为什么有时光源会像星星一样出现?


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例如,查看这张照片:

示例照片

根据我的经验,曝光时间越长,观察到的效果越强。这个对吗?还有其他因素会影响这些恒星的形成吗(顺便说一句,有没有更好的说法?)技术上到底会发生什么?


有没有办法通过过滤器或其他方法来避免这种影响?
路易斯·卡洛斯

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@路易斯:根据答案,我想你可以打开光圈。
eWolf 2012年

Answers:


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这似乎是弗劳恩霍夫衍射的一个很好的例子。这是由于光的波特性。效果取决于波长(即颜色)。当来自几乎无限距离的强光穿过狭窄的缝隙时,导致光垂直于缝隙扩散,这是最明显的。这将点状光束散布到一对条纹中。

使用小孔会在相邻叶片形成的角上产生类似狭缝的情况。因此,当您将图像中相对强烈的,点状的单色光源和狭窄的光圈组合在一起时您应该看到从垂直于叶片的两个方向上的点发出的条纹(相同颜色)。当隔膜由直刀片形成时,这将导致其数量增加一倍条纹如叶片。但是,平行叶片的条纹将重合。因此,对于具有奇数个叶片的隔膜(其中两个叶片不平行),径向条纹的数量是叶片的两倍,但是对于具有偶数个叶片的隔膜(其中相对的叶片平行)来说,这些条纹重叠对,其条纹数量与刀片相同(但每个条纹的亮度是其两倍)。

Wikipedia上有关衍射的文章的第一幅图片中显示了一个经典的示例,它说明了Fraunhofer通过方形孔径进行的衍射。您会看到四个定义明确的条纹。

该理论在这里进一步解释。这种解释是由CA Padgham于1967年发布的。肯·洛克威尔(Ken Rockwell)在对散景的讨论中提到了这一点。

我们应该期望总是存在一定量的衍射。通常,它在大多数图片中都很细微且平均化:当仔细观察时,它只会对任何图像中的模糊程度造成很小的影响。只有在结合了多种因素(强烈的单色光点,小孔径,直的光圈叶片)的图像中,它才会变得突出。这些信息显示了如何通过改变曝光的这些因素(在可能的范围内)使星星更加突出或如何抑制它们。

最后,正如您所观察到的,曝光时间长短与这种效果的发生有关,但这仅是因为几乎总是用亮点进行曝光的时间要比录制光所需的时间长得多:场景,这要黑暗得多。衍射条纹的亮度在远离光源的地方衰减得如此之快,以至于如果您使用足够短的曝光来适当地曝光光线本身,则这些条纹几乎是不可见的。例如,背景中有暗淡但仍然突出的光源:它们看起来像远处的窗户。它们也必须具有自己的条纹,但是这些条纹太暗而看不见。(适当的软件筛选可能可以将它们显示出来。)


显然,这是最详细的答案。谢谢!
eWolf 2011年

1
这不是由于弗劳恩霍夫衍射,而仅仅是衍射。衍射积分很难求解,因此有两种情况使它们更简单。菲涅耳衍射积分适用于中等距离,而夫朗霍夫衍射积分适用于远距离。在这种情况下,夫琅禾费衍射积分将给出错误的解,因为检测器非常靠近衍射源(孔径)。根据孔径光阑后面的元素,必须进行菲涅耳计算,或者可能要进行完整的计算。
Brandon Dube

@Brandon非常感谢您的澄清,但是我很难用Fraunhofer衍射的流行描述来平方它,例如Wikipedia上的描述:“在光学方面,当衍射图样出现时,Fraunhofer衍射方程用于模拟波的衍射。在与衍射物体相距很远的地方,以及在成像透镜的焦平面处观察时,都可以看到它。” 后者的资格似乎明确适用于相机拍摄的图像。
whuber

