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解析身边的光衍射现象及原理

来源:www.lustervision.com    日期:2018-11-12    点击次数:

古人朴素世界观中的多角星星
纵观人类历史,凡是在绘画、雕塑上描绘星星的,都无一例外会把星星描绘为带星芒的多边形。横竖两条线的四芒星、犹太人的六芒星、欧洲魔法常见的八芒星等等等,似乎只要不嫌麻烦的话,画多少条星芒都没问题。
 


▲欧洲天文学家Alexander Mair(约1562年-1617年)雕刻于铜版上的《测天图》,记录了超过1200颗恒星。它们都无一例外的——各种角。
 
理论上讲,我们所能看到的自发光星体,都是由于其剧烈燃烧发出的光,就像太阳一样,就是一个炙热的大火球而已。虽然可能不是绝对的圆,但是几乎近似于一个完美的圆球形。
 
猎户座α星,又名参宿四(就知道你不会读:shēn xiù),可能是目前观测到的最不像圆球的星体了。由于其燃烧的实在太剧烈,整个星体膨胀的非常难看、不规则。虽然同其他星球相比没个球样,但是也完全不像其在《测天图》中观测到的样子,胖乎乎的样子一点也看不出哪儿有角。
 


▲人类想象中的参宿四就长这样,通过右上角太阳、地球的比例尺可以看出它有多大。
 
我们随便百度一个外太空观测的照片,会发现基本上所有的星星都是有星芒的。难道我们被NASA骗了?呵呵,有图真的未必有真相。
 


▲NASA哈勃望远镜拍摄的M16鹰星云部分照片。仔细看,每个星星都有四条长长的星芒。
 
事实上,各种各样的光学现象都有可能在相机的光学系统中发生,就是不让你拍好。比如在拍摄明亮物体时,会有各种蓝色、紫色的炫光,又或是由于光的波长不一样导致其在玻璃中的折射率不同而导致的紫边、红边、蓝边。而给星星打上星芒烙印的,则是因为光的衍射现象。
 


▲NASA登月车的自拍照中,太阳的光晕被放大了许多倍,右下角的蓝紫色光晕也不是实际存在的。
 
光的衍射性
光的衍射是什么意思?由于光具有波粒二象性,光即是一种波,也是一种粒子,所以光就可以绕过物体或者物体边缘,被后面的观察者观察到。这就是光的衍射。
 


▲当一束激光通过狭小的缝隙或者光栅时,所产生的衍射就长这个样子。
 
当我们使用相机来拍摄时,如果在镜头和芯片之间存在障碍的话,成像图片上就会产生一条与之垂直的、中间亮两边暗的细小光线。
 
▲生怕你不理解,作者灵魂手绘给你看。
 

欸!是不是看上去就眼熟多了?是不是从形状上就不自觉的联想到哈勃望远镜拍出来的照片了?


 

▲哈勃望远镜还在厂房时的照片能够看到,左边镜头上有四根用于支撑副镜的支撑杆。光线在通过这几根细杆的时候就会发生衍射,具体参见上幅图片。
 
于是乎,一桩由于哈勃望远镜的结构设计制造的悬案就此结案。哈勃望远镜采用卡塞格林式反射系统,由两个双曲面反射镜组成,一个是口径2.4米的主镜、另一个是装在主镜前约4.5米处的副镜,口径0.3米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上,然后再由副镜射向主镜的中心孔,穿过中心孔到达主镜的焦面上形成高质量的图像。
 
而副镜又不可能悬空在那里,所以必然需要一个稳定的结构来支撑。而恰恰是这四根支撑杆,让我们以为所有的星星真的有星芒。
 
▲某宝网上随手可见的家用反射式天文望远镜,可以看到镜头前面的十字架结构,就是它们给星星插上了各种星芒。如果是三条支架的话,星星就变成了六芒星。
 
相机光圈为成像制造了衍射
 
但是相机呢?相机并没有类似望远镜一样的镜片支撑结构啊,拍太阳、拍星星为什么还是耀眼的光芒、星芒呢?
 
▲连太阳也来凑热闹,不过人家叫光芒……
 
虽然相机不需要镜片支撑,但是相机有光圈,帮助相机调整进光量,从而获得高亮度的照片或者大景深。目前市面上的光圈结构都大同小异,但是有一点共性是不会变的:越小的光圈越是多边形,越大的光圈越是趋近于圆形。
 
▲一个典型的光圈结构。
 
而这样的结构就如同反射式望远镜的支撑结构一样。各种光圈结构不一样,拍出来的星芒也是奇奇怪怪什么样都有。一般来说,偶数片光圈页片的镜头拍出来的星芒和光圈页片数相同,而奇数页片的镜头拍出来的星芒数则是光圈页片的两倍。
 
▲不同结构的光圈,对于星芒形状的影响不同。而光圈最大或者就是个圆形的时候,星芒就变成了光晕。
 
人眼固有的缺陷限制了我们的观测
 
既然图片上的星芒都是由于成像系统固有的光学缺陷造成的,但是肉眼看到的星星也有星芒啊?比如文章开头说过的《测天图》,1598年就开始成稿了,距离世界上第一架天文望远镜诞生还差11年!为啥上面的星星也有星芒呢?
 
▲远在古埃及的时候,人类观测到的星星就已经有星芒了。
 
答案其实很简单,因为人类自身的光学结构,嗯,也就是说眼睛,也是有光学缺陷的。虽然说“眼见为实”,但是人眼本身,不过是一个简单的光学机构罢了,晶状体是镜头,虹膜是光圈,而眼球背面的视网膜是成像机构。和相机的光圈相比,人类的虹膜相当高级,它可以随时随地保持圆形,但是晶状体就没有那么完美了。
 
▲人眼的晶体远没有你认为的那样完美,从小婴儿到老年人,晶体表面的纹路还在不断变复杂。
 
人眼有这样的镜头,何愁不会衍射?所以人员观测到的星星一样有星芒。西班牙达萨·巴尔德斯光电研究所(Instituto de Optica Daza de Valdés)的研究人员通过实验证实了这一点。他们用一套复杂的机构,记录下了一束绿色光源进入瞳孔完全张开的眼睛后,在视网膜上留下的光斑。经过矫正之后,这些光斑的形状,应该就是我们肉眼“看到”的星星的形状。
 
▲西班牙达萨·巴尔德斯光电研究所用于记录视网膜光斑的复杂视觉系统,右为他们在实验中捕捉到的模拟星星画面。
 
通过一系列的研究发现,每个人眼中的星星形状很有可能都是不一样的。毕竟在他们研究的样本有限,但是衍射导致的星芒图样千差万别,就没有一个重样的。
 
这真是个好消息,只要嘴硬,怎样画星星都不能算错了!