Warum erscheinen Lichtquellen manchmal als Sterne?

Dies scheint ein schönes Beispiel für Fraunhofer-Beugung zu sein . Das liegt an der Wellennatur des Lichts. Die Wirkung hängt von der Wellenlänge (also der Farbe) ab. Es ist am ausgeprägtesten, wenn helles Licht aus praktisch unendlicher Entfernung durch schmale Schlitze fällt, wodurch sich das Licht senkrecht zu den Schlitzen ausbreitet. Dadurch wird ein punktförmiger Lichtstrahl in zwei Streifen gespreizt.

Die Verwendung einer kleinen Öffnung erzeugt schlitzartige Situationen an den Ecken, die durch benachbarte Klingen gebildet werden. Wenn Sie also eine Kombination aus relativ intensiven, punktförmigen, monochromatischen Lichtquellen im Bild und einer schmalen Öffnung haben, sollten Sie einen Streifen (der gleichen Farbe) sehen, der von den Punkten in zwei Richtungen senkrecht zu den Lamellen ausgeht. Wenn Ihr Zwerchfell aus geraden Klingen besteht, führt dies dazu, dass es doppelt so viele gibtStreifen als Klingen. Die Streifen für parallele Klingen fallen jedoch zusammen. Somit gibt es bei einer Membran mit einer ungeraden Anzahl von Lamellen (bei der keine zwei Lamellen parallel sind) doppelt so viele radiale Streifen wie bei Lamellen, aber bei einer Membran mit einer geraden Anzahl von Lamellen (bei der gegenüberliegende Lamellen parallel sind) überlappen sich die Streifen Paare, die die gleiche Anzahl von Streifen wie Klingen ergeben ( aber jeder Streifen ist doppelt so hell ).

Ein klassisches Beispiel ist im ersten Bild im Wikipedia-Artikel zur Beugung für die Fraunhofer-Beugung durch eine quadratische Apertur dargestellt. Sie sehen vier gut definierte Streifen.

Die Theorie wird hier weiter erklärt . Diese Erklärung wurde 1967 von CA Padgham veröffentlicht . Ken Rockwell erwähnt es in seiner Diskussion über Bokeh .

Wir sollten erwarten, dass immer ein gewisses Maß an Beugung vorhanden ist. Es ist normalerweise gering und in den meisten Bildern gemittelt: Es trägt nur einen winzigen Teil zur Unschärfe bei, die in jedem Bild vorhanden ist, wenn man es genau genug betrachtet. Nur in Bildern, die mehrere Faktoren zusammenbringen – Punkte intensiven monochromatischen Lichts, kleine Öffnungen, gerade Blendenlamellen – wird es deutlich. Diese Informationen zeigen, wie Sie die Sterne hervorheben oder unterdrücken können, indem Sie diese Faktoren für Ihre Belichtung ändern (soweit Sie können).

Schließlich hängt die Belichtungsdauer mit dem Auftreten dieses Effekts zusammen, wie Sie beobachtet haben, aber nur, weil Belichtungen mit hellen Lichtpunkten fast immer viel länger gemacht werden, als zum Aufzeichnen der Lichter erforderlich ist: Sie versuchen, den Rest zu sehen die Szene, die viel dunkler ist. Die Helligkeit der Beugungsstreifen nimmt weg von ihren Quellen so schnell ab, dass die Streifen praktisch unsichtbar wären, wenn Sie eine ausreichend kurze Belichtungszeit verwenden würden, um die Lichter selbst richtig zu belichten. Zum Beispiel gibt es dunklere, aber immer noch markante Lichtquellen in Ihrem Hintergrund: Sie sehen aus wie Fenster in der Ferne. Auch sie müssen ihre eigenen Streifen haben, aber diese Streifen sind zu schwach, um sie zu sehen. (Eine geeignete Softwarefilterung kann sie möglicherweise hervorheben.)

Es liegt an der Beugung, wo sich die Blendenlamellen treffen, wie von John und Pearsonartphoto angegeben. Es ist eine nette Methode, um zu testen, wie viele Blendenlamellen Sie haben!

Um Ihre zweite Frage zu beantworten: Die Dauer der Exposition hat keinen direkten Einfluss auf die Wirkung. Es gibt zwei Hauptfaktoren, der erste ist die Größe der Blende (sie muss klein sein), und Langzeitbelichtungen gehen in der Regel mit einer kleinen Blende einher. Der zweite Faktor ist, dass Sie in die Lichtquelle schießen müssen. Dies geschieht in der Regel nur nachts bei künstlichem Licht, sodass die Leute wiederum dazu neigen, Langzeitbelichtungen zu verwenden.

