Dlaczego gwiazdy pojawiają się jako koła, a nie punkty?

Z wyłączeniem Słońca gwiazdy są tak daleko, że ich średnica kątowa wynosi zero. Jednak podczas robienia zdjęć jaśniejsze gwiazdy pojawiają się jako koła, a nie punkty. Czemu?

Teoretycznie każda gwiazda, niezależnie od jasności, powinna trafić co najwyżej jeden mały punkt dowolnego medium, którego używa się do zrobienia zdjęcia. Dlaczego reagują również pobliskie punkty medium? Czy nadmierne światło „przenika” do pobliskich punktów, a jeśli tak, to czy „krwawienie” jest takie samo w przypadku aparatów cyfrowych i nie cyfrowych?

Czy to ma coś wspólnego z obiektywem? Czy soczewka rozszerza pojedynczy punkt światła w małe kółko, w zależności od jasności?

Natknąłem się na to, próbując odpowiedzieć https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-star, który skutecznie pyta: jaka jest funkcja (jeśli istnieje) który wiąże jasność gwiazdy z rozmiarem dysku gwiazdy na filmie fotograficznym (lub nośniku cyfrowym)?

Uwaga: Zdaję sobie sprawę, że wizualne i fotograficzne wartości gwiazd mogą być różne i zakładam, że odpowiedź będzie oparta na wielkości fotograficznej.

EDYCJA: Dzięki za wszystkie odpowiedzi, wciąż je przeglądam. Oto kilka dodatkowych pomocnych linków, które znalazłem:

• Fotometria (astronomia) z Wikipedii

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml , zwłaszcza dyskusja na temat „surowych jednostek obrazu” i „pełnej szerokości w połowie maksimum” (FWHM)

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.html i jego dyskusja na temat FWHM

Ilekroć światło przechodzi przez granicę, dyfrakuje lub wygina się z powodu falowej właściwości światła oddziałującego z tą granicą. Otwór w układzie optycznym, zwykle okrągły lub podobny do koła, jest jedną z takich granic.

O tym, jak światło oddziałuje z aperturą, opisuje funkcja rozpraszania punktów (PSF) lub jak dużo i do jakiego stopnia punktowe źródło światła rozprzestrzenia się w wyniku przejścia przez układ optyczny. PSF jest określony przez geometrię układu (w tym kształt i rozmiar apertury; kształt (y) soczewek itp.) Oraz długość fali światła przechodzącego przez układ optyczny. PSF jest zasadniczo odpowiedzią impulsową układu optycznego na funkcję impulsową , punktem światła o jednostkowej ilości energii, który jest nieskończenie wąski lub ściśle ograniczony w przestrzeni 2D.

^{Splotu światła od pacjenta z punktu rozproszenia funkcyjnych prowadzi do obrazu, który pojawia się produkowane bardziej rozległy niż początkowy przedmiot. Autor Wikipedii Default007, z Wikimedia Commons . Domena publiczna.}

Aby uzyskać idealnie okrągły otwór w teoretycznie perfekcyjnym optycznie systemie obrazowania, funkcję PSF opisuje dysk Airy , który jest podobnym do tarczy wzorem koncentrycznych pierścieni naprzemiennych regionów konstruktywnych zakłóceń (gdzie fale światła oddziałują konstruktywnie z „sumowanie”) i destrukcyjne zakłócenia (gdzie fale światła oddziałują na siebie, aby się skasować).

Należy zauważyć, że wzór dysku Airy nie jest wynikiem niedoskonałych właściwości soczewek ani błędów tolerancji w produkcji itp. Jest to ściśle funkcja kształtu i wielkości apertury oraz długości fali przechodzącego przez nią światła. Tak więc dysk Airy stanowi swego rodzaju górną granicę jakości pojedynczego obrazu, który może wytworzyć układ optyczny ¹ .

