原理+教程:手机拍恒星光谱

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原理+教程:手机拍恒星光谱

缘起

文:李旺

2021 年暑假,我用自己“魔改”的望远镜成功拍摄了部分亮星的恒星光谱。后投稿至天文通,很荣幸被第 31 期交作业选上。

评论区有许多网友做出了评论,还有网友看到后艾特天文通老 A,希望出一期关于恒星光谱摄影的原理+教程。

于是,本人收到了天文通老 A 邀请,来与大家分享一下我的经历。本人入坑天文时间不长,到今年(2022 年)是第四个年头,后两年才开始逐渐了解恒星光谱的相关知识,学业不精,如有错误还请批评指正。

  • PS:这篇文章写到一半时才想起,老 A 以前发过一篇与光谱知识相关且非常全面的文章,本文的侧重点为实践经历分享,如想更细致的了解和光谱相关的知识,欢迎前去考古。


什么是恒星光谱

相信大家都知道艾萨克·牛顿发现七色光的故事,他用带有小孔的窗帘遮挡阳光使之形成一束光线,再利用三棱镜将这一束阳光分散成一条彩色条带。

牛顿及其成就网络插画

其实,这条彩色条带就是可见光波段下太阳的恒星光谱。如果将这里的小孔换成细缝,那么牛顿就有可能看到太阳光谱里的吸收线。这些吸收线是由于太阳大气中包含的元素对光球层光的吸收造成的,也被称为夫琅禾费暗线。

通过棱镜组分光光路拍摄的太阳光谱,可以看到许多暗线 2022.3

根据我自己的理解进行定义,恒星光谱的本质,是将恒星发出的光(电磁波)分解后得到的图像以及数据信息。而我所拍摄的主要为可见光波段下的恒星光谱。有人说,恒星光谱是恒星的“身份证”,我觉得这个比喻十分贴切,因为恒星光谱中包含着该恒星的许多信息。

太阳全光谱图

拍摄恒星光谱的光学原理

想明白如何获取恒星光谱,首先你要了解一点光学知识。其主要基本原理有光的折射和衍射。

  • 采用折射原理作为分光形式时,一般会使用物端棱镜或棱镜组作为分光元件,利用不同波长的光在同种介质中的折射率不同,将恒星发出的光分解成光谱,可以直接在棱镜或棱镜组后观察到明显的光谱。
两种棱镜式分光光路示意图
  • 采用衍射原理作为分光形式时,主要使用光栅作为分光元件,同样可以得到分辨率较为清晰的恒星光谱。光栅元件的种类有许多,常见的有反射光栅、透射光栅和棱栅,不同种类的光栅各有优缺点和应用场景。虽然看似光栅元件的种类很多,实则换汤不换药,其最基础的分光原理都是光的衍射,都是由元件中的光栅部分来完成。

对望远镜的改装与恒星光谱的拍摄

从太阳开始探索

离我们最近的恒星是太阳,其光谱型为 G2Ⅴ,它也是目前全天最亮的天体,所以拍摄太阳的恒星光谱相对容易,
但一定要注意安全!!!!!!!
要采取足够的减光措施!!!!!!!
否则容易造成设备烧损或人员受伤!!!!!!!最早我尝试拍摄太阳的恒星光谱时,并没有使用望远镜,因为太阳实在太亮了,我用白纸或其它材料反射太阳的光,然后通过自制的单缝,直接从光栅(光盘)中观察光谱,可以明显的看到较明显的吸收线。后来,结合玩具望远镜做了一个可以用来拍摄较亮光源光谱的装置 ↓

该望远镜是伽利略式光路,这是依据衍射光栅成像光路而设计选取的。拍摄出来的太阳光谱大致效果如下 ↓

可以看到几条明显的吸收线,这样的光路也可以拍摄较远处路灯的光谱,但是受到口径限制,通光量小,难以拍摄除太阳以外其他恒星的光谱。由于该方案拍摄的是光栅的一级谱线,分辨率较低。后来我发现相同条件下二级谱线似乎比一级谱线分布的范围更宽一些,于是我打算尝试拍摄二级谱线下的太阳光谱。后来换了个稍大的镜子,如法炮制,将与光栅固定好的凹透镜目镜安装上去。这是改装好的望远镜 ↓

