Как свет огибает кончик моего пальца?

Хорошо, кажется, что user21820 прав ; этот эффект возникает из -за того, что объекты на переднем и заднем плане находятся не в фокусе , и возникает в областях, где объект на переднем плане (ваш палец) частично перекрывает фон, так что блокируются только некоторые световые лучи, достигающие вашего глаза от фона. препятствием на переднем плане.

Чтобы понять, почему это происходит, взгляните на эту диаграмму:

Черная точка — это удаленный объект, а пунктирные линии изображают световые лучи, выходящие из нее и попадающие на линзу, которая перефокусирует их для формирования изображения на поверхности рецептора (сетчатке вашего глаза или сенсору вашей камеры). Однако, поскольку линза немного не в фокусе, световые лучи не сходятся точно в плоскости рецептора, и поэтому изображение кажется размытым.

Важно понимать, что каждая часть размытого изображения формируется отдельным световым лучом, проходящим через разные части линзы (и промежуточного пространства). Если мы вставим между объектом и линзой препятствие, которое блокирует только некоторые из этих лучей, эти части изображения исчезнут!

Это имеет два эффекта: во-первых, изображение фонового объекта кажется более четким, потому что препятствие эффективно уменьшает апертуру объектива. Однако он также смещает центр апертуры и, следовательно, результирующего изображения в одну сторону.

Направление, в котором смещается размытое изображение, зависит от того, сфокусирован ли объектив слишком близко или слишком далеко. Если фокус слишком близко, как на диаграммах выше, изображение будет казаться смещенным от препятствия. (Помните, что линза инвертирует изображение, поэтому изображение самого препятствия будет отображаться над изображением точки на диаграмме!) И наоборот, если фокус будет слишком далеко, фоновый объект будет казаться сдвинутым ближе к препятствию.

Как только вы узнаете причину, нетрудно воссоздать этот эффект в любой программе 3D-рендеринга, поддерживающей реалистичное фокусное размытие. Я использовал POV-Ray , потому что я с ним знаком:

Выше вы можете увидеть два рендеринга классической сцены компьютерной графики: желтая сфера перед плоскостью сетки. Первое изображение визуализируется с узкой апертурой, показывая как сетку, так и сферу в четких деталях, в то время как второе изображение визуализируется с широкой апертурой, но с сеткой в ​​фокусе. Ни в том, ни в другом случае эффект не возникает, так как фон находится в фокусе.

Однако все меняется, как только фокус немного перемещается. На первом изображении ниже камера сфокусирована немного впереди плоскости фона, а на втором изображении она сфокусирована немного позади плоскости:

Вы можете ясно видеть, что при фокусе между сеткой и сферой линии сетки, близкие к сфере, кажутся смещенными от нее, в то время как при фокусе за плоскостью сетки линии сетки смещаются к сфере.

Перемещение фокуса камеры дальше от плоскости фона делает эффект еще сильнее:

Вы также можете ясно видеть линии, которые становятся более четкими рядом со сферой, а также изгибаются, потому что часть размытого изображения заблокирована сферой.

Я даже могу воссоздать эффект ломаной линии на ваших фотографиях, заменив сферу узким цилиндром:

Напомним: этот эффект вызван тем, что фон (слегка) не в фокусе, а объект переднего плана эффективно перекрывает часть апертуры камеры/глаза, вызывая смещение эффективной апертуры (и, следовательно, результирующего изображения). Это не вызвано:

• Дифракция: Как показывают приведенные выше компьютерные рендеры (которые созданы с использованием трассировки лучей и, следовательно, не моделируют никаких эффектов дифракции), этот эффект полностью объясняется классической оптикой лучей. В любом случае дифракция не может объяснить смещение фоновых изображений в сторону препятствия, когда фокус находится за плоскостью фона.

• Отражение: Опять же, для объяснения этого эффекта не требуется отражения фона от поверхности препятствия. На самом деле, на компьютерных изображениях выше желтая сфера/цилиндр вообще не отражает фоновую сетку. (Поверхности не имеют зеркального отражения, и в модель освещения не включены эффекты непрямого диффузного освещения.)

• Оптическая иллюзия: тот факт, что это не иллюзия восприятия, должен быть очевиден из того факта, что эффект можно сфотографировать, а искажение измерить по фотографиям, но тот факт, что его также можно воспроизвести с помощью компьютерного рендеринга, еще раз подтверждает это.

Приложение: просто для проверки я воспроизвел рендеринг выше, используя свою старую зеркальную камеру (и ЖК-монитор, желтую пластиковую крышку от банки со специями и нитку, чтобы ее повесить):

На первом фото выше камера сфокусирована за экраном; у второго он перед экраном. На первом фото ниже показано, как выглядит сцена, когда экран находится в фокусе (или настолько близко, насколько это возможно, с ручной настройкой фокуса). Наконец, нижеприведенное изображение с камеры мобильного телефона (второе) показывает, как были сделаны остальные три фотографии.

Приложение 2: До того, как комментарии ниже были вычищены, там было некоторое обсуждение полезности этого явления в качестве экспресс-теста для самодиагностики миопии (близорукости).

Хотя я не офтальмолог , похоже, что если вы испытываете этот эффект невооруженным глазом, пытаясь удерживать фон в фокусе, то у вас может быть некоторая степень близорукости или какой-либо другой дефект зрения, и вы можете захотеть получить проверка зрения .

(Конечно, даже если вы этого не сделаете, в любом случае делать это каждые несколько лет или около того — неплохая идея. Легкая близорукость, вплоть до того момента, когда она становится достаточно серьезной, чтобы существенно мешать вашей повседневной жизни, может быть удивительно опасной. иначе трудно поставить самодиагностику, так как обычно она появляется медленно и, не с чем сравнивать свое зрение, вы просто привыкаете к тому, что удаленные объекты выглядят несколько размыто, ведь в какой-то степени это верно для всех, меняется только расстояние. )

На самом деле, с моей легкой (около -1 дпт) близорукостью я могу лично подтвердить, что без очков я могу легко видеть как эффект изгиба, так и резкость деталей фона, когда я двигаю пальцем перед глазом. Я даже вижу намек на астигматизм (который, как я знаю, у меня есть; мои очки имеют некоторую цилиндрическую коррекцию, чтобы исправить это) в том факте, что в некоторых ориентациях я могу видеть, как детали фона изгибаются не только в сторону от моего пальца, но и чуть боком. Когда я ношу очки, эти эффекты почти исчезают, но не полностью, что позволяет предположить, что мой текущий рецепт может быть немного неправильным.

Вопреки некоторым ответам, которые люди разместили на Yahoo Answers (например , здесь и здесь ) и в других местах, это не вызвано дифракцией.

Чтобы показать это, обратите внимание, что эффект изгиба можно грубо смоделировать как дифракционную картину из-за света, падающего на края непрозрачного объекта. Как пояснил Род Вэнс , профиль интенсивности на экране на высоте$x$из-за плоского предмета расстояние$d$с экрана дается

С использованием$d=5\text{cm},\lambda=600\text{nm}$, это дает

Это указывает на то, что существует разброс примерно$0.05\text{mm}$к$0.1\text{mm}$. Это очень небольшое расстояние, примерно такое же, как толщина листа бумаги, и намного меньше, чем вполне заметный прогиб в сторону пальца, присутствующий в$2^\text{nd}$синяя линия на фоне бумаги. Таким образом, хотя дифракция может играть небольшую роль, представляется сомнительным, что она является доминирующей.

Дополнительные доказательства того, что это связано с дифракцией, получены при рассмотрении хроматических эффектов. Изгиб сильно$\lambda$-зависимый, при этом красный свет изгибается сильнее, чем синий свет. Если бы дифракция была основным явлением, ответственным за это, вы бы ожидали увидеть эффект радуги на краях вашего пальца, при котором свет от бумаги преломляется под разными углами в зависимости от длины волны. Однако этого не наблюдается.

Кроме того (и, вероятно, самый важный момент!), Как указал Роб в своем ответе, дифракция приведет к тому, что синие линии за пальцем будут изгибаться вверх , но вместо этого они изгибаются вниз .

Я предполагаю, что здесь главную роль играют какие-то геометрические факторы (возможно, с камерой, объективами и т. д.), но я подожду мнения людей, которые разбираются в оптике больше, чем я.