2
@BrandonDube对不起,您不正确。这种效果是很多更准确地由Fraunhofer衍射建模。这里的困惑在于,尽管观察距离在技术上很短(即,显然在菲涅耳状态下),但由于透镜将平面波聚焦到一个公共点(焦平面),所以观察距离实际上与在无穷。请参阅WP文章中有关Fraunhofer衍射的[“正透镜的焦平面”] en.wikipedia.org/wiki/…部分。
scottbb

1
@BrandonDube你是对的,我选择的话很差。话说效果“ 由Fraunhofer衍射更精确地模拟”是错误的:菲涅尔积分总是比弗劳恩霍夫积分更精确。我应该说,在摄影中,诸如OP(或Matt Grum的答案)之类的衍射尖峰始终处于远场(即Fraunhofer)状态,因为观察(图像)平面实际上是相同的。在无限远处观看(即,菲涅耳数较小)。
scottbb '16

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如John和Pearsonartphoto所说,这是由于衍射光阑叶片相遇所致。这是测试您有多少个光圈叶片的好方法!

要回答第二个问题,曝光时间不会直接影响效果。有两个主要因素,第一个是光圈的大小(它必须很小),而长时间曝光往往会产生一个小的光圈。第二个因素是您需要进入光源。这往往只在人造光的夜晚发生,因此人们倾向于长时间曝光。

这是一个效果很短的示例(不是我的!),用以说明这一点:

(c)photogeek133

好的,我撒谎说这是长时间曝光,闪光灯设置为频闪,但每个灯都亮了很短的一段时间。其他两种成分-射入闪光灯和小光圈(f / 14)是产生星形图案的原因。


那肯定是一张令人印象深刻的照片!我以前听说过衍射一词。有人提到这是一个问题-除了像这样的镜头(直接进入光源),衍射是否还会(以及如何)出现在其他地方?据我了解,通常这不是问题。
eWolf 2011年

2
简而言之(请参阅胡布的答案进行详细分析!),衍射会导致光扩散。如果所有的光点都散开,显然这是一个问题,因为这会产生模糊的图像。衍射一直在发生,只是在大的间隙或昏暗的灯光下,扩散并不明显。我们这里的间隙很小,光源很亮,因此清晰可见通常很暗的星形。
马特·格鲁姆

5

您所看到的是相机光圈形状的结果。例如,如果将心形或其他“滤镜”放在相机的前面,则会看到其他形状代替这些灯。

您的猜测几乎是正确的,即曝光时间越长,这种影响就越明显。实际情况是光圈越小,这种影响就会越多。


3

有一些设计为这样做的星光滤镜,但是如果没有滤镜,通常在光圈叶片较直的镜头上使用较窄的光圈时会看到这种效果。叶片越直,效果越明显。

因此,发生的事情是这些明亮的固定光源的光线被透镜的光圈弯曲,而星形图案是由光圈的六个叶片的六边形所定义的尖锐点所产生的。您会注意到星光都朝着相同的方向前进,这是因为光圈叶片。

顺便说一句,我喜欢拍摄。


大声笑,我几乎在同一时间回答,所以……
PearsonArtPhoto 2011年

2

为什么有时光源会像星星一样出现?好吧,我改变了看法,现在分享了一种普遍的观点,即恒星来自衍射效应。支持衍射而不是反射的最强论据来自星形图案的对称性,即,如果N为奇数,则N个虹膜叶片会产生2 * N尖峰。



0

这不是一个真正的答案,而是从@whuber的答案计算衍射图的扩展。

首先,我们有衍射积分。函数U p描述了在观察平面中距光轴的距离(x py p)和距源(某种衍射物体,例如针孔,相机光圈等)的距离L z的复振幅。 ) U s是描述源平面中复振幅的函数;对于极小的针孔,您可以使用狄拉克三角洲功能U s中的第三个变量为0,因为为方便起见,我们说衍射物体是坐标系的原点。变量x sy s在其参数书中保留这一事实,即对象在x-y平面上可能具有某些大小。