由于口径略大(其实只有 50mm),只好用薯片筒的盖子和黑色电工胶带做了一个足够宽、细的单缝置于物镜端,然后直接对准太阳,此时,虽然通光面积仅有单缝的面积,但切记!尽量不要用眼睛直接去校准,可以通过镜筒的影子和光线在白纸上的投影来校准光路。此时,出射光的能量主要集中在一级光谱和零级明纹上,而二级光谱的亮度相对暗许多,在手机曝光调节的范围内,有利于拍摄。将光栅调整到合适的角度,拍摄光栅二级光谱反映的太阳光谱。

这是用上述方案和装置拍摄的太阳光谱,其中一张分辨率不高但是可以清楚的看到 Hα,β,γ 吸收线;另一张可以看到更多更细密的谱线,但局部过曝,蓝端的吸收线几乎都被过曝掩盖。由于光栅的性质,二级光谱的分辨率要比一级光谱高许多,所以我们可以看到更多更清晰的吸收线,但是二级谱线的红端会与三级谱线的蓝端重叠,形成“鬼线”,此处需要和一级谱线比较进行甄别。由于星光十分微弱,上述方案是为了拍摄太阳光谱而设计的,其光损耗较大,且口径更大的望远镜使用物端单缝会使性能大打折扣,该方案在我们拍摄除太阳以外其它恒星的恒星光谱时,不再适用。

光学元件的选择以及方案的优化

当我们拍摄较暗恒星的光谱时,需要设计、选择光损耗尽可能小的方案。最初,我使用了光盘作为光栅,并通过实验,用光栅方程大致测定了我所使用的 DVD 光盘,其刻录密度相当于 600 线的光栅,用光栅放在物镜端拍摄的效果如下,可以在拍摄光谱的同时看到被拍摄的物体,光谱还是非常清楚的,可以通过光谱来区分路灯的种类,图中连续谱的是 LED 灯,线状谱的是高压钠灯,还可以看到二级谱线 ↓

去年暑假我并没有尝试用光盘作为反射光栅拍摄恒星光谱,但是在目镜后,还是可以用肉眼通过光盘光栅看到部分亮星的恒星光谱。在更早的时候,我尝试过用光盘光栅在目镜后拍摄天狼星的恒星光谱,但那张照片已经找不到了,还记得当时全都靠手举着对准光路,手机也没有专业模式,拍出来的效果并不理想。后来,在和同好某灯的交流过程中,我了解学习了更多光学知识。在他的启发下,我从某款教具里拆到了一个合适的棱镜组作为分光元件。

暴力拆解图

该分光器的光路设计也挺好,缺点就是遮光筒的材料还是透光,在较亮环境下拍摄的光谱不太清楚。

我对这个棱镜组进行了一系列的测试和研究。

该图中棱镜的角度并不是真实的角度,中间一块棱镜的折射率要大于两边的。拆出后,我在这个棱镜外面加了一个外壳,用于保护和便于连接器材。然后测试这个棱镜组的分光性能,用这个棱镜组作为物端棱镜来拍摄身边的光源,色散效果非常明显,唯一的缺点就是通光面积太小,但它的损耗要比光栅低许多,几乎所有平行的入射光都被用于产生同一条光谱。

后来在辨认光谱中的吸收线时发现,棱镜组的谱线排列和波长之间的关系并不是线性的,而是随着波长数值的减小,等波长差的谱线间距越来越大。于是我将光盘光栅和棱镜组的谱线做了个对比 ↓

我利用日光灯中的汞光谱来进行对比,将照片中的汞双黄线对齐,与线性谱进行对比,此时各分光元件的非线性程度一目了然。

关于棱镜组的光学性能,后来我还发现一件事:有些星星较亮,例如天狼星,不借助望远镜,只通过分光棱镜组也可以拍摄到光谱,这也从侧面说明棱镜组的光学效率相对较高。但是这样拍摄出来的光谱受设备限制分辨率过低,没有太大价值。

光盘光栅和棱镜组的目视效果对比,同一亮度的光源,在相同距离下,通过光盘光栅看到的一级谱要比通过棱镜组看到的光谱暗的多,光盘光栅的二级谱线要更暗些。综上,我决定使用分光棱镜组来作为分光元件。虽然仍有不足之处,但综合对比,在拍摄恒星光谱时,分光棱镜组要比光盘光栅更方便些,且元件和光路之间没有特殊的偏转角, 整体光路几乎在同一条直线上,便于光路的设计和改造。考虑到其通光面积和元件大小限制,我决定将其放在目镜端进行拍摄。

