Por que as fontes de luz às vezes aparecem como estrelas?

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Veja, por exemplo, esta foto:

Foto de exemplo

Pela minha experiência, quanto maior a exposição, mais forte esse efeito pode ser observado. Isso está correto? Existem outros fatores que influenciam a criação dessas estrelas (a propósito, existe uma palavra melhor para isso?) E o que exatamente acontece tecnicamente?

eWolf
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Existe uma maneira de evitar esse efeito com filtros ou algo mais?
Luis Carlos
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@ Luis: De acordo com as respostas, suponho que você possa simplesmente abrir sua abertura.
eWolf

Respostas:

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Este parece ser um belo exemplo de difração de Fraunhofer . É devido à natureza das ondas da luz. O efeito depende do comprimento de onda (ou seja, a cor). É mais pronunciado quando a luz brilhante de uma distância praticamente infinita passa por fendas estreitas, fazendo com que a luz se espalhe perpendicularmente às fendas. Isso espalha um feixe de luz pontual em um par de listras.

Usar uma pequena abertura cria situações semelhantes a fendas nos cantos formados por lâminas adjacentes. Assim, quando houver uma combinação de fontes de luz monocromáticas relativamente intensas, pontuais e na abertura estreita, você verá uma faixa (da mesma cor) emanando dos pontos em duas direções perpendiculares às lâminas. Quando o seu diafragma é formado por lâminas retas, isso causa o dobroestrias como lâminas. No entanto, as faixas para lâminas paralelas coincidirão. Assim, para um diafragma com um número ímpar de lâminas (onde duas lâminas não são paralelas), haverá o dobro de faixas radiais que as lâminas, mas para um diafragma com um número par de lâminas (onde as lâminas opostas são paralelas), as faixas se sobrepõem. pares, dando o mesmo número de faixas que as lâminas ( mas cada faixa é duas vezes mais brilhante ).

Um exemplo clássico é mostrado na primeira imagem no artigo da Wikipedia sobre difração , para difração de Fraunhofer através de uma abertura quadrada. Você vê quatro faixas bem definidas.

A teoria é mais explicada aqui . Esta explicação foi publicada em 1967 por CA Padgham . Ken Rockwell menciona isso em sua discussão sobre o bokeh .

Devemos esperar que uma certa quantidade de difração esteja sempre presente. Geralmente, é leve e mediano na maioria das fotos: apenas contribui uma pequena quantidade para a desfocagem presente em qualquer imagem quando analisada com bastante atenção. Somente em imagens que reúnem vários fatores - pontos de luz monocromática intensa, pequenas aberturas, lâminas retas de diafragma - ele se tornará proeminente. Esta informação mostra como você pode tornar as estrelas mais proeminentes ou como pode suprimi-las, alterando esses fatores para sua exposição (na medida do possível).

Por fim, a duração da exposição está relacionada à ocorrência desse efeito, como você observou, mas apenas porque as exposições com pontos de luz brilhantes quase sempre são feitas muito mais do que o necessário para registrar as luzes: você está tentando ver o resto da exposição. a cena, que é muito mais escura. O brilho das faixas de difração diminui tão rapidamente das fontes que, se você usasse uma exposição suficientemente curta para expor adequadamente as próprias luzes, as faixas seriam praticamente invisíveis. Por exemplo, existem fontes de luz mais escuras, mas ainda proeminentes, em seu fundo: elas se parecem com janelas à distância. Eles também devem ter seus próprios traços, mas esses traços são muito escuros para serem vistos. (A filtragem de software apropriada pode ser capaz de trazê-los para fora.)

whuber
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Esta é claramente a resposta mais detalhada. Obrigado!
eWolf
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Isso não se deve à difração de fraunhofer, mas apenas à difração. As integrais de difração são muito difíceis de resolver, portanto, existem dois casos que as tornam mais simples; a integral de difração de fresnel para distâncias moderadas e a integral de difração fraunhofer para distâncias distantes. Nesse caso, a integral de difração fraunhofer fornecerá uma solução incorreta, porque o detector está muito próximo da fonte de difração (a abertura). Os cálculos de fresnel teriam que ser feitos, ou possivelmente o cálculo completo, dependendo dos elementos atrás da parada de abertura.
Brandon Dube
@Brandon Seu esclarecimento é bem-vindo, mas estou enfrentando problemas para descrevê-lo com descrições populares da difração Fraunhofer, como a da Wikipedia : "Em óptica, a equação de difração Fraunhofer é usada para modelar a difração de ondas quando o padrão de difração é visualizado a uma longa distância do objeto de difração e também quando é visualizado no plano focal de uma lente de imagem ". Essa última qualificação parece se aplicar explicitamente a uma imagem capturada por uma câmera.
whuber
2
@BrandonDube Desculpe, você está incorreto. Esse efeito é modelado com muito mais precisão pela difração de Fraunhofer. A confusão aqui é que, embora a distância de observação seja tecnicamente curta (ou seja, aparentemente no regime de Fresnel), porque a lente está focalizando as ondas de avião em um ponto comum (o plano focal), a distância de visualização é efetivamente a mesma que a visualização em infinidade. Veja a seção ["Plano focal de uma lente positiva"] en.wikipedia.org/wiki/… do artigo do WP sobre difração de Fraunhofer.
scottbb
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@BrandonDube Você está certo, eu escolhi minhas palavras mal. Dizer que o efeito é " modelado com muito mais precisão pela difração de Fraunhofer" estava errado: a integral de Fresnel é sempre mais precisa que a integral de Fraunhofer. Eu deveria ter dito que na fotografia, os picos de difração, como no OP (ou na resposta de Matt Grum ), estão sempre no campo distante (ou seja, Fraunhofer), pelo motivo de o plano de observação (imagem) ser efetivamente o mesmo como visualizando no infinito (ou seja, tendo um pequeno número de Fresnel).
scottbb
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É devido à difração onde as lâminas da abertura se encontram, como afirma John e Pearsonartphoto. É uma maneira elegante de testar quantas lâminas de abertura você possui!

Para responder à sua segunda pergunta, a duração da exposição não afeta diretamente o efeito. Existem dois fatores principais, o primeiro é o tamanho da abertura (ela precisa ser pequena) e as exposições longas tendem a ir com uma abertura pequena. O segundo fator é que você precisa fotografar na fonte de luz. Isso costuma acontecer apenas à noite com luz artificial, então as pessoas tendem a acabar usando exposições longas.

Aqui está um exemplo (não meu!) Do efeito com uma exposição muito curta para demonstrar o ponto:

c) fotogeek133

Ok, menti. Era uma longa exposição com flashes em movimento, mas cada luz estava acesa por um período muito breve. Os outros dois ingredientes - disparar nos estroboscópios e uma pequena abertura (f / 14) são os que estão produzindo os padrões das estrelas.

Matt Grum
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Essa certamente é uma foto impressionante! Já ouvi o termo difração antes. Foi mencionado como um problema - a difração (e como) aparece em algum lugar além de fotos como essas (diretamente na fonte de luz)? Pelo meu entendimento, normalmente não deve ser um problema.
eWolf
2
Em termos simples (veja a resposta da whuber para uma análise detalhada!), A difração faz com que a luz se espalhe. Obviamente, isso é um problema se todos os pontos de luz se espalharem, pois isso dará uma imagem borrada. A difração acontece o tempo todo, apenas a propagação não é perceptível para grandes lacunas ou luzes escuras. O que temos aqui é uma lacuna muito pequena e uma fonte brilhante, de modo que o padrão de estrelas que normalmente seria muito escuro é claramente visível.
quer
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O que você está vendo é o resultado do formato da abertura na sua câmera. Se você colocar, por exemplo, um formato de coração ou outro "filtro" na frente da câmera, verá um formato diferente no lugar dessas luzes.

Você está quase correto em seu palpite de que quanto maior a exposição, mais forte esse efeito pode ser observado. O que realmente está acontecendo é quanto menor a sua abertura, mais esse efeito aparecerá.

PearsonArtPhoto
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3

Existem filtros, luz das estrelas, projetados para fazer isso, mas sem um filtro, o efeito geralmente é visto com aberturas mais apertadas em lentes com lâminas de abertura mais retas. Quanto mais retas as lâminas, mais pronunciado é o efeito.

Então, o que está acontecendo é que essas fontes de luz brilhantes e estacionárias estão tendo sua luz dobrada pela abertura da lente e o padrão de estrelas está sendo criado pelos pontos nítidos definidos pelo hexágono das seis lâminas da sua abertura. Você notará que os raios estelares estão indo na mesma direção das luzes, por causa das lâminas de abertura.

A propósito, eu gosto da foto.

John Cavan
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LOL, eu respondi quase ao mesmo tempo, então ...
Pearsonartphoto
2

Por que as fontes de luz às vezes aparecem como estrelas? Bem, mudei de opinião e compartilho agora a predominante de que as estrelas vêm de efeitos de difração. O argumento mais forte para favorecer a difração sobre a reflexão vem das propriedades de simetria do padrão estelar, a saber, se N é ímpar, as lâminas de íris N geram 2 * N espigões.

Stephan Seidl
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0

Acredito que você encontrará a resposta para suas perguntas em http://www.stfmc.de/misc/diffcontrarefl/tlf.html

Stephan Seidl
fonte
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Stephan, gostaríamos de respostas para as perguntas, em vez de apontar para outros lugares onde as pessoas podem pesquisar. Parece ser um link útil, mas você poderia resumir o que diz aqui, como se aplica à pergunta?
MikeW
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Esta não é uma resposta verdadeira, mas uma expansão no cálculo de padrões de difração a partir da resposta do @ whuber .

Primeiro, temos a integral de difração. A função L p descreve a amplitude do complexo no plano de observação a uma distância ( x p , y p ) a partir do eixo óptico, e uma distância L Z a partir da fonte (algum tipo de objecto de difracção, por exemplo, do furo de pino, de abertura da câmara, etc. ) U s é uma função que descreve a amplitude complexa no plano de origem; para um orifício extremamente pequeno, você pode usar uma função dirac delta . A terceira variável em U s é 0 porque por conveniência dizemos que o objeto de difracção é a origem do sistema de coordenadas. As variáveis x se y está em seus argumentos como escriturário pelo fato de que o objeto pode ter algum tamanho no plano x – y .

integral de difração

Isso pode não parecer uma integral tão terrível, mas k e r sp são apenas uma notação para algo maior:

definições de k e rsp

Integrar uma função a um radical com termos quadrados, tanto no numerador de e quanto no denominador, é uma integral muito desagradável.

Um simplifica a integral removendo as raízes quadradas usando a representação em série binomial e truncando termos de ordem superior. A integral Fraunhofer é válida quando é necessário 2 termos; a integral de Fresnel é para quando é necessário 3 termos. Há alguma nuanuce na prova disso, mas está fora do escopo disso.

Quando começamos a manipular essas coisas para obter as integrais de difração de Fresnel e Fraunhofer, obtemos três quantidades.

Variáveis ​​de critério

Se Nfd * ( θ d ) 2 << 1, a integral de Fresnel é válida. Se isso for verdade e Nfs << 1, a integral Fraunhofer é válida.

As duas integrais são:

Fresnel:

Fresnel Integral

Fraunhofer:

Fraunhofer Integral

Onde

Proporcionalmente constante,

e ν x e ν y são o tamanho da fonte em uma dada dimensão dividido pelo comprimento de onda da luz vezes a distância para a fonte. Normalmente, seria escrito ν s = d / ( λx s ).

Para responder à pergunta do @ whuber sobre por que você pode precisar de um ou outro, apesar do que a Wikipedia afirma, requer um pouco de reflexão.

O comentário "no plano focal de uma lente de imagem ..." provavelmente é retirado de um livro didático, e a implicação é que a fonte da difração (isto é, o orifício, a fenda, o que for - essas equações são agnósticas quanto à geometria da a fonte) está muito longe. Infelizmente, não apenas a lente pode estar a uma distância e mais próxima do que a integral Fraunhofer permite, mas a difração também se origina dentro do sistema de lentes para uma câmera.

O modelo correto para difração da abertura de uma câmera é uma abertura de n lados ( n é o número de lâminas de abertura na lente) iluminado por uma fonte pontual no local da coisa na imagem que produz o padrão de explosão estelar.

Quando os objetos estão realmente distantes (alguns metros seriam bons), as fontes pontuais se comportam como se fossem ondas planas e as derivações realizadas na Wikipedia são boas.

Por exemplo, a abertura para uma lente gauss dupla de 50 mm é da ordem de 40 ~ 60 mm a partir do plano da imagem. Ele é fotografado por duas lentes atrás da parada física a uma distância maior que essa (esse é o local da pupila de saída), mas a pupila de saída não é onde as funções U s ( x s , y s , 0) estão. centrado!

Para 500 nm e uma luz de abertura com raio de 1 mm, podemos verificar se a integral Fraunhofer é válida. É igual a (0,001) 2 / (500 * 10 -9 * 50 * 10 -3 ) ou 40, que é >> 1 e a integral Fraunhofer é inválida. Para luz visível, desde que a parada de abertura seja da ordem de milímetros do detector, os Nfs nunca estarão próximos de 1, muito menos muito menores.

Essas equações podem diferir um pouco das da Wikipedia; Eu faria referência ao OPT 261, Interferência e Difração no Instituto de Ótica da Universidade de Rochester, ministrado pelo professor Vamivakas. As equações em Optics da Hecht devem ser bastante semelhantes. As equações são para a amplitude complexa ; para obter a irradiância (também conhecida como intensidade ou brilho), você levaria a magnitude ao quadrado do resultado.

Brandon Dube
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Pelas razões citadas em meus comentários na resposta aceita, sua afirmação " Nfs nunca chegará nem perto de 1, muito menos muito menor", nunca é correta para a fotografia do mundo real. Esses picos de difração são difração de Fraunhofer precisamente porque o número de Fresnel é <1 (tecnicamente 0), porque o efeito de foco da lente significa que a distância de observação é como se estivesse no infinito.
scottbb
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Aqui está um exemplo e, pessoalmente, eu amo o efeito. Ele pode adicionar um pouco de arte à foto, como na que irei vincular.

A causa é devido às lâminas de abertura nos meus 50mm bacanas.

A exposição é secundária às estrelas porque tenho que fechar a abertura para não superexpor as fotos com todas as luzes brilhantes em que estou fotografando. Se eu expor apenas pelas luzes, não vejo nada além de preto na foto em que quero expor o prédio.

Assim, para compensar a configuração de abertura pequena (f / 20 nesta foto), devo aumentar minha exposição no tempo (20seg) para obter a exposição adequada. Assim, a difração ocorre ou é grandemente amplificada à medida que aumenta o número da minha abertura ou a fecho para evitar a superexposição.

Observe as informações exif:

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

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

Dennis
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Como sua resposta é útil para a pergunta do OP? Eu acho que as respostas anteriores já disseram tudo ... #
1119 Olivier