Hier ist ein Beispiel (nicht meins!) des Effekts mit einer sehr kurzen Belichtung, um den Punkt zu demonstrieren:

(c) Fotofreak133

Ok, ich habe gelogen, es war eine Langzeitbelichtung mit bewegten Blitzen, die auf Stroboskop eingestellt waren, aber jedes Licht war für eine sehr kurze Zeit eingeschaltet. Die anderen beiden Zutaten – Aufnahmen in die Blitze und eine kleine Blende (f/14) – erzeugen die Sternenmuster.

Was Sie sehen, ist das Ergebnis der Form der Blende in Ihrer Kamera. Wenn Sie beispielsweise eine Herzform oder einen anderen "Filter" auf der Vorderseite Ihrer Kamera platzieren, sehen Sie anstelle dieser Lichter eine andere Form.

Sie liegen fast richtig mit Ihrer Vermutung, dass dieser Effekt umso stärker zu beobachten ist, je länger die Exposition dauert. Was tatsächlich passiert, ist, je kleiner Ihre Blende ist, desto stärker tritt dieser Effekt auf.

Es gibt Filter, Sternenlicht, die dafür entwickelt wurden, aber ohne Filter wird der Effekt normalerweise bei engeren Blenden auf Objektiven mit geraderen Blendenlamellen gesehen. Je gerader die Klingen sind, desto ausgeprägter ist der Effekt.

Was also passiert, ist, dass diese hellen und stationären Lichtquellen ihr Licht durch die Öffnung Ihrer Linse beugen und das Sternenmuster durch die scharfen Punkte erzeugt wird, die durch das Sechseck aus den sechs Lamellen Ihrer Öffnung definiert werden. Sie werden feststellen, dass die Sternenstrahlen für die Lichter alle in die gleiche Richtung gehen, das liegt an den Blendenlamellen.

Die Aufnahme gefällt mir übrigens.

Warum erscheinen Lichtquellen manchmal als Sterne? Nun, ich habe meine Meinung geändert und teile jetzt die vorherrschende Meinung, dass die Sterne von Beugungseffekten stammen. Das stärkste Argument für die Begünstigung der Beugung gegenüber der Reflexion kommt von den Symmetrieeigenschaften des Sternmusters, nämlich wenn N ungerade ist, dann erzeugen N Irislamellen 2*N Spitzen.

Ich denke, Sie finden die Antwort auf Ihre Fragen unter http://www.stfmc.de/misc/diffcontrarefl/tlf.html

Dies ist keine wahre Antwort, sondern eine Erweiterung zur Berechnung von Beugungsmustern aus der Antwort von @whuber .

Zuerst haben wir das Beugungsintegral. Die Funktion U _p beschreibt die komplexe Amplitude in der Beobachtungsebene in einem Abstand ( x _p , y _p ) von der optischen Achse und einem Abstand L _z von der Quelle (irgendein diffraktives Objekt, z. B. Lochblende, Kamerablende usw.). ) U _s ist eine Funktion, die die komplexe Amplitude in der Quellebene beschreibt; Für eine extrem kleine Lochblende könnten Sie eine Dirac-Delta-Funktion verwenden . Die dritte Variable in U _s ist 0, weil wir der Einfachheit halber sagen, dass das diffraktive Objekt der Ursprung des Koordinatensystems ist. Die Variablen x _sund y _s in seinen Argumenten Buchhaltung für die Tatsache, dass das Objekt eine gewisse Größe in der x-y- Ebene haben kann.

Das sieht vielleicht nicht wie ein so schreckliches Integral aus, aber k und r _sp sind beide nur eine Notation für etwas Größeres:

Das Integrieren einer Funktion mit einem Radikal mit quadratischen Gliedern sowohl im Zähler von e als auch im Nenner ist in der Tat ein sehr unangenehmes Integral.

Man vereinfacht das Integral, indem man die Quadratwurzeln entfernt, indem man die Binomialreihendarstellung verwendet und Terme höherer Ordnung abschneidet. Das Fraunhofer-Integral gilt, wenn man 2 Terme benötigt; Das Fresnel-Integral ist dafür da, wenn man 3 Terme braucht. Der Beweis dafür hat einige Nuancen, aber das liegt außerhalb des Rahmens davon.

Wenn wir anfangen, diese Dinge zu manipulieren, um die Fresnel- und Fraunhofer-Beugungsintegrale zu erhalten, erhalten wir drei Größen.

Wenn Nfd * ( θ _d ) ² << 1 ist, ist das Fresnel-Integral gültig. Wenn das wahr ist und Nfs << 1, gilt das Fraunhofer-Integral.

Die beiden Integrale sind:

Fresnel:

Fraunhofer:

wo

,

und ν _x und ν _y sind die Größe der Quelle in einer gegebenen Dimension dividiert durch die Wellenlänge des Lichts mal der Entfernung zur Quelle. Normalerweise würde es geschrieben werden ν _s = d / ( λx _s ).

Um die Frage von @whuber zu beantworten, warum Sie trotz der Angaben von Wikipedia möglicherweise das eine oder andere benötigen, ist ein wenig Nachdenken erforderlich.

Der Kommentar "in der Brennebene eines Abbildungsobjektivs ..." stammt wahrscheinlich aus einem Lehrbuch, und die Implikation ist, dass die Quelle der Beugung (dh das Loch, der Schlitz usw.) diese Gleichungen hinsichtlich der Geometrie agnostisch sind von die Quelle) ist sehr weit entfernt. Leider kann das Objektiv nicht nur in beliebiger Entfernung und näher sein, als es das Fraunhofer-Integral zulässt, sondern die Beugung entsteht auch innerhalb des Linsensystems einer Kamera.

Das richtige Modell für die Beugung von der Blende einer Kamera ist eine n - seitige Blende ( n ist die Anzahl der Blendenlamellen im Objektiv), die von einer Punktquelle an der Stelle des Objekts im Bild beleuchtet wird, das das Starburst-Muster erzeugt.

Wenn die Objekte sehr weit entfernt sind (einige Meter wären in Ordnung), verhalten sich die Punktquellen wie ebene Wellen und die auf Wikipedia durchgeführten Ableitungen sind in Ordnung.

Beispielsweise liegt die Apertur für ein 50-mm-Doppelgauß-Objektiv in der Größenordnung von 40 bis 60 mm von der Bildebene entfernt. Es wird von ein paar Linsen hinter der physikalischen Blende bis zu einer größeren Entfernung abgebildet (dies ist die Position der Austrittspupille), aber die Austrittspupille befindet sich nicht dort, wo sich die U _s ( x _s , y _s , 0) -Funktion befindet zentriert!

Für Licht mit 500 nm und einem Öffnungsradius von 1 mm können wir überprüfen, ob das Fraunhofer-Integral gültig ist. Es ist gleich (0,001) ² / (500*10 ^–9 * 50*10 ^–3 ) oder 40, was >> 1 ist und das Fraunhofer-Integral ungültig ist. Für sichtbares Licht wird Nfs , solange die Aperturblende in der Größenordnung von Millimetern vom Detektor entfernt ist, niemals annähernd 1 sein, geschweige denn viel kleiner.

Diese Gleichungen können etwas von denen auf Wikipedia abweichen; Ich verweise auf OPT 261, Interference & Diffraction am University of Rochester Institute of Optics, unterrichtet von Professor Vamivakas. Die Gleichungen in Optics by Hecht sollten ziemlich ähnlich sein. Die Gleichungen gelten für die komplexe Amplitude . Um die Bestrahlungsstärke (auch bekannt als Intensität oder Helligkeit) zu erhalten, würden Sie die Größe zum Quadrat des Ergebnisses nehmen.

Hier ist ein Beispiel und ich persönlich liebe den Effekt. Es kann dem Foto ein wenig Kunst verleihen, wie in dem, auf das ich verlinken werde.

Die Ursache liegt an den Blendenlamellen an meinem schicken 50mm.

Die Belichtung ist zweitrangig gegenüber den Sternen, weil ich die Blende schließen muss, um die Fotos nicht mit all den hellen Lichtern, in die ich hineinschieße, zu überbelichten. Wenn ich nur für die Lichter belichte, sehe ich auf dem Foto nichts als Schwarz, wo ich das Gebäude belichten möchte.

Um die kleine Blendeneinstellung (f/20 in dieser Aufnahme) zu kompensieren, muss ich also meine Zeitbelichtung (20 Sekunden) erhöhen, um die richtige Belichtung zu erhalten. Daher tritt die Beugung auf oder wird stark verstärkt, wenn ich die Zahl an meiner Blende erhöhe oder sie schließe, um eine Überbelichtung zu vermeiden.

Beachten Sie die Exif-Informationen:

• Canon EOS-1Ds Mark III
• Canon EF50 mm 1:1,8 II
• ƒ/20.0
• 25 Sek
• ISO-100

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