天文入门——器材篇

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序言

距上次写《天文入门——基础篇》已过去一年多，我也不再满足于星野摄影，趁这段时间升级了一波设备，正式走进专业的天文摄影领域，在此分享一些自己总结下来的心得。俗话说，天文器材这种东西，一分钱一分货，一角钱两分货，一块钱三分货，一百块可能只有3.5分货。天文器材虽然很烧钱，但是对于咱们普通人来说，性价比最高的预算投入大概也就在一万块钱左右，很多时候起决定性作用的还是光污染环境和天气。根据观测对象和观测方式的不同，所需的器材也不尽相同，天文领域可大致分为以下几种：星野摄影、行星摄影、深空摄影和目视观测。

星野摄影

星野摄影通常是入门门槛最低的，你只需要一台相机、超广角镜头以及三脚架即可，拍摄目标一般是包含地景的广域银河，如下图所示。星野摄影的参数一般比容易设置，光圈最大，ISO 800至6400，曝光10至15秒即可，具体时长取决于你镜头焦距的大小，如果想要保证星点圆润不脱线那你需要遵循NPF法则。

行星摄影

行星摄影的目标是太阳系内的一些天体，包括太阳、月亮、木星、土星、火星、金星，没了。由于这些天体在天空中的视场角都非常小，因此我们需要长焦镜头或者专门的天文望远镜进行拍摄。行星拍摄受大气湍流的影响较大，通常需要拍摄一段几千帧的视频，然后使用后期软件从中挑选出画质较好的进行叠加，再使用锐化工具进行处理，最后你就可以得到下面这样的照片。

深空摄影

深空摄影的目标包含了星云、星系、星团等目标，例如著名的M42猎户座大星云，M31仙女座星系，M45昴星团等，深空摄影也是天文最烧钱的领域，没有之一。由于这些天体大多比较暗，所以我们需要将望远镜架在一套跟踪系统上，进行长达数小时的曝光，然后再使用后期软件进行对齐、堆栈、色彩校准、卷积、降噪等一系列复杂的操作，最终你就能得到像这样的图片。

目视观测

目视观测，顾名思义就是通过人的肉眼去观测天体，虽然人眼在暗光条件下难以看到丰富的颜色，但是当你透过光学镜片去观测距离你几百万光年的遥远天体时，那种给人的震撼是照片永远无法比拟的。所以我建议大家有空一定要去尝试看看，哪怕没有任何的专业设备，当你第一次站在黑区，用肉眼仰望银河的那种感觉，是你今生都难以忘怀的。

支架系统

接下来，我们正式开始介绍专用的天文设备，首先是支架系统，众所周知地球是在不停地自转，因此所有的天体相对于地球上的我们而言都会呈现东升起落的运动规律，因此如果没有一套专门的支架系统，那么拍出来的星星都会产生脱线。

经纬仪

经纬仪包含有方向和方向的两个自转轴，通常用于目视观测或者行星拍摄，我们常见的手机云台就可以看作是一个经纬仪。经纬仪可以对天体进行跟踪，但是会产生场旋，不适合进行长时间的曝光拍摄，其价格相对比较便宜。

赤道仪

赤道仪包含有赤经和赤纬两个轴，其中赤经轴与地球的自转轴平行，因此使用赤道仪对天体进行跟踪时可以避免场旋，哪怕是进行几个小时的曝光也不会产生脱线，专业的天文台用的都是赤道仪，赤道仪的一端用于架设天文望远镜，另一端通常放置重锤，用来平衡望远镜的重量，赤道仪的价格受载重和精度的影响。

根据结构的不同，赤道仪一般可分为德式赤道仪、中式赤道仪和谐波赤道仪。其中德式赤道仪的精度比较高，但是自身重量较大，除非你有车，否则不太适合打野。中式赤道仪的载重会比德式赤道仪稍大一点，但是对平衡会比较敏感。相同体积和重量下，谐波赤道仪的载重最大，有时甚至可以不加装重锤，但是谐波赤道仪的价格一般比较昂贵，且不抗风。

