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簡 單 來 說 ， 電 荷 耦 合 器 利 用 光 電 效 應 (photoelectric effect) [3] 把 光 轉 化 成 電 流 ， 再 把 這 些 電 流 訊 號 數 碼 化 以 方 便 影 像 處 理 及 紀 錄 。 一 個 電 荷 耦 合 器 的 「 視 網 膜 」 ( 對 於 照 相 機 而 言 ， 眼 睛 就 是 靈 魂 。 ) 是 一 塊 感 光 晶 片 。 晶 片 被 劃 分 成 很 多 小 方 格 ， 稱 為 像 素 (pixels) ， 如 圖 一 所 示 。 例 如 說 ， 若 一 部 數 碼 相 機 有 一 百 萬 像 素 ， 那 它 的 感 光 晶 片 大 概 分 為 一 千 乘 一 千 小 方 格 ， 感 光 晶 片 以 及 像 素 皆 未 必 為 正 方 形 狀 ， 而 像 素 數 目 亦 不 一 定 兩 邊 相 等 。 當 這 晶 片 受 到 光 照 射 時 ， 每 一 像 素 便 根 據 受 光 的 強 度 而 產 生 相 應 數 目 的 電 子 ( 稱 為 光 電 子 ) 。 在 特 定 的 光 強 度 範 圍 內 ( 即 不 太 光 不 太 暗 ) ， 每 一 像 素 產 生 的 電 子 數 目 正 比 於 光 度 。 所 以 電 荷 耦 合 器 是 一 個 線 性 ( linear ) 的 量 度 器 。
利 用 電 荷 耦 合 器 拍 照 ， 可 分 感 光 及 訊 號 處 理 兩 個 步 驟 。 在 感 光 階 段 ， 晶 片 把 入 射 光 轉 化 為 電 子 ， 並 儲 於 每 一 像 素 內 。 到 感 光 完 畢 ， 這 些 光 電 子 被 送 到 電 荷 耦 合 器 的 腦 部 ， 即 負 責 處 理 訊 號 部 份 ， 把 電 流 數 碼 化 。 這 時 每 一 像 素 都 有 一 個 對 應 的 數 字 ， 構 成 代 表 影 像 的 一 個 矩 陣 。 每 一 幅 照 片 ， 便 以 這 個 數 字 矩 陣 儲 存 。 只 要 應 用 適 當 軟 件 ， 根 據 矩 陣 數 字 重 塑 每 一 像 素 的 光 暗 ， 便 可 以 把 影 像 重 現 。 優 點 及 缺 點 既 然 電 荷 耦 合 器 已 被 廣 泛 應 用 ， 它 必 定 有 很 多 優 點 。 這 些 可 以 歸 納 為 感 光 性 能 良 好 、 容 易 使 用 、 及 影 像 處 理 功 能 強 勁 三 方 面 。 傳 統 拍 照 所 用 的 菲 林 ， 其 實 已 經 比 人 眼 睛 的 感 光 度 高 很 多 ， 電 荷 耦合 器 則 又 比 菲 林 敏 感 起 碼 十 倍 。 即 使 是 很 暗 的 星 體 ， 我 們 利 用 電 荷 耦 合 器 仍 然 可 以 在 相 對 短 的 曝 光 時 間 內 捕 捉 其 影 像 。 這 一 點 ， 對 於 只 有 小 型 望 遠 鏡 又 缺 乏 精 確 的 長 期 追 星 系 統 的 業 餘 天 文 愛 好 者 尤 其 重 要 。 例 如 說 ， 用 現 在 市 場 上 相 當 普 通 的 天 文 用 電 荷 耦 合 器 ， 配 上 八 吋 口 徑 的 望 遠 鏡 ， 以 一 秒 鐘 的 曝 光 時 間 便 可 以 拍 攝 到 十 四 等 的 星 體 ﹔ 若 曝 光 一 分 鐘 ， 則 可 達 十 八 星 等 ！ 這 在 短 短 十 餘 年 前 只 可 以 是 夢 想 。 可 以 說 ， 業 餘 天 文 愛 好 者 觀 看 宇 宙 的 窗 口 因 而 大 大 拉 闊 ( 或 加 深 ) 了 。 除 了 極 高 的 敏 感 度 之 外 ， 電 荷 耦 合 器 的 線 性 反 應 對 於 做 科 學 觀 測 亦 是 一 大 優 點 。 無 論 人 眼 或 菲 林 ， 對 光 的 反 應 都 比 較 複 雜 ， 不 易 轉 化 成 精 確 數 據 。 相 比 之 下 ， 電 荷 耦 合 器 的 訊 號 正 比 於 受 光 強 度 ， 對 於 光 度 測 量 ( photometry ) 自 是 非 常 方 便 [3] 。 有 了 優 良 的 感 光 性 能 ， 仍 要 配 合 使 用 上 的 方 便 ， 才 可 算 是 一 件 好 的 攝 影 工 具 。 訊 號 的 數 碼 化 大 大 簡 化 了 電 荷 耦 合 器 的 使 用 。 以 傳 統 菲 林 拍 照 做 對 比 ， 就 很 容 易 看 到 這 點 。 以 前 拍 照 之 後 ， 要 等 到 做 完 一 輪 黑 房 功 夫 才 看 到 成 果 ， 拍 得 好 不 好 ， 曝 光 時 間 是 否 足 夠 ， 取 鏡 位 置 是 否 適 當 等 ， 都 不 能 立 刻 知 道 。 用 電 荷 耦 合 器 配 合 電 腦 ， 照 片 差 不 多 即 時 顯 示 ， 拍 攝 者 可 以 立 即 作 出 修 正 。 而 且 整 個 拍 攝 至 顯 像 過 程 都 經 電 腦 控 制 ， 操 作 簡 易 ， 因 此 初 學 者 可 以 很 快 上 手 。 筆 者 曾 經 教 過 幾 位 學 生 用 電 荷 耦 合 器 拍 天 文 照 片 ， 他 們 即 晚 便 可 以 拍 攝 到 M104 星 系 ( 圖 二 ) 。 這 些 數 碼 照 片 的 後 期 處 理 就 更 加 突 顯 數 碼 拍 照 的 優 越 。 任 何 人 只 需 以 很 普 通 的 圖 像 處 理 軟 件 ， 如 Photoshop 等 ， 便 可 以 優 化 照 片 [4] 。 天 文 的 照 片 一 般 訊 噪 比 都 較 低 ， 經 過 電 腦 處 理 ， 卻 往 往 可 以 化 腐 朽 為 神 奇 。
電 荷 耦 合 器 也 有 其 缺 點 。 首 先 是 晶 片 和 像 素 的 大 小 問 題 。 若 像 素 太 大 ， 自 然 影 像 會 顯 得 粗 糙 ， 做 成 「 打 格 仔 」 的 現 象 ( 如 圖 三 ) 。 但 若 像 素 面 積 太 小 ， 晶 片 的 感 光 面 積 亦 會 相 對 地 小 ， 照 片 的 視 野 便 很 侷 促 了 。 天 文 用 的 電 荷 耦 合 器 一 般 像 素 大 小 為 七 至 二 十 微 米 左 右 ， 晶 片 上 共 有 幾 十 萬 至 百 萬 像 素 不 等 ， 所 以 一 般 而 言 ， 感 光 面 積 都 比 菲 林 小 。 當 然 ， 這 限 制 大 概 不 久 就 會 消 失 ， 因 為 隨 著 電 荷 耦 合 器 的 普 及 ， 感 光 晶 片 只 會 不 斷 改 良 、 加 大 ， 像 素 縮 小 、 增 多 ， 而 價 錢 卻 愈 來 愈 低 ！ 而 且 ， 只 要 利 用 放 大 鏡 ( barlow ) 或 縮 小 鏡 (reducer) 使 星 星 的 影 像 大 於 一 個 像 素 ( 通 常 以 二 至 三 像 素 為 佳 ) 〈 若 像 素 長 九 微 米 ， 望 遠 鏡 焦 距 一 點 二 米 ( 四 十 八 吋 ) ， 則 每 一 像 素 對 應 約 一 點 五 秒 之 角 度 。 此 角 度 與 像 素 大 小 成 正 比 ， 而 反 比 於 焦 距 。 通 常 一 顆 恆 星 的 影 像 約 為 一 至 三 秒 ， 視 乎 大 氣 情 況 而 定 。 〉 ， 「 打 格 仔 」 的 現 象 便 可 以 解 決 。 甚 至 視 野 亦 可 以 相 片 接 駁 ( mosaic ) 的 技 術 來 增 大 。
