什幺是天体真实的颜色?


为了天文研究的需要,天文观测时通常是使用天文专用单色CCD,搭配标準化的测光滤镜组(例如:Johnson UBVRI滤镜组),观测天体在透过特定滤镜后的亮度,作为天文学家比对天体亮度或资讯的标準。

什幺是天体真实的颜色?

ohnson UBVRI滤镜组的透光特性。(图片来源

但是,对于一般大众或是学生而言,研究并不是唯一个观测目的,有时颜色鲜明的天体照片比具有研究价值的单色影像更能达到推广天文的目的。所以,我们在教学生分析天文CCD观测影像的同时,也教他们如何将透过红光、绿光、蓝光滤镜的单色影像合成成彩色影像,这样不仅可以让学生直接了解其他专业天文机构所发布的彩色天文影像的可能合成方式,也在调整过程中发现到同样的一组影像竟可以调整成截然不同的结果。

不过,这也衍生出一个我们每年都会被问到的问题:到底怎幺调整才能得到这个天体的真实颜色?

真实的颜色的定义

所谓的真实的颜色到底是什幺?姑且不论每个人眼睛感色的差异,其实人眼并不是对于每个色光都有相同的感度。根据外国的研究,人眼对于可见光不同波段的相对 感度如下图所示,所以我们就以这个结果来作为真实颜色的定义,也就是说,如果我们可以透过各种方法将观测仪器对于不同色光的感光结果合成成如人眼的一样, 那就是真实的颜色了。

什幺是天体真实的颜色?

图片来源

接下来我们就来看看,星光透过望远镜、滤镜以及侦测器感应到的过程当中,是否与人眼对于不同色光的感光结果相同。

侦测器(CCD、CMOS等):

数位时代的可见光侦测器,大部份都是CCD或是CMOS,以下我们就以CCD来作为可见光侦测器的代表称呼。不同製程与设计的CCD,对于不同波段的敏感程度皆不相同,通常以波长为横轴、以量子效应为纵轴的图来表示。量子效应越高,代表该侦测器在此波段的感度越高。
下方为两种不同CCD的量子效应图。以波长500nm为例,KAI-2000M的量子效应为45%,KAI-2001/2020M则大约是53%。由图可以看出,可见光侦测器对于不同波段的感度与人眼差异极大。

什幺是天体真实的颜色?

图片来源

滤镜

不同使用目的的滤镜组,虽然看起来都是将光线分为红光、绿光、蓝光,但是每一组滤镜的透光特性(透光的频宽範围及透光率)也都不尽相同,合成后的效果也与 人眼的感光特性不尽相同。即使有所谓的true balance滤镜,也需要透过校正程序才能得到每个滤镜的相对曝光时间比例,但这也只是为了要让使用者便于决定使用每个滤镜的曝光长短,并无法保证透过 这样的滤镜就可以得到天体的真实色彩。

什幺是天体真实的颜色?

一般用来做三色合成的RGB滤镜组的透光特性。(图片来源

什幺是天体真实的颜色?

所谓ture balance滤镜的透光特性。(图片来源

望远镜的透光特性

如果望远镜的光学路径上会经过透镜,那幺从望远镜前方进入的光线,就会因为透镜对于不同波段有部同的透光特性而让不同色光到达侦测器的比例不同。虽然望远 镜製造商会以镀膜或不同的透镜材质来减少此事的发生,但是仍无法达到每个波段都是百分之百的透光率。下图为日本高桥所製造的FSQ-106望远镜的透光曲 线,虽然各波段的透光率已经相当高,但仍然会有一些透光率的差异。

什幺是天体真实的颜色?

图片来源

大气消光效应

在不同仰角的天体,会因为其光线透过大气的厚薄而产生不同程度的消光效应,除了整体光线强度减弱之外,仰角越低、空中的尘埃越多,光线通过时其短波长的光(紫光、蓝光等)被散射倒是项方向以外的量越多,也就会造成光线偏红,就如同晚霞的原理一样,所以,天体的仰角也是一个影像其颜色的因素之一。
从上数的几个因素看来,要还原出星光的原色有相当的难度,但是如果所拍摄的影像中有表面温度为6000 K的恆星,就可以直接利用影像处理软体指定此星的星光为白光,这样就可以精确的调整整个影像的白平衡。虽然如此,这个方法还是无法确保其他不同波段的感度 已经与人眼感受到的相同。


最终显示的媒介

假设我们可以经由三色合成时的调整,让上述的所有可能会影响天体颜色的因子合成后,变成符合人眼看见的特性。但最终显现出来的媒介也有非常决定性的影响。

如果以萤幕显示天体影像,则会因为萤幕的色温不同,而使得影像看起来偏蓝或偏黄。你可以拿两台不同厂牌的笔记型电脑显示同一个网页(此网页的白色越多越好)并排在一起看,就可以体会到这里所讲的意思。

另外,如果是以平面输出的方式将影像以不同方式呈现,则需要考虑到输出装置(例如:印表机)是否能够将所有的色彩都正确的输出。当然,你可以用所谓的校色 软体来校正输出结果,但是要特别注意一点,校色软体是在校正输出结果与萤幕显示的差异,而不是校正输出结果与真实数位影像资料的差异。在观看平面输出的结 果时,还会受到周遭灯光色温的影像,就像是水果摊会以不同颜色的灯光照射不同的水果的原理一样,这些都会影响人眼对于颜色的感受。

有这幺多因素会让三色合成的结果与肉眼看到的不同,虽然并不是完全无法将观测结果调整成所谓的真实色彩,但是就如同本文章的开头所讲的,如果天体影像是为了作为天文推广或是一般解说之用,稍微强调某个颜色,或是以影像调整的技巧让读者可以一眼看出重点,又何尝不可。

参考资料:
1. http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/
2. http://www.sbig.com/sbwhtmls/online.htm
3. http://www.astrodon.com/products/filters/e-series/
4. http://www.astrotreff.de/topic.asp?TOPIC_ID=98314&whichpage=1

上一篇: 下一篇: