Wie beugt sich Licht um meine Fingerspitze?

OK, es scheint, dass user21820 Recht hat ; Dieser Effekt wird dadurch verursacht, dass sowohl das Vordergrund- als auch das Hintergrundobjekt unscharf sind , und tritt in Bereichen auf, in denen das Vordergrundobjekt (Ihr Finger) den Hintergrund teilweise verdeckt, sodass nur einige der Lichtstrahlen vom Hintergrund blockiert werden, die Ihr Auge erreichen durch das Vordergrundhindernis.

Um zu sehen, warum dies passiert, werfen Sie einen Blick auf dieses Diagramm:

Der schwarze Punkt ist ein entferntes Objekt, und die gestrichelten Linien stellen Lichtstrahlen dar, die aus ihm austreten und auf die Linse treffen, die sie neu fokussiert, um ein Bild auf einer Rezeptoroberfläche (der Netzhaut in Ihrem Auge oder dem Sensor in Ihrer Kamera) zu erzeugen. Da das Objektiv jedoch leicht unscharf ist, laufen die Lichtstrahlen nicht genau auf der Empfängerebene zusammen, sodass das Bild unscharf erscheint.

Es ist wichtig zu erkennen, dass jeder Teil des unscharfen Bildes durch einen separaten Lichtstrahl gebildet wird, der durch einen anderen Teil der Linse (und des dazwischen liegenden Raums) geht. Wenn wir zwischen dem Objekt und der Linse ein Hindernis einfügen, das nur einige dieser Strahlen blockiert, verschwinden diese Teile des Bildes!

Das hat zwei Effekte: Erstens erscheint das Bild des Hintergrundobjekts schärfer, weil das Hindernis die Blendenöffnung des Objektivs effektiv verkleinert. Allerdings verschiebt es auch die Mitte der Blende und damit des resultierenden Bildes auf eine Seite.

Die Richtung, in die sich das unscharfe Bild verschiebt, hängt davon ab, ob das Objektiv etwas zu nah oder etwas zu weit fokussiert ist. Wenn der Fokus zu nah ist, wie in den obigen Diagrammen, erscheint das Bild vom Hindernis weg verschoben. (Denken Sie daran, dass das Objektiv das Bild umkehrt, sodass das Bild des Hindernisses selbst über dem Bild des Punktes im Diagramm erscheinen würde!) Umgekehrt, wenn der Fokus zu weit entfernt ist, scheint das Hintergrundobjekt näher an das Hindernis zu rücken.

Sobald Sie die Ursache kennen, ist es nicht schwer, diesen Effekt in jedem 3D-Rendering-Programm nachzubilden, das realistische Fokalunschärfe unterstützt. Ich habe POV-Ray verwendet , weil ich damit vertraut bin:

Oben sehen Sie zwei Renderings einer klassischen Computergrafikszene: eine gelbe Kugel vor einer Gitterebene. Das erste Bild wird mit einer engen Blende gerendert und zeigt sowohl das Gitter als auch die Kugel in scharfen Details, während das zweite Bild mit einer großen Blende gerendert wird, aber das Gitter immer noch perfekt im Fokus ist. In keinem Fall tritt der Effekt auf, da der Hintergrund fokussiert ist.

Die Dinge ändern sich jedoch, sobald der Fokus leicht verschoben wird. Im ersten Bild unten ist die Kamera leicht vor der Hintergrundebene fokussiert, während sie im zweiten Bild leicht hinter der Ebene fokussiert ist:

Man sieht deutlich, dass beim Fokus zwischen Gitter und Kugel die Gitterlinien nahe der Kugel von dieser weg verschoben erscheinen, während sich beim Fokus hinter der Gitterebene die Gitterlinien zur Kugel hin verschieben.

Wenn Sie den Kamerafokus weiter von der Hintergrundebene entfernen, wird der Effekt noch stärker:

Sie können auch deutlich sehen, dass die Linien in der Nähe der Kugel schärfer werden und sich biegen, da ein Teil des verschwommenen Bildes von der Kugel blockiert wird.

