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天问1号拍摄的火星照片,为什么是黑白的?

天问一号在距离火星220万公里的地方拍摄了它的首张火星照片

这也是我们中国人第一次拍摄到的火星图像,但人们在高兴之余就产生了这样的疑问,我们平时看到的行星照片、包括一些宇宙深空图景都是绚丽的彩色,为什么“天问一号”拍出来的确是黑白

更有人认为,现在数字摄影技术这么先进,我的手机随手一拍都是高清彩色大片,为什么如此先进的“天问一号”还是黑白照片?

确实,彩色电视机看多了,突然看一下黑白电视机,就感觉回到了小时候,有点落后的感觉,其实我想告诉大家的是,空间探测器拍摄的照片大部分就是黑白的;

包括一些著名的光学望远镜拍摄的照片也是黑白的,例如哈勃太空望远镜,它是人类迄今发射的最强大的空间望远镜,也是对人类认识深空贡献最大的望远镜,它携带的行星大视场和行星照相机2(WFPC2)就是黑白照相机。

而那些绚丽的彩色照片,都是使用不同的滤光片拍摄数张照片,发回地球,天文学家合成出来的。

下面我们就说下为什么要拍黑白照片,绚丽的彩色照片是怎么来的?

光线的波谱可以从波长为数米的无线电波到波长短于0.001纳米级别的伽马射线,范围非常广,但是人类和可见光望远镜一般能接受到波长范围为400到760纳米,范围非常窄。

也就是上图中的那一小绺,从低频率的红光到高频率的蓝光。

人类的眼睛之所以能看到这些光是因为视网膜上的视杆细胞和视锥细胞,其视杆细胞就是眼睛里的感光元件,用来捕捉可见光光子的,光子数量越多,我们看到的就越明亮,反之就越暗。

视锥细胞是感受颜色的器官,不同波长的光有不同的颜色,但是人类的眼睛中只有三种视锥细胞,分别可以感受到三种波长(长、中、短)颜色的光:蓝光、绿光、红光。

这就是光的三原色,这三种不同颜色的光,根据眼睛感受到的强度变化,互相的叠加,我们就看到五颜六色的世界。这也是电视机、照片显示颜色的模式。

如果把人的视锥细胞去掉,只保留下视杆细胞的话,我们看到的世界就是黑白的。

下面我们再说下可见光照相机。

照相机它想看到东西,就必须有感光原件,但它不是视杆细胞,而是一个电荷耦合器件(CCD),上面分布着大量的光敏元件,最小的单位就是“像素”,每个像素点都可以对光的强弱做出反应,越强当然就越亮,越弱当然就越暗。

而光的强度跟射进来的光子的数量有关,所以说照相机就是一个捕捉光子强度的机器,然后把它们转化为不同强度的电信号,在显示屏上显示,或者像宇宙探测器一样传回给地球。

可以看出只有光敏器件的照相机就跟只有视杆细胞的人类一样,只能看到照射到物体上光的强弱对比,不能看到颜色。

如果想看到颜色就需要“视锥细胞”,而在照相机里,它就需要滤光器的配合,在我们的手机相机里一般都会使用“拜耳滤光器 ”工作原理如下图。

每一个像素点都会有三种颜色的滤光片,当你在拍摄照片的时候会形成三张照片,这三张照片分别是:红光波长下的照片、绿光照片、蓝光照片,然后经过相机合成以后(也就是三原色混合)就形成了我们看到的彩色照片。

很明显,探测器上的相机,它不只是为了拍可见光的彩色照片,它需要拍摄不同波长下行星、星云、恒星的照片,例如蓝光下、红光下、绿光下,甚至是人类眼睛看不到的红外线波长下、X射线波长下等等。

所以探测器上的可见光照相机、哈勃望远镜等等,会通过更换滤光片来实现以上的功能。因此这些相机在没有使用滤光片的情况下,拍下的照片都是黑白的。

那么问题是,为什么要拍黑白的?

原因很简单,黑白照片可以捕捉到所有可能捕捉到的光子,在短时间的曝光下,它获得的照片的分辨率、清晰度、对比度要比彩色照片高很多。

这样的照片对与科学研究来说更有价值,而且“天问一号”拍摄的照片距离火星220万公里,非常遥远,且火星反射太阳光的时候很暗,所以黑白照片更加清晰。

而彩色照片,需要在滤光片下拍摄三张照片,曝光时间长,拍摄的数据大,传输到地面以后,要在电脑上合成,所以综上考虑,这就是我们拍摄黑白照片的原因,并不是拍不了,不过是加个滤光片的事。

哈勃望远镜

在哈勃望远镜的行星相机上设计有专门的滤光轮,可以旋转使用不同的滤光片,这些滤光片有不同的波长,也就是允许不同波长的光线通过,形成特定波长下被拍摄物体的图像。

如果所使用的滤光片波长都是可见光范围内,那它们合成起来形成的彩色照片,就是真彩色照片。如果在合成照片中使用了可见光以外的滤光片,那么这个合成图像就成为伪彩色照片。

不过真彩色照片对科学研究来说作用不大,只是为了视觉效果,所以有科学研究价值的基本上都是伪彩色照片,科学家可以通过可见光之外的波长,看到一些岩石矿物、大气成分的特征等等。

如果科学家想要看到一个天体更对的细节、更好的分辨率和对比度,就不是使用滤光片,捕捉所有可能的光子,拍摄黑白照片。

下面看下哈勃拍摄的真彩色照片是怎么来的。哈勃不使用滤光片直接对土星和木星成像,拍摄出来的是这样的:

如果使用滤光片:

获得三张红光、绿光和蓝光下的照片,然后合成叠加在一起,土星就变成这样了:

木星:

叠加:

总结:

天问一号在飞行途中给火星拍一张照片,当然是黑白的最符合需求了,而且可以获得很好的细节和分辨率,传输速度也很快。

当然想要拍摄彩色的也完全没有问题,这不是啥难题,毕竟你的手机随手一拍都是彩色大片,火星探测器可代表的是人类最先进的技术了。

当然著名的鹰状星云也是合成合成出来的。