Почему источники света появляются иногда как звезды?

Смотрите, например, это фото:

По моему опыту, чем дольше воздействие, тем сильнее может наблюдаться этот эффект. Это верно? Существуют ли другие факторы, которые влияют на создание этих звезд (кстати, есть ли более подходящее слово для этого?) И что именно происходит технически?

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

Использование небольшой апертуры создает щелевидные ситуации на углах, образованных соседними лопастями. Таким образом, когда у вас есть комбинация относительно интенсивных точечных монохроматических источников света на изображении и узкой апертуры, вы должны увидеть полосу (одного цвета), исходящую из точек в двух направлениях, перпендикулярных лезвиям. Когда ваша диафрагма образована прямыми лопастями, это будет в два раза большеполосы как лезвия. Однако полосы для параллельных лезвий будут совпадать. Таким образом, для диафрагмы с нечетным числом лопастей (где нет двух параллельных лопастей) будет вдвое больше радиальных полос, чем для лопастей, но для диафрагмы с четным числом лопастей (где противоположные лопасти параллельны) полосы перекрываются в пары, дающие столько же полос, сколько и лезвий ( но каждая полоса в два раза ярче ).

Классический пример показан на первом изображении в статье в Википедии о дифракции для дифракции Фраунгофера через квадратное отверстие. Вы видите четыре четко определенные полосы.

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

Мы должны ожидать, что определенное количество дифракции всегда будет присутствовать. Обычно он незначительный и усредняется на большинстве снимков: он просто вносит незначительный вклад в размытость, которая присутствует в любом изображении, если смотреть на него достаточно внимательно. Только на изображениях, которые объединяют несколько факторов - точки интенсивного монохроматического света, небольшие отверстия, прямые лопасти диафрагмы - он станет заметным. Эта информация показывает, как вы можете сделать звезды более заметными или как вы можете их подавить, изменяя эти факторы для вашего воздействия (насколько это возможно).

Наконец, продолжительность воздействия связана с возникновением этого эффекта, как вы заметили, но только потому, что экспозиции с яркими точками света почти всегда выполняются намного дольше, чем необходимо для записи источников света: вы пытаетесь увидеть остальную часть сцена, которая намного темнее. Яркость дифракционных полос уменьшается настолько быстро вдали от их источников, что если вы используете достаточно короткую экспозицию для правильной экспозиции самих источников света, полосы будут практически невидимы. Например, на заднем фоне есть более тусклые, но все еще заметные источники света: они похожи на окна на дальнем расстоянии. У них тоже должны быть свои полосы, но эти полосы слишком тусклы, чтобы их видеть. (Соответствующая фильтрация программного обеспечения может вывести их.)

Это происходит из-за дифракции, когда лопасти апертуры встречаются, как заявили Джон и Пирсонартфото. Это отличный способ проверить, сколько у вас диафрагмы!

Чтобы ответить на ваш второй вопрос, продолжительность воздействия напрямую не влияет на эффект. Существует два основных фактора: первый - это размер диафрагмы (она должна быть небольшой), а длинные выдержки имеют тенденцию идти с небольшой апертурой. Второй фактор - вам нужно стрелять в источник света. Это обычно случается только ночью при искусственном освещении, поэтому люди, как правило, получают длинную выдержку.

Вот пример (не мой!) Эффекта с очень короткой выдержкой, чтобы продемонстрировать смысл:

(c) photogeek133

Хорошо, я соврал, что это была длинная экспозиция с движущимися вспышками, установленными на стробоскоп, но каждый свет включался в течение очень короткого периода. Два других компонента - стрельба в стробоскопы и небольшая диафрагма (f / 14) - это то, что создает звездные узоры.

То, что вы видите, является результатом формы отверстия в вашей камере. Если вы поместите, скажем, форму сердца или другой «фильтр» на передней панели камеры, вы увидите другую форму вместо этих источников света.

Вы почти правы, полагая, что чем дольше воздействие, тем сильнее этот эффект. На самом деле, чем меньше ваша апертура, тем больше будет этот эффект.

Существуют фильтры «звездного света», которые предназначены для этого, но без фильтра этот эффект обычно проявляется при более плотных диафрагмах на объективах с более прямыми лопастями диафрагмы. Чем прямолинейнее лезвия, тем сильнее выражен эффект.

Итак, что происходит, так это то, что эти яркие и стационарные источники света сгибают свет через апертуру вашей линзы, а рисунок звезды создается острыми точками, определяемыми шестиугольником на шести лопастях вашей апертуры. Вы заметите, что все звездные лучи идут в одном и том же направлении для света, это из-за лезвий апертуры.

Кстати, мне нравится выстрел.

Почему источники света появляются иногда как звезды? Ну, я изменил свое мнение и теперь разделяю мнение о том, что звезды происходят из-за дифракционных эффектов. Самый сильный аргумент в пользу предпочтения дифракции перед отражением исходит из свойств симметрии звездного рисунка, а именно, если N нечетно, то лопасти N радужки генерируют 2 * N пиков.

Я полагаю, что вы найдете ответ 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 дифракционный интеграл. Функция U _p описывает комплексную амплитуду в плоскости наблюдения на расстоянии ( x _p , y _p ) от оптической оси и расстоянии L _z от источника (некоторый вид дифракционного объекта, например, обскура, апертуры камеры и т. Д.). ) U _s - функция, которая описывает комплексную амплитуду в плоскости источника; для очень маленького отверстия можно использовать функцию дельты Дирака . Третья переменная в U _s равна 0, потому что для удобства мы говорим, что дифракционный объект является источником системы координат. Переменные х _си y _s в своих аргументах ведет учет того факта, что объект может иметь некоторый размер в плоскости x – y .

Это может не выглядеть таким ужасным интегралом, но k и r _sp - просто обозначение чего-то большего:

Интегрирование функции с радикалом с квадратными слагаемыми в ней как в числителе e, так и в знаменателе - действительно очень неприятный интеграл.

Один упрощает интеграл, удаляя квадратные корни, используя представление биномиальных рядов и обрезая члены более высокого порядка. Интеграл Фраунгофера держит , когда нужно 2 условия; интеграл Френеля для когда нужно 3 условия. В доказательстве этого есть некоторая нюансировка, но она выходит за рамки этого.

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

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

Два интеграла:

Френеля:

Фраунгофера:

где

,

и ν _х и ν _у являются размер источника в данной размерности , деленное на длине волны света от времени расстояние до источника. Обычно это будет записано ν _s = d / ( λx _s ).

Чтобы ответить на вопрос @ whuber о том, почему вам может понадобиться то или другое, несмотря на то, что говорится в Википедии, нужно немного подумать.

Комментарий «в фокальной плоскости объектива формирования изображения ...», вероятно, взят из учебника, и подразумевается, что источник дифракции (то есть, точечное отверстие, щель, что угодно - эти уравнения не зависят от геометрии источник) очень далеко. К сожалению, линза не только может быть на любом расстоянии и ближе, чем позволяет интеграл Фраунгофера, но и дифракция также возникает внутри системы линз для камеры.

Правильная модель для дифракции от апертуры камеры - это n- сторонняя апертура ( n - это количество лопастей диафрагмы в объективе), освещаемая точечным источником в месте объекта на изображении, которое создает шаблон звездообразования.

Когда объекты действительно далеко (несколько метров было бы хорошо), точечные источники ведут себя так, как будто они плоские волны, а деривация в Википедии хорошая.

Например, диафрагма для объектива с двойным гауссом 50 мм составляет порядка 40 ~ 60 мм от плоскости изображения. Это изображение отражается парой линз за физической остановкой на расстоянии, превышающем это (это местоположение выходного зрачка), но выходной зрачок находится не там, где есть функция U _s ( x _s , y _s , 0) в центре!

Для света с апертурой радиусом 500 нм и 1 мм мы можем проверить, является ли интеграл Фраунгофера действительным. Он равен (0,001) ² / (500 * 10 ^-9 * 50 * 10 ^-3 ) или 40, что составляет >> 1, а интеграл Фраунгофера недействителен. Для видимого света, пока упор диафрагмы составляет порядка миллиметра от детектора, Nfs никогда не будет где-либо около 1, не говоря уже о гораздо меньшем.

Эти уравнения могут несколько отличаться от уравнений в Википедии; Я хотел бы сослаться на OPT 261 «Интерференция и дифракция» в Институте оптики Университета Рочестера, преподававшего профессором Вамивакасом. Уравнения в оптике Хехта должны быть довольно похожи. Уравнения для комплексной амплитуды , чтобы получить облученности (он же интенсивности или яркости), вы бы величину квадрат результата.

Вот пример и лично я люблю эффект. Это может добавить немного художественности к фотографии, как в той, на которую я буду ссылаться.

Причина кроется в лопастях диафрагмы на моей изящной 50 мм.

Экспозиция является вторичной по отношению к звездам, потому что я должен закрыть диафрагму, чтобы не переэкспонировать фотографии со всеми яркими огнями, в которые я снимаю. Если я выставлю только ради света, я не увижу ничего, кроме черного на фотографии, где я хочу выставить здание.

Таким образом, чтобы компенсировать настройку малой диафрагмы (f / 20 на этом снимке), я должен увеличить время экспозиции (20 секунд), чтобы получить правильную экспозицию. Таким образом, дифракция происходит или сильно усиливается, когда я увеличиваю число на моей апертуре или закрываю ее, чтобы предотвратить переэкспонирование.

Обратите внимание на информацию exif:

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

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