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天文摄影与CCD基础知识
2017 年 12 月 29 日

在什么情况下需要使用红外截止滤镜

如果是彩色相机,那么一般情况下均需要红外滤镜,原因有两个:
1.红外光会带来偏色和色彩饱和度降低的问题
2.如果采用折射望远镜或者镜头,红外光会带来红外焦点,这个焦点一般比可见光焦点偏后,会导致图像模糊
所以彩色相机一般会标配一个红外截止滤镜。

如果是黑白相机,需要根据使用的光学系统而定。如果使用的是反射式或者折反,一般红外焦点和可见光焦点是重合的,因此可以不使用红外滤镜,从而达到利用红外部分能量的效果。如果使用的是折射式或者镜头(非折反的镜头)那么就需要加红外滤镜了。

如果还采用了窄带滤镜,光害滤镜时,需要检查这些滤镜是否本身就是红外截止的,如果本身是红外截止的,就可以不用红外滤镜。否则,就要根据光学系统来确定是否要加红外滤镜。

另外,红外滤镜还具有对光害抑制的作用,因为光害里面的红外成分不少,将其滤除,可以降低光害。

由上述可见,红外滤镜加与不加,需要根据实际情况而定。如果有条件,最好试验一下,以确定最好的效果。

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关于像素尺寸,量子效率与“灵敏度”的关系

很多爱好者对像素尺寸,量子效率以及相机的灵敏度之间的关系不是很明白,因为常常听到这样的说法:

“像素尺寸大灵敏度越高”

“量子效率高灵敏度越高"

那么如果有一款CCD的量子效率高,但是像素更小,而另外一款CCD的像素更大,量子效率更低,那么应该如何选择呢?

本文将就CCD的像素尺寸,量子效率和灵敏度展开一些讨论。

首先我们需要明确灵敏度的这个概念。因为灵敏度并不是一个科学上能够量化的物理指标。通常意义的灵敏度,我们可以认为是相机能在相同的曝光时间内得到更好的图像质量。这个图像质量,不仅仅指目标的亮度,而应该是信噪比。因为亮度也是一个很不准确的概念,通过灰度拉升的方法可以将图像的亮度提到很高,但是如果噪声很大的话,噪声也随之被提高,最后图像虽然变得很亮了,但是图像也非常粗糙。因此衡量图像质量的方法,应该采用信噪比,就是信号与噪声之比。

计算信噪比的方法,涉及到CCD的各种噪声(如热噪声,读出噪声)以及光的量子特性所带来的量子噪声(也称散粒噪声,shot noise)的基础知识,我们以后会进一步进行介绍。而对于本文所需要探讨的问题,我们先假设所对比的相机具有相同的读出噪声和热噪声,而且这两种噪声对图像带来的影响较小。这时候我们认为信噪比是正比于光强开根号,或者说就是所收集到的光越多,信噪比越高。

那么对于一个像素面积大的CCD,由于像素大,因此单个像素所收集到的光就越多了,所以有”像素大灵敏度就高“的说法。

量子效率是指一个像素上最终转换为电荷的光子数与所接收到的总光子数之比,也就是一个像素所俘获的实际的光子数。所以量子效率越高,实际所收集到的光就越多,所以有”量子效率越高灵敏度就越高”的说法。

如何比较一款CCD的量子效率高,但是像素更小,而另外一款CCD的像素更大,量子效率更低的CCD呢。这个是困扰很多爱好者的问题。例如,QHY22的量子效率接近80%,但像素尺寸只有4.54um,而QHY9的量子效率为56%,但像素尺寸有5.4um,应该选择哪一个呢?

我们首先做一个理论的计算,比较一下两者单个像素在相同时间内所获得的实际的光子数量: QHY9:QHY22应该为: (5.4um*5.4um*56%)/(4.54*4.54*78%)=1.015

看来他们之比是很接近的。说明两者相同时间内所获得的实际光子数是差不多的。这样他们在相同的望远镜下,对面状目标得到的灵敏度是差不多的。(对于点状目标则不然,因为星点经过聚焦以后,可能很细,是否会落到一个像素以内,还是会分散到多个像素里面,对最后的结果是有影响的)。

而对于QHY23,由于像素尺寸更小,那么这个比值会增大,就是说,对于QHY23,单个像素获得的光子数会更低。

那么是否就意味着量子效率更高的QHY22,QHY23反而不如量子效率更低的QHY9好呢?

这个说法也是不可取的。虽然QHY22,QHY23的光子数更低,但是不要忘记了因为他们的像素面积小,在使用相同望远镜情况下,目标在图像上显得更大了,得到的目标的细节会更多,也就是角分辨率更高。而QHY9要获得相同的细节,那么必定需要使用一个增倍镜才行。增倍镜的加入,相当于在焦平面上把像放大了,但是光就更分散了。那么要达到相同的细节,这时候将只取决于量子效率之比了。

当然有的爱好者会说,为什么我必须加增倍镜呢?我可以使用焦距更长的望远镜。的确如此,但是焦距更长的望远镜一般说来相对孔径会差一些。这样也会影响面状目标的亮度。

有的爱好者又说,那我采用焦距更长,相对孔径相同的望远镜不就可以了吗?是的。在这种情况下,采用QHY9可以获得相同的细节,而且得到的图像亮度还略高于QHY22,高于QHY23. 但是别忘了,您已经在使用一个大望远镜和一个小望远镜在进行对比了。

分析到这里,也许大家更加纠结了,那我到底应该选择QHY9还是QHY22/23呢。我认为这个还是要看您的望远镜的情况,以及您主要希望拍摄怎样的目标。比如您有焦距较短的望远镜,同时望远镜的锐度又很高,希望得到的放大倍数高一些,拍摄到更多的细节,那么QHY22/23是很好的选择,如果您希望拍摄的范围更广一些,那么QHY9无疑是更好的选择了。如果您的望远镜焦距很长,或者镜子的光学品质并不是非常锐,那么还需要考虑对应的角分辨率是否会太高,超过当地的大气宁静度,造成图像的过采样,或者由于望远镜的光学品质造成图像的模糊。如果是这样,则应该选择QHY9等像素大一些的型号。

如果您希望既要拍摄广角大范围的天体,又希望拍摄一些小一些的天体,以及拍摄天体的细节,那么,两个CCD都买把!

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