題:
為什麼有時光源會像星星一樣出現?
eWolf
2011-01-08 21:30:53 UTC
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例如,見這張照片:

Example photo

根據我的經驗,曝光時間越長,觀察到的效果越強。它是否正確?還有其他因素會影響這些恆星的形成嗎(順便說一句,有沒有更好的說法?)技術上到底會發生什麼?

有沒有辦法通過過濾器或其他方法來避免這種影響?
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八 答案:
whuber
2011-01-08 22:56:09 UTC
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這似乎是弗勞恩霍夫衍射的一個很好的例子。這是由於光的波特性。效果取決於波長(即顏色)。當來自幾乎無限距離的強光穿過狹窄的縫隙時,最明顯的是,該光線使垂直散佈到縫隙中。這會將點狀光束散佈到一對條紋中。

使用小孔徑會在相鄰葉片形成的角上產生類似狹縫的情況。因此,當您將圖像中的相對強度,點狀,單色光源和窄光圈組合在一起時,您應該會看到散發出的條紋(相同顏色)從垂直於葉片的兩個方向上的點開始。當您的隔膜由直刀片形成時,這將導致條紋的數量是刀片的兩倍。但是,平行葉片的條紋會重合。因此,對於具有奇數個葉片的隔膜(其中兩個葉片不平行),徑向條紋的數量是葉片的兩倍,但是對於具有偶數個葉片的隔膜(其中相對的葉片是平行的)而言,這些條紋重疊對,其條紋數量與刀片相同(,但是每個條紋的亮度是的兩倍 。)

Wikipedia文章的第一幅圖顯示了一個經典示例。衍射,用於Fraunhofer透過方形孔徑的衍射。您會看到四個定義明確的條紋。

該理論在此處進行了進一步解釋。該說明由 CA Padgham於1967年發布。肯·洛克威爾(Ken Rockwell)在他的散景討論中提到了這一點。

我們應該期望總是存在一定量的衍射。通常,它在大多數圖片中都很細微並且平均化:當仔細觀察時,它只會對任何圖像中的模糊程度造成很小的影響。只有在結合了多種因素(強單色光的點,小光圈,直的光圈葉片)的圖像中,它才會變得突出。這些信息顯示瞭如何通過改變曝光的這些因素(在可能的範圍內)使恆星更加突出或如何抑制它們。

最後,曝光的時間長短與發生的時間有關。正如您所觀察到的,只是因為明亮的點的曝光幾乎總是比記錄光所需的時間長得多:您試圖查看場景的其餘部分,這要暗得多。衍射條紋的亮度在遠離光源的地方下降得如此之快,以至於如果您使用足夠短的曝光時間正確自身曝光,條紋實際上將是不可見的。例如,背景中有較暗但仍然突出的光源:它們看起來像遠處的窗戶。它們也必須有自己的條紋,但是這些條紋太暗而看不見。 (適當的軟件過濾可能可以將它們帶出。)

顯然,這是最詳細的答案。謝謝!
這不是由於弗勞恩霍夫衍射,而僅僅是衍射。衍射積分很難求解,因此有兩種情況使它們更簡單。菲涅耳衍射積分適用於中等距離,而夫瑯禾費衍射積分適用於遠距離。在這種情況下,夫朗霍夫衍射積分將給出錯誤的解,因為檢測器非常靠近衍射源(孔徑)。根據孔徑光闌後面的元素,必須進行菲涅耳計算,或者可能要進行完整的計算。
@Brandon非常感謝您的澄清,但是我很難用Fraunhofer衍射的流行描述來平方它,例如[Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_diffraction_%28mathematics%29)上的描述: “在光學領域,當在距衍射物體很遠的距離處觀察衍射圖時,以及在成像透鏡的焦平面處觀察時,弗勞恩霍夫衍射方程都可用於對波的衍射建模。”後者的資格似乎明確適用於相機拍攝的圖像。
@whuber看到我的答案。實際上,在這裡使用fraunhofer還是菲涅耳積分實際上對星爆效應並不那麼重要,但對中心強度峰的明亮程度以及條紋中的能量分佈至關重要。
@Brandon對。那麼,為什麼要為此付出很多呢?您是否僅反對使用“弗勞恩霍夫”一詞?還是有一些與我的解釋有關的實質內容?如果是這樣,您認為應該修改哪些方面以使說明更清楚或更正確?
@whuber如果我想使您的答案更正確,我將刪除其中的大部分內容。
@Brandon謝謝;這清楚地表明了您的立場。那就沒有必要嘗試進行建設性的對話了。
@BrandonDube對不起,您不正確。通過弗勞恩霍夫衍射可以更準確地模擬這種效果。這裡的困惑是,儘管觀察距離*在技術上*短(即,顯然在菲涅耳狀態),但是由於透鏡將平面波聚焦到一個公共點(焦平面),所以觀察距離實際上與在無限遠處觀看。請參閱WP文章中有關Fraunhofer衍射的[“正透鏡的焦平面”] https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_diffraction#Focal_plane_of_a_positive_lens部分。
@scottbb菲涅耳積分永遠不會比fraunhofer積分“準確”。當x和y非常小時,二次相位項的加和為零。如果在x和y非常小時包括它們,則結果與fraunhofer積分相同。
@BrandonDube您說得對,我選擇的語言很差。說這種效果“ *通過Fraunhofer衍射更精確地建模”是錯誤的:菲涅耳積分總是比Fraunhofer積分更精確。我應該說在攝影中,諸如OP(或[Matt Grum的答案](http://photo.stackexchange.com/a/6609/11924)等)中的衍射峰始終處於遠場(即(例如Fraunhofer)制度,原因是觀察(圖像)平面*有效地*與無限遠處的觀察相同(即,具有較小的菲涅耳數)。
Matt Grum
2011-01-08 22:22:39 UTC
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這是由於衍射引起的,如John和Pearsonartphoto所述,光圈葉片會合。這是一種測試您有多少個光圈葉片的好方法!

