Почему источники света иногда выглядят как звезды?

Это прекрасный пример дифракции Фраунгофера . Это связано с волновой природой света. Эффект зависит от длины волны (то есть цвета). Это наиболее выражено, когда яркий свет с практически бесконечного расстояния проходит через узкие щели, в результате чего свет распространяется перпендикулярно щелям. Это распространяет точечный луч света на пару полос.

Использование небольшой апертуры создает щелевидные ситуации в углах, образованных соседними лопастями. Таким образом, при сочетании относительно интенсивных точечных монохроматических источников света на изображении и узкой апертуры вы должны увидеть полосу (одного цвета), исходящую из точек в двух направлениях , перпендикулярных лопастям. Если ваша диафрагма состоит из прямых лепестков, то их будет в два раза больше .полосы как лезвия. Однако полосы для параллельных лопастей будут совпадать. Так, для диафрагмы с нечетным числом лепестков (где нет двух параллельных лепестков) радиальных полос будет в два раза больше, чем для лепестков, а для диафрагмы с четным числом лепестков (где противоположные лепестки параллельны) полосы перекрываются в пар, дающих такое же количество полос, как у лезвий ( но каждая полоса в два раза ярче ).

Классический пример показан на первом изображении в статье Википедии о дифракции , для дифракции Фраунгофера через квадратную апертуру. Вы видите четыре четко очерченные полосы.

Теория далее объясняется здесь . Это объяснение было опубликовано в 1967 году CA Padgham . Кен Роквелл упоминает об этом в своем обсуждении боке .

Мы должны ожидать, что всегда будет присутствовать определенная степень дифракции. Обычно он незначителен и усреднен на большинстве изображений: он лишь немного способствует размытости, которая присутствует на любом изображении, если смотреть на него достаточно внимательно. Только на изображениях, которые объединяют несколько факторов — точки интенсивного монохроматического света, маленькие апертуры, прямые лепестки диафрагмы — он станет заметным. Эта информация показывает, как вы можете сделать звезды более заметными или как вы можете их подавить, изменив эти факторы для вашей экспозиции (насколько это возможно).

Наконец, длительность экспозиции связана с возникновением этого эффекта, как вы заметили, но только потому, что экспозиция с яркими точками света почти всегда делается намного дольше, чем необходимо для записи света: вы пытаетесь увидеть остальную часть сцена, которая намного темнее. Яркость дифракционных полос так быстро уменьшается по мере удаления от их источников, что если бы вы использовали достаточно короткую экспозицию, чтобы правильно экспонировать сами источники света, полосы были бы практически невидимы. Например, на вашем фоне есть более тусклые, но все же заметные источники света: они выглядят как окна вдалеке. У них тоже должны быть свои полосы, но эти полосы слишком тусклые, чтобы их можно было увидеть. (Соответствующая фильтрация программного обеспечения может их выявить.)

Это происходит из-за дифракции там, где встречаются лепестки диафрагмы, как заявили Джон и Пирсонартфото. Это отличный способ проверить, сколько у вас лепестков диафрагмы!

Чтобы ответить на ваш второй вопрос, продолжительность воздействия не влияет напрямую на эффект. Есть два основных фактора: первый — это размер диафрагмы (она должна быть маленькой), а длинные выдержки, как правило, идут с малой диафрагмой. Второй фактор — вам нужно снимать в источник света. Обычно это происходит только ночью при искусственном освещении, поэтому опять же люди склонны использовать длинные выдержки.

Вот пример (не мой!) эффекта с очень короткой выдержкой, чтобы продемонстрировать суть:

(с) фотогик133

Хорошо, я солгал, что это была длинная выдержка с движущимися вспышками, настроенными на стробоскоп, но каждый свет был включен в течение очень короткого периода времени. Два других ингредиента — вспышка и малая диафрагма (f/14) — вот что создает звездные узоры.

То, что вы видите, является результатом формы апертуры вашей камеры. Если вы поместите, скажем, форму сердца или другой «фильтр» на переднюю часть камеры, вы увидите другую форму вместо этих огней.

Вы почти правы в своем предположении, что чем дольше экспозиция, тем сильнее можно наблюдать этот эффект. Что на самом деле происходит, так это то, что чем меньше ваша апертура, тем сильнее проявляется этот эффект.

Существуют фильтры, звездный свет, которые предназначены для этого, но без фильтра эффект обычно виден при более узкой диафрагме на объективах с более прямыми лепестками диафрагмы. Чем прямее лезвия, тем сильнее выражен эффект.

Итак, что происходит, так это то, что свет этих ярких и стационарных источников света отклоняется апертурой вашего объектива, а звездный узор создается острыми точками, определяемыми шестиугольником из шести лепестков вашей апертуры. Вы заметите, что все лучи звезд идут в одном направлении для источников света, это из-за лепестков диафрагмы.

Кстати, мне нравится кадр.

Почему источники света иногда выглядят как звезды? Что ж, я изменил свое мнение и теперь разделяю распространенное мнение о том, что звезды появляются из-за дифракционных эффектов. Самый сильный аргумент в пользу дифракции по сравнению с отражением исходит из свойств симметрии звездного узора, а именно, если N нечетно, то N лепестков радужной оболочки генерируют 2 * N шипов.

Я уверен, что вы найдете ответы на свои вопросы по адресу http://www.stfmc.de/misc/diffcontrarefl/tlf.html .

Это не верный ответ, а расширение расчета дифракционных картин из ответа @whuber .

Во-первых, у нас есть интеграл дифракции. Функция Up описывает комплексную амплитуду в плоскости наблюдения на расстоянии ( x _p , y _{p )} от оптической оси и на расстоянии L _z от источника (какого-либо дифракционного объекта, например обскуры, апертуры камеры и т. д.). ) U _s – функция, описывающая комплексную амплитуду в плоскости источника; для очень маленького отверстия можно использовать дельта-функцию Дирака . Третья переменная в U _s равна 0, потому что для удобства мы говорим, что дифракционный объект является началом системы координат. Переменные xs _{_}и y _s в своих аргументах учитывают тот факт, что объект может иметь некоторый размер в плоскости x–y .

Это может показаться не таким ужасным интегралом, но k и r _sp — это просто обозначения чего-то большего:

Интегрирование функции с радикалом с квадратными членами как в числителе e , так и в знаменателе — действительно очень неприятный интеграл.

Один упрощает интеграл, удаляя квадратные корни, используя представление биномиального ряда и усекая члены более высокого порядка. Интеграл Фраунгофера выполняется, когда нужно 2 члена; интеграл Френеля предназначен для случаев , когда нужно 3 члена. В доказательстве этого есть некоторый нюанс, но он выходит за рамки данной статьи.

Когда мы начинаем манипулировать этими вещами, чтобы получить интегралы дифракции Френеля и Фраунгофера, мы получаем три величины.

Если Nfd * ( θ _d ) ² << 1, интеграл Френеля верен. Если это верно и Nfs << 1, интеграл Фраунгофера выполняется.

Два интеграла:

Френель:

Фраунгофер:

куда

,

и ν _x и ν _y представляют собой размер источника в заданном измерении, деленный на длину волны света, умноженную на расстояние до источника. Обычно было бы написано ν _s = d / ( λx _s ).

Чтобы ответить на вопрос @whuber о том, зачем вам может понадобиться то или иное, несмотря на то, что утверждает Википедия, нужно немного подумать.

Комментарий «в фокальной плоскости формирующей изображение линзы...», вероятно, взят из учебника, и подразумевается, что источник дифракции (т. е. точечное отверстие, щель, что угодно — эти уравнения не зависят от геометрии источник) находится очень далеко. К сожалению, не только линза может находиться на любом расстоянии и ближе, чем позволяет интеграл Фраунгофера, но и дифракция возникает внутри линзовой системы камеры.

Правильная модель дифракции от апертуры камеры - это n - сторонняя апертура ( n - количество лепестков диафрагмы в объективе), освещенная точечным источником в месте расположения объекта на изображении, который создает узор звездообразования.

Когда объекты находятся очень далеко (достаточно нескольких метров), точечные источники ведут себя так, как если бы они были плоскими волнами, и выводы, сделанные в Википедии, в порядке.

Например, апертура двойного гауссового объектива 50 мм находится на расстоянии порядка 40–60 мм от плоскости изображения. Он отображается парой линз за физической диафрагмой на большее расстояние (это расположение выходного зрачка), но выходной зрачок находится не там, где функция U _s ( x _s , y _s ,0) по центру!

Для света с длиной волны 500 нм и радиусом апертуры 1 мм мы можем проверить, действителен ли интеграл Фраунгофера. Он равен (0,001) ² / (500*10 ^-9 * 50*10 ^-3 ), или 40, что равно >> 1 и интеграл Фраунгофера недействителен. Для видимого света, пока апертурная диафрагма находится на расстоянии порядка миллиметров от детектора, Nfs никогда не будет приближаться к 1, не говоря уже о том, чтобы быть намного меньше.

Эти уравнения могут несколько отличаться от приведенных в Википедии; Я бы сослался на OPT 261, Интерференция и дифракция в Институте оптики Университета Рочестера, который преподает профессор Вамивакас. Уравнения в «Оптике» Хехта должны быть довольно похожими. Уравнения предназначены для комплексной амплитуды , чтобы получить освещенность (также известную как интенсивность или яркость), вы должны взять квадрат величины результата.

Вот пример, и лично мне нравится эффект. Это может добавить немного художественности фотографии, как на той, на которую я дам ссылку.

Причина в лепестках диафрагмы на моем изящном 50 мм.

Экспозиция второстепенна по отношению к звездам, потому что мне приходится закрывать диафрагму, чтобы не переэкспонировать фотографии со всем ярким светом, в который я снимаю. Если я выставлю только свет, я не увижу ничего, кроме черного на фотографии, где я хочу выставить здание.

Таким образом, чтобы компенсировать маленькую диафрагму (f/20 на этом снимке), я должен увеличить время выдержки (20 секунд), чтобы получить правильную экспозицию. Таким образом, дифракция возникает или значительно усиливается, когда я увеличиваю число на диафрагме или закрываю ее, чтобы предотвратить передержку.

Обратите внимание на информацию exif:

• Canon EOS-1Ds Марк III
• Canon EF50mm f/1.8 II
• ƒ/20,0
• 25 сек
• ИСО-100

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