什麼是天體真實的顏色？

什麼是天體真實的顏色？
臺北市立南湖高中地球科學教師 吳昌任/國立臺灣師範大學地球科學系傅學海副教授責任編輯

為了天文研究的需要，天文觀測時通常是使用天文專用單色CCD，搭配標準化的測光濾鏡組（例如：Johnson UBVRI濾鏡組），觀測天體在透過特定濾鏡後的亮度，作為天文學家比對天體亮度或資訊的標準。

ohnson UBVRI濾鏡組的透光特性。（圖片來源：http://www.sbig.com/sbwhtmls/online.htm）

但是，對於一般大眾或是學生而言，研究並不是唯一個觀測目的，有時顏色鮮明的天體照片比具有研究價值的單色影像更能達到推廣天文的目的。所以，我們在教學生分析天文CCD觀測影像的同時，也教他們如何將透過紅光、綠光、藍光濾鏡的單色影像合成成彩色影像，這樣不僅可以讓學生直接了解其他專業天文機構所發佈的彩色天文影像的可能合成方式，也在調整過程中發現到同樣的一組影像竟可以調整成截然不同的結果。

不過，這也衍生出一個我們每年都會被問到的問題：到底怎麼調整才能得到這個天體的真實顏色？

真實的顏色的定義

所謂的真實的顏色到底是什麼？姑且不論每個人眼睛感色的差異，其實人眼並不是對於每個色光都有相同的感度。根據外國的研究，人眼對於可見光不同波段的相對 感度如下圖所示，所以我們就以這個結果來作為真實顏色的定義，也就是說，如果我們可以透過各種方法將觀測儀器對於不同色光的感光結果合成成如人眼的一樣， 那就是真實的顏色了。

圖片來源：http://www.ecse.rpi.edu/~schuber … /Sample-Chapter.pdf

接下來我們就來看看，星光透過望遠鏡、濾鏡以及偵測器感應到的過程當中，是否與人眼對於不同色光的感光結果相同。

偵測器（CCD、CMOS等）：

數位時代的可見光偵測器，大部份都是CCD或是CMOS，以下我們就以CCD來作為可見光偵測器的代表稱呼。不同製程與設計的CCD，對於不同波段的敏感程度皆不相同，通常以波長為橫軸、以量子效應為縱軸的圖來表示。量子效應越高，代表該偵測器在此波段的感度越高。
下方為兩種不同CCD的量子效應圖。以波長500nm為例，KAI-2000M的量子效應為45％，KAI-2001/2020M則大約是53％。由圖可以看出，可見光偵測器對於不同波段的感度與人眼差異極大。

圖片來源：http://www.sbig.com/sbwhtmls/online.htm

濾鏡

不同使用目的的濾鏡組，雖然看起來都是將光線分為紅光、綠光、藍光，但是每一組濾鏡的透光特性（透光的頻寬範圍及透光率）也都不盡相同，合成後的效果也與 人眼的感光特性不盡相同。即使有所謂的true balance濾鏡，也需要透過校正程序才能得到每個濾鏡的相對曝光時間比例，但這也只是為了要讓使用者便於決定使用每個濾鏡的曝光長短，並無法保證透過 這樣的濾鏡就可以得到天體的真實色彩。

一般用來做三色合成的RGB濾鏡組的透光特性。（圖片來源：http://www.sbig.com/sbwhtmls/online.htm）

所謂ture balance濾鏡的透光特性。(圖片來源：http://www.astrodon.com/products/filters/e-series/)

望遠鏡的透光特性

如果望遠鏡的光學路徑上會經過透鏡，那麼從望遠鏡前方進入的光線，就會因為透鏡對於不同波段有部同的透光特性而讓不同色光到達偵測器的比例不同。雖然望遠 鏡製造商會以鍍膜或不同的透鏡材質來減少此事的發生，但是仍無法達到每個波段都是百分之百的透光率。下圖為日本高橋所製造的FSQ-106望遠鏡的透光曲 線，雖然各波段的透光率已經相當高，但仍然會有一些透光率的差異。

圖片來源：http://www.cloudynights.com/ubbt … /all/fpart/all/vc/1

大氣消光效應

在不同仰角的天體，會因為其光線透過大氣的厚薄而產生不同程度的消光效應，除了整體光線強度減弱之外，仰角越低、空中的塵埃越多，光線通過時其短波長的光（紫光、藍光等）被散射倒是項方向以外的量越多，也就會造成光線偏紅，就如同晚霞的原理一樣，所以，天體的仰角也是一個影像其顏色的因素之一。
從上數的幾個因素看來，要還原出星光的原色有相當的難度，但是如果所拍攝的影像中有表面溫度為6000 K的恆星，就可以直接利用影像處理軟體指定此星的星光為白光，這樣就可以精確的調整整個影像的白平衡。雖然如此，這個方法還是無法確保其他不同波段的感度 已經與人眼感受到的相同。

最終顯示的媒介

假設我們可以經由三色合成時的調整，讓上述的所有可能會影響天體顏色的因子合成後，變成符合人眼看見的特性。但最終顯現出來的媒介也有非常決定性的影響。

如果以螢幕顯示天體影像，則會因為螢幕的色溫不同，而使得影像看起來偏藍或偏黃。你可以拿兩台不同廠牌的筆記型電腦顯示同一個網頁（此網頁的白色越多越好）並排在一起看，就可以體會到這裡所講的意思。

另外，如果是以平面輸出的方式將影像以不同方式呈現，則需要考慮到輸出裝置（例如：印表機）是否能夠將所有的色彩都正確的輸出。當然，你可以用所謂的校色 軟體來校正輸出結果，但是要特別注意一點，校色軟體是在校正輸出結果與螢幕顯示的差異，而不是校正輸出結果與真實數位影像資料的差異。在觀看平面輸出的結 果時，還會受到周遭燈光色溫的影像，就像是水果攤會以不同顏色的燈光照射不同的水果的原理一樣，這些都會影響人眼對於顏色的感受。

有這麼多因素會讓三色合成的結果與肉眼看到的不同，雖然並不是完全無法將觀測結果調整成所謂的真實色彩，但是就如同本文章的開頭所講的，如果天體影像是為了作為天文推廣或是一般解說之用，稍微強調某個顏色，或是以影像調整的技巧讓讀者可以一眼看出重點，又何嘗不可。

參考資料：
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