Ich kann sogar den unterbrochenen Linieneffekt in Ihren Fotos nachbilden, indem ich die Kugel durch einen schmalen Zylinder ersetze:

Zur Erinnerung: Dieser Effekt wird dadurch verursacht, dass der Hintergrund (leicht) unscharf ist und das Vordergrundobjekt effektiv einen Teil der Kamera-/Augenöffnung verdeckt, wodurch die effektive Blende (und damit das resultierende Bild) verschoben wird. Es wird nicht verursacht durch:

• Beugung: Wie die obigen Computerdarstellungen zeigen (die mit Raytracing erstellt wurden und daher keine Beugungseffekte modellieren), wird dieser Effekt vollständig durch die klassische Strahlenoptik erklärt. In jedem Fall kann die Beugung nicht die zum Hindernis hin verschobenen Hintergrundbilder erklären, wenn der Fokus hinter der Hintergrundebene liegt.

• Reflexion: Auch hier ist keine Reflexion des Hintergrunds von der Hindernisoberfläche erforderlich, um diesen Effekt zu erklären. Tatsächlich spiegelt die gelbe Kugel/der gelbe Zylinder in den obigen Computerdarstellungen das Hintergrundgitter überhaupt nicht wider. (Die Oberflächen haben keine spiegelnde Reflexionskomponente, und im Beleuchtungsmodell sind keine indirekten diffusen Beleuchtungseffekte enthalten.)

• Optische Täuschung: Die Tatsache, dass es sich nicht um eine Wahrnehmungstäuschung handelt, sollte aus der Tatsache ersichtlich sein, dass der Effekt fotografiert und die Verzerrung anhand der Fotos gemessen werden kann, aber die Tatsache, dass er auch durch Computer-Rendering reproduziert werden kann, bestätigt dies weiter.

Nachtrag: Nur zur Überprüfung habe ich die obigen Renderings mit meiner alten DSLR-Kamera (und einem LCD-Monitor, einem gelben Gewürzglasdeckel aus Kunststoff und einem Faden zum Aufhängen) repliziert:

Das erste Foto oben hat den Kamerafokus hinter dem Bildschirm; der zweite hat es vor dem Bildschirm. Das erste Foto unten zeigt, wie die Szene aussieht, wenn der Bildschirm fokussiert ist (oder so nah wie möglich mit manueller Fokuseinstellung). Schließlich zeigt das beschissene Bild der Handykamera unten (zweite) das Setup, mit dem die anderen drei Fotos aufgenommen wurden.

Anhang 2: Bevor die Kommentare unten bereinigt wurden, gab es dort einige Diskussionen über die Nützlichkeit dieses Phänomens als schnellen Selbstdiagnosetest für Myopie (Kurzsichtigkeit).

Obwohl ich kein Augenarzt bin , scheint es, dass Sie, wenn Sie diesen Effekt mit bloßem Auge wahrnehmen, während Sie versuchen , den Hintergrund scharf zu halten, möglicherweise ein gewisses Maß an Kurzsichtigkeit oder einen anderen Sehfehler haben und möglicherweise bekommen möchten eine Augenuntersuchung .

(Natürlich, auch wenn Sie das nicht tun, ist es sowieso keine schlechte Idee, sich alle paar Jahre eine zuzulegen. Leichte Myopie, bis zu dem Punkt, an dem sie stark genug wird, um Ihr tägliches Leben erheblich zu beeinträchtigen, kann überraschend sein schwer selbst zu diagnostizieren, da es normalerweise langsam auftritt und Sie sich ohne Vergleichssehen einfach an entfernte Objekte gewöhnen, die etwas verschwommen aussehen.Schließlich gilt das bis zu einem gewissen Grad für alle, nur die Entfernung variiert. )

Tatsächlich kann ich mit meiner leichten Kurzsichtigkeit (etwa –1 dpt) persönlich bestätigen, dass ich ohne meine Brille sowohl den Krümmungseffekt als auch die Schärfe von Hintergrundmerkmalen leicht sehen kann, wenn ich meinen Finger vor mein Auge bewege. Ich kann sogar einen Hauch von Astigmatismus erkennen (von dem ich weiß, dass ich ihn habe; meine Brille hat eine zylindrische Korrektur, um ihn zu korrigieren) in der Tatsache, dass ich in einigen Ausrichtungen sehen kann, wie sich die Hintergrundmerkmale nicht nur von meinem Finger wegbiegen, sondern auch leicht seitlich. Wenn ich meine Brille aufsetze, verschwinden diese Effekte fast, aber nicht ganz, was darauf hindeutet, dass meine aktuelle Sehstärke möglicherweise nur ein wenig daneben liegt.

Im Gegensatz zu einigen Antworten, die Leute auf Yahoo Answers (wie hier und hier ) und anderen Stellen gepostet haben, wird dies nicht durch Beugung verursacht.

