Почему звезды появляются в виде кругов, а не точек?

За исключением Солнца, звезды находятся так далеко, что их угловой диаметр фактически равен нулю. Однако, когда вы их фотографируете, более яркие звезды появляются в виде кругов, а не точек. Зачем?

Теоретически, любая звезда, независимо от яркости, должна попадать не более чем в одну маленькую точку из того, что используется для съемки фотографии. Почему соседние точки среды также отвечают? Избыточный ли свет «проникает» в близлежащие точки, и, если да, одинаково ли «кровотечение» для цифровых и нецифровых камер?

Это как-то связано с объективом? Объектив расширяет одну точку света в маленький круг, в зависимости от яркости?

Я столкнулся с этим, пытаясь ответить на https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-star, который эффективно спрашивает: какова функция (если есть) что связывает яркость звезды с размером диска звезды на фотопленке (или цифровых носителях)?

Примечание: я понимаю, что визуальные и фотографические величины звезды могут быть разными, и я предполагаю, что ответ будет основан на фотографической величине.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Спасибо за все ответы, я все еще рассматриваю их. Вот некоторые дополнительные полезные ссылки, которые я нашел:

• Фотометрия (астрономия) в Википедии

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml , особенно обсуждение «необработанных единиц изображения» и «полной ширины на половине максимума» (FWHM)

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.html и его обсуждение FWHM

Когда свет проходит границу, он дифрагирует или изгибается из-за волнообразного свойства света, взаимодействующего с этой границей. Апертура в оптической системе, обычно круговая или круглая, является одной из таких границ.

То, как свет взаимодействует с апертурой, описывается функцией рассеяния точки (PSF), или сколько и в какой степени точечный источник света распространяется в результате прохождения через оптическую систему. PSF определяется геометрией системы (включая форму и размер апертуры; форму (ы) линз и т. Д.) И длиной волны света, проходящего через оптическую систему. PSF - это, по сути, импульсный отклик оптической системы на импульсную функцию , точку света некоторого единичного количества энергии, которая бесконечно мала или жестко ограничена в двумерном пространстве.

^{Свертка света от объекта с точкой функции рассеяние приводит к полученному изображению , которое представляется более распространена , чем у исходного объект. Пользователь Wikipedia Default007, из Wikimedia Commons . Всеобщее достояние.}

Для идеально круглой апертуры в теоретически оптически совершенной системе формирования изображения функция PSF описывается диском Эйри , представляющим собой рисунок типа концентрических колец чередующихся областей конструктивной интерференции в виде мишени-мишени (где волны света конструктивно взаимодействуют с «сложить») и разрушительные помехи (когда световые волны взаимодействуют друг с другом, чтобы подавить себя).

Важно отметить, что рисунок диска Эйри не является результатом несовершенного качества линз или ошибок в допусках при изготовлении и т. Д. Он строго зависит от формы и размера апертуры и длины волны света, проходящего через нее. Таким образом, диск Эйри является своего рода верхним пределом качества одного изображения, которое может быть получено оптической системой ¹ .

^{Точечный источник света, проходящий через круглое отверстие, будет распространяться, создавая рисунок диска Эйри. По Sakurambo , из Викисклада . Всеобщее достояние.}

Когда апертура достаточно велика, так что большая часть света, проходящего через линзу, не взаимодействует с краем апертуры, мы говорим, что изображение больше не ограничено дифракцией . Любые несовершенные изображения, полученные в этой точке, не являются следствием дифракции света на краю апертуры. В реальных (неидеальных) системах визуализации эти недостатки включают (но не ограничиваются ими): шум (термический, шаблон, чтение, выстрел и т. Д.); ошибки квантования (которые можно считать другой формой шума); оптические аберрации объектива; ошибки калибровки и юстировки.

Заметки:

1. Существуют методы для улучшения получаемых изображений, так что видимое оптическое качество системы формирования изображения лучше, чем у диска Эйри. Методы укладки изображений, такие как счастливое изображение , увеличивают видимое качество, объединяя несколько (часто сотни) разных изображений одного и того же объекта вместе. Хотя диск Эйри выглядит как нечеткое множество концентрических кругов, он действительно представляет вероятностьгде точечный источник света, входящий в систему камеры, приземлится на тепловизор. Результирующее повышение качества, создаваемое укладкой изображений, связано с увеличением статистических знаний о расположении фотонов. Таким образом, укладка изображений уменьшает вероятностную неопределенность, возникающую при дифракции света через апертуру, как описано в PSF, за счет избытка избыточной информации в проблеме.

