天文攝影的感光元件 (2) : 拍攝彩色影像

最後編輯時間: 西曆2023年05月22日

oldmiow

天文攝影單元式入門教學系列

天文攝影的感光元件 (2) :

拍攝彩色影像

     在接收到望遠鏡或鏡頭成像而來的光時，感光元件上的像素，其半導體結構中的電子，可以因吸收光子而激發，這些激發的電子接着被蒐集起來，蒐集了越多電子，便表示該像素所記錄的區域，其成像越亮。

 

§拍攝彩色影像

      人類的視覺屬於三色視覺，意即有藍、綠、紅三色，人眼透過感測三色的多寡，判斷出顏色。因此一般我們所認知的照片，也得能反映多種顏色，而這顏色，便是由藍、綠、紅三色以不同比例組成。

     不同顏色的光，實際上是不同波長的光，意即其光子有着不同的能量，比如紅光的單個光子能量較低，藍光則較高。只要光子能夠進入像素，並且激發電子，就能產生信號，但像素本身無法分辨產生電子的光子，到底是來自紅光，還是藍光，抑或是其他顏色的光，因此像素本身只能記錄亮暗，無法記錄顏色。

     要得到彩色影像，有兩大類做法，如下方 (圖一) 上部所示，第一類做法是在感光元件前方加上濾鏡，見 (圖二) ，比如以藍、綠、紅三色濾鏡分別拍攝，得到三張影像，接着再把三張影像合成在一起。由於大多數遙遠的天體，在短時間內沒有明顯可見的變化，因此這種拍攝方式，在天文攝影中尚能應用。但在日常生活中，這種方式難以應用，因爲該做法必須得拍攝三次，不光操作繁瑣，且拍攝物很可能在拍攝過程中變化，手持相機也無法穩定到三次都對到同樣的方位。

圖一，兩種拍攝紅藍綠三色影像的方法

圖二，過濾不同顏色的濾鏡

 

     因此，在 (圖一) 下部所展示的第二種做法，是在每一個微小的像素上都覆蓋濾色層 (濾鏡)，使單一一次拍攝，就可以得到包含三種顏色資料的影像，只不過，一個像素只包含一種顏色，所以最後必須從旁邊的像素，以插值，大概地「估算」出某像素的其他兩種顏色，再合成得到彩色影像。這種做法也就是日常生活中，手機、數位相機、視訊攝像頭等等消費產品，所採用的做法，但由於該做法使用插值估計，而不是真正地拍攝下某像素位置的三種顏色，所以無法滿足諸如天文觀測等，需要準確測定像素亮度的應用。

     (圖一) 下部展示的拜爾濾鏡 (Bayer filter) ，是柯達公司的工程師布萊斯·愛德華·拜爾 (Bryce Edward Bayer) ，在1970年代所發明，感光元件上的像素以四個爲一組，一個接收紅色光，兩個接收綠色光，一個接收藍色光，其中接收綠色光的像素較多，是爲了模仿人眼對綠光更敏感。

     下方 (圖三) 是一個實際的感光元件，在顯微鏡下的景象，左側黃框中的是一片感光元件晶片的角落，晶片上除了實際的電子線路跟微元件，有時還會製有文字等資訊，在晶片的右下方有着大量的像素。若放大 (圖三) 紅色虛線框中的區域，便是右側紅框中的景象，可見一顆一顆藍、綠、紅色的顆粒，這些便是拜爾濾鏡，右下角較暗區域的像素，才是真正感光區域的像素，但由於太暗了，故其上附着的拜爾濾鏡並不明顯。 (圖四) 是另外一個感光元件像素的顯微影像，這也是靠近晶片邊緣區域的影像，明顯可見感光像素上的拜爾濾鏡。

 

圖三，顯微鏡下的感光元件 MN39483

圖四，顯微鏡下的感光元件 OV508AC

     下方 (圖五) 的左側黃框中，是一張風景照，是由一般的數位相機拍攝得到，而將其中紅色虛線框中的影像放大，便是右上角紅框中的影像，但這些並不是原始的影像，而是經過插值計算並合成出的結果。右下角綠色框中所示的，才是右上角紅色框影像的原始樣貌，相機感光元件所輸出的，便是這樣的影像，由於這種原始影像有如馬賽克般的型態，故將馬賽克影像，經由插值計算，合成爲彩色影像的做法，也稱爲「去馬賽克」(Demosaicing)。