下面推荐几款好用的赤道仪：

型号	自重kg（不包含重锤和三脚架）	载重kg	价格￥
信达SAGTI	2.6	5	3,000左右
信达AZ-EQ6	15.4	20	10,000左右
艾顿CEM120	26	52	50,000左右
派拉蒙MX+	23	90	80,000左右

光学仪器

天文望远镜根据结构的不同一般可分为：反射式望远镜、折射式望远镜和折反式望远镜，通常决定望远镜性能的有以下几个参数：口径、焦距和焦比。

口径：比较好理解，就是望远镜物镜的直径，理想情况下，望远镜的口径越大，其收集光线的能力就越强，分辨率也就越高，但是重量、体积和成本也越高。

焦距：光学系统中衡量光线的聚集程度的物理量，一般指平行光入射时从透镜光心到焦点的距离，一般望远镜的焦距越大，视场角就越小，物体的成像也就越大。

焦比：类似于摄影中光圈的概念，是指望远镜焦距和口径之比，通常焦比越小，目标在望远镜中的成像就越亮，拍摄效率就越高，焦比越大，目标在望远镜中的成像就越暗，拍摄效率就越低。

分辨率：除了受口径影响外，也会受镜片材质、加工精度、镀膜成分等因素的影响，一般使用角分作为单位。

此外，光学系统中存在各种各样影响成像质量的像差，比较常见的包含色差、球差和慧差。

色差：由于不同波长的光线经过透镜的折射率不同，因此不同波长的光线经过透镜后难以在同一个焦点处成像，在画面上呈现出的效果一般就是我们摄影中常说的紫边。

球差：当使用球面镜片时，不同位置的平行光同样无法在同一个焦点处成像，不过现在的主流望远镜大多使用抛物面或双曲面，因此现在球差并不多见。

慧差：是指远离光轴中心的点光源产生形变的一种现象，会呈现像彗星一样的发散状光斑，如第三张图所示。

反射式望远镜

反射式望远镜最早是由牛顿发明的，其光路结构如图所示。光线射入镜筒后，首先经过底部的凹面镜（主镜）进行聚焦和反射，然后再经由中间的平面镜（副镜）反射至目镜成像。

反射式望远镜的结构简单，可以在相同的成本下制造出更大的口径，因此深受广大天文爱好者的欢迎，你有能力甚至可以自己动手研磨反射式望远镜的镜片。反射镜的焦比通常为F4至F5。但是由于其特殊的构造，副镜会遮挡一部分主镜的光路，因此反射镜的锐度和对比度通常没有折射镜高，此外其光轴特别容易受震动的影响，需要对其精心维护和保养。由于在反射镜中没有透镜的引入，因此可以从根源上消除色差，现在主流的天文台大多使用双曲面的RC系统。

下面推荐几款著名的反射式望远镜：

型号	口径mm	焦距mm	焦比	价格￥
信达小黑	150	750	F5	3,000左右
GSO RC8	200	1600	F8	9,000左右
ES 16寸DOB	406	1826	F4.5	10,000左右
高桥大黄	180	500	F2.8	30,000左右

折射式望远镜

折射式望远镜最早是由伽利略发明的，其光路结构如图所示。光线入射镜筒后，首先经过前面的物镜折射，然后再经由目镜成像。折射式望远镜理论上拥有最好的画质，但是受制于工艺难度和制造成本，折射式望远镜的口径一般不会做的特别大，低端的折射镜大多使用单片物镜，因此会有很明显的色差，中端的折射镜通常会再引入一片ED低色散玻璃来缓解色差，而高端的APO折射镜则会使用萤石镜片来消除色差，但是价格往往也比较昂贵。折射镜的光轴比较稳定，因此保养和维护比较简单，其焦比一般在F6至F8之间。

下面推荐几款有名的折射式望远镜：

型号	口径mm	焦距mm	焦比	价格￥
星特朗80eq	80	900	F11	1,000左右
裕众102APO	102	714	F7	8,000左右
高桥TOA 150	150	1100	F7.3	100,000左右
CFF 230	230	1610	F7	430,000左右

折反式望远镜

折反式望远镜结合了折射镜和反射镜两者的特点，其光路结构如图所示。光线入射镜筒后，首先经过前面的透镜折射，然后再经过底部的主镜反射，接着再经由前面的副镜反射，最后在尾部的目镜成像。在相同的体积下，折反式望远镜具有最长的焦距，其焦比通常可达F10，其主要用来观测太阳系内的天体目标，不适合观测星云、星系等较暗的目标。

型号	口径mm	焦距mm	焦比	价格￥
星特朗C8HD	203	2032	F10	8,000左右
星特朗C11HD	280	2800	F10	20,000左右
星特朗C14HD	356	3910	F11	100,000左右

双筒望远镜

双筒望远镜一般用于目视观测，其不仅可用来观测星空，还可以用来观景，因此更适合入门人群使用，建议预算不多的人群优先购买。当然了，大口径的APO望远镜价格也是非常昂贵的。

目镜

如果你需要进行目视观测，那么一定离不开目镜的使用，市面上主流的目镜尺寸通常为1.25英寸和2英寸，在购买目镜时我们需要关注其焦距和视场角。

这里我们还要引入一个概念，叫放大倍率，这也是淘宝上许多商家经常忽悠小白的地方。望远镜是没有固定的放大倍率的，望远镜的放大倍率等于物镜焦距/目镜焦距。举个例子，如果望远镜的物镜焦距是1000mm，目镜焦距是20mm，那么放大倍率就是1000/20=50倍，通常来说，望远镜的极限放大倍率是其口径数值的2-3倍，如果你的镜子口径是150mm，那么其极限放大倍率约为300至450倍，所以网上动辄宣传几万的放大倍率纯粹是忽悠人的，超过极限放大倍率后基本就是无效观测了。

通常来说，在进行星空观测的时候，会使用低倍数的目镜，而在观测行星时则会使用高倍数的目镜。视场角则表示视野的大小，如图所示，通常视场角越大的目镜价格也会比较昂贵。

太阳观测

在天文观测中，太阳算是一个比较特殊的天体，由于其极高的亮度，如果不加任何保护措施直接进行观测，轻则损伤设备，重则烧坏眼球，因此在观测太阳之前必须要使用特殊的装置，一般包含三种方式：巴德膜，赫歇尔棱镜和日珥镜。

巴德膜

巴德膜的价格最为便宜，其可以过滤绝大多数的太阳光线，但是由于其容易损坏，因此安全性较低，主要分为3.8和5.0两种规格，其中前者用于摄影，后者用于目视。

赫歇尔棱镜

赫歇尔棱镜透过一块棱镜将大部分的太阳光折射出去，其安全性较高，价格较巴德膜贵，观测效果和巴德膜差不多，透过巴德膜或者赫歇尔棱镜均可以观察到太阳黑子。

日珥镜

日珥镜只允许极窄波段的太阳光线透过，因此可以观察到太阳的色球层和日珥，如下图所示，日珥镜的价格比较昂贵，且只能用来观测太阳。

成像元件

单反/无反相机

一般来说，入门使用主流厂商的单反/无反相机均可，推荐使用高感较好的全画幅相机，这样能提升画面的信噪比。

行星相机

在绪论中提到过，行星摄影一般需要拍摄几千帧的视频再进行叠加，因此行星相机通常具有极高的帧率和较高的读出速度，其像素通常不高，价格也比较便宜，下图为振旺的ASI 224MC彩色行星相机，只要1,000多块钱。

深空相机

深空摄影一般需要长时间的曝光，而普通的传感器容易产生噪点，深空相机一般自带制冷，可以将传感器的温度降低至零下，从而最大程度地减少热噪，此外还可以有效抑制辉光，但是专业的深空相机价格一般比较昂贵。

滤镜装置

在入门深空拍摄的时候一般会使用彩色相机，但是当进入专业深空摄影领域后，通常需要使用黑白相机和滤镜轮的组合。

人类目前生产和制造的传感器都只能感受光的强弱，而无法判断光的颜色，我们手里的彩色相机都采用了一种叫拜耳阵列的滤镜配置。如下图所示，按红绿蓝1:2:1的数量设置，每个像素只允许接收一种颜色的光线，当我们按下快门后，相机会自动解拜耳并进行插值运算，按照不同厂家的色彩科学算法，经处理器运算后得到我们人眼最终看到的颜色。因此，如果去掉拜耳滤镜，那么我们按下快门后只能看到黑白的灰度图像。