電 荷 耦 合 器 的 另 一 個 缺 點 ， 就 是 噪 音 ( noise ) 問 題 。 電 子 器 材 有 噪 音 當 然 不 足 為 奇 ， 感 光 晶 片 對 光 敏 感 ， 對 噪 音 亦 自 然 敏 感 。 若 攝 影 對 象 本 身 光 度 微 弱 ， 則 訊 噪 比 ( signal-to-noise ratio ) 有 可 能 太 低 。 這 亦 是 普 通 數 碼 相 機 不 適 合 作 天 文 攝 影 的 原 因 。 這 些 噪 音 來 源 有 很 多 種 ， 最 主 要 是 熱 噪 音 ( thermal noise ) ， 即 指 由 於 晶 片 的 熱 力 引 發 的 電 子 。 這 些 就 算 沒 有 光 照 射 晶 片 亦 出 現 的 電 子 ( 所 以 亦 稱 黑 暗 電 流 dark current 或 黑 暗 噪 音 dark noise ) ， 便 會 被 誤 認 為 光 電 子 ， 成 為 假 訊 號 。 只 要 用 電 荷 耦 合 器 關 上 快 門 拍 一 張 照 片 ， 便 可 見 到 這 些 黑 暗 噪 音 。 由 於 黑 暗 噪 音 是 不 規 則 的 出 現 ， 而 且 其 強 度 跟 隨 溫 度 變 化 很 大 ，要 完 全 消 除 它 們 並 不 空易 。 天 文 用 的 電 荷 耦 合 器 用 兩 個 方 法 去 減 低 黑 暗 噪 音 。 首 先 是 降 溫 ﹔晶 片 溫 度 愈 低 ， 黑 暗 噪 音 亦 愈 低 。 不 過 ， 加 上 了 冷 凍 系 統 令 天 文 用 電 荷 耦 合 器 的 體 積 、 耗 電 量 及 重 量 都 大 增 ﹝ 一 般 做 法 ， 是 應 用 珀 貼 爾 效 應 ( Peltier effect ) 來 降 溫 ， 約 可 把 溫 度 降 低 三 十 至 四 十 度 。 ﹞ ， 這 倒 是 「 沉 重 」 的 代 價 。 其 次 是 每 拍 攝 照 片 之 前 ， 可 先 拍 一 張 「 曝 光 」 時 間 相 同 但 關 上 快 門 的 「 黑 暗 照 片 」 ( dark frame ) ， 然 後 把 二 者 相 減 ， 便 可 再 減 低 噪 音 。 使 用 電 荷 耦 合 器 的 另 一 個 小 麻 煩 ， 是 做 平 整 照 ( flat field ) 的 需 要 。 事 緣 感 光 晶 片 上 的 像 素 對 光 的 感 應 程 度 各 有 不 同 ， 同 一 強 度 的 光 對 兩 個 不 同 像 素 可 引 發 不 同 數 目 的 光 電 子 。 所 以 ， 若 不 對 此 修 正 ， 照 片 上 的 光 度 便 呈 不 均 勻 。 修 正 方 法 ， 是 先 找 一 個 光 度 均 勻 的 背 景 拍 下 照 片 ﹝ 例 如 日 落 後 但 未 全 黑 、 未 見 到 有 星 星 的 天 空 。 ﹞ ， 這 就 是 所 謂 的 平 整 照 ﹔ 雖 然 入 射 光 度 均 勻 ， 但 各 像 素 感 光 度 不 同 ， 所 以 各 有不 同 的 光 電 子 數 量 ﹔ 減 去 黑 暗 噪 音 後 ， 這 平 整 照 便 紀 錄 下 各 像 素 的 感 光 比 例 。 最 後 我 們 只 要 把 照 片 除 以 平 整 照 ， 便 可 修 正 像 素 感 光 度 不 平 均 的 問 題 。 當 然 ， 電 荷 耦 合 器 還 有 一 個 重 要 缺 點 ， 就 是 必 需 配 合 電 腦 使 用 。 雖 然 新 款 的 手 提 電 腦 已 比 較 輕 而 簿 ， 但 始 終 增 添 到 偏 遠 地 方 觀 星 時 的 麻 煩 。 總 括 而 言 ， 電 荷 耦 合 器 的 優 點 實 在 很 多 ﹔ 相 對 而 言 ， 它 的 缺 點 都 只 在 使 用 上 稍 添 麻 煩 而 已 。 所 以 近 年 來 電 荷 耦 合 器 已 成 天 文 觀 測 及 攝 影 的 重 要 工 具 。 應 用 如 上 所 述 ， 電 荷 耦 合 器 是 一 件 非 常 容 易 上 手 的 工 具 。 一 般 而 言 ， 操 控 相 機 的 軟 件 都 很 易 使 用 。 拍 攝 天 文 照 片 的 程 序 ， 都 不 外 乎 如 下 表 ﹕ 一 • 系
統 降 溫 實 際 拍 攝 時 ， 最 花 時 間 可 能 是 對 焦 的 工 作 ， 因 為 每 次 調 校 之 後 都 要 等 曝 光 及 下 載 ， 才 知 道 如 何 進 一 步 對 焦 。 整 個 過 程 最 難 部 份 ， 應 是 對 準 極 軸 。 因 天 文 相 片 往 往 要 長 期 曝 光 ， 若 追 星 不 夠 準 確 ， 更 好 的 照 相 機 都 沒 有 用 。 當 然 ， 電 荷 耦 合 器 需 要 的 曝 光 時 間 較 傳 統 照 相 機 短 ， 對 追 星 系 統 的 要 求 就 比 較 低 了 。 上 述 的 程 序 ， 適 用 於 拍 攝 黑 白 相 片 。 若 要 拍 彩 色 照 片 ， 則 在 曝 光 階 段 要 用 三 色 濾 鏡 分 別 拍 下 三 張 照 片 ， 再 用 軟 件 把 三 張 單 色 照 片 結 合 ( RGB Combine ) 。 由 於 在 曝 光 時 間 內 三 幅 相 片 的 星 象 可 能 己 經 移 動 ， 因 此 在 結 合 前 要 把 三 幅 相 片 對 齊 。 這 些 工 作 利 用 軟 件 都 很 容 易 做 。 圖 四 至 圖 七 便 是 一 個 例 子 。 圖 四 、 五 、 六 分 別 為 紅 綠 藍 單 色 照 片 ， 可 清 楚 見 到 指 環 星 雲 的 大 小 以 至 形 狀 於 不 同 波 長 有 明 顯 分 別 。 這 裏 我 們 可 窺 見 光 譜 學 ( spectroscopy ) [5] 的 威 力 ﹝ 現 時 已 有 供 業 餘 天 文 觀 測 用 的 小 型 光 譜 儀 ， 可 配 合 電 荷 耦 合 器 使 用 。 ﹞ ﹕ 星 雲 內 不 同 部 份 因 為 有 不 同 溫 度 和 元 素 ， 所 以 發 出 的 光 亦 有 相 異 的 波 長 成 份 ， 而 一 個 完 整 的 光 譜 圖 ， 就 勾 劃 出 星 雲 內 的 溫 度 和 元 素 分 佈 。 以 指 環 星 雲 為 例 ， 我 們 可 以 推 測 環 內 部 的 氣 體 較 熱 ， 所 以 發 出 的 光 以 籃 色 為 主 ， 相 反 環 外 圍 較 冷 ， 所 以 主 要 發 紅 光 。 我 們 可 以 想 像 環 中 心 的 星 球 在 不 同 時 間 爆 炸 推 出 的 雲 氣 ， 造 成 環 上 的 層 次 和 溫 度 分 佈 。 圖 七 便 是 把 圖 四 至 六 作 三 色 合 成 的 結 果 。 注 意 一 般 的 感 光 晶 片 對 紅 光 敏 感 度 高 於 綠 光 及 藍 光 ﹝ 新 的 晶 片 對 不 同 顏 色 的 光 反 應 已 較 相 近 。 ﹞ ， 所 以 曝 光 時 間 亦 應 相 應 地 調 節 以 盡 量 保 持 色 彩 的 平 衡 。 其 實 人 眼 或 菲 林 都 有 同 樣 問 題 ，如 人 眼 就 對 黃 綠 色 的 光 最敏感 。 所 以 利 用 電 荷 耦 合 器 配 合 濾 鏡 更 能 拍 得 星 體 「 真 正 」 的 色 彩 。
除 了 拍 攝 天 文 照 片 外 ， 電 荷 耦 合 器 對 於 星 體 光 度 測 量 ( photometry ) 的 幫 助 更 大 ， 尤 其 是 在 相 對 的 光 度 測 量 ( relative photometry ) [3,6] ， 即 一 個 星 體 和 其 他 ( 已 知 光 度 的 ) 星 體 光 度 比 較 的 測 量 。 電 荷 耦 合 器 既 已 把 每 一 像 素 接 收 的 光 度 數 碼 化 ， 要 比 較 兩 個 星 體 的 光 度 自 是 易 如 反 掌 。 當 然 ， 為 免 測 量 受 大 氣 影 響 ， 這 兩 個 星 體 在 天 空 上 的 位 置 愈 近愈 好 。 而 且 ， 對 於 黑 暗 噪 音 及 平 整 照 的 修 正 自 然 非 常 重 要 。 現 在 已 有 很 多 業 餘 天 文 學 家 利 用 電 荷 耦 合 器 對 變 星 進 行 光 度 觀 測 ， 以 監 控 它 們 的 變 化 [7] 。 圖 八 就 是 筆 者 一 位 學 生 幾 年 前 用 小 型 望 遠 鏡 及 業 餘 天 文 用 電 荷 耦 合 器 紀 錄 下 巨 蟹 座 VZ 不 規 則 變 星 的 光 度 變 化 圖 ( light curve ) [8] 。
相 對 於 光 度 量 度 ， 天 體 位 置 測 量 ( astrometry ) [9] 可 說 是 更 加 容 易 。 我 們 只 需 要 拍 攝 到 目 標 星 體 及 其 他 背 景 恆 星 ， 就 可 以 進 行 定 位 工 作 。 因 為 感 光 晶 體 上 的 像 素 排 列 本 身 就 已 提 供 了 一 個 準 確 的 座 標 系 統 ， 而 且 資 料 已 經 數 碼 化 ， 方 便 運 算 。 很 多 業 餘 天 文 學 家 利 用 這 方 法 ， 對 小 行 星 或 彗 星 做 軌 道 測 定 ， 即 監 控 其 相 對 於 遙 遠 背 景 恆 星 的 位 置 改 變 。 因 為 這 種 觀 測 對 光 度 準 確 性 要 求 不 高 ， 所 以 甚 至 連 黑 暗 噪 音 及 平 整 修 正 都 不 一 定 需 要 做 。 圖 九 是 幾 年 前 筆 者 另 一 位 學 生 對 小 行 星 灶 神 星 ( Vesta ) 所 做 的 位 置 測 定 數 據 [10] 。 此 外 ， 利 用 電 腦 對 同 一 星 區 不 同 時 候 的 照 片 作 比 較 ﹝ 很 多 天 文 用 軟 件 都 有 blinking 功 能 ， 即 重 複 輪 番 顯 示 兩 張 照 片 ， 以 方 便 比 較 。 ﹞ ， 有 時 甚 至 會 有 意 外 驚 喜 ﹕ 發 現 新 彗 星 或 其 他 星 體 哩 。 去 年 在 美 國 就 有 中 學 生 利 用 電 荷 耦 合 器 發 現 暗 至 二 十 幾 等 的 柯 爾 伯 帶 星 體 ( Kuiper Belt objects ) ！ 前 瞻 及 結 語 電 荷 耦 合 器 在 短 短 十 餘 年 已 引 發 天 文 觀 測 的 大 革 命 ， 而 在 可 見 將 來 ， 電 荷 耦 合 器 的 技 術 仍 將 不 斷 改 良 ﹕ 感 光 晶 片 將 有 更 多 像 素 ， 感 光 面 積 更 大 ， 敏 感 度 更 高 ， 黑 暗 噪 音 亦 會 降 低 ， 但 價 錢 卻 必 定 下 降 。 業 餘 天 文 學 家 憑 籍 小 型 望 遠 鏡 及 便 宜 的 電 荷 耦 合 器 將 可 做 到 科 學 的 觀 測 ， 發 現 新 的 星 體 ， 及 拍 得 動 人 的 天 文 照 片 。 可 以 說 ， 電 荷 耦 合 器 開 創 了 天 文 觀 測 的 新 世 紀 ！
參 考 文 獻
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