拍下奇异的星光？你需要了解这个天文摄影光谱仪DIY方案
拍下奇异的星光？你需要了解这个天文摄影光谱仪DIY方案
本文介绍了一种使用600线PET光栅的天文摄影光谱仪DIY方案，详细探讨了多种光谱拍摄方案及其优缺点，并分享了数据处理方法和实践经验。
方案介绍
此次方案使用了一片600线的PET光栅，价格在30元左右，置于目镜（准直镜）之后与手机镜头（成像镜头）之前，在目镜前的焦点处放上半视场遮光光阑（纸片铝箔等就可以），利于消除背景光对光谱的干扰以及不影响搜寻目标（因为作者没有导星镜）。调整好光栅色散方向，对准目标，跟踪曝光拍摄，这种方法适用于拍摄恒星或M42等这类发射星云的光谱。
图1：手机目镜后无狭缝光栅光谱方案示意图
图2：目镜改装实物效果图（摄于2022.12.06）
图3：实拍M42发射星云光谱（20s,ISO1000,摄于2022.12.06 01:26）
此外，这种方案用拖影法也可以扫出的二维恒星光谱，可以直观的看出明显的吸收线。
图4：拖影法拍摄的参宿四恒星光谱（摄于2022.12.06 01:43）
拖影法拍恒星光谱只是为了让谱线看起来更直观，一般这样拍出来的光谱更适合做科普，实际上在准确获取恒星光谱时需要长时间稳定跟踪，特别是在拍摄暗至9等或更暗的天体时，需要稳定跟踪曝光数小时。
行星相机方案
后来作者用自己参加比赛所得的奖金买到了人生中第一枚行星相机-图谱225MC，C代表“colour”，是彩色相机的意思，有拜耳滤镜，120万像素(1280×960)，传感器尺寸为1/3"，其在400-1000nm都有较好的光谱响应，入手后又开始了新的尝试。
图5：图谱-225MC行星相机所使用的IMX225-CMOS传感器的RGB光谱响应曲线
行星相机比手机更好的地方在于，没有像手机那样固定的UV-IR截止片，可以拍摄到近红外以及近紫外的信息，且输出的是没有经过任何篡改的fit格式原始数据。
图6：行星相机CMOS特写
作者尝试了几种不同的光谱拍摄方案（箭头方向代表光线传播光路），包括：
- 狭缝→透镜→分光棱镜组/光栅→行星相机/手机
- 光栅→镜头→行星相机
- 望远镜→光栅→行星相机
- 望远镜→目镜→光栅→镜头→行星相机
每种方案各有优缺点及其适用范围：
- 方案由于有狭缝的存在，谱线的对比度更高，分辨率较好，适合拍摄亮度较高的漫反射光源、点光源，可拍摄的光源类型没有太大限制，唯一缺点是所拍摄光源的亮度受限，狭缝的通光面积小，拍摄较暗光源时需要长曝光，该方案对于星光以及可拍摄光谱的极限星等还有待测试。
图7：①方案中行星相机配合光栅及狭缝拍摄的太阳光谱
图8：①方案中行星相机配合棱镜及狭缝拍摄光谱效果
图9：①方案中的手机目镜后有狭缝光栅光谱
图10：①方案中的手机目镜后有狭缝分光棱镜组光谱
图11：①方案中的手机拍摄的有狭缝分光棱镜组太阳光谱
方案视场较大，其视场角直接取决于所使用的镜头，一般用广角镜头较为合适，可以同时看到目标和光谱，适合做流星光谱监测。但遗憾的是，受到光污染影响和设备性能限制，作者用此方案并没有成功拍摄的到广域星空中任何恒星的光谱。
方案是作者最初想到的用透射光栅拍摄恒星光谱的方案，但是在实际测试中发现，由于使用的是普通消色差式望远镜，存在较大色散，经过光栅在CMOS像面上直焦时，光谱蓝端会发散，无法合焦成像。
方案可以解决上述问题。同时，在某学长的提醒下，作者还在物镜端加上了减径光圈纸板，减小镜片边缘带来的色差，尽可让光谱蓝端合焦，最终可以看到明显的氢β、γ、δ吸收线。但是这个方案并不是最完美的，由于使用的是普通消色差式望远镜，光谱蓝端仍有较大色差，无法分辨出Hδ之后光谱中的吸收线。实际拍摄中还存在光污染带来的炫光现象，成像质量有待提高。
图12：②、④方案的镜头及④方案中光栅固定位置
图13：普消物镜端加上的减径光阑特写
数据处理