^{Punktowe źródło światła przechodzące przez okrągły otwór rozproszy się, tworząc wzór dysku Airy. Autorstwa Sakurambo , z Wikimedia Commons . Domena publiczna.}

Gdy apertura jest wystarczająco duża, tak że większość światła przechodzącego przez obiektyw nie wchodzi w interakcje z krawędzią apertury, mówimy, że obraz nie jest już ograniczony dyfrakcją . Wszelkie niedoskonałe obrazy wytworzone w tym punkcie nie są spowodowane dyfrakcją światła przez krawędź przysłony. W rzeczywistych (nie idealnych) systemach obrazowania te niedoskonałości obejmują (ale ograniczają się do): szum (termiczny, wzór, odczyt, strzał itp.); błędy kwantyzacji (które można uznać za inną formę hałasu); aberracje optyczne soczewki; błędy kalibracji i wyrównania.

Uwagi:

1. Istnieją techniki poprawy produkowanych obrazów, tak że pozorna jakość optyczna systemu obrazowania jest lepsza niż ograniczenie dysku Airy. Techniki łączenia obrazów , takie jak szczęśliwe obrazowanie , zwiększają jakość pozorną, łącząc wiele (często setki) różnych obrazów tego samego obiektu. Podczas gdy dysk Airy wygląda jak zamazany zestaw koncentrycznych kół, tak naprawdę reprezentuje prawdopodobieństwogdzie punktowe źródło światła wpadające do systemu kamer wyląduje na kamerze. Wynikający z tego wzrost jakości wytwarzany przez układanie obrazów wynika ze zwiększenia wiedzy statystycznej na temat lokalizacji fotonów. Oznacza to, że układanie obrazów zmniejsza niepewność probabilistyczną wytwarzaną przez dyfrakcję światła przez otwór, jak opisano w PSF, przez rzucenie nadmiaru zbędnych informacji na problem.

2. Jeśli chodzi o stosunek wielkości pozornej do jasności gwiazdy lub źródła punktowego: jaśniejsze źródło światła zwiększa intensywność („wysokość”) PSF, ale nie zwiększa jego średnicy. Jednak zwiększone natężenie światła wpadającego do systemu obrazowania oznacza, że ​​więcej fotonów oświetla piksele graniczne regionu oświetlonego przez PSF. Jest to forma „kwitnienia światła” lub najwyraźniej „rozlewania” światła na sąsiednie piksele. Zwiększa to pozorny rozmiar gwiazdy.

Na rozmiar „punktu” ma wpływ zależna od długości fali „funkcja rozpraszania punktów” (PSF) używanego systemu soczewek.

Dyfrakcja światła, która określa granicę rozdzielczości systemu, rozmywa każdy punktowy obiekt do pewnego minimalnego rozmiaru i kształtu zwanego funkcją rozpraszania punktów. PSF jest zatem trójwymiarowym obrazem obiektu podobnego do punktu na płaszczyźnie obrazu. PSF jest zwykle wyższy niż szeroki (jak futbol amerykański stojący na czubku), ponieważ układy optyczne mają gorszą rozdzielczość w kierunku głębokości niż w kierunku bocznym.

PSF zmienia się w zależności od długości fali oglądanego światła: krótsze długości fali światła (takie jak światło niebieskie, 450 nm) dają mniejsze PSF, podczas gdy dłuższe długości fali (takie jak światło czerwone, 650 nm) dają większe PSF, a zatem gorsza rozdzielczość. Również apertura numeryczna (NA) używanego obiektywu wpływa na rozmiar i kształt PSF: obiektyw o wysokiej NA daje ładny mały PSF, a zatem lepszą rozdzielczość.

Niespodziewanie PSF jest niezależny od intensywności punktu. Dotyczy to zarówno astrofotografii, jak i mikroskopii.

