ทำไมดาวจึงปรากฏเป็นวงกลมไม่ใช่คะแนน

หากไม่รวมดวงอาทิตย์ดวงดาวก็จะห่างกันจนเส้นผ่าศูนย์กลางเชิงมุมของพวกมันนั้นมีค่าเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตามเมื่อคุณถ่ายรูปพวกเขาดาวที่สว่างกว่าจะปรากฏเป็นวงกลมไม่ใช่จุด ทำไม?

ตามทฤษฎีแล้วดาวใด ๆ โดยไม่คำนึงถึงความสว่างควรไปถึงจุดเล็ก ๆ จุดหนึ่งของสื่อที่ใช้ถ่ายภาพ เหตุใดคะแนนของสื่อที่อยู่ใกล้เคียงจึงตอบสนองด้วยเช่นกัน แสงที่มากเกินไป "ตก" ในจุดที่อยู่ใกล้เคียงหรือไม่และถ้าเป็นเช่นนั้น "เลือด" จะเหมือนกันสำหรับกล้องดิจิตอลและไม่ใช่กล้องดิจิตอลหรือไม่?

มันมีบางอย่างเกี่ยวข้องกับเลนส์หรือไม่? เลนส์ขยายจุดแสงหนึ่งจุดเป็นวงกลมเล็ก ๆ หรือไม่ขึ้นอยู่กับความสว่าง?

ฉันพบปัญหานี้ในขณะที่พยายามตอบhttps://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-starซึ่งจะถามว่ามีฟังก์ชันอะไร (ถ้ามี) ที่เกี่ยวข้องกับความสว่างของดาวกับขนาดของดิสก์ของดาวบนฟิล์มถ่ายภาพ (หรือสื่อดิจิทัล)

หมายเหตุ: ฉันตระหนักดีว่าขนาดของภาพและภาพถ่ายของดาวนั้นอาจแตกต่างกันและฉันคาดว่าคำตอบนั้นจะขึ้นอยู่กับขนาดของภาพถ่าย

แก้ไข: ขอบคุณสำหรับคำตอบทั้งหมดฉันยังคงตรวจสอบพวกเขา นี่คือลิงค์ที่เป็นประโยชน์เพิ่มเติมที่ฉันพบ:

• แสง (ดาราศาสตร์)ที่วิกิพีเดีย

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtmlโดยเฉพาะการอภิปรายเกี่ยวกับ "หน่วยรูปภาพดิบ" และ "เต็มความกว้างครึ่งสูงสุด" (FWHM)

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.htmlและการอภิปรายของ FWHM

เมื่อใดก็ตามที่แสงผ่านเขตแดนมันจะเลี้ยวเบนหรือโค้งงอเนื่องจากคุณสมบัติของคลื่นแสงที่กระทบกับเขตแดนนั้น รูรับแสงในระบบออพติคอลโดยทั่วไปแล้วจะเป็นวงกลมหรือคล้ายวงกลมเป็นหนึ่งในขอบเขตดังกล่าว

วิธีการที่แสงมีปฏิกิริยากับรูรับแสงนั้นอธิบายโดยฟังก์ชั่นการกระจายแบบจุด (PSF) หรือจำนวนเท่าใดและแหล่งกำเนิดแสงของการแพร่กระจายของแสงนั้นมีระดับเท่าไรจากการผ่านระบบออพติคอล PSF ถูกกำหนดโดยรูปทรงเรขาคณิตของระบบ (รวมถึงรูปร่างและขนาดของรูรับแสงรูปร่างของเลนส์ ฯลฯ ) และความยาวคลื่นของแสงที่ผ่านระบบออปติคัล PSF นั้นเป็นการตอบสนองต่อแรงกระตุ้นของระบบออปติคอลต่อการทำงานของแรงกระตุ้นซึ่งเป็นจุดแสงของพลังงานจำนวนหนึ่งของหน่วยที่แคบหรือแคบลงอย่างแน่นหนาในพื้นที่ 2D

^{บิดของแสงจากวัตถุที่มีฟังก์ชั่นการแพร่กระจายจุดส่งผลให้ภาพที่ปรากฏผลิตมากขึ้นกว่าที่แผ่ออกมาจากวัตถุเดิม โดยวิกิพีเดียผู้ใช้ Default007 จากวิกิพีเดีย โดเมนสาธารณะ}

สำหรับรูรับแสงทรงกลมอย่างสมบูรณ์แบบในระบบการถ่ายภาพทางทัศนศาสตร์ที่สมบูรณ์แบบทางทฤษฎีฟังก์ชั่น PSF ถูกอธิบายโดยAiry diskซึ่งเป็นรูปแบบเป้าเป้าเป้าเป้าคล้ายวงแหวนของพื้นที่สลับกันของการแทรกแซงเชิงสร้างสรรค์ (ที่คลื่นแสงโต้ตอบอย่างสร้างสรรค์ "เพิ่ม") และการทำลายล้าง (ที่ซึ่งคลื่นแสงมีปฏิกิริยาเพื่อยกเลิกตัวเอง)

เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบว่ารูปแบบดิสก์ Airy ไม่ได้เป็นผลมาจากคุณสมบัติของเลนส์ที่ไม่สมบูรณ์หรือข้อผิดพลาดในความคลาดเคลื่อนในการผลิตเป็นต้นมันเป็นหน้าที่ของรูปร่างและขนาดของรูรับแสงและความยาวคลื่นของแสงที่ส่องผ่าน ดังนั้นดิสก์ Airy คือการเรียงลำดับของบนผูกพันอยู่กับคุณภาพของภาพเดียวที่สามารถผลิตโดยระบบออปติคอล1

^{แหล่งกำเนิดแสงที่ส่องผ่านรูรับแสงทรงกลมจะแพร่กระจายเพื่อสร้างรูปแบบดิสก์ Airy โดยSakuramboจากวิกิพีเดีย โดเมนสาธารณะ}

เมื่อรูรับแสงที่มีขนาดใหญ่พอสมควรเช่นว่าส่วนใหญ่ของการส่งผ่านแสงผ่านเลนส์จะไม่โต้ตอบกับขอบรูรับแสงที่เราบอกว่าภาพที่ไม่มีเลนส์ จำกัด ภาพที่ไม่สมบูรณ์แบบที่เกิดขึ้น ณ จุดนั้นไม่ได้เกิดจากการกระจายของแสงที่ขอบรูรับแสง ในระบบการถ่ายภาพของจริง (ไม่เหมาะ) ความไม่สมบูรณ์เหล่านี้รวมถึง (แต่ จำกัด เฉพาะ): เสียงรบกวน (ความร้อนรูปแบบการอ่านการถ่ายภาพ ฯลฯ ); ข้อผิดพลาดเชิงปริมาณ (ซึ่งสามารถพิจารณารูปแบบของเสียงอื่น); ความผิดปกติทางแสงของเลนส์ ข้อผิดพลาดในการปรับเทียบและการจัดแนว

หมายเหตุ:

1. มีเทคนิคในการปรับปรุงภาพที่ผลิตเช่นคุณภาพแสงที่ชัดเจนของระบบภาพจะดีกว่าดิสก์ Airy - ไม่ จำกัด เทคนิคการวางซ้อนภาพเช่นการถ่ายภาพที่โชคดีเพิ่มคุณภาพที่เห็นได้ชัดโดยการซ้อนภาพหลาย ๆ ภาพ (หลายร้อยภาพ) ของวัตถุเดียวกันเข้าด้วยกัน ในขณะที่ดิสก์ Airy ดูเหมือนชุดวงกลมศูนย์กลางที่คลุมเครือ แต่ก็แสดงถึงความน่าจะเป็นที่ซึ่งแหล่งกำเนิดแสงที่เข้าสู่ระบบกล้องจะเข้าสู่อิมเมจ การเพิ่มคุณภาพที่เกิดจากการซ้อนภาพนั้นเกิดจากการเพิ่มความรู้ทางสถิติของสถานที่ของโฟตอน นั่นคือการซ้อนภาพช่วยลดความไม่แน่นอนของความน่าจะเป็นที่เกิดจากการกระจายแสงผ่านรูรับแสงตามที่อธิบายไว้โดย PSF โดยการโยนข้อมูลส่วนเกินที่เป็นปัญหาไป

2. เกี่ยวกับความสัมพันธ์ในขนาดที่ชัดเจนกับความสว่างของดาวฤกษ์หรือแหล่งกำเนิดของจุด: แหล่งกำเนิดแสงที่สว่างกว่าจะเพิ่มความเข้ม ("ความสูง") ของ PSF แต่ไม่เพิ่มขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง แต่ความเข้มของแสงที่เพิ่มขึ้นเข้ามาในระบบการถ่ายภาพหมายความว่าโฟตอนจะส่องสว่างพิกเซลของขอบเขตของพื้นที่ที่ PSF ส่องสว่างมากขึ้น นี่คือรูปแบบของ "แสงเบ่งบาน" หรือ "แสง" ทะลักเข้าสู่พิกเซลใกล้เคียง นี้จะเพิ่มชัดเจนขนาดของดาว

ขนาดของ "จุด" ได้รับผลกระทบจาก "ฟังก์ชั่นกระจายจุด" (PSF) ของระบบเลนส์ที่คุณใช้

การกระจายแสงซึ่งเป็นตัวกำหนดขีดจำกัดความละเอียดของระบบทำให้วัตถุที่มีลักษณะคล้ายