通過(guò)太空艙的窗口看地球     楊利偉 攝于神舟5號(hào)

　　神舟五號(hào)的成功發(fā)射與勝利返航使全中國(guó)人民歡欣鼓舞，而我國(guó)第一位宇航員楊利偉在太空拍攝的我們美麗的地球的圖片使攝影愛(ài)好者不禁提出許多有關(guān)太空攝影的問(wèn)題：為什么太空攝影會(huì)引起全世界的關(guān)注？太空攝影對(duì)照相機(jī)有什么特殊要求？宇航員使用什么攝影器材？發(fā)達(dá)國(guó)家是如何拍攝太空?qǐng)D片的？我們國(guó)家應(yīng)當(dāng)如何利用太空攝影收集更多的有關(guān)地球信息？本文將結(jié)合一些發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，部分地回答以上問(wèn)題。

太空攝影為何會(huì)引起全世界的關(guān)注

　　在美國(guó)軍方教科書(shū)上開(kāi)宗明義地寫(xiě)到：空間攝影的目的是“收集不同形式的政府級(jí)物體”。當(dāng)然，為了滿足科研需要和一般人員探索太空的興趣，也可以為科學(xué)實(shí)驗(yàn)和用于公眾事業(yè)提供有用的圖像資料。航天飛機(jī)和國(guó)際航天站上的宇航員不停地拍攝有關(guān)地球的照片，在航天飛機(jī)上拍攝的照片85%是有關(guān)地球外貌的。而宇航員手持的照相機(jī)則主要用來(lái)拍攝地理圖像、海洋、氣象現(xiàn)象，如云團(tuán)、臺(tái)風(fēng)等物體。

　　蘇聯(lián)在“禮炮”飛船計(jì)劃中使用了由東德制造的MKF6多波段照相機(jī)進(jìn)行了地球表面特點(diǎn)的地形攝影。美國(guó)的第一個(gè)載人飛船“水星計(jì)劃”從1958年開(kāi)始就進(jìn)行了一系列空間實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，如對(duì)零重力、航天醫(yī)學(xué)、太空輻射等研究，當(dāng)然也開(kāi)始了太空攝影的活動(dòng)。在以后進(jìn)行的“雙子星座計(jì)劃”中（1961年起）又將20名宇航員送入太空，并且首次實(shí)現(xiàn)了太空對(duì)接。其中取得的重大科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果包括氣象研究和地球攝影?！鞍⒉_計(jì)劃”首次將人類(lèi)送上月球，使全世界的人們從阿波羅傳回的圖片親眼看到了人類(lèi)登上月球這一世間壯舉。而美國(guó)的空間站“太空實(shí)驗(yàn)室”(Skylab)和航天飛機(jī)更是發(fā)回了大量的有關(guān)地球的珍貴圖片及在距離地面430千米的軌道上從太空實(shí)驗(yàn)室中拍攝的地球的表面形貌和多波段的圖像。 

　　這些圖片不但滿足了人們從太空觀測(cè)地球的夢(mèng)想，又提供了大量有關(guān)大氣、海洋、環(huán)境污染和礦產(chǎn)資源的信息。

太空攝影對(duì)照相機(jī)有什么特殊要求

　　首先，太空中的照相機(jī)必須能夠在真空和零重力條件下工作。其次，太空船都是嚴(yán)格密封的，使用的儀器不能產(chǎn)生有害氣體，甚至火花。另外，由于宇航員身著厚厚的宇航服和手套，照相器材必須在戴著手套的情況下也易于操作。因?yàn)樵谔罩杏捎跊](méi)有大氣層的保護(hù)，太陽(yáng)的輻射以及陽(yáng)光在相機(jī)上的反射比在地球上強(qiáng)得多。另外由于太空艙的空間和荷重都非常寶貴，不可能提供備份相機(jī)來(lái)防止意外的損壞，因此，照相機(jī)的可靠性是另一個(gè)重要的因素。

　　為了滿足這些苛刻的條件，必須對(duì)上天的照相器材加以重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)。比如，所有機(jī)身中皮制的部分必須使用金屬、外殼必須鍍成不反光的黑色、塑料部件必須符合真空操作需要，而所有電子器件的焊點(diǎn)均要符合航天的特殊要求。如：經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的電池艙要能夠防止電解液泄漏，甚至膠片的厚度也需要減薄。而且對(duì)于快門(mén)速度的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。 

　　照相機(jī)的操作部分要適應(yīng)宇航員的需要，如要加大卷片手柄和倒片鈕，加大計(jì)數(shù)器的數(shù)字和窗口，可更換鏡頭的接口必須更加方便、適用。而我們通常使用的聚焦環(huán)必須加上“耳朵”，以方便宇航員戴手套聚焦。

太空人使用何種攝影器材

美國(guó)最早用于水星計(jì)劃中的哈蘇相機(jī)

　　早期的太空航行中使用的照相機(jī)一般是市場(chǎng)中的優(yōu)秀相機(jī)，如美國(guó)早期太空計(jì)劃中的“水星計(jì)劃”所使用的是哈蘇照相機(jī)（Hasselblad）。

　　這種哈蘇照相機(jī)還被帶到了月球上。這種相機(jī)一般配有60mm廣角鏡頭、80mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、105mm、250mm和500mm高分辨率長(zhǎng)焦距鏡頭，此機(jī)是半自動(dòng)采用密封Ni－Cd電池的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。讀者也許在關(guān)于太空遨游的圖片中看到過(guò)，宇航員將哈蘇照相機(jī)掛在宇航服的胸口部分，隨時(shí)可以拿起相機(jī)拍照。在早期的工作中，人們?cè)诘灼慕裹c(diǎn)平面上安置reseau網(wǎng)格，可以提供光學(xué)校正的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在登月過(guò)程中，哈蘇相機(jī)被用來(lái)拍攝微弱光線、來(lái)自地球的光線和紫外線攝影。應(yīng)該說(shuō)，在人類(lèi)征服太空的征程中，哈蘇相機(jī)功不可沒(méi)。

尼康F3大相機(jī)

尼康F3小相機(jī)

　　尼康照相機(jī)是最早被美國(guó)航空航天局（NASA）認(rèn)定的日本照相機(jī)。早在1971年尼康F相機(jī)即被送入太空參加了阿波羅15計(jì)劃。與民用尼康F型照相機(jī)相比，空間攝影對(duì)尼康相機(jī)提出了更高的可靠性和可操作性的要求。為了滿足NASA的需要，尼康研發(fā)了一款用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的尼康F3“小相機(jī)（small camera）”。然而這款相機(jī)只不過(guò)是相對(duì)于它的大兄弟尼康F3“大相機(jī)（big camera）”而言。

　　在尼康F3大相機(jī)上裝有特制的薄型膠片，以適應(yīng)這種空間觀測(cè)照相機(jī)對(duì)大卷底片的需求。除了以上型號(hào)以外，尼康還為NASA提供了特制的Nikon Photomic FT和Nikon Photomic FTN。在NASA的航天計(jì)劃中，應(yīng)該說(shuō)，尼康占有了35毫米照相機(jī)的主要位置。

美國(guó)航天飛機(jī)使用的太空大型照相機(jī)

　　特別值得一提的是在航天飛機(jī)上使用的大型照相機(jī)（Large Format Camera）。它被固定在飛機(jī)的貨艙上，膠片盒是預(yù)裝的2400張9英寸×18英寸的五種膠片（彩色/紅外、普通彩色，黑白、黑白/紅外線等）。這種大型照相機(jī)重約1500公斤，由美國(guó)航空航天局地面控制中心操縱，提供非常高分辨率的光學(xué)圖片。我們?cè)趫?bào)刊上看到很多關(guān)于地球的精美照片多是來(lái)自這樣的大型照相機(jī)。 

