天文攝影為何要使用濾鏡？

在數碼相機普及前，當要拍攝深空天體時每按一次快門都要深思熟慮，因為每一張菲林都只能曝光一次，我們必須在拍攝前決定如何拍攝，應使用黑白或彩色菲林、如何構圖、曝光時間等，加上還要等沖印完成才能看到照片是否成功，所以在菲林時代拍天文照片是一項高難度的活動。而到了數碼攝影的年代，感光元件取代了菲林，電子訊號代替了化學試劑，天文攝影才變得更加簡單，令更多的人可以嘗試天文攝影。

不同於菲林利用鹵化銀的銀離子捕捉光子，感光元件利用像素上的微小電晶體來個別捕捉每個光子。電晶體會吸收並放大捕捉光子轉換而來的電荷，接著再透過電線傳送信號。光子愈多信號就愈大，我們在螢幕中看到的影像便會愈光。所以對於深空天體等暗淡的影像，我們會用長時間的曝光來讓更多深空天體的光子到達相機的感光元件，從而成像。

但是感光元件只能分辨有沒有光子，卻不能知道光子是甚麼顏色——所以最初的數碼相機拍出來的照片會是黑白照片。要拍攝彩色照片，科學家在感光元件上放置彩色濾光片陣列，最常見的是拜耳陣列。拜耳陣列把紅綠藍三色濾光片按一定排列讓紅綠藍的光分別進入到相鄰的像素中，最後再以軟件插值計算出每個像素的顏色。

Webcam感光元件的顯微影像，右上感光元件中的彩色部分便是拜耳陣列濾鏡（Credit: Hokoon）

拜耳陣列雖然可以很方便地拍攝到彩色影像，但是對於天文攝影，特別是深空天體攝影來說，拜耳陣列會減少長時間曝光的效率，比如在拍攝紅色的發射星雲時，我們只能使用其中四分之一的像素來感光，嚴重影響拍攝的效率。除此以外，拜耳陣列在插值時對於高對比，或者微小細節都容易造成問題，例如出現雜訊或者摩爾紋。對於哈勃太空望遠鏡等專業級天文望遠鏡，它的拍攝目標大多非常細少，而且需要非常長時間的曝光時間，因此它並不會使用拜耳陣列來拍攝彩色影像。

天文學家會使用多種濾鏡配合黑白相機拍攝深空天體，以哈勃太空望遠鏡為例，它在UVIS波段（紫外光-可見光）配備47塊濾鏡供科學家使用，科學家會搭配不同的濾鏡去拍攝深空天體，例如在拍攝仙女座大星系時分別拍攝紅、綠、藍三張的星系照片，再合併成一張彩色的照片；而在拍攝船底座星雲時則使用H-alpha、H-II及S-II窄頻度濾鏡拍攝，最後再用軟件把對應的顏色加上去。

對於天文學家而言，使用濾鏡拍攝深空天體還有一個好處，那就是可以通過調色，突出天體的細節：例如把使用S-II（深紅色）、H-alpha（紅色）及Ｏ-III（綠色）濾鏡拍攝的窄頻照片，以紅、綠、藍三原色來重新調色。這種調色便是我們俗稱的「哈勃色」。這種調色方法不只是好看，更能分辨硫（S-II）、氫（H-alpha）、氧（Ｏ-III）的分佈、可以幫助科學家研究深空天體，像是星雲的形成、原恆星的誕生等課題。

The Carina Nebula — 船底座星雲的複合顏色圖像，當中可以看到星雲塵埃區域的精細結構（Credit: ESO）

除了哈勃色以外，天文學家還會以紅外影像或者不同元素的發射線組合成一張假色影像。例如下圖中的創生之柱的紅外影像可以幫助科學家分析早期恆星誕生的原理——而這在可見光波段只能看到一大片的塵埃。2021年底發射的James Webb 太空望遠鏡（JWST）主力拍攝紅外光影像，在它拍攝的首批影像中我們可以看到NGC 3132，南環狀星雲的紅外影像——當然這也是假色影像——穿透了星雲中的塵埃，看到整個星雲的結構。