Han opfandt instrumenter til sine studier, herunder mikrometeret til måling af fotografier, en maskine til at producere forbedrede styrede diffraktions gratings, og det første teleskop designet specielt til astrofotografi. Ved hjælp af hans instrumenter, Rutherfurd produceret en kvalitet samling af fotografier af Solen, Månen og planeter, samt stjernehobber og stjerner ned til femte størrelsesorden. I 1862, begyndte han at gøre spektroskopiske studier ved hjælp af sin nye diffraktions gratings. Han bemærkede forskellige klasser af spektral stjerner, som Angelo Secchi udvidet i oktober 1867 på en liste over fire stellar klasser.
himmelfotografi