天文攝影的鏡頭: 另類選擇

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天文攝影的鏡頭:
另類選擇 - 酒紅鏡頭

用來天文攝影的鏡頭得花多少錢? 這個問題非常寬泛，要明確回答該問題，得進一步確認鏡頭的參數及性能，比如鏡頭焦段多少，色差、像差等等鏡頭光學瑕疵嚴重否，貴一些的鏡頭通常對光學瑕疵校正得更好，但是一些便宜的鏡頭，也能有令人接受的表現，比如下方 (圖一) 影像是由一顆鏡芯約200新台幣的鏡頭所拍攝。

圖一，著名的 "北美洲星雲" NGC7000及周邊區域
以焦距90mm的酒紅鏡頭搭配D5100相機
於重光害區下，採單張影像1分鐘曝光，
共曝光180張亮場影像

本文將介紹該款焦距90mm 焦比f/4.28 線掃描鏡頭 (俗稱酒紅鏡頭) 的成像品質、鏡頭設計與外觀，最後總結使用這顆鏡頭的感想。

§成像品質

遙遠的恆星是很好的近似點光源，近似點光源的成像如同圓點，因此被稱為 "星點" ，天文攝影可以透過 "星點" 評判鏡頭的光學品質，評判方法主要大小、顏色以及形狀。

星點在成像面的大小需要透過天文攝影的感光元件 (4) : 像素大小與採樣介紹的方法才能準確得知，不過經驗上，若感光元件的像素大小約4~5微米，數位影像中星點的寬度在4~5像素算是不錯的 (FWHM大概3個像素) 。

而顏色跟形狀可以直接觀察影像來判斷，透過顏色可以判斷色差 (色散) 是否嚴重。在嚴重色差的情況下，星點外圍會有嚴重的色圈，比如藍圈或紫圈 (俗稱為藍色或紫色 "溢出") ，代表藍紫色光成像的星點較大，任何帶有透射鏡片的光學系統都有色差，只是色差是否少到無法察覺，為了克服色差，可以透過多組鏡片以及加入低色散鏡片來輔助修正，通常焦比越慢，色差越容易克服，但就算採用了ED鏡片，也無法保證基本 "無色差" ，比方Nikon 180mm f/2.8 ED AI-s這顆使用ED (Extra low dispersion, 超低色散) 鏡片的鏡頭，星點外圈依然有紅偏紫色的色圈。

圓形自然是星點最好的形狀，影像中心的星點應該要是圓的，若不圓則可能表示組裝品質不良造成光軸偏移，或感光元件因為接環等等機械元件的公差，而無法垂直光軸，從而產生焦平面歪斜，也可能單純是赤道儀追蹤不準確或晃動，導致星點拖線所致。影像偏離中心 (離軸) 的星點，比方四個角落的星點，則可以反映像差和場曲等等光學設計的綜合品質，常見的問題是離軸星點呈現奇形怪狀，不過就算是昂貴的鏡頭或者天文攝影用的天文望遠鏡，都不一定能達到整張影像的星點都圓潤無比，離軸星點多少會有點變形 (通常是橢圓)，當然變形嚴重與否還牽涉到感光元件的尺寸，尺寸越大則數位影像的四角就離軸越多，要維持星點圓潤就越困難。

圖二，加上標註的 (圖一) 單張1分鐘曝光
原始影像按照預設機器內白平衡直接輸出

上方 (圖二) 是 (圖一) 單張1分鐘曝光的原始影像，按照預設的機器內白平衡直接輸出，由於相機修改過紫外與紅外線截斷濾鏡 (UV/IR cut)，因此透過預設白平衡直接輸出的影像來判斷星點顏色並不準確。

下方 (圖三) 是不同星點的色差比較，從左到右分別展示了 (圖二) 中以箭頭標出的六顆星。

圖三，從左至右分別是
天津五 (Nu Cygni)、天津增卅一 (56 Cygni)、天津增卅二 (57 Cygni)天津四 (Deneb)、天津一 (Sadr)、天津八 (Zeta Cygni)
最上方是單張曝光的線性圖，中間是上方圖拉伸後的樣子
最下方則是疊合並處理好的影像

(圖三) 中可以發現，最亮的天津四雖然線性圖看起來有點紫圈，但是疊合並拉伸後顏色呈現很自然的藍色，天津八由於顏色橘黃，色差也不是大問題，但右邊三顆中等亮星，尤其是色調較藍的，則有較明顯偏紫的色差，而畫面中更暗的星通常色差都不明顯。

接著觀察影像的星點形狀，下方 (圖四) 左右兩張都是將影像分別擷取9個局部所產生的拼接影像，包含影像的中心、上下左右以及四角位置。

圖四，放大並擷取影像各處的拼接局部影像
左邊是單張曝光1分鐘的線性原始影像拉伸後所得
右邊是疊合並處理後的影像 (圖一)，右圖影像範圍稍有裁切

拍攝時鏡頭所接的相機是Nikon D5100，感光元件的尺寸是APS-C規格，影像邊緣可以明顯看出彗差 (彗星狀的像差) ，星點的大小也較大，但並沒有非常嚴重，因此若不放大檢視影像，應不太明顯，還算可以接受。

雖然離軸星點有彗差，但酒紅鏡頭的成像也是有優點的，即亮星的星芒呈現柔和圓潤的形狀，不會像一般的鏡頭，在縮光圈後出現刺狀的星芒 (diffraction spike) ，由於亮星在影像上大而很明顯，且星點越亮，則星芒越大、越明顯，因此對整體的觀感影響應該比彗差更顯著。

星芒來源於繞射 (衍射) ，芒的方向垂直於阻擋物邊緣，光圈葉便是阻擋物，由於葉片邊緣不是完整的圓弧排列，因此星芒呈現刺狀，而刺的數量是光圈葉數量的1倍 (偶數光圈葉) 或2倍 (奇數光圈葉) ，圓形的口徑相當於無窮個光圈葉，星芒的能量便會360度均勻散佈而形成圓潤星芒，比如一般的折射望遠鏡便是如此。

§鏡頭設計與外觀

酒紅鏡頭得名於其後組鏡片的鍍膜，在斜向照光下，其會有明顯的酒紅色反光。該鏡頭據稱為事務機上拆下，原本用作掃描文件用的鏡頭，此外酒紅鏡頭並不是一般的相機鏡頭，而是線掃描鏡頭 (line scan lens) ，這種鏡頭主要用於工業自動化檢測平面產品如顯示面板、電路板或者掃描紙張信息等等 "平面用途" ，因此在設計鏡頭時，便著重於近物成像的光學性能。

關於酒紅鏡頭這款 90mm f/4.28 線掃描鏡頭的焦比 (光圈) ，一般攝影圈和商家幾乎都標 f/2.8，因此如果若要找到這款鏡頭的信息，需要以 "酒紅鏡頭 90 f/2.8" 或 "工業鏡頭 90 f/2.8" 等等關鍵字搜尋。 f/2.8 可能是來自於鏡頭端往鏡尾端看，去掉內部第二組鏡片周圍遮擋的孔徑，但這不是實際的收光孔徑 (入瞳徑，entrance pupil)。經同好使用遠心鏡頭測量，該焦距90mm 線掃描鏡的入瞳徑約21mm，因此焦比是f/4.28而不是f/2.8。

圖六，兩顆 90mm f/4.28 線掃描鏡頭的鏡芯
注意這是鏡芯，不包含調焦結構

圖七，兩顆 90mm f/4.28 線掃描鏡頭的鏡芯
鏡頭左右排列如 (圖六)
此為前組照片，兩顆鏡頭的鍍膜稍有區別，但很相似
另外鏡片周圍有一圈白，為霧面無消光的鏡片邊緣

圖八，兩顆 90mm f/4.28 線掃描鏡頭的鏡芯
鏡頭左右排列如 (圖六) 及 (圖七)
此為後組照片，左邊的鏡頭呈典型的酒紅色反光
右邊的鏡頭則呈現粉紫色反光

筆者在2021年三月於我國大陸地區的天文同好群看到有人提到該酒紅鏡頭，經搜尋資料後，發現大陸地區攝影圈已流傳該鏡頭非常銳利，像場甚至可涵蓋中片幅 (中畫幅)，且色差校正非常好，尤其適合近物攝影，但由於鏡片邊緣沒有消光，因此抗逆光效果差。但當時還沒有人嘗試長曝光拍攝天文攝影，因此沒有實際的星場影像，所以對於拍攝大量點光源的天文攝影而言，得更加保守看待該鏡頭的光學性能。

在淘寶上販售這款 90mm f/4.28 線掃描鏡頭的商家很少，且價格不便宜 (約1000~2000新台幣)，外殼、調焦結構還是3D列印的聚乳酸 (PLA, polylactic acid) 高分子材料 (俗稱塑膠)，但是在閒魚二手交易平台上，該鏡的價格卻十分便宜，並有大量不同賣家提供各式DIY方案，有些商家也販賣已組裝好的鏡頭，以下為單獨購買零件的大致價格。

鏡芯: 大概 40~60 人民幣 (約200~250新台幣)

聚乳酸3D列印的外殼與調焦套件: 100人民幣 (約430新台幣) ，尾部為M42螺紋

鋁合金外殼與金屬製調焦套件: 260人民幣 (約1200新台幣)，尾部為M42螺紋

M42轉尼康F卡口轉接環: 大概20人民幣 (約86新台幣) ，其他接口的轉接環多半也不貴。

筆者前後購買了三個鏡芯，第一次買了一個鏡芯跟一套聚乳酸印的外殼與調焦套件，以及一個M42轉尼康F卡口轉接環，這次收到的鏡芯，其後組鏡片是反射 "酒紅色" 的經典酒紅鏡頭，經拆卸鏡片將邊緣塗黑消光後，組裝回去的拍攝效果，便如 (圖一) 所示。

由於第一次購買並測試的效果不錯，又考慮聚乳酸印的調焦結構尾部M42螺紋感覺不太耐用，因此第二次購買時，改買了鋁合金外殼與金屬製調焦筒套件，這次又買了兩顆鏡芯，一顆作為備品，鏡芯同樣在收到後拆開作塗黑消光處理，如下方 (圖九)

圖九，拆卸後的 90mm f/4.28 線掃描鏡頭
鏡頭設計為六片四組
雙高斯結構 (Double-Gauss lens)，
右側偏藍綠的鏡片是特定角度的
鍍膜反光所致，正面看為透明無色

第二次購買的兩顆鏡芯中有一顆，後組鏡片呈現粉紫色反光，如 (圖八) 所示，不同於第一次購買的經典酒紅反光，此外另一顆經典酒紅反光的，拆開後鏡片的墊圈材質也不同於第一次購買的鏡芯，不過前後三顆鏡頭的鏡片形狀、安裝跟鏡筒內的通光尺寸看起來幾乎一樣。

圖十，天津一及其視向周圍的電離氫區
同為重光害區拍攝，單張曝光1分鐘，
總共曝光88分鐘，相機同為Nikon D5100

上方 (圖十) 是採用後組鏡片為粉紫色反光款所拍攝，相對於 (圖一) ，整體星點的品質差異不大，但是中等亮星帶紫圈的比例多了不少，據猜測是由於手動對焦位置差異所致，由於 90mm f/4.28 鏡頭在對焦時，亮星的星點在焦內為藍色溢出，在焦外則為紅色溢出，星點最小的時候還有些紅色溢出，在拍攝 (圖十) 前調焦時，星點調得更小了，造成紅色溢出較多，產生更多帶紫圈的中等亮星，而拍攝 (圖一) 前對焦時，則犧牲了點星點大小，讓更多輕微的藍色溢出蓋住紅色溢出。

§總結

總體而言，這款焦距90mm 焦比f/4.28 的線掃描鏡頭比原先所預期的性能要好不少，在拆卸鏡片作消光處理並重新組裝後，光軸依然很好，顯然該鏡對裝配的精度要求不高，一般攝影鏡頭有時則會遇上裝配不良，星點變形非常嚴種或者不合焦的情況。不過以90mm焦段的鏡頭而言，焦比 f/4.28 稍慢，但以天文望遠鏡而言並不慢，這類望遠鏡作天文攝影用時，接上像場修正鏡後通常焦比在 f/5 ~ f/7 。且一些焦段相似但價格貴5~10倍的鏡頭，雖然焦比更快，光圈全開卻有明顯色差，縮光圈後亮星則會產生明顯的刺狀星芒，影響觀感。以下總結個人認為該焦距90mm 焦比f/4.28 的線掃描鏡頭，以天文攝影而言的優缺點。

優點:

1. 價格便宜
2. 光學結構簡單，光軸穩定
3. 像場中央星點銳利
4. 星芒圓潤，無刺狀星芒
5. 前後移動對焦，且後截距 (back focus) 夠長，搭配常見的套件後可以轉接不同相機

缺點:

1. 在APS-C尺寸的感光元件下四角星點已彗差嚴重
2. 中等亮星有點色差
3. 焦比較慢，只有 f/4.28
4. 無光圈葉，雖然也有改裝套件，但價格較不划算。