　　除了拍攝固定的照片以外，16mm數(shù)據(jù)攝影機(jī)、電視攝像機(jī)、大范圍覆蓋相機(jī)(mapping camera system)、全景相機(jī)(panoramic camera)也被帶入太空。16mm的Maurer攝影機(jī)可以自動(dòng)每秒鐘拍攝24幀畫(huà)面，或者由地面控制室或宇航員操控每秒鐘拍攝1、6或12幀畫(huà)面，從而在底片上記錄時(shí)間基準(zhǔn)標(biāo)記。這樣的攝影機(jī)可以由宇航員攜帶或者固定在飛船的窗口。由美國(guó)RCA公司制造的電視攝像機(jī)，在人類(lèi)登月過(guò)程中記錄了歷史性的時(shí)刻。而美國(guó)西屋（Westinghouse）公司的彩色攝像機(jī)也參與了登月，它可提供每秒30幀彩色圖像，每幀525線的優(yōu)質(zhì)圖像。宇航員可以手持?jǐn)z像機(jī)，通過(guò)5cm的黑白監(jiān)視器聚焦和取景。由美國(guó)仙童公司出品的大范圍覆蓋相機(jī)是76mm格式，使用5英寸的膠片。這種相機(jī)用在月球表面的高精度形貌成像。另外一種特殊照相機(jī)是全景照相機(jī)。這種相機(jī)類(lèi)似于拍攝大型團(tuán)體合影用的搖頭相機(jī)，利用底片前的狹縫寬窄和相機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)決定曝光時(shí)間。全景相機(jī)采用折疊式的600mm鏡頭f/3.5，視角10.77度，在100千米高空觀測(cè)范圍是20千米。在拍攝過(guò)程中，鏡頭繞軸心旋轉(zhuǎn)，而狹縫（根據(jù)需要在0.38-7.6mm之間）保持打開(kāi)。這種方式拍攝的照片覆蓋角度達(dá)108度，提供的信息量很大。

發(fā)達(dá)國(guó)家是如何拍攝太空?qǐng)D片的  

　　美國(guó)的載人空間攝影開(kāi)始于1960年左右，由雙子星（Gemini）計(jì)劃、阿波羅（Apollo）計(jì)劃，航天飛機(jī)（Shuttle）、空間實(shí)驗(yàn)室（Skylab）和國(guó)際空間站（International Space Station）拍攝的地球上的地貌、海洋和大氣照片深深地影響了一代又一代人。早期的空間攝影為黑白、彩色、彩色/紅外膠片，而現(xiàn)代的攝影技術(shù)高速發(fā)展，存貯介質(zhì)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到數(shù)字存儲(chǔ)（磁盤(pán)）或者實(shí)施傳遞（將拍攝信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到地面控制中心）。除了特殊高分辨率圖像的需求以外，許多太空攝影工作可以用現(xiàn)代的數(shù)字相機(jī)代替了。

　　如前所述，照相機(jī)所使用的底片主要是70mm和35mm兩種格式，成像為黑白、彩色和彩色/紅外膠片等。

　　太空攝影并非只是那些震撼人心的淡藍(lán)色地球的圖像，更多是搜集科學(xué)和軍事的信息。我們常說(shuō)的攝影實(shí)際上屬于被動(dòng)探測(cè)(passive remote sensing)，收集的是來(lái)自太陽(yáng)照射地球的自然光，而更有軍事用途的是主動(dòng)探測(cè)(active remote sensing)，即探測(cè)人工發(fā)射的光源，如雷達(dá)、激光所照射的物體反射的光線。對(duì)攝影師來(lái)說(shuō)，記錄的只是地球反射太陽(yáng)光發(fā)出的紫外線、可見(jiàn)光、近紅外光譜中的可見(jiàn)光部分（波長(zhǎng)400-700nm）。而地球表面由于人類(lèi)活動(dòng)和各種工業(yè)設(shè)施，發(fā)射其他波段的輻射，如中紅外線、熱紅外線、微波輻射等。探測(cè)這些輻射的分布在軍事上有特殊用途。比如，對(duì)熱紅外線成像可以準(zhǔn)確地判斷局部發(fā)熱的設(shè)施，如工廠、電站等。在紅外線成像的照片上也會(huì)發(fā)現(xiàn)有趣的現(xiàn)象，如綠樹(shù)在紅外照片中顯現(xiàn)出紅色或者粉色。