要回答第二個問題,曝光時間不會直接影響效果。有兩個主要因素,第一個是光圈的大小(需要小),而長時間曝光往往會產生小的光圈。第二個因素是您需要拍攝光源。這往往僅在人造光的夜晚發生,因此人們又傾向於長時間曝光。

下面是一個效果很短的示例(不是我的!),用於說明要點:

(c ) photogeek133

好吧,我謊稱這是長時間曝光,並且閃光燈設置為頻閃,但是每盞燈都亮了很短一段時間。其他兩種成分-射入頻閃燈和小光圈(f / 14)是產生星形圖案的原因。

那肯定是一張令人印象深刻的照片!我以前聽說過衍射一詞。有人提到這是一個問題-除了像這樣的鏡頭(直接進入光源),衍射是否還會(以及如何)出現在其他地方?據我了解,通常這不是問題。
簡而言之(請參閱胡布的答案進行詳細分析!),衍射會導致光擴散。如果所有的光點都散開,顯然這是一個問題,因為這會產生模糊的圖像。衍射一直在發生,只是在較大的間隙或昏暗的燈光下,擴散並不明顯。我們這裡的間隙很小,光源很亮,因此清晰可見通常很暗的星形。
PearsonArtPhoto
2011-01-08 22:01:34 UTC
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您看到的是相機光圈形狀的結果。如果在相機的前面放一個心形或其他“濾鏡”,就會看到一個不同的形狀來代替那些燈。

您的猜測幾乎是正確的曝光時間越長,這種影響就越明顯。實際情況是光圈越小,這種影響就會越明顯。

John Cavan
2011-01-08 22:00:43 UTC
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有一些為此目的而設計的濾光片,星光,但如果沒有濾光片,通常在光圈葉片較直的鏡頭上使用較窄的光圈,即可看到效果。葉片越直,效果越明顯。

所以,正在發生的是這些明亮的固定光源使它們的光被透鏡的光圈彎曲,而星形圖案是由六個刀片的六邊形所定義的尖點所產生你的光圈。您會注意到星光都朝著燈光的同一方向傳播,這是因為光圈葉片。

順便說一句,我喜歡鏡頭。

大聲笑,我幾乎在同一時間回答,所以...
Stephan Seidl
2014-08-12 17:20:01 UTC
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為什麼光源有時會像星星一樣出現?好吧,我改變了看法,現在分享了一種普遍的觀點,即恆星來自衍射效應。支持衍射而不是反射的最強論點來自於星形圖案的對稱性,即,如果N為奇數,則N個虹膜葉片會產生2 * N尖峰。

Stephan Seidl
2014-08-10 21:44:10 UTC
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我相信您會在 http://www.stfmc.de/misc/diffcontrarefl/tlf.html

下找到問題的答案。
斯蒂芬(Stephan),我們想要回答問題,而不是指向人們可以去研究的其他地方。它似乎是一個有用的鏈接,但是您可以在此處總結一下該問題所適用的內容嗎?
Brandon Dube
2016-04-11 02:28:28 UTC
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這不是一個真正的答案,而是從 @whuber答案計算衍射圖的擴展。