Um dies zu zeigen, beachten Sie, dass der Biegeeffekt grob als Beugungsmuster modelliert werden kann, das auf Lichteinfall an den Kanten eines undurchsichtigen Objekts zurückzuführen ist. Wie von Rod Vance erklärt , das Intensitätsprofil auf einem Bildschirm in der Höhe$x$aufgrund eines flachen Objekts eine Entfernung$d$vom Bildschirm wird durch gegeben

Verwenden$d=5\text{cm},\lambda=600\text{nm}$, das gibt

Dies weist darauf hin, dass es eine Streuung von ungefähr gibt$0.05\text{mm}$zu$0.1\text{mm}$. Dies ist ein sehr kleiner Abstand, ungefähr gleich der Dicke eines Blattes Papier, und viel kleiner als der ziemlich sichtbare Durchhang in Richtung des Fingers, der in der vorhanden ist$2^\text{nd}$blaue Linie auf dem Papierhintergrund. Während die Beugung also eine kleine Rolle spielen mag, scheint es zweifelhaft, ob sie die dominierende Rolle spielt.

Zusätzliche Beweise dagegen, dass es auf Beugung zurückzuführen ist, ergeben sich aus der Berücksichtigung chromatischer Effekte. Die Biegung ist stark$\lambda$-abhängig, wobei rotes Licht stärker gebeugt wird als blaues Licht. Wenn die Beugung das Hauptphänomen wäre, würden Sie einen Regenbogeneffekt an den Rändern Ihres Fingers erwarten, bei dem das Licht vom Papier je nach Wellenlänge in verschiedenen Winkeln gebeugt wird. Dies wird jedoch nicht beachtet.

Außerdem (und wahrscheinlich der wichtigste Punkt!), Wie Rob in seiner Antwort betonte, würde die Beugung dazu führen, dass sich die blauen Linien hinter dem Finger scheinbar nach oben biegen , aber stattdessen scheinen sie sich nach unten zu biegen .

Ich würde vermuten, dass eine Art geometrischer Faktoren (vielleicht mit der Kamera, den Objektiven usw.) hier die Hauptrolle spielen, aber ich warte auf das Urteil von Leuten, die mehr über Optik wissen als ich.

Haha, als ich jung war, dachte ich, dass dieser Effekt auf die Schwerkraft zurückzuführen ist, die natürlich zu schwach ist, um winzige Objekte beobachten zu können. Aber es stellt sich heraus, dass es weder Brechung noch Beugung noch Parallaxenfehler ist. Stattdessen liegt es an der falschen Fokussierung. Wenn Sie wie ich kurzsichtig sind, erzeugt jeder Punkt beim Betrachten eines weit entfernten Objekts anstelle eines scharfen Punktes ein kreisförmiges Scheibenbild auf Ihrer Netzhaut. Wenn Sie den Rand eines Objekts in die Nähe Ihres Auges bewegen und ein Teil der Pupille blockiert wird, ist das auf Ihrer Netzhaut erzeugte Bild keine volle Scheibe mehr, daher scheint sich das Bild vom Rand weg zu verschieben. Dies erklärt Ihre vier späteren Gitterbilder. Beachten Sie, dass der Rest des Rasters nie scharf ist, aber der Bereich nahe der Kante des verdeckenden Objekts schärfer ist. Dies liegt daran, dass diese Punkte weniger als eine volle Scheibe auf der Kamerasensorebene erzeugten. Ihre früheren Bilder waren darauf zurückzuführen, dass der Fokus hinter dem Objekt lag, das Sie betrachteten. Wie zuvor würde jeder Punkt ein Scheibenbild auf Ihrer Netzhaut ergeben, jedoch invertiert. Wenn also ein anderes Objekt einen Teil Ihrer Pupille blockiert, scheint sich das Bild zum Rand zu verschieben, anstatt davon weg.

Um zu beweisen, dass diese Erklärung richtig ist, bringen Sie Ihr Gesicht nahe an den Bildschirm, ohne darauf zu fokussieren, und bewegen Sie Ihren Finger vor Ihrem Auge. Das Bild auf dem Bildschirm scheint sich in Richtung Ihres Fingers zu bewegen und wird auch in der Richtung senkrecht zur Kante Ihres Fingers schärfer. Wiederholen Sie nun dieses Experiment mit dem Bildschirm in einem bequemen Leseabstand und stellen Sie sicher, dass Sie genau auf den Bildschirm fokussieren. Wenn Sie jetzt Ihre Sicht blockieren, sollte dies keine Auswirkung auf die scheinbare Position jedes Pixels auf dem Bildschirm haben. Wenn es sich immer noch zu bewegen scheint, liegt das daran, dass das unscharfe (nicht fokussierte) Bild Ihres Fingers eine optische Täuschung stört. Um dies zu verhindern, können Sie stattdessen einen schwarzen Faden verwenden. Und wenn Sie irgendwo vor dem Bildschirm fokussieren, scheint sich das Bild auf dem Bildschirm von Ihrem Finger weg zu bewegen.

Bearbeitet: Ilmari Karonen hat eine vollständige und überzeugende Antwort auf diese Frage gepostet. Ich lasse diese Antwort trotz Ablehnungen offen, weil sie nützliche Hinweise enthielt: Der Effekt stimmte nicht mit der Lichtbeugung um Hindernisse herum überein und hatte etwas matschiges mit einem unvollkommenen Fokus in einem nicht idealen optischen System zu tun.

Dies wirft die Frage auf, warum Sie nicht sowohl ein direktes als auch ein reflektiertes Bild sehen; Ich vermute, dass der Winkelabstand klein genug ist, dass der Fokus der Kamera die beiden Bilder zusammenführen kann, aber dafür habe ich noch kein gutes Modell.

Es scheint mir, dass dies größtenteils ein Fall von Parallaxe ist. Ihre Netzhaut und Kamera-CCD sind keine Punktsenken. Sie sind eine Reihe von Punktsenken. Wenn Sie die Punktsenken (Fotorezeptoren) über die Oberfläche jedes dieser bildgebenden Sensoren addieren, erzielen Sie genau diesen Effekt.
Sie können dies demonstrieren, indem Sie Ihren Finger weiter von Ihrem Gesicht entfernt halten (um den größeren Abstand zwischen den Sensoren zu berücksichtigen), sich auf etwas im Hintergrund konzentrieren (wie bei Ihrem Beispiel mit einem Auge erforderlich) und diese gedanklich (oder digital mit einer Kamera) überlagern zwei Bilder.
Sie erhalten eine solide Überlappung, bei der beide Augen dasselbe Bild sehen, und eine unscharfe Kante, bei der die Ansicht unterschiedlich ist.
Versuchen Sie, Ihren Finger noch näher an Ihr Gesicht zu halten. Die Unschärfe um ihn herum wird größer, da es sich um eine Parallaxe handelt, und der Effekt wird mit kleineren Abständen verstärkt.

Es passieren viele Dinge, die einen Einfluss darauf haben könnten, was Sie sehen (welche Arten von Verzerrungen auftreten). Einige wurden in anderen Antworten berührt (oder ausführlicher diskutiert), daher werde ich nicht ins Detail gehen:

1. Blenden- und Fokuseffekte
2. Aberrationen des optischen Systems (Linse von geringer Qualität im Auge oder in der Kamera)
3. Beugung um ein Objekt herum
4. Ihre Haut (tatsächlich Ihr ganzer Finger mit Ausnahme des Knochens) ist nicht ganz undurchsichtig – ein wenig Licht dringt durch und wird dabei gebogen. Verwenden Sie einen Gegenstand wie ein Stück Blech oder einen Bleistift, um dies zu vermeiden.
5. Ihr Finger ist wahrscheinlich etwas wärmer als die Umgebungsluft. Wärmere Luft ist weniger dicht und würde daher das Licht leicht von Ihrem Finger weg lenken. Abhängig von der Ausrichtung können auch Konvektionsströme auftreten, die das Licht weiter vom Finger entfernt beeinflussen. Die Verwendung eines Objekts, das die gleiche Temperatur wie die Luft hat, würde hier helfen.
6. Licht, das durch die Masse Ihres Fingers gebeugt wird (ein sehr, sehr kleiner Effekt, der wahrscheinlich nie messbar sein wird. Lesen Sie über die Messung des Lichts eines Sterns, das von der Sonne während einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919 gebeugt wurde, was eine der ersten Bestätigungen war von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Es war ein ziemlich kleiner Winkel.)

All diese Dinge (und möglicherweise noch mehr, die mir im Moment nicht einfallen) beeinflussen in ungefähr absteigender Reihenfolge das Bild und müssen berücksichtigt werden.