　　載人飛船攝影提供了在地球上所無(wú)法得到的重要信息，比如：1.可以在與太陽(yáng)成特殊角度時(shí)對(duì)地球成像，即從低于地平線直到垂直于太陽(yáng)光成像。這些獨(dú)特的光線條件是一般遙感技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的。2.當(dāng)飛船拍攝垂直于地球表面的圖像時(shí)，在不同的角度采用序列攝影可以形成所謂立體攝影效果（由于人的雙眼觀測(cè)物體有一個(gè)夾角，因此可以判斷物體的遠(yuǎn)近），更加便于識(shí)別地面的物體。3.更加充分了解在熱帶地區(qū)，如靠近赤道的區(qū)域是一般技術(shù)難以探測(cè)的，而正是這些地區(qū)由于人類(lèi)的影響而造成環(huán)境的迅速破壞。

　　從上面簡(jiǎn)單的介紹可以看到，人類(lèi)在太空的攝影內(nèi)容極其豐富，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球上的攝影愛(ài)好者所能涉及的范圍了。

我國(guó)應(yīng)如何利用太空攝影收集更多的地球信息

　　隨著現(xiàn)代高技術(shù)的發(fā)展，宇航員的攝影工作被大量自動(dòng)裝置所代替，安裝在飛船外部和內(nèi)部的攝像機(jī)可以按照地面控制中心的要求定時(shí)拍攝有關(guān)的地區(qū)。然而，作為人類(lèi)探險(xiǎn)的重要組成部分，宇航員可以隨時(shí)根據(jù)需要手工調(diào)控照相機(jī)角度，拍攝特殊的角度和對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行照相觀測(cè)。因此，這就對(duì)非專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的宇航員提出了更高的要求。根據(jù)美蘇早期經(jīng)驗(yàn)，宇航員的攝影工作會(huì)受到很多限制，比如由于他們忙于其他空間實(shí)驗(yàn)，會(huì)錯(cuò)過(guò)最好的角度；或者他們?cè)谒瘔?mèng)中漏過(guò)太陽(yáng)照射地球的第一縷光線，或者由于云霧遮掩，不能拍攝特定的地區(qū)。當(dāng)然，沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的人員會(huì)不可避免地犯些技術(shù)上的錯(cuò)誤。從楊利偉拍攝的那幅地球照片中可以清楚地看到太陽(yáng)能電池的光帆遮住了地球很大區(qū)域，而圖片中清晰可見(jiàn)舷窗在照片中的強(qiáng)烈反光（見(jiàn)圖5）。這些問(wèn)題如果訓(xùn)練有素應(yīng)該可以避免。但是我們相信，我國(guó)未來(lái)的宇航員將會(huì)得到更加深入的攝影和地球科學(xué)的系統(tǒng)訓(xùn)練，以便充分利用空間遨游的寶貴機(jī)會(huì)，為我們提供更加精美的圖片。

　　毋庸諱言，發(fā)射飛船的目的之一是用于軍事偵察。美國(guó)、前蘇聯(lián)發(fā)射的各種航天器（衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)等）在不同的軌道上收集地面的各種信息。中國(guó)發(fā)射的飛船也將對(duì)自行研制的空間攝影裝置進(jìn)行測(cè)試，以改進(jìn)中國(guó)軍隊(duì)太空偵察的質(zhì)量。

　　現(xiàn)在我們可以自豪地說(shuō)，我國(guó)載人航天器的順利發(fā)射已經(jīng)開(kāi)辟了中國(guó)人在太空直接觀測(cè)地球的新紀(jì)元。

本文刊發(fā)在2003年《中國(guó)攝影報(bào)》第88期6版

作者簡(jiǎn)介

朱 星 

　　早期攝影發(fā)燒友，曾經(jīng)和弟弟在泰山頂上用國(guó)產(chǎn)120相機(jī)拍攝日出后，在山頂旅館蓋著棉被用瓷碗沖洗底片。

　　早期使用蘇聯(lián)佐爾基135相機(jī)，后成為尼康迷，現(xiàn)存有尼康單反相機(jī)、傻瓜相機(jī)多臺(tái)，后使用尼康995數(shù)碼等相機(jī)。喜愛(ài)自己沖洗底片、放大和后期制作。結(jié)合目前從事的納米光學(xué)研究，鉆研現(xiàn)代攝影技術(shù)在光學(xué)、微機(jī)械和納米科技的結(jié)合方面發(fā)展。

　　1986年獲得德國(guó)自然科學(xué)博士，現(xiàn)為北京大學(xué)物理學(xué)院教授，中國(guó)攝影報(bào)忠實(shí)讀者。