Дифракционный шип
Дифракционные пики — это линии, исходящие от ярких источников света, вызывающие так называемый эффект звездообразования. [1] или солнечные звезды [2] на фотографиях и в видениях. Это артефакты, вызванные дифракцией света вокруг опорных лопаток вторичного зеркала телескопов-рефлекторов или краев некруглых апертур камеры , а также вокруг ресниц и век глаза.
Несмотря на то, что этот эффект похож по внешнему виду, он отличается от эффекта «вертикального размытия» или «размытия», который появляется, когда яркие источники света захватываются датчиком изображения устройства с зарядовой связью (CCD) .
Причины
[ редактировать ]Опорные лопатки
[ редактировать ]
В подавляющем большинстве конструкций телескопов-рефлекторов вторичное зеркало должно быть расположено на центральной оси телескопа и, следовательно, должно удерживаться стойками внутри трубы телескопа. Независимо от того, насколько хороши эти опорные стержни, они преломляют падающий свет от рассматриваемой звезды, и это проявляется в виде дифракционных пиков, которые представляют собой преобразование Фурье опорных стоек. Шипы представляют собой потерю света, который можно было бы использовать для изображения звезды. [3] [4]
Хотя дифракционные всплески могут затемнять части фотографии и нежелательны в профессиональном контексте, некоторым астрономам-любителям нравится визуальный эффект, который они придают ярким звездам (вид « Вифлеемской звезды »), и они даже модифицируют свои рефракторы, чтобы продемонстрировать тот же эффект. [5] или для помощи в фокусировке при использовании ПЗС-матрицы . [6]
В небольшом количестве конструкций телескопов-рефлекторов дифракционные пики избегаются за счет размещения вторичного зеркала вне оси. Ранние внеосевые конструкции, такие как телескопы Гершеля и Шифшпиглера, имели серьезные ограничения, такие как астигматизм и большие фокусные расстояния, что делало их бесполезными для исследований. Брахимедиальная конструкция Людвига Шупмана , в которой используется комбинация зеркал и линз, способна идеально корректировать хроматическую аберрацию на небольшой площади, а конструкции, основанные на брахимедиальной конструкции Шупмана, в настоящее время используются для исследования двойных звезд .
Существует также небольшое количество внеосевых беспрепятственных всеотражающих анастигматов , которые дают оптически совершенные изображения.
У рефракторных телескопов и их фотографических изображений нет такой проблемы, поскольку их линзы не поддерживаются крестовинными лопастями.
Некруглая апертура
[ редактировать ]
Ирисовые диафрагмы с подвижными лепестками используются в большинстве современных объективов фотоаппаратов для ограничения света, попадающего на пленку или сенсор. В то время как производители пытаются сделать апертуру круглой для получения приятного боке , при диафрагме с большим числом f (маленькой диафрагмой) ее форма стремится к многоугольнику с таким же количеством сторон, как и у лепестков. Дифракция распространяет световые волны, проходящие через отверстие перпендикулярно почти прямому краю, причем каждый край дает два шипа, расположенных на 180 ° друг от друга. [7] Поскольку лопасти равномерно распределены по кругу, на диафрагме с четным числом лопастей дифракционные пики от лопастей на противоположных сторонах перекрываются. Следовательно, диафрагма с n лопастями дает n пиков, если n четное, и 2 n пиков, если n нечетное. [8]
5 лезвий, дающих 10 шипов.
6 лезвий, дающих 6 шипов.
7 лезвий, дающих 14 шипов.
8 лезвий, дающих 8 шипов.
9 лезвий, дающих 18 шипов.
10 лезвий дают 10 шипов.
4 лезвия, дающие 4 шипа
Сегментированные зеркала
[ редактировать ]На изображениях телескопов с сегментированными зеркалами также наблюдаются дифракционные всплески из-за дифракции от краев зеркал. Как и раньше, два пика перпендикулярны каждому краю, в результате чего на фотографиях, сделанных космическим телескопом Джеймса Уэбба , получается шесть пиков (плюс два более слабых из-за паука, поддерживающего вторичное зеркало). [9]
Первое глубокое поле JWST с дифракционными шипами
JWST-изображение спиральной галактики NGC 7469 с дифракционными пиками
Края сегментов главного зеркала JWST и крестовины имеют цветовую маркировку с соответствующими дифракционными шипами.
Грязная оптика
[ редактировать ]
Неправильно очищенная линза или покровное стекло, а также линза с отпечатком пальца могут иметь параллельные линии, которые преломляют свет аналогично опорным лопастям. [10] Их можно отличить от пиков из-за некруглой апертуры , поскольку они образуют заметное размытие в одном направлении, и от цветения ПЗС-матрицы по наклонному углу.
В видении
[ редактировать ]При нормальном зрении дифракция на ресницах (и на краях век, если человек щурится) вызывает множество дифракционных пиков. Если ветер, то движение ресниц вызывает появление шипов, которые движутся и мерцают. После моргания ресницы могут вернуться в другое положение, и дифракционные шипы начнут прыгать. Это классифицируется как энтоптическое явление .
Дифракционный всплеск при нормальном человеческом зрении также может быть вызван некоторыми волокнами хрусталика глаза, которые иногда называют линиями шва . [11]
Другое использование
[ редактировать ]Спецэффекты
[ редактировать ]
Кросс -экранный фильтр , также известный как звездный фильтр, создает звездный узор с помощью очень тонкой дифракционной решетки, встроенной в фильтр, а иногда и с помощью призм в фильтре. Количество звезд зависит от конструкции фильтра, как и количество точек, которые имеет каждая звезда.
Похожий эффект достигается при фотографировании яркого света через оконную сетку с вертикальными и горизонтальными проводами. Углы полосок креста зависят от ориентации экрана относительно камеры. [7]
Маска Бахтинова
[ редактировать ]
В любительской астрофотографии маску Бахтинова можно использовать для точной фокусировки небольших астрономических телескопов. Свет от яркой точки, такой как изолированная яркая звезда, достигающий разных квадрантов главного зеркала или линзы, сначала проходит через решетки в трех разных ориентациях. Половина маски образует узкую форму буквы «X» из четырех дифракционных пиков (синий и зеленый на иллюстрации); другая половина образует прямую линию из двух шипов (красный). Изменение фокуса приводит к перемещению фигур относительно друг друга. Когда линия проходит точно через середину «X», телескоп находится в фокусе и маску можно снять.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чеонг, Кан Хао; Ко, Цзинь Мин; Тан, Джоэл Ши Цюань; Лендерманн, Маркус (16 ноября 2018 г.). «Прогнозирование дифракционных шипов с эффектом звездообразования с помощью компьютерной визуализации» . Научные отчеты . 8 (1): 16919. Бибкод : 2018NatSR...816919L . дои : 10.1038/s41598-018-34400-z . ISSN 2045-2322 . ПМК 6240111 . ПМИД 30446668 .
- ^ Броквей, Дон (ноябрь 1989 г.). «Пейзажи». Популярная фотография : 55.
- ^ Немиров Р.; Боннелл, Дж., ред. (15 апреля 2001 г.). «Объяснение дифракционных пиков» . Астрономическая картина дня . НАСА .
- ^ Внутренние отражения и дифракционные пики. Калтех. По состоянию на апрель 2010 г.
- ^ «Об этом сайте» . homepage.ntlworld.com . Архивировано из оригинала 3 февраля 2012 года . Проверено 12 января 2022 г.
- ^ "Оборудование" .
- ^ Перейти обратно: а б Рудольф Кингслейк (1992). Оптика в фотографии . СПАЙ Пресс. п. 61. ИСБН 978-0-8194-0763-4 .
- ^ Воренкамп, Тодд (16 сентября 2015 г.). «6 советов по созданию на фотографиях впечатляющих эффектов звезд, солнечных звезд, звездных вспышек, солнечных вспышек или дифракционных пиков» . B&H eXplora . Архивировано из оригинала 7 июля 2022 г. Проверено 17 февраля 2023 г.
- ^ «Джеймс Уэбб: «Полностью сфокусированный» телескоп превосходит все ожидания» . Новости Би-би-си . 16 марта 2022 г.
- ^ Гу, Цзиньвэй; Рамамурти, Рави; Бельхумер, Питер; Наяр, Шри (2009). «Устранение артефактов изображения из-за грязных объективов фотоаппаратов и тонких окклюдеров» . Доклады ACM SIGGRAPH Asia 2009 - SIGGRAPH Asia '09 . п. 1. дои : 10.1145/1661412.1618490 . ISBN 9781605588582 . S2CID 7326293 .
- ^ «Почему звезды кажутся людям заостренными? | Британника» . www.britanica.com . Проверено 18 февраля 2024 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Дифракционные всплески объяснены Astronomy Picture of the Day .
- Меррифилд, Майкл; Шиманек, Ник . «Дифракционные шипы» . Видео глубокого неба . Брэйди Харан .
- Крацке, Бастиан (15 июля 2020 г.). «Лучшие линзы для Sunstars» . phillipreeve.net .