Ха-ха, когда я был молод, я думал, что этот эффект связан с гравитацией, которая, конечно, слишком слаба, чтобы можно было наблюдать крошечные объекты. Но оказывается, что это не рефракция, не дифракция и не параллакс. Вместо этого это происходит из-за неправильного фокуса. Если вы близоруки, как я, то при взгляде на далекий объект каждая точка будет генерировать на сетчатке изображение круглого диска вместо острой точки. Когда вы перемещаете край любого объекта рядом с глазом, и он блокирует часть зрачка, изображение, генерируемое на вашей сетчатке, больше не будет полным диском, поэтому изображение кажется смещенным от края. Это объясняет ваши четыре более поздних изображения сетки. Обратите внимание, что остальная часть сетки никогда не находится в резком фокусе, но область рядом с краем закрывающего объекта более резкая. это потому, что эти точки генерировали меньше, чем полный диск на плоскости сенсора камеры. Что касается ваших более ранних изображений, они были связаны с тем, что фокус находился за пределами объекта, на который вы смотрели. Как и раньше, каждая точка будет отображать изображение диска на вашей сетчатке, но перевернутое. Таким образом, когда другой объект закрывает часть вашего зрачка, кажется, что изображение смещается к краю, а не от него.

Чтобы доказать правильность этого объяснения, поднесите лицо близко к экрану, не фокусируя на нем взгляд, и проведите пальцем перед глазами. Изображение на экране будет перемещаться к вашему пальцу, а также станет более четким в направлении, перпендикулярном краю вашего пальца. Теперь повторите этот эксперимент с экраном на удобном для чтения расстоянии и убедитесь, что вы фокусируетесь точно на экране. Блокировка вашего обзора сейчас не должна влиять на видимое положение каждого пикселя на экране. Если кажется, что он все еще движется, это потому, что размытое (несфокусированное) изображение вашего пальца создает оптическую иллюзию. Чтобы этого не произошло, вместо нее можно использовать черную нить. И если вы сосредоточитесь где-то перед экраном, изображение на экране будет казаться удаляющимся от вашего пальца.

Отредактировано: Илмари Каронен опубликовала полный и убедительный ответ на этот вопрос. Я оставляю этот ответ, несмотря на отрицательные голоса, потому что он содержал полезные подсказки: эффект несовместим с дифракцией света вокруг препятствий и имеет какое-то мягкое отношение к несовершенной фокусировке в неидеальной оптической системе.

Это поднимает вопрос, почему вы не видите и прямого, и отраженного изображения; Я подозреваю, что угловое расстояние достаточно мало, чтобы фокус камеры мог объединить два изображения, но у меня пока нет для этого хорошей модели.

Мне кажется, что это на самом деле случай параллакса , по большей части. Ваша сетчатка и ПЗС-камера не являются точечными стоками. Они представляют собой массив точечных стоков. Если вы суммируете точечные приемники (фоторецепторы) на поверхности каждого из этих датчиков изображения, вы получите именно такой эффект.
Вы можете продемонстрировать это, держа палец дальше от лица (чтобы учесть большее расстояние между датчиками), сфокусироваться на чем-то на заднем плане (как требуется в примере с одним глазом) и мысленно (или цифровым способом с помощью камеры) наложить эти два изображения.
Вы получите сплошное перекрытие, когда оба глаза видят одно и то же изображение, и нечеткий край, когда вид отличается.
Попробуйте поднести палец еще ближе к лицу, размытие вокруг него станет больше, потому что это параллакс, и эффект усиливается с меньшим расстоянием.

Происходит много вещей, которые могут повлиять на то, что вы видите (какие искажения случаются). Некоторые из них были затронуты (или более подробно обсуждены) в других ответах, поэтому я не буду вдаваться в подробности:

1. Эффекты диафрагмы и фокусировки
2. Аберрации оптической системы (линза низкого качества в глазу или камере)
3. Дифракция вокруг объекта
4. Ваша кожа (на самом деле, весь палец, кроме кости) не совсем непрозрачна — через нее проходит немного света, и она при этом изгибается. Использование такого предмета, как кусок листового металла или карандаш, поможет избежать этого.
5. Ваш палец, вероятно, немного теплее окружающего воздуха. Более теплый воздух менее плотный, поэтому луч света будет немного отклоняться от вашего пальца. Также могут быть конвективные потоки, воздействующие на свет дальше от пальца, в зависимости от ориентации. Здесь поможет использование объекта той же температуры, что и воздух.
6. Свет искривляется массой вашего пальца (очень, очень крошечный эффект, который, вероятно, никогда не будет измерен. Прочтите об измерении искривления света звезды Солнцем во время солнечного затмения 1919 года, это было одним из первых подтверждений общей теории относительности Эйнштейна. Это был довольно маленький угол.)

Все эти вещи (и, возможно, больше, о чем я сейчас не могу думать), примерно в порядке убывания, влияют на изображение и должны учитываться.