圖五，一張風景照和其局部，以及局部影像所對應的原始影像

 

     (圖五) 右下綠色框中的背景的天空區域，很明顯可見有的像素較暗，有的像素較亮，這便是拜爾濾鏡的效果，較暗的是接收紅光的像素，而較亮的則是接收綠光的像素，或者接收藍光的像素。天空區域的藍光像素或者綠光像素亮度接近，所以不好分辨哪個是綠，哪個是藍，下方樹葉部分就可以明顯分辨了，左上角的暗像素爲紅色像素，右下角的暗像素爲藍色像素，左下和右上較亮的像素則是綠色像素。下方 (圖六) 是 (圖五) 右下角綠色框中的影像內，天空與樹葉的交界區域，上方爲天空，下方爲樹葉，像素所對應的不同顏色拜爾濾鏡標示於其上。

 

圖六， (圖五) 右下綠色框中的影像內，天空與樹葉的交界區域

 

§更廣義的色彩

     若感光元件的像素前，設有拜爾濾鏡之類的濾色層，則使用該種感光元件的相機，就稱爲彩色相機 (Color Camera)，反之，若相機使用沒有濾色層覆蓋的感光元件，則稱爲單色相機 (Monochrome Camera)，有時也稱爲黑白相機。

     使用單色相機最大的優勢，是其可以自由地搭配濾鏡，並不侷限於藍、綠、紅三色濾鏡，三色濾鏡的透過波段與帶寬 (透過波段的寬度) 大概是

藍色濾鏡: 400nm至500nm，帶寬100nm

綠色濾鏡: 500nm至600nm，帶寬100nm

紅色濾鏡: 600nm至700nm，帶寬100nm

在天文攝影中，有一些天體會發出特定波長的光，比如「Hα」(氫)，波長大概爲656.28nm，是紅色發射星雲主要發出的光，因此有專門過濾這種光的窄帶 (窄頻) 濾鏡，這種濾鏡的透過波段設計得很窄，僅有數個納米 (nm)。

     單色相機使用諸如 Hα 濾鏡這類的窄帶濾鏡，則所有的像素都可以接收光子，但倘若，使用的是採用拜爾濾鏡感光元件的彩色相機，那僅有紅色像素可以接收光子，因爲 Hα 濾鏡過濾出波長大致爲656.28nm的紅光，幾乎無法穿透像素前拜爾濾鏡的綠色和藍色濾鏡，意即整個感光元件，只有佔比 1 / 4 的紅色像素可以接收光子，剰下 3 / 4 的藍或綠色像素都浪費了。

     在可見光之中，星雲發出的特定波長光，除了波長約656.28nm的 Hα，其餘比較顯著的，還有波長約672nm的 [S II] (硫)，以及波長約500nm的 [O III] (氧)。其中 [O III] 介於藍光和綠光之間，但 Hα 和 [S II] 都是紅光，難以分辨。而若使用窄帶濾鏡拍攝，再人爲地將 [S II] 當作紅色，Hα 當作綠色， [O III] 當作藍色，並加以合成，就能透過影像的顏色分佈，直觀地觀察出硫元素和氫元素，在星雲中的分布情形。

     感光元件的感光範圍，也不局限於可見光，一般常見的矽 (硅) 基半導體感光元件，可以接收一部份近紅外線和近紫外線，而一些不同材料製成的感光元件乃至其他儀器，還可以接收如 γ (gamma) 射線、 X 光、紫外線、紅外線、無線電，乃至微波，這些不同儀器採集到的不同信號，其組成的影像，也都可以人爲地定義顏色並加以合成，一些科學機構所提供的亮麗天體影像，許多便是以這些未必是可見光的影像加以合成而得，比如紫外線當紅色，X光當藍色，而無線電當綠色。

 

著作權聲明