較高的影像。針對目標和需求選擇底片，如是作天文攝影，可先選用４００或８００度的拍拍看，體會粗粒子和高感度的關係，但是各個產品又略有不同。不過隨著製造軟片的技術之進步，高感度底片的粒子越做越細，用某些高感度底片拍也可獲得蠻細緻的影像。（底片感度又說成底片感光速度）
４.其它特性：底片進行曝光時，若曝光量相同，曝光時間和光的強度成反比，也就是說，得到相同的影像濃度，若光線越強，曝光時間就短，若光線越弱，曝光時間就要延長，這種關係叫做倒數律（Reciprocity law，又稱為倒易律...等好多種翻譯名稱，不過都指同樣的東西）。若光線極弱的時候，這種關係將不被遵守，底片感度將降低，叫做倒數律失效（Reciprocity failure），因此曝光時間將需 再延長，在此要陳清一點，失效的發生是因為入射光弱，導致要長時間曝光；而非長時間曝光，導致失效，例如，影像很暗的時候，你當然也可以用很短時間的曝光（雖然會曝光不足），但這時有沒有倒數律失效？當然也有！或者，在影像不暗時，你故意用很長時間的曝光（當然，會過度），這時雖然曝光時間長，卻不會有倒數律失效！一般的底片，當正常曝光所需的曝光時間在一秒到兩秒以上，就開始有倒數律失效發生，想得到正常曝光的底片的話，曝光時間要向上修正。做天文攝影時，由於星光太暗了，會發生失效情形，曝光時間勢必要更長，一方面無效率，一方面作品可能因長時間操作儀器出現誤差而失敗。而像氫氣增感、冷卻相機等手法，就是用來消除或減緩倒數律失效，解決長時間曝光的問題。也有天文專用的底片（叫103a）即使在很暗的入射光下也不會有倒數律失效，只是那種底片現在已經沒人用了。不過，上面說的其實應叫〞低照度倒數律失效〞，還有一種叫〞高照度倒數律失效〞的，是當入射光極強時底片感度會降低。這通常發生在正常曝光所需的曝光時間在千分之一秒以下時。底片呈現出物體明暗的差異，叫做「反差」，反差越大的底片，會將物體明暗的差異突顯出來，若反差低，照片看起來是平板的。底片廠牌的不同，造成的色彩表現也不盡相同，尤其在發生失效情況的時候，也就是在做天文攝影時，較容易看出，原因是不同的底片的感光乳劑對於不同波長的感度各不同，甚至對某些波長不感光，在發生倒數律失效時，對於較敏感的波長失效較低，因此突顯了那一種色彩，如柯尼卡的ＬＶ４００，主要偏紅， 因此拍發射星雲（主波長在６５６３埃的，如NGC7000）可選用柯尼卡的，切誤選用對紅光不反應的底片，否則怎麼拍也拍不出來。而富士的底片比較平均，拍任何天體大多可勝任，建議使用Fuji Super G 800彩色專業負片（到博愛路買），不會後悔的，但是在有光害的地方要小心，因為它的表現平均，會連光害的光一起拍進去。對不同種類天體使用不同的底片，可突顯主體，達到要求的效果。
操作實務：試看曝光時間轉盤上附有一可拉起轉的圓環，即軟片速度刻度窗，視使用軟片速度調整的數值，這是給測光表用的，若不用測光表，或用的是B快門，可以不去理它。
PS.拍是一回事，沖洗又是一回事，本文並無特別介紹沖洗部份，因是介紹彩色負片為主，不宜自行沖洗，但與沖印店溝通好影像亮度及色彩的調配，可彌補一些無法自行沖洗的不足。
（ 4 ）對焦系統
從觀景窗看去，一般可見兩種對焦方式，在中央可見一圓圈，在對焦正確時中央影像是正圓，偏差時是裂開的，這種叫作裂像對焦；另一種是利用半透明的磨砂面對焦，正確時是清楚的，偏差時是模糊的，叫做磨砂對焦。在天文攝影時若是用鏡頭，則直接將距離調到無限遠（星光距離無限遠），若是直焦點或目鏡擴大等無距離刻度的攝影方式，就要用到對焦屏對焦，這時請用有好一點磨砂面的相機，否則面對暗天體對好焦就要考驗你的技術了。另外，除了直接用觀景窗對焦外，還有用一片毛玻璃加顯微鏡直接在快門廉後對焦的方法，在對好並固定後再裝上底片拍
（ 5 ）景深
景深意指照片中主體前到主體後影像清析的範圍，影響景深主要有兩項因素，一是光圈大小，一是鏡頭焦距。光圈開越大（即焦比值低），景深越小；鏡頭焦距越長，景深亦越小，景深越小，越需要注意調焦的準確，否則主題易失焦，傻瓜相機為什麼不需要調焦？為什麼一拿起來就可以拍？因為它的鏡頭焦距通常很短，屬廣角鏡，又光圈都設計的不大，因此景深特別大，不需要調焦在一定範 圍（這範圍還蠻大的）內的影像都很清析，省去了攝影者調焦及調光圈的麻煩，且測光表自動配曝光時間，不需再自己調曝光時間。最近為什麼高感度底片越來越流行，一方面也是因為底片感度低，測光表使用的曝光時間長，拍攝時若手有晃動，影像將模糊，利用高感度底片降低曝光時間，使手晃動造成的模糊減低，以改善傻瓜相機的缺點。
操作實務：若相機有景深預視鈕，可試著先用大光圈並按下預視鈕看看景深，再用小光圈試試看（為什麼無法直接看到小光圈的影像？原因見「單眼、雙眼」的部份），可發現雖然影像變暗了，但是周圍影像確清析了許多，這就是景深隨光圈縮小而變大了！若有變焦鏡頭，也可利用上述原理試試看。
PART 2.鏡頭
（ 1 ）焦距
所謂焦距，即無限遠處物體經透鏡成像之平面至透鏡節點的距離（簡單講，節點就是薄透鏡的中心），鏡頭焦距與所成影像大小有密切關係，從鏡頭中將物體置於成像中心（前提是物體距無限遠），物體在底片上成像大小ｄ的公式為：ｄ=２*ｆ*tan(theta/2) ｆ就是鏡頭焦距，theta就是物體的張角，若theta甚小時則關係式變為：ｄ=ｆ*theta，角度的單位是rad，焦距單位用mm，又知一度等於ｐｉ／１８０rad，則一角秒為ｐｉ／６４８０００rad，經換算得到兩個常用的公式：
（ｄ單位為mm）ｄ=0.01745 * 焦距 * 5*10^(-6) * 焦距 * 角秒
由此得知，焦距越長在底片成像越大，也因此在前面提到的中型底片的標準鏡頭較一般底片的標準鏡頭長，而可得較大面積且較細緻的影像（因為影像放大了）。又若拍攝的焦距越長，些微的星點移動越容易成為底片上脫線的結果，因此從事長焦距的攝影容許的追蹤誤差就越小，一般來講星點在底片上的偏移量在２０微米以下，可視為不脫線，若在焦距４００ｍｍ的鏡頭下欲攝的不脫線的星 像，則按公式得容許的誤差約在１０角秒左右，已是一些中小型赤道儀追蹤精度的極限，若焦距再長對於大部份的赤道儀都需要靠導星做精確追蹤確保成像品質了。故知越長焦越不容易拍得好作品，而使用廣角鏡做星野攝影相較之下就可容許相當大的誤差了。
（ 2 ）焦比
另一個重要的性質為焦比（值），定義為：焦距／口徑，又稱為光圈，以下稱為焦比。焦比的大小，深深影響著天文同好在選擇鏡頭或鏡筒時的偏好，因為，焦比值越低，鏡頭單位面積獲得的光線越多（試想焦距固定，口徑提升兩倍，焦比即變為二分之一倍，進光面積卻提升了四倍，因此光量與焦比值平方成反比）。對於有面積的光源如行星、星雲、星系而言，我們要考慮其單位面積上的光量多寡。舉個例子來說，當我們在觀察木星由低倍目鏡換到高倍目鏡時（相當於延長焦距、增大焦比），木星的影像變大了，但是感覺上比低倍時較暗了不少。這是怎麼回事呢？木星的光度是一定的，由於高倍影像大（相當於提升了焦距、亦即提升了焦比），單位面積上光量減少才使我們覺得亮度減弱，同樣的情形發生在星雲、星系身上。因此努力降低焦比值不但提升目標亮度，更降低了倒數率
