通过太空舱的窗口看地球     杨利伟 摄于神舟5号

　　神舟五号的成功发射与胜利返航使全中国人民欢欣鼓舞，而我国第一位宇航员杨利伟在太空拍摄的我们美丽的地球的图片使摄影爱好者不禁提出许多有关太空摄影的问题：为什么太空摄影会引起全世界的关注？太空摄影对照相机有什么特殊要求？宇航员使用什么摄影器材？发达国家是如何拍摄太空图片的？我们国家应当如何利用太空摄影收集更多的有关地球信息？本文将结合一些发达国家的经验，部分地回答以上问题。

太空摄影为何会引起全世界的关注

　　在美国军方教科书上开宗明义地写到：空间摄影的目的是“收集不同形式的政府级物体”。当然，为了满足科研需要和一般人员探索太空的兴趣，也可以为科学实验和用于公众事业提供有用的图像资料。航天飞机和国际航天站上的宇航员不停地拍摄有关地球的照片，在航天飞机上拍摄的照片85%是有关地球外貌的。而宇航员手持的照相机则主要用来拍摄地理图像、海洋、气象现象，如云团、台风等物体。

　　苏联在“礼炮”飞船计划中使用了由东德制造的MKF6多波段照相机进行了地球表面特点的地形摄影。美国的第一个载人飞船“水星计划”从1958年开始就进行了一系列空间实验活动，如对零重力、航天医学、太空辐射等研究，当然也开始了太空摄影的活动。在以后进行的“双子星座计划”中（1961年起）又将20名宇航员送入太空，并且首次实现了太空对接。其中取得的重大科学实验成果包括气象研究和地球摄影。“阿波罗计划”首次将人类送上月球，使全世界的人们从阿波罗传回的图片亲眼看到了人类登上月球这一世间壮举。而美国的空间站“太空实验室”(Skylab)和航天飞机更是发回了大量的有关地球的珍贵图片及在距离地面430千米的轨道上从太空实验室中拍摄的地球的表面形貌和多波段的图像。 

　　这些图片不但满足了人们从太空观测地球的梦想，又提供了大量有关大气、海洋、环境污染和矿产资源的信息。

太空摄影对照相机有什么特殊要求

　　首先，太空中的照相机必须能够在真空和零重力条件下工作。其次，太空船都是严格密封的，使用的仪器不能产生有害气体，甚至火花。另外，由于宇航员身着厚厚的宇航服和手套，照相器材必须在戴着手套的情况下也易于操作。因为在太空中由于没有大气层的保护，太阳的辐射以及阳光在相机上的反射比在地球上强得多。另外由于太空舱的空间和荷重都非常宝贵，不可能提供备份相机来防止意外的损坏，因此，照相机的可靠性是另一个重要的因素。

　　为了满足这些苛刻的条件，必须对上天的照相器材加以重新设计和改进。比如，所有机身中皮制的部分必须使用金属、外壳必须镀成不反光的黑色、塑料部件必须符合真空操作需要，而所有电子器件的焊点均要符合航天的特殊要求。如：经过特殊设计的电池舱要能够防止电解液泄漏，甚至胶片的厚度也需要减薄。而且对于快门速度的准确性也提出了更高的要求。 

　　照相机的操作部分要适应宇航员的需要，如要加大卷片手柄和倒片钮，加大计数器的数字和窗口，可更换镜头的接口必须更加方便、适用。而我们通常使用的聚焦环必须加上“耳朵”，以方便宇航员戴手套聚焦。

太空人使用何种摄影器材

美国最早用于水星计划中的哈苏相机

　　早期的太空航行中使用的照相机一般是市场中的优秀相机，如美国早期太空计划中的“水星计划”所使用的是哈苏照相机（Hasselblad）。

　　这种哈苏照相机还被带到了月球上。这种相机一般配有60mm广角镜头、80mm标准镜头、105mm、250mm和500mm高分辨率长焦距镜头，此机是半自动采用密封Ni－Cd电池的马达驱动。读者也许在关于太空遨游的图片中看到过，宇航员将哈苏照相机挂在宇航服的胸口部分，随时可以拿起相机拍照。在早期的工作中，人们在底片的焦点平面上安置reseau网格，可以提供光学校正的标准数据。在登月过程中，哈苏相机被用来拍摄微弱光线、来自地球的光线和紫外线摄影。应该说，在人类征服太空的征程中，哈苏相机功不可没。