首先,我們有了衍射積分。函數 U p sub> 描述了觀察平面中一定距離( x p sub> 距光軸y p sub> ),距光源(某種衍射物體,例如針孔)的距離 L z sub> ,相機光圈等)。 U s sub> 是描述源平面中復振幅的函數;對於極小的針孔,您可以使用狄拉克三角洲函數 U s sub> 中的第三個變量為0,因為為方便起見,我們說衍射對像是坐標系的原點。在其參數中的變量 x s sub> y s sub> 保留了以下事實:對象可能在 x–y 平面。

diffraction integral

這看起來好像不是很可怕的積分,但是 k r sp sub> 都是更大的表示法:

definitions of k and rsp

將函數與帶有基數的方根集成 e 的分子和分母中的項確實是一個非常討厭的積分。

一個通過使用二項式級數表示和消除平方根來簡化積分。截斷高階術語。 Fraunhofer積分在需要2個項時成立。 菲涅耳積分適用於需要3個項的情況。有一些證據可以證明這一點,但這不在此範圍之內。

當我們開始操縱這些東西以獲得菲涅耳和弗勞恩霍夫衍射積分時,我們得到三個量。

Criterion variables

如果 Nfd *(θ d sub> 2 sup> << 1,則菲涅耳積分有效。如果是真的,並且 Nfs << 1,則Fraunhofer積分成立。

這兩個積分是:

菲涅耳:

Fresnel Integral

弗勞恩霍夫:

Fraunhofer Integral

其中

Proportionality constant

ν x sub> ν y sub> 是光源在給定維度上的尺寸除以光的波長乘以到光源的距離。通常將其寫為ν s sub> = d /(λx s sub> )。

要回答@whuber的問題,儘管維基百科指出,為什麼您可能需要一個或另一個,這需要一些思考。

“在成像的焦平面上鏡頭……”評論可能是從一本教科書上摘下來的,這暗示著衍射的來源(即針孔,狹縫等),這些等式與來源的幾何形狀無關。不幸的是,不僅鏡頭無法達到Fraunhofer積分所允許的任何距離和距離,而且衍射也源自照相機的鏡頭系統內部。

從照相機的光圈進行衍射的正確模型是 n 側的光圈( n 是鏡頭中的光圈葉片的數量),在產生星爆圖案的圖像中物體的位置處被點光源照亮。

當物體真的很遠時(幾米就可以了),點源的行為就好像它們是平面波一樣,在Wikipedia上進行的推導也很好。

例如,雙高斯50毫米鏡頭的光圈距離圖像平面約40〜60毫米。它由物理光闌後面的兩個鏡頭成像,其距離大於該距離(這是出瞳的位置),但是出瞳不在 U s sub> x s sub> y s sub> ,0)函數居中!

對於500 nm和1 mm半徑的孔徑光,我們可以檢查Fraunhofer積分是否有效。等於(0.001) 2 sup> /(500 * 10 -9 sup> * 50 * 10 -3 sup>)或40,即> > 1,並且Fraunhofer積分無效。對於可見光,只要孔徑光闌距檢測器的距離在毫米量級, Nfs 就永遠不會接近1,更不用說小得多了。

這些等式可能與維基百科上的有所不同;我將引用羅曼徹斯特大學光學學院Vamivakas教授講授的OPT 261,干涉&衍射。 Hecht撰寫的《光學》中的方程應該非常相似。這些方程式用於復振幅,要獲得輻照度(也就是強度或亮度),您需要對結果進行平方。

由於我在接受的答案中的評論中提到的原因,您的陳述“ * Nfs *永遠不會接近1,更不用說小得多了”,這對於真實世界的攝影來說永遠都不正確。正是由於菲涅耳數<1(技術上為0),因為透鏡聚焦效應意味著觀察距離*好像*處於無窮大,所以這些衍射峰正是Fraunhofer衍射。
Dennis
2016-04-09 16:46:05 UTC
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這裡是一個例子,我個人很喜歡這種效果。像我將要鏈接的照片那樣,它可以在照片中添加一些藝術性。

原因是由於我漂亮的50mm上的光圈葉片。

曝光是恆星的次要原因,因為我必須關閉光圈,才能使照片所拍攝的所有明亮光線都不會過度曝光。如果我只是為了照明而曝光,那麼在要曝光建築物的照片中,除了黑色以外,什麼都看不到。

因此,為了補償小光圈設置(此照片中為f / 20),我必須增加我的時間曝光(20秒)才能獲得適當的曝光。因此,隨著我增加光圈的數量或將其縮小以防止過度曝光,衍射就會發生或大大放大。

請注意以下exif信息:

  • Canon 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/

您的回答對OP問題有何幫助?我認為先前的答案已經說明了一切...


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