在专业的天文摄影领域，一般会使用专门的滤镜针对多个波段的的光线进行拍摄，再放入后期软件中进行合成，以提升图像质量、丰富细节并提升信噪比，最常见的滤镜配置就是LRGB了，使用该滤镜拍出的图像色彩更接近真实的颜色。

为了更好地研究天体的元素构成，科学家们发明了窄带滤镜，窄带滤镜只允许极窄波段的光线通过（通常只有几纳米）。由于大部分天体的光线都是由特定元素发出的，例如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，因此Sii、Hβ、Oiii、Sii作为最常见的窄带滤镜组合，如下图所示。

在后期合成中，如果将SHO三个通道的信息分别对应成RGB三种颜色，则称为SHO合成，即了我们常说的哈勃色。如果将HOO信息分别对应成RGB颜色，则称为HOO合成，HOO的颜色更接近真实色彩。但是，无论是SHO还是HOO，都不是这些天体本来的颜色，所以一般将窄带合成的图像称作伪色彩。

导星系统

虽然赤道仪可以在一定程度上抵消地球自转从而实现跟踪天体的目的，但是受限于机械误差、极轴校准等多重因素的影响，只使用赤道仪往往难以实现长时间的跟踪，因此需要外置的导星系统。

最常见的导星系统一般是外置导星镜和导星相机的组合，导星相机的焦距一般是主镜焦距的1/4至1/3，导星相机实时计算星点偏移了几个像素，然后将修正信息回传给赤道仪进行调整，通常外置导星镜用于主镜焦距小于1000mm的情况。

当主镜焦距较长时，则需要使用偏轴导星OAG，通过OAG将主镜中的光路分出来一部分并让导星相机接收，通常能保证更高的导星精度，并减少了外置导星镜的额外重量。

工控系统

可以看到，在天文摄影中有大量的设备，它们需要保证供电并相互传输数据，现有两种方式来对这些设备进行统一管理，一种是使用数据线将这些设备连接至电脑，使用诸如N.I.N.A.的软件来对设备进行操控；另外一种就是使用例如振旺的ASIAIR Plus工控盒子，通过手机APP对设备进行操控。

其他配件

电动调焦EAF

虽然一般的望远镜都带有手动的单速/双速调焦座，但是手动对焦容易产生抖动，尤其是在拍摄行星的时候，此外手动对焦的精度往往也比较低，因此就诞生了电动调焦这一配件，如下图所示。

慧差修正镜MPCC

在反射式望远镜中，通常需要使用慧差修整镜来矫正望远镜的边缘像差，该配件只在摄影时使用，目视观测并不需要。

平场镜

折射式望远镜的成像往往是一个曲面，而相机传感器则是一个平面，因此如果画面中心合焦，其边缘可能会失焦，因此需要在望远镜和传感器中间加装平场镜来进行矫正。通常为特定望远镜设计的平场镜的合焦位置是唯一确定的，因此使用平场镜的时候需要考虑后截距，当前主流的后截距设计一般为55mm，每个天文相机厂商都会给出最佳的后截距解决方案，如下图所示。值得注意的是，当平场镜和传感器中间存在滤镜时，则需要将滤镜的厚度纳入后截距的计算中。

天顶镜

在目视的时候，通常会在望远镜的尾部加装一块天顶镜，方便使用者观测，一般可分为90度和45度的天顶镜。

大气色差矫正镜ADC

主要用于行星摄影，当拍摄目标的高度角较低时，由于大气对光线产生的折射作用，因此会产生色差，此时就需要使用ADC来进行矫正。

巴洛镜

一般也称为增倍镜，主流的巴洛镜有2x、3x和5x三种规格，可以在一定程度上提升放大倍率，但是对画质也会产生一定的影响。