Jest kilka powodów, dla których mogę myśleć:

1. Najczęstszym jest obiektyw. Ustawienie ostrości w nieskończoności może być trudne w przypadku niektórych obiektywów, które pozwalają ustawić ostrość w „przeszłej” nieskończoności. Ale nawet jeśli możesz to zrobić dokładnie, sam obiektyw może nadal go rozłożyć.
2. Innym powodem jest to, że światło może faktycznie uderzyć w więcej niż jedno miejsce czujnika, albo dlatego, że miejsce czujnika (lub ziarna filmu) nie są idealnie wyrównane z każdą gwiazdą, lub ponieważ rzut gwiazdy na czujnik lub film jest faktycznie większy niż pojedyncze miejsce czujnika lub ziarno filmu.
3. Atmosfera rozprzestrzenia również światło pochodzące z gwiazd, co prowadzi do większego koła dla każdego z nich.

Wziąłem niewielki obszar z twojego zdjęcia i powiększyłem go (ponownie próbkowany 10-krotnie).

Zaznaczyłem dwa interesujące regiony. Obszar A wskazuje gwiazdę, rozmytą przez układ optyczny w przybliżeniu w obszarze piksela 3x3 z pikiem o średnicy 2-3 pikseli, powiedziałbym. Jest to efekt rozmycia opisany w odpowiedzi scottbb .

Jednak jasna gwiazda w pozycji B jest znacznie szersza i również pokazuje nasycenie w środku. Domyślam się, że to dodatkowe poszerzenie jest spowodowane spadaniem pikseli lub po prostu nasyceniem.

czy „krwawienie” jest takie samo w przypadku aparatów cyfrowych i nie cyfrowych?

Prawdopodobnie nie. Aparaty inne niż cyfrowe mają znacznie większy zakres kontrastu, więc nasycenie może być mniejszym problemem, a krwawienie pikseli, które jest efektem elektronicznym, może w ogóle nie wystąpić.

Jednak przy schemacie nagrywania HDR w aparacie cyfrowym należy poprawić korekcję i rozszerzyć obszar, aby punkt B wyglądał jak punkt A tylko o wiele jaśniejszy.

Aby zmienić rozmiar efektu rozmycia, możesz bawić się przysłoną aparatu i gwiazd obrazu (lub drukowanymi kropkami na papierze, jeśli gwiazdy nie są dostępne lub małą dziurą w ciemnym kartonie ze źródłem światła z tyłu).

Dobrze zbadany przez George Airy, Astronomer Royal, opublikowany w 1830 r. Teraz nazywany dyskiem Airy lub wzorem Airy'ego, gwiazdowym źródłem punktowym z naprzemiennymi jasnymi i ciemnymi pierścieniami otaczającymi centralny dysk. Średnica pierwszego ciemnego pierścienia wynosi 2,44 długości fali dla dobrze skorygowanego obiektywu o aperturze kołowej. Jest to kluczowy fakt, jeśli chodzi o moc rozdzielczą obiektywu. Wyobrażenie sobie tych koncentrycznych pierścieni jest trudne, ale nie niemożliwe. Większość zdjęć łączy te pierścienie.

John Strutt, trzeci baron Rayleigh (Astronomer Royal), opublikował dalej to, co nazywa się obecnie kryterium Rayleigha, obejmujące teoretyczną maksymalną moc rozdzielczą obiektywu. „Moc rozdzielcza w milimetrach linii wynosi 1392 ÷ liczba f. Zatem f / 1 = maksymalnie 1392 linii na milimetr. Dla f / 2 = 696 linii na milimetr. Dla f / 8 = 174 linii na milimetr. Uwaga: Moc rozdzielcza dla przysłon większych niż f / 8 jest wyższa niż w przypadku filmu, który ma być obrazowo użyteczny. Moc rozdzielczą mierzy się również poprzez obrazowanie równoległych linii z odstępami między nimi. Kiedy widać, że ostatecznie rządzone linie łączą się, ich odstępy są granicą rozdzielczości dla tego systemu obrazowania. Niewiele, jeśli jakieś soczewki pokonały kryterium Rayleigha.