衍射积分

这可能看起来不像是一个可怕的积分,但是kr sp都只是表示更大的东西:

k和rsp的定义

实际上,在e的分子和分母中都将函数与带有平方项的部首进行积分确实是一个非常讨厌的积分。

通过使用二项式级数表示法和舍去高阶项来消除平方根,从而简化了积分。当一个需要2个项时,弗劳恩霍夫积分成立。该菲涅耳积分是当一个人需要3个条件。有一些证据可以证明这一点,但这不在此范围之内。

当我们开始操纵这些东西以获得菲涅耳和弗劳恩霍夫衍射积分时,我们得到三个量。

标准变量

如果NFD *(θ ð2 << 1,菲涅耳积分是有效的。如果是这样,并且Nfs << 1,则Fraunhofer积分成立。

这两个积分是:

菲涅耳

菲涅耳积分

弗劳恩霍夫:

弗劳恩霍夫积分

哪里

比例常数

ν Xν ÿ是在给定的尺寸通过光倍波长的源的距离除以源的大小。一般而言,这将被写入ν 小号 = ð /(λx 小号)。

要回答@whuber的问题,尽管维基百科指出,您为何可能需要一个或另一个,这需要一些思考。

“在成像透镜的焦平面上……”的评论可能是从教科书上摘下来的,其含义是衍射的来源(即针孔,狭缝等),这些方程式与几何形状无关。来源)很远。不幸的是,不仅镜头不能比Fraunhofer积分器允许的任何距离和距离都近,而且衍射也源自相机镜头系统内部。

相机光圈衍射的正确模型是一个n侧光圈(n是镜头中光圈叶片的数量),该光点在图像中产生星爆图案的物体位置处被点光源照亮。

当物体真的很远时(几米就可以了),点源的行为就好像它们是平面波一样,在Wikipedia上进行的推导也很好。

例如,双高斯50 mm镜头的光圈距离图像平面约40〜60 mm。它由物理光阑后面的两个镜头成像,其距离大于该距离(这是出瞳的位置),但出瞳不在U sx sy s,0)函数所在的位置居中!

对于500 nm和1 mm半径的孔径光,我们可以检查Fraunhofer积分是否有效。它等于(0.001)2 /(500 * 10 -9 * 50 * 10 -3)或40,即>> 1,并且Fraunhofer积分无效。对于可见光,只要孔径光阑距检测器约几毫米,Nfs就永远不会接近1,更不用说小得多了。

这些等式可能与Wikipedia上的有所不同。我将引用罗曼彻斯特大学光学学院瓦米瓦卡斯教授教授的OPT 261,干涉与衍射。Hecht撰写的《光学》中的方程应该非常相似。这些方程式是针对复数振幅的,要获得辐照度(又称强度或亮度),您将得出结果的平方。


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出于我在已接受答案中的评论中提到的原因,您的陈述“ Nfs永远不会接近1,更不用说更小了”,这对于真实世界的摄影而言永远是不正确的。正是由于菲涅耳数<1(技术上为0),因为透镜聚焦效应意味着观察距离就好像在无穷远处一样,这些衍射峰正是弗劳恩霍夫衍射。
scottbb '16

-1

这是一个例子,我个人很喜欢这种效果。就像我将要链接到的那样,它可以为照片添加一点艺术性。

原因是由于我50mm的光圈叶片。

曝光是恒星的次要因素,因为我必须关闭光圈,才能使照片所拍摄的所有明亮光线都不会过度曝光。如果我只是为了照明而曝光,那么在要曝光建筑物的照片中,除了黑色以外,什么都看不到。

因此,为了补偿小光圈设置(此照片中为f / 20),我必须增加我的时间曝光(20秒)才能获得适当的曝光。因此,随着我增加光圈数或将其缩小以防止过度曝光,衍射就会发生或大大放大。

注意exif信息:

  • 佳能EOS-1Ds Mark III
  • 佳能EF50mm f / 1.8 II
  • ƒ/ 20.0
  • 25秒
  • ISO-100

https://www.flickr.com/photos/eyeinfocus/25494167814/in/album-72157661802536456/


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您的回答对OP问题有何帮助?我认为以前的答案已经说明了一切……
Olivier
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