2. Относительно отношения видимого размера к яркости звезды или точечного источника: более яркий источник света увеличивает интенсивность («высоту») PSF, но не увеличивает его диаметр. Но увеличение интенсивности света, поступающего в систему формирования изображения, означает, что больше фотонов освещают граничные пиксели области, освещаемой PSF. Это форма «цветения света» или, по-видимому, «разлива» света в соседние пиксели. Это увеличивает видимый размер звезды.

На размер «точки» влияет зависящая от длины волны «функция рассеяния точки» (PSF) используемой системы линз.

Дифракция света, которая определяет предел разрешения системы, размывает любой точечный объект до определенного минимального размера и формы, называемой функцией точечного распространения. Таким образом, PSF - это трехмерное изображение точечного объекта на плоскости изображения. PSF обычно выше, чем широкий (как американский футбол, стоящий на кончике), потому что оптические системы имеют худшее разрешение в направлении глубины, чем в боковом направлении.

PSF варьируется в зависимости от длины волны света, который вы просматриваете: более короткие волны (например, синий свет, 450 нм) приводят к меньшему PSF, в то время как более длинные волны (например, красный свет, 650 нм) приводят к увеличению PSF и, следовательно, худшее разрешение. Кроме того, числовая апертура (NA) объектива, который вы используете, влияет на размер и форму PSF: объектив с высоким NA дает хороший маленький PSF и, следовательно, лучшее разрешение.

Удивительно, но PSF не зависит от интенсивности точки. Это верно как для астрофотографии, так и для микроскопии.

Есть несколько причин, о которых я могу думать:

1. Наиболее распространенным является объектив. Заставить объектив сфокусироваться на бесконечности может быть сложно на некоторых объективах, которые позволяют вам сфокусировать «прошлое» бесконечности. Но даже если вы можете получить это точно, сам объектив все равно может разложить его.
2. Другая причина заключается в том, что свет может фактически попасть в более чем один участок датчика, либо потому, что участок датчика (или зерна пленки) не полностью выровнены с каждой звездой, либо потому, что проекция звезды на датчик или пленку на самом деле больше, чем один сенсорный сайт или зернистость пленки.
3. Атмосфера также распространяет свет, исходящий от звезд, что приводит к увеличению круга для каждого из них.

Я взял небольшую область с вашей фотографии и увеличил ее (пересчитал в 10 раз).

Я отметил два интересных региона. Область А обозначает звезду, размытую оптикой приблизительно в область 3х3 пикселя с пиком диаметром 2-3 пикселя, я бы сказал. Это эффект размытия, как описано в ответе Скоттбба .

Однако яркая звезда в положении B намного шире и также показывает насыщенность в центре. Я предполагаю, что это дополнительное расширение вызвано просвечиванием пикселей или просто насыщением.

«кровотечение» одинаково для цифровых и нецифровых камер?

Возможно нет. У нецифровых камер намного более высокий контрастный диапазон, поэтому насыщенность может быть менее серьезной, а пиксельное кровотечение, которое является электронным эффектом, может вообще не возникнуть.

Тем не менее, с помощью схемы записи HDR в цифровой камере можно исправить дополнительное расширение и сделать пятно B похожим на пятно A только намного ярче.

Чтобы изменить размер эффекта размытия, вы можете поиграть с апертурой камеры и изображением звезд (или печатными точками на бумаге, если звезд нет, или небольшим отверстием в темном картоне с источником света позади).

Хорошо изученный Джорджем Эйри, Astronomer Royal, опубликованным в 1830 году. Теперь он называется диском Эйри или паттерном Эйри, точечным источником звездных изображений с чередующимися светлыми и темными кольцами, окружающими центральный диск. Диаметр первого темного кольца составляет 2,44 длины волны для хорошо скорректированной линзы с круглой апертурой. Это ключевой факт, когда речь идет о разрешающей способности объектива. Трудно, но не невозможно изобразить эти концентрические кольца. Большинство изображений объединяют эти кольца.

Джон Струтт, 3-й барон Рэлей (Королевский астроном), также опубликовал так называемый критерий Рэлея, охватывающий теоретическую максимальную разрешающую способность линзы. «Разрешающая способность в миллиметрах линий составляет 1392 ÷ f-число. Таким образом, f / 1 = 1392 линий на миллиметр максимум. Для f / 2 = 696 линий на миллиметр. Для f / 8 = 174 линии на миллиметр. Обратите внимание: Разрешающая способность для диафрагм больше, чем f / 8, выше, чем у пленки, предназначенной для графического использования, которую можно использовать. Кроме того, разрешающая способность измеряется путем изображения параллельных линий с пробелами между ними. Когда в конечном итоге объединенные линии видны, их интервал является пределом разрешения для этой системы обработки изображений. Мало, если какие-либо линзы превзошли критерий Рэлея.