此前作者处理数据一直用的是Fitswork和Excel联动，将行星相机拍摄的fit格式文件导入到fitswork，合并拜耳滤镜（不是转彩色，是0.5倍缩图），再从照片中读取光谱数据，导入到Excel中，用H巴尔末系吸收线进行波长校正（Hα656.2852nm,Hβ486.133nm,Hγ434.047nm,Hδ410.0174nm），但当时流量标定的原理还没去弄明白，所以并不清楚如何进行流量标定。后来才知道，再对光谱进行波长校正后，需要用当晚拍摄的标准星光谱除以标准星的标准光谱得出校正曲线，对矫正曲线进行平滑处理后，再用其对当晚拍摄的目标星光谱进行校准。当然，也会用到偏置场，平场和暗场来进行校正。
后来作者参与了由同好发起的文献翻译项目，更进一步的接触和学习了BASS这个光谱处理软件，并能用BASS来做一些简单的光谱处理。再后来这位同好发起并建立了一个国内的业余天文网站，叫做“银河派对”，大家一起整理了许多干货和教程公开发布在上面，其中就包括使用BASS软件处理光谱的教程，欢迎各位感兴趣的同好前往品读。（友情链接https://milkywayparty.com/）（注：2023年末的时候该网站由于各种原因关闭了 2024-8-8 04:52:05）
优化建议
- 拍摄光谱尽量用反射式望远镜，因为反射式望远镜和折射式望远镜相比没有色差，光谱可以更好的聚焦。
- 在使用小口径望远镜拍摄光谱时，所拍摄光谱的极限星等于分辨率二者不可得兼，这与分光系统的效率以及整个光学系统的综合性能都有关系。优化和提高光光学系统的各项性能，选用口径更大的望远镜，选用性能更好的天文相机，在光污染更小的地方拍摄，都可以提高光谱拍摄的成像质量。
一些感悟
- 如果想更深入的研究天文光谱，还需要学习更多专业的知识，提升自身学历和能力，参与到相关领域的前沿研究项目当中。在这段时间的学习和探究中，明显感受到了业余天文爱好者和专业天文台之间的差距，专业选手所前瞻的东西，业余选手未必能看到，业余爱好者也难以接触到大型天文科学设备和相关资源信息。我国的业余天文生态和国外是截然不同的，国外的业余爱好者大多与专业学者对接，可以接触到更多的资源和技术支持。这种差别可能和我国的学术制度有相关关系，国外的模式在国内并不适宜，所以，如果想参与到前沿天文领域的研究，就必须考取相应的专业，往更高的地方走。
- 不要把爱好当成专业。当你把爱好当成专业时，大多数人可能会发现，你所爱好的只是这个专业的一小部分，剩余的部分你可能把屋不住，或者难以去接受，从而导致对这个专业产生一定的厌倦感。还有一部小分人可能本来就有相应的天赋，或者能坚持下去，最终才有可能做出一定的成就。
- 定位和规划。无论做什么事情都要对自己做好定位，有多大能力做多大的事，作者现在对自己在业余天文方面的定位就是主要做科普方向的内容，做一些力所能及的事情，同时学习更多的知识，提升学历和能力，争取更好的机会和条件。其实在这篇文章快完成的时候作者已经在与别人合作着手业余天文的光谱仪设计和制作，在这个过程中也发现了自己在相关知识水平方面有较大的欠缺和不足，而且，也已经有其他同好在这之前就独立开发出了比较不错的业余天文光谱仪，但是受到民用级冷冻相机CCD性能的限制，对于光度偏低的目标（暗至10等），仍难以达到量化分析的信噪比要求，并且经过实践发现，国内难以采购适用于光谱波长定标光谱定标灯，灯泡本身不贵，但是厂家只愿意做成产品卖，这样溢价会高些。国内的一些业余天文台目前所使用的光谱仪主要是从国外购买，很大程度上是因为国内没有可以达到要求的业余天文光谱仪，而业余台的目标往往比一般爱好者拍摄的目标更暗，比如对暗至17-19等的目标做超新星光谱仪认证等，国内的业余天文台目前还没有达到这个目标，还需要做很多工作。而专业天文台，如国台，他们使用的是2.16米口径的望远镜和液氮制冷的传感器来拍摄天文光谱，可以拍摄到暗至23等目标的光谱，性能要远远高于业余天文所使用的小口径设备。但小口径的业余天文观测活动也不是毫无意义，大型天文观测设备通常都是要有一定的项目申请才能排队使用，而且都是有特定的科学目标，小口径的业余天文的观测在时域天文学方面比大型天文观测设备更有时间优势，可以以此来弥补口径和性能上的不足。
希望这篇拙作对大家在业余天文方面和未来发展的规划上有所帮助；如有错误还请指正。