尼康F3大相机

尼康F3小相机

　　尼康照相机是最早被美国航空航天局（NASA）认定的日本照相机。早在1971年尼康F相机即被送入太空参加了阿波罗15计划。与民用尼康F型照相机相比，空间摄影对尼康相机提出了更高的可靠性和可操作性的要求。为了满足NASA的需要，尼康研发了一款用马达驱动的尼康F3“小相机（small camera）”。然而这款相机只不过是相对于它的大兄弟尼康F3“大相机（big camera）”而言。

　　在尼康F3大相机上装有特制的薄型胶片，以适应这种空间观测照相机对大卷底片的需求。除了以上型号以外，尼康还为NASA提供了特制的Nikon Photomic FT和Nikon Photomic FTN。在NASA的航天计划中，应该说，尼康占有了35毫米照相机的主要位置。

美国航天飞机使用的太空大型照相机

　　特别值得一提的是在航天飞机上使用的大型照相机（Large Format Camera）。它被固定在飞机的货舱上，胶片盒是预装的2400张9英寸×18英寸的五种胶片（彩色/红外、普通彩色，黑白、黑白/红外线等）。这种大型照相机重约1500公斤，由美国航空航天局地面控制中心操纵，提供非常高分辨率的光学图片。我们在报刊上看到很多关于地球的精美照片多是来自这样的大型照相机。 

　　除了拍摄固定的照片以外，16mm数据摄影机、电视摄像机、大范围覆盖相机(mapping camera system)、全景相机(panoramic camera)也被带入太空。16mm的Maurer摄影机可以自动每秒钟拍摄24帧画面，或者由地面控制室或宇航员操控每秒钟拍摄1、6或12帧画面，从而在底片上记录时间基准标记。这样的摄影机可以由宇航员携带或者固定在飞船的窗口。由美国RCA公司制造的电视摄像机，在人类登月过程中记录了历史性的时刻。而美国西屋（Westinghouse）公司的彩色摄像机也参与了登月，它可提供每秒30帧彩色图像，每帧525线的优质图像。宇航员可以手持摄像机，通过5cm的黑白监视器聚焦和取景。由美国仙童公司出品的大范围覆盖相机是76mm格式，使用5英寸的胶片。这种相机用在月球表面的高精度形貌成像。另外一种特殊照相机是全景照相机。这种相机类似于拍摄大型团体合影用的摇头相机，利用底片前的狭缝宽窄和相机转动速度来决定曝光时间。全景相机采用折叠式的600mm镜头f/3.5，视角10.77度，在100千米高空观测范围是20千米。在拍摄过程中，镜头绕轴心旋转，而狭缝（根据需要在0.38-7.6mm之间）保持打开。这种方式拍摄的照片覆盖角度达108度，提供的信息量很大。

发达国家是如何拍摄太空图片的  

　　美国的载人空间摄影开始于1960年左右，由双子星（Gemini）计划、阿波罗（Apollo）计划，航天飞机（Shuttle）、空间实验室（Skylab）和国际空间站（International Space Station）拍摄的地球上的地貌、海洋和大气照片深深地影响了一代又一代人。早期的空间摄影为黑白、彩色、彩色/红外胶片，而现代的摄影技术高速发展，存贮介质已经转移到数字存储（磁盘）或者实施传递（将拍摄信号实时传送到地面控制中心）。除了特殊高分辨率图像的需求以外，许多太空摄影工作可以用现代的数字相机代替了。

　　如前所述，照相机所使用的底片主要是70mm和35mm两种格式，成像为黑白、彩色和彩色/红外胶片等。

　　太空摄影并非只是那些震撼人心的淡蓝色地球的图像，更多是搜集科学和军事的信息。我们常说的摄影实际上属于被动探测(passive remote sensing)，收集的是来自太阳照射地球的自然光，而更有军事用途的是主动探测(active remote sensing)，即探测人工发射的光源，如雷达、激光所照射的物体反射的光线。对摄影师来说，记录的只是地球反射太阳光发出的紫外线、可见光、近红外光谱中的可见光部分（波长400-700nm）。而地球表面由于人类活动和各种工业设施，发射其他波段的辐射，如中红外线、热红外线、微波辐射等。探测这些辐射的分布在军事上有特殊用途。比如，对热红外线成像可以准确地判断局部发热的设施，如工厂、电站等。在红外线成像的照片上也会发现有趣的现象，如绿树在红外照片中显现出红色或者粉色。

　　载人飞船摄影提供了在地球上所无法得到的重要信息，比如：1.可以在与太阳成特殊角度时对地球成像，即从低于地平线直到垂直于太阳光成像。这些独特的光线条件是一般遥感技术所无法达到的。2.当飞船拍摄垂直于地球表面的图像时，在不同的角度采用序列摄影可以形成所谓立体摄影效果（由于人的双眼观测物体有一个夹角，因此可以判断物体的远近），更加便于识别地面的物体。3.更加充分了解在热带地区，如靠近赤道的区域是一般技术难以探测的，而正是这些地区由于人类的影响而造成环境的迅速破坏。

　　从上面简单的介绍可以看到，人类在太空的摄影内容极其丰富，已经远远超过地球上的摄影爱好者所能涉及的范围了。

我国应如何利用太空摄影收集更多的地球信息

　　随着现代高技术的发展，宇航员的摄影工作被大量自动装置所代替，安装在飞船外部和内部的摄像机可以按照地面控制中心的要求定时拍摄有关的地区。然而，作为人类探险的重要组成部分，宇航员可以随时根据需要手工调控照相机角度，拍摄特殊的角度和对重点区域进行照相观测。因此，这就对非专业训练的宇航员提出了更高的要求。根据美苏早期经验，宇航员的摄影工作会受到很多限制，比如由于他们忙于其他空间实验，会错过最好的角度；或者他们在睡梦中漏过太阳照射地球的第一缕光线，或者由于云雾遮掩，不能拍摄特定的地区。当然，没有经过专业训练的人员会不可避免地犯些技术上的错误。从杨利伟拍摄的那幅地球照片中可以清楚地看到太阳能电池的光帆遮住了地球很大区域，而图片中清晰可见舷窗在照片中的强烈反光（见图5）。这些问题如果训练有素应该可以避免。但是我们相信，我国未来的宇航员将会得到更加深入的摄影和地球科学的系统训练，以便充分利用空间遨游的宝贵机会，为我们提供更加精美的图片。

　　毋庸讳言，发射飞船的目的之一是用于军事侦察。美国、前苏联发射的各种航天器（卫星、飞船、航天飞机等）在不同的轨道上收集地面的各种信息。中国发射的飞船也将对自行研制的空间摄影装置进行测试，以改进中国军队太空侦察的质量。

　　现在我们可以自豪地说，我国载人航天器的顺利发射已经开辟了中国人在太空直接观测地球的新纪元。

本文刊发在2003年《中国摄影报》第88期6版

作者简介

朱 星 

　　早期摄影发烧友，曾经和弟弟在泰山顶上用国产120相机拍摄日出后，在山顶旅馆盖着棉被用瓷碗冲洗底片。

　　早期使用苏联佐尔基135相机，后成为尼康迷，现存有尼康单反相机、傻瓜相机多台，后使用尼康995数码等相机。喜爱自己冲洗底片、放大和后期制作。结合目前从事的纳米光学研究，钻研现代摄影技术在光学、微机械和纳米科技的结合方面发展。

　　1986年获得德国自然科学博士，现为北京大学物理学院教授，中国摄影报忠实读者。