Чому зірки відображаються як кола, а не точки?

Виключаючи Сонце, зірки знаходяться настільки далеко, що їх кутовий діаметр фактично дорівнює нулю. Однак, коли ви їх фотографуєте, яскравіші зірки з’являються як кола, а не точки. Чому?

Теоретично будь-яка зірка, незалежно від яскравості, повинна вражати щонайменше одну невелику точку будь-якого середовища, що використовується для фотографування. Чому сусідні точки середовища також відповідають? Чи надлишок світла "кровоточить" в сусідні точки, і якщо так, то чи є "кровотеча" однаковим для цифрових та не цифрових камер?

Чи має щось спільне з об’єктивом? Чи розширює лінза одну точку світла на мале коло, залежно від яскравості?

Я наткнувся на це, намагаючись відповісти https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-star, який ефективно запитує: яка функція (якщо така є) що пов'язує яскравість зірки з розміром диска зірки на фотоплівці (або цифрових носіях)?

Примітка. Я розумію, що зорова та фотографічна величини зірки можуть бути різними, і я припускаю, що відповідь буде базуватися на фотографічній величині.

EDIT: Дякую за всі відповіді, я все ще переглядаю їх. Ось декілька додаткових корисних посилань, які я знайшов:

• Фотометрія (астрономія) у Вікіпедії

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml , особливо дискусія про "необроблені одиниці зображення" та "повну ширину в половині максимуму" (FWHM)

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.html та його обговорення FWHM

Кожного разу, коли світло переходить кордон, воно розсіюється або вигинається через хвилеподібну властивість світла, що взаємодіє з цією межею. Діафрагма в оптичній системі, як правило, кругова або кругова, є однією з таких меж.

Як взаємодіє світло з діафрагмою, описується функцією розподілу точок (PSF), або скільки і в якій мірі точковий джерело світла поширюється в результаті проходження через оптичну систему. PSF визначається геометрією системи (включаючи форму та розміри діафрагми; форму (форми) лінз тощо) та довжину хвилі світла, що проходить через оптичну систему. PSF по суті є імпульсною реакцією оптичної системи на імпульсну функцію , точку світла деякої одиничної кількості енергії, яка нескінченно вузька або щільно обмежена у двовимірному просторі.

^{Згортка світла від об'єкта з точкою функції розсіювання призводить до отриманого зображенню , яке видається більш поширена , ніж у вихідного об'єкт. Користувачем Wikipedia Default007, з Вікісховища . Публічний домен.}

Для ідеально круглої діафрагми в теоретично оптично досконалій системі візуалізації функція PSF описується диском Airy , що представляє собою схожий на коричневий малюнок концентричні кільця змінних областей конструктивної інтерференції (де хвилі світла конструктивно взаємодіють з "доповнення") та руйнівної інтерференції (де хвилі світла взаємодіють, щоб скасувати себе).

Важливо зауважити, що модель диска Airy не є результатом недосконалих якостей об'єктива або помилок допусків у виробництві тощо. Це суворо функція форми та розміру діафрагми та довжини хвилі світла, що проходить через неї. Таким чином, диск Airy є свого роду верхньою межею щодо якості одного зображення, яке може бути вироблено оптичною системою ¹ .

^{Точкове джерело світла, що проходить крізь круглу діафрагму, пошириться для отримання дискового малюнка. Автор Сакурамбо , із Вікісховища . Публічний домен.}

Коли діафрагма є достатньо великою, так що більша частина світла, що проходить через лінзу, не взаємодіє з краєм діафрагми, ми говоримо, що зображення більше не обмежене дифракцією . Будь-які не ідеальні зображення, що утворюються в цій точці, не зумовлені дифракцією світла по краю діафрагми. У реальних (неідеальних) системах візуалізації ці недоліки включають (але обмежуються лише): шум (тепловий, зразковий, зчитуваний, знятий тощо); помилки квантування (що можна вважати іншою формою шуму); оптичні аберації лінзи; помилки калібрування та вирівнювання.

Примітки:

1. Існують методи вдосконалення отриманих зображень, щоб видима оптична якість системи зображень була кращою, ніж диск Airy - ліміт. Прийоми укладання зображень, такі як щасливе зображення , підвищують видиму якість шляхом складання декількох (часто сотень) різних зображень одного і того ж об'єкта разом. У той час як диск Airy виглядає як нечіткий набір концентричних кіл, він справді представляє ймовірністьде точне джерело світла, що надходить у систему камери, приземлиться на знімач. Внаслідок цього підвищення якості, отримане шляхом укладання зображень, пов'язане зі збільшенням статистичних знань про розташування фотонів. Тобто, укладання зображення зменшує ймовірнісну невизначеність, що виникає шляхом дифракції світла через діафрагму, як описано в PSF, шляхом викидання надлишку зайвої інформації при проблемі.