失效的發生，有效減短曝光時間或提升主體影像濃度。當然，兩台望遠鏡即使同焦比也可能有不同的成像亮度，例如鏡片透光、反射率會有個別差異等等，這是很難掌握的。通常，折射式F／4的成像亮度抵得過反射式F／3。若不考慮這種差異的話，對有面積的天體，同焦比的會有同樣的成像亮度。對於點光源（所有的恆星除太陽外，皆可視為點光源），提升成像亮度只與口徑有關，與焦比或焦距無關。但星像總不會是完美的一點，且你在拍一顆星時，一定不會剛好拍的讓它在底片上恰好冒出來，一定會想拍久一點。這時又要考慮底片顆粒大小與星點繞射圓盤大小的關係、像差、色差、大氣擾動等問題，必須一一單獨討論。另一個低焦比的好處是能使點光源繞射圓盤的直徑更小，獲得較細的星像。基於焦比對天文攝影的影響，選用鏡頭當然多是以低焦比為前提，以降低底片失效並減少暴光時間。但各種焦距大小對應所謂低焦比的條件也不太一樣，如400ｍｍ做到Ｆ／２．８就算是「巨砲」了！（當然，要花上不少錢）１８０ｍｍ Ｆ／２．８也算不小的鏡頭，而廣角鏡就算焦比到Ｆ／１．４口徑也大不到那去（但，也是很亮的鏡頭），這些數值都是此鏡頭的最大光圈，往下數值以根號２的方式遞增（面積減少二分之一，以配合快門的速度增減），但不僅看焦比，鏡頭成像品質亦是考慮因素之一，通常是指焦比縮到一定值下沒有明顯的像差或色差（這完全是主觀因素），以１３５相機為例，通常指焦距２８ｍｍ以上Ｆ／２．８的光圈下無明顯色差像差為好鏡頭，２８ｍｍ以下則難要求如此大的光圈。鏡頭種類型號族繁不及備載，但市場上的鏡頭測試報告多少可做一些參考。
操作實務：試看鏡頭上之光圈設定環，做天文攝影時，焦比儘量縮最低，但請縮一格或兩格，這是因為一般鏡頭設計時，多將成像最好的情況設定在一般亮度下使用的Ｆ／５．６左右，也就是焦比再減低時（口徑增大）周圍多出進光的鏡片部份加工較差，因而造成周邊成像不良，必需縮小光圈以換取良好成像。這也告訴我們市面上評價好的鏡頭不一定適合天文攝影，還要看它低焦比時的表現，因為我們要的是低焦比的效果。
（ 3 ）像差
對於任何一個光學系統，成像必然無法完美。因鏡片材質產生的像差，有色差，這只發生在折射系上，或光線需經透鏡成像的系統中，原因是由於光線經過透明的物質，波長越短，折射率越大，因此各波長聚焦無法在同一點上，而造成色散像差（簡稱色差），而不同的介質，折射率又不盡相同，因此材質的使用對色差修正有顯著影響，目前見到的ＳＤ、ＥＤ、螢石等，都屬低色散材質，有較
佳的消色差效果，而近年來市場上出現的新名詞「ＡＰＯ」（Apochromatic），即是標榜低色差的光學系統而冠上的名號。而因鏡片形狀而產生的有球面像差、彗形像差、像散、像場彎曲、畸變。球面像差乃是通過（球面）鏡片周邊的光線聚焦會近於鏡片中心光線聚焦的位置，因而造成像差，在像平面上，我們會看到每個星「點」變成了圓球狀，若是經過修正則為非球面鏡，許多光學系標榜非球面鏡即為針對此點；彗差乃是縣光線經過鏡片上不同地帶後在像平面上產生半徑隨光軸距離變化的像圈，若是距光軸（就是影像的中心）越遠像圈越大，就會看到星點的一邊（遠離光軸的一邊）出現像彗星尾巴的像差，而越遠離光軸彗差越嚴重。而場曲和像散是成像非一平面，若將底片隨彎曲的像場彎曲，方可成良好影像。畸變則是影像清晰，但越遠離光軸物體的形狀就越失真。任何光學系統都包含了任一種像差（但反射式無色差），只是消的好不好的問題，當然，所謂高品質光學系統就是各種像差都消除到不易發現，更積極的說，在做分析研究時不會因像差影響判定。一般來說，折射鏡除色差外，在球差和彗差方面消的比一般的反射鏡好，通常都是兩枚以上的鏡片以消除色差、像差，尤其再做一些減焦工作後，成像效果驚人；而反射鏡的彗差多數廠商出產的反射鏡都存在，因此都會推出像場修正鏡供天文攝影者使用；而還有其它的光學系如施密特－蓋賽格林或馬克司托夫－蓋賽格林的系統結合折射反射兩式也都是為了高品質影像而創造出來。近年來各個光學儀器廠商所發行的各類鏡頭、遠鏡多有相當水準，但價格也相對成長，最好多方比較再下決定。
（ 4 ）種類
鏡頭選取並非容易之事，尤其針對天文攝影的需求，與一般選取觀點有所不同，但基本上低焦比而成像清晰的鏡頭較被看好，當然也較貴。而鏡頭還有分成手動對焦及自動對焦兩種，手動者無論裝上任何相機皆為手動，而自動對焦的鏡頭便要裝在有自動對焦系統的相機上才能用自動對焦。另一個特點就是各廠牌的相機有各自使用的鏡頭，不同廠之間無法相容，這一點在選機身時要注意。而鏡頭之外，天文常用的就是望遠鏡的攝影了。望遠鏡常用的攝影法有直接焦點攝影（簡稱直焦攝影），目鏡擴大攝影，延（減）焦攝影。直焦攝影為最基本的望遠鏡攝影方法，中間不經任何鏡片，直接利用原光學系作攝影，但要經過一連串的接環才能接上相機或ＣＣD，它的焦距及焦比就是原望遠鏡的焦距及焦比；而目鏡擴大攝影即是在相機前加目鏡達到放大目標的效果，當然，需要用上不同的接環裝置目鏡，此法多用於行星、月球的攝影，擴大公式不在此贅述；而延焦和減焦攝影則為常用的手法，後者尤為常見，此法即為於光學系中加入一組鏡片，有延焦鏡（ＥＸＴＥＮＤＥＲ）或減焦（ＲＥＤＵＣＥＲ），延焦後焦比加大焦距延長，延長到多少則視其倍率再乘原焦距而定，減焦鏡則反之。有種叫巴羅鏡（ＢＡＲＬＯＷ）的亦是延焦鏡的一種，但是以類似目鏡擴大攝影的手法出現。 一般的鏡頭多為數枚折射鏡構成，雖有部份減光，但多枚鏡片修正之下可做出較一般望遠鏡之焦比低的光學系統，在星野攝影上好的鏡頭能充份表現；而望遠鏡有多種型式，折射、反射、施密特等；施密特相機的優點在於無球面、彗形像差，無像場扭曲，低焦比，廣寫野，多用來拍攝暗天體、搜尋彗星或製做星圖，但限於操作方式只能用於星野攝影上，且用起來相當麻煩，台灣少見有人使用施密特相機；折射鏡亦擁有的較佳解析力、較大的像場、又有較高的反差，若不考慮折射鏡昂貴的價格，星野攝影上是很好的選擇，ＡＲＩＥＳ的折射系，高橋的螢石系列，ＡＳＴＲＯＰＨＹＳＩＣＳ的ＥＤ系列或ＰＥＮＴＡＸ的ＳＤ系列等，都是上乘但較貴的產品，ＢＯＲＧ的ＥＤ系列是較便宜的產品，但品質也相對的下降許多，只有在直焦或減焦攝影上有較好的表現，但話又說回來，若是只想做星野攝影，它亦可為考慮對像；反射式有無色差，大口徑的優點，但缺點是彗形像差一離開光軸便越加嚴重，且反差較低，無法顯示明暗細節的差異，因此利用大口徑，多用於長焦攝影，高橋的ＭＴ系列，ＶＩＸＥＮ的Ｒ系列是台灣常見的反射鏡，焦比都在八左右，但也有標榜低焦比的反射鏡，如Ｖ牌的Ｒ２００為２０公分Ｆ／４的系統，是相當熱門的反射鏡。折射反射兩式，通常會再配上一組減焦鏡，或像場修正鏡，來提供天文攝影使用，使擁有更低焦比，更廣寫野來記錄天體影像。另外還有多種光學系，較為常見的是施密特－蓋賽格林或馬克士托夫－蓋賽格林的系統，焦比通常較大，動不動就十幾，不過口徑都不小，且減焦後有到六的，也可做為選星野或長焦攝影的選擇，常見的Ｃ－８，１４（吋為單位）等就是屬前者，ＩＮＴＥＳ的ＭＫ系列屬後者。反射式通常較折射式便宜很多（同口徑而言），但依所需不同來選擇適合的光學系是較明智的方法。
參考資料：
中國大百科全書天文學
光學原理(徐氏基金會)
觀星者62 (台大天文社)
各光學廠目錄
星空之子BBS站資料
特別感謝王為豪學長指導