  • PS:由于经费限制,作者并没有买光学光栅进行测试,光盘光栅的光学性能相比光学光栅还有一定差距

向着群星进发

拍摄恒星光谱的流程原理:我们通常需要借助望远镜来收集、汇聚星光,然后再通过直准系统和分光系统将不同波长的光分散,在光电转换元件上进行光谱成像,输出数据。这里的光电转换元件有我们熟悉的 CCD、CMOS(对应的设备有天文相机/单反相机/手机等)。如果想获取准确的数据,最好使用线性输出的摄影设备,一些单反相机或天文相机便是如此。且拍摄的格式也必须使用对应的格式,如 RAW 格式等。拍摄恒星光谱的操作:我们可以先用望远镜找到目标天体,调好焦,锁定赤道仪,再安装零部件,并校准光路。但是这样做起来比较麻烦,如果有条件的可以使用导星,提前安装并校准光路。当然,作者没有导星,只好在安装零件前后都校准一下目标。安装的次序为:先将分光棱镜组放在目镜后,再用手机支架将手机固定在分光棱镜组后。

安装次序示意图:望远镜+分光元件+拍摄设备;PS:纸盒偏重,后来换成了塑料泡沫

作者的摄影设备只有手机,虽然性能不及相机,但是已经物用其极了。使用手机对准光路时有个小技巧,首先用普通模式,长按屏幕锁定对焦和曝光,然后滑动曝光调节条,将亮度拉满,此时屏幕里不再是一片漆黑,而是可以看到中间一小块棱镜后视场的位置,尽管全是噪声。

在视场中再次找到目标,此次我们作为示例的目标为南河三。

锁定目标后切换到专业模式,将画面放大到合适的倍数(亮视场铺满最佳),调节好参数,对好焦,并将棱镜的分光方向旋转调节至与天体运动轨迹垂直,利用地球自转和长曝光将恒星光谱“扫”出来,形成二维光谱图像。当然,这种方法比较适合远离南北极轴点的天体,在极轴点附近的天体线速度较慢,但也可以拍摄其一维光谱。如果要出数据的话,一维线性光谱就足够了,只不过二维光谱照片给人看起来更直观些。使用手机拍摄时,由于触屏快门会造成抖动,影响照片质量(手非常稳的除外),我们可以利用耳机线、快门线或者蓝牙无线快门来按手机快门。

调节好参数和色散方向

拍摄出来的效果如下(略微有点歪)

南河三的光谱型为 F5Ⅳ-Ⅴ+DQZ 型,照片中可以看到不是很明显的 Hα 吸收线和非常明显的 Hβ 吸收线,Hγ 线被阳台窗框反射红绿灯的灯光掩盖了;当晚视宁度较差,拍摄出来的其它谱线并不清晰,由于建筑遮挡、宿舍门禁、天气变化等因素,还没有进行补拍,下次条件适宜时再试试。

光谱分析

如果,如果你使用的设备拍出的光谱数据是正确的话,可以根据光谱中吸收线的分布、强度等特征来判断恒星的光谱型,并对其进行分类,或者定量的测定恒星所含元素丰度。也可以通过对照已知光谱型的对照表来判断光谱型。事实上,这个工作前人已经做好了,且 AI 分类要比人工分类效率高很多。我们现在在天文软件上几乎能查到所有已知天体的光谱型。

如果你所拍摄的光谱分辨率很高,你可以对其进行波长校准,然后测量谱线是否发生红移或者蓝移,并测量其红移值,计算出他们的径向退行速度;如果谱线足够精细,还可以通过赛曼分裂等现象来间接观测恒星的磁场等信息。

恒星光谱的一种分类方法

相关补充

上述内容均为作者本人的探索过程,受到当时学识水平限制,并不能和专业研究相提并论,谨向大家分享我的经历。

关于恒星光谱拍摄和国内外业余做光谱的情况简述

以上尝试证明用手机和目端分光棱镜组在目镜后拍摄恒星光谱还是可行的,并且可以拍摄出明显的吸收线或发射线,通过照片能大致判断出恒星光谱的类型。在后来的学习过程中了解到,大气、折射式望远镜的镜片或手机、相机镜头的镜片对光信号有一定的吸收,会造成误差;由于手机等设备拍摄的照片在拍摄时已经被摄像头内置程序进行了非线性化处理,且信息缺失,所拍摄的恒星光谱数据不便用于专业研究。有些手机可以出 RAW 格式照片,但刚写这篇文章时,其线性程度还未得到准确验证。最好的条件是使用线性的设备如天文相机、一些单反相机进行拍摄,拍摄前还需要对设备进行校准,拍摄时还需要通过一些操作对观测目标进行大气吸收校准和流量标定。经过严格校准处理得到的恒星光谱才可以用于相关研究。受到手机硬件性能和尺寸限制,拍摄出来的光谱信息存在极大的偏差,修正难度较大,且分辨率较低,难以用于进一步的研究,没有太大科研价值。同时,该方案效率极低,拍摄速度远不及 LAMOST。LAMOST 一次拍摄就可获得 4000 条不同目标的恒星光谱,而且数据准确性要远高于我们这些小镜子;LAMOST 官网上也有部分天体光谱数据对大众开放。而我现在所用的方案可拍摄的极限星等因分光元件的损耗而大打折扣:我现在使用的望远镜在 4 级光害下极限星等约为 13 等,加了目端分光棱镜后,在 4 级光害下,目前最暗只能拍摄到 4-5 等左右天体的光谱,意外拍到过一张更暗的恒星光谱,估计在六等左右,受光害影响紫端已经看不清了,不确定是哪个天体,不过已经很接近该方案的极限星等。通过各种渠道,我也大致了解了国内外业余做光谱观测的水平程度,国内和国外相比还有不少差距。国内业余爱好者巡天项目中,业余光谱观测课题相对冷门,此前国内做业余光谱观测的同好人数较少,前辈们获得的光谱以科普为主,与专业学者对接且具备研究价值的光谱样本很少;而国外业余做光谱观测更多是与专业学者对接,很多开发仪器、 软件的业余爱好者背后也有技术支持。不过,随着大科学仪器的发展,业余的观测项目意义会越来越小,从科研的角度来讲,对专业的研究进行一些补充还有些意义。

关于 RAW 格式:

当前许多手机也有 RAW 格式,据说其线性程度似乎并不是很好,所拍摄的 RAW 格式照片并不能用于获取准确数据。有业内人士分析,似乎是因为厂家生产时,给手机摄像头内置的修正程序影响了 RAW 格式的线性程度。我也尝试过对手机拍出的 RAW 格式光谱照片照片进行测量,结果得到的结果很奇怪,横竖都是不是线性:1.由于使用的是棱镜组,在横轴上等波长差的谱线排列的间距分布是非线性的,上面有提到过,随着波长数值的减小,分布间距增大;2.亮度随着波长的变化也是非线性,这个也许和恒星黑体辐射的分布也有关系。

哦,这糟糕的对比截图

当然啦,如果我们能将所需要的信息导出成数组,可以尝试编写程序对数据进行修正。

用fistwork测量手机RAW得到了很奇怪的结果↑,从上到下依次为:RAW直测亮度曲线,JPG直测亮度曲线,RGB通道亮度曲线

这是 RAW 格式数据导出到 Excel 中绘制的图表和 JPG 格式的黑白、彩色照片 RGB 通道亮度曲线对比。可以看出,手机的 raw 格式原照片还是存在一些问题。之前向一位学长请教过拍摄恒星光谱的相关问题,经过他指点得知,手机存在 cmos 响应不均匀、位深不足等问题,不能准确记录光谱数据。如果想要准确获取恒星的光谱信息,建议使用黑白天文相机来拍摄,并考虑各种干扰因素进行修正。当然,这还没完,毕竟是第一次写科普文章,没啥经验,就把此前写好的部分发给老 A,向他请教,求指导。

第一次被老 A 当面这么夸,我的内心还是有亿点点小激动,虽然没有具体的修改意见,但是,当我看到“打磨”二字时,我想起了我的初衷,就是提高科普文章的质量,并让大众通俗易懂、感兴趣。于是我又对文章进行了许多修改,并对一些有“坑”的地方查资料,做实验,尽可能保证其准确性和真实性。文章中许多图表和照片也是在这段时间里拍摄、制作增替的,许多问题也是在这段时间里搞清楚的,在这段时间里也学到了不少东西。这段时间里主要对手机 RAW 拍光谱数据的问题进行了探究,还有就是分光棱镜组的谱线非线性分布拟合。一开始,我看到手机 RAW 得出的奇怪曲线就感到很迷,为啥是这样的,真的是手机 RAW 不行嘛?但是我没有想出原因,只能看出有几条趋势线:

这些“线”显然不连续的,趋势线之间互相交错断开,似乎还和 RGB 通道相对应,这些我是注意到了,但是万万没想起是拜耳滤镜导致的结果,后来在灯佬的提醒下我才反应过来。原来,在 cmos 表面有一层红、绿、蓝小格子按一定比例搭配交错排列的滤镜片,覆盖在每一个像元上,这就是拜耳滤镜,可以利用其分别获得不同像元上 RGB 通道的信号,再通过算法还原出色彩。手机 RAW 得出的奇怪曲线就是由于拜耳滤镜的交错排列造成。以前看过灯佬的科普视频,对于拜耳滤镜和摄影原理我还是有一丢丢了解的,但是这次没能联想到,实属不应该。灯佬也告诉我如何对手机 RAW 进行“解析”处理,就是最本质的合并像素,让拜耳滤镜的 RGB 通道叠加在一起,最终得到连续的 RAW 数据。最后还要测定手机 RAW 的线性程度,还是灯佬指导我进行了实验,当然,可能在此之前灯佬已经做过实验了;思路是通过曝光时间和 RAW 照片亮度之间的关系来检验手机 RAW 的线性程度,在光照环境稳定的情况下,曝光时间越长,接收记录的光子越多,由于该条件下单位时间内照射到传感器上的光子数是一定的,所以照片亮度和曝光时间应该存在线性关系。当然,实验时还需要拍摄相同曝光时间的暗场,减去暗场让起始曝光的时间都为零。

在灯佬的指导下做的,测试图片是我自己挑的,嗨害嗨灯佬用自己手机做的L(RGB)-曝光时间关系

结果非常的 amazing 啊,手机 RAW 的亮度和曝光时间确实成线性关系。那么,这是否可以说明,同一张照片当中,不同区域的亮度与实际亮度也成线性关系呢?减去暗场后起始曝光时间都为零,曝光时间和接收记录的光子数量成正相关,曝光时间和照片记录的亮度线性相关,如果两者的相关性一致,也许可以间接说明同一张照片上的亮度与实际亮度成线性相关;事实上由于手机镜头的焦距较短,画面中心到边缘的亮度变化存在余弦四次方定律,如何消除各种误差,得到正确的数据信息,还需要学习更多相关知识,并进一步实验。很多大佬都建议我换用天文相机或单反相机,但为什么我还是盘着手机 RAW 不放呢,一个原因是,确实,我还没攒够预算买天文相机,目前只有手机,也不想太依赖家长作为经济来源;还有一个原因,我觉得很重要,就是现在手机很普及,几乎人手一部甚至多部,是一个很大众、很便利的平台,而且手机的性能也还在提升,虽然不能匹敌相机,但是许多手机已经可以满足一定程度的观测摄影需求了;好些的天文相机,价格不亚于一两部手机,不是所有人都能支持这一笔开销,毕竟天文摄影本来就是投钱多经济回报低的项目,现实中,经常看到有些买了较昂贵设备的人,只看他们拍过几次,后来就再没影了,在一些二手平台上也能看到许多转卖回血的设备。当然论拍摄效果,天文相机肯定更胜一筹,天文相机的位深要远高于手机,我的手机 RAW 格式照片的位深为 8 位,灰度色阶就有 2^8 种,也就是 256 种不同的灰度,现在一些手机的位深可以达到 10-12 位;而天文相机的位深一般为 12-14 位,少数科研级有 16 位,位深越大,灰度色阶越多,信息保真越高,且输出的 RAW 数据都是线性的。关于单反相机,有些天文相机使用的 CMOS 元件和单反相机相同,虽然单反相机的普及程度不及手机,但是其价格要比天文相机便宜许多,某些单反相机的性价比要高于天文相机,不过,单反相机的 RAW 可能会存在内置算法篡改,数据的真实性不能得到保证。所以,贵也有贵的道理。以上是我从零开始截至目前学习和探索拍摄恒星光谱的过程经历,在此分享给大家,希望这篇文章可以给大家带来一些启发;感谢每个指导我的学长和同好,感谢大家对我这段时间以来的支持和帮助,也非常感谢天文通老 A 大大给我这样一次机会。这篇文章断断续续写了将近四个多月,初次写这样的文章,没有太多经验,如有不足之处,还请批评指正。祝愿我国的科普事业越来越好。

  • 全文完

老 A 注:在整理文章的过程中,我也想过是否再简化编辑一遍。不过考虑到这篇历时数月的文章,不仅分享了拍摄的相关知识,也记录了作为一名学生李旺同学的学习与钻研的历程,希望能勉励更多热爱天文的人。喜欢天文与科学,不一定要多么高端、昂贵的设备,最可贵的是那份深深的热爱。

整理:天文通open in new window