2. Що стосується відношення видимих ​​розмірів до яскравості зірки чи точкового джерела: яскравіше джерело світла збільшує інтенсивність ("висоту") ПДЧ, але не збільшує його діаметр. Але підвищена інтенсивність світла, що надходить у систему візуалізації, означає, що більше фотонів висвітлює граничні пікселі області, освітленої PSF. Це форма "світлого цвітіння", або, мабуть, "проливання" світла в сусідні пікселі. Це збільшує видимий розмір зірки.

На величину "точки" впливає залежність від довжини хвилі "Функція розповсюдження точки" (PSF) системи лінз, яку ви використовуєте.

Дифракція світла, яка визначає межу роздільної здатності системи, розмиває будь-який точкоподібний об'єкт до певного мінімального розміру та форми, що називається функцією розведення точки. Отже, PSF - це тривимірне зображення точкоподібного об'єкта в площині зображення. PSF зазвичай вище, ніж широкий (як американський футбол, що стоїть на його кінчику), оскільки оптичні системи мають гіршу роздільну здатність у напрямку глибини, ніж у бічному напрямку.

PSF змінюється залежно від довжини хвилі світла, який ви переглядаєте: коротша довжина хвилі світла (наприклад, синє світло, 450nm) призводить до меншої PSF, тоді як довші довжини хвилі (наприклад, червоне світло, 650nm) призводять до збільшення PSF і, отже, гірша роздільна здатність. Крім того, числова діафрагма (NA) об'єктиву, що використовується, впливає на розмір і форму PSF: висока мета NA дає вам невеликий PSF і, отже, кращу роздільну здатність.

Дивно, але PSF не залежить від інтенсивності точки. Це справедливо як для астрофотографії, так і для мікроскопії.

Є кілька причин, про які я можу придумати:

1. Найпоширеніший - лінза. Отримати фокус об'єктива на нескінченності може бути складним для деяких об'єктивів, які дозволяють вам сфокусувати "минулу" нескінченність. Але навіть якщо ви зможете точно зрозуміти, сам об’єктив все-таки може розкрити його.
2. Інша причина полягає в тому, що світло може насправді потрапити на більше ніж один датчик, або тому, що датчик (або плівки) не ідеально узгоджується з кожною зіркою, або через те, що проекція зірки на датчик або плівку є насправді більше, ніж на одному сенсорному майданчику чи зерні плівки.
3. В атмосферу також поширюється світло, що виходить від зірок, що призводить до більшого кола для кожної з них.

Я взяв невелику ділянку з вашої фотографії та збільшив її (переупорядкований у 10 разів).

Я відзначив два цікаві регіони. Область А вказує на зірку, розмиту оптикою приблизно на область 3x3 пікселів з піком діаметра 2-3 пікселя, я б сказав. Це ефект розмивання, як описано у відповіді Скоттбба .

Однак яскрава зірка в положенні В набагато ширша і також демонструє насичення в центрі. Я гадаю, що це додаткове розширення спричинене кровотоком пікселя через або просто насиченням.

чи «кровотеча» однакове для цифрових та нецифрових камер?

Напевно, ні. Не цифрові камери мають набагато більший діапазон контрастності, тому насиченість може бути меншою проблемою, а піксельна кровотеча, що є електронним ефектом, може взагалі не виникати.

Однак при схемі запису HDR в цифровій камері слід виправити додаткове розширення і зробити пляму B схожою на пляму A лише набагато яскравіше.

Щоб змінити розмір ефекту розмивання, ви могли б пограти з діафрагмою камери та зірками зображень (або надрукованими крапками на папері, якщо зірок немає, або невеликим отвором у темному картоні із джерелом світла позаду).

Добре вивчений Джорджем Ері, Astronomer Royal, опублікований у 1830 році. Зараз він називається диском Airy або Ейрі візерунком, точковим зображенням зірки зі змінним світлим і темним кільцем, що оточує центральний диск. Діаметр першого темного кільця становить 2,44 довжини хвилі для добре виправленої лінзи з круглою діафрагмою. Це ключовий факт, коли стосується дозвольної потужності лінзи. Зобразити ці концентричні кільця важко, але не неможливо. Більшість зображень об'єднують ці кільця.

Джон Струтт, 3-й барон Релей (Королівський астроном) також опублікував те, що зараз називається критерієм Релея, що охоплює теоретичну максимальну роздільну здатність лінзи. “Роздільна потужність у міліметрових лініях - 1392 ÷ f-число. Таким чином, f / 1 = 1392 рядки на міліметр максимум. Для f / 2 = 696 рядків на міліметр. Для f / 8 = 174 рядки на міліметр. Зверніть увагу: потужність дозволу для діафрагм більше f / 8 вище, ніж плівка, призначена для мальовничої корисності, може використовуватись. Також роздільна здатність вимірюється зображенням паралельних ліній з білими проміжками між ними. Коли, нарешті, видно лінійки ліній, що зливаються, їх інтервал є межею роздільної здатності для цієї системи зображень. Мало хто з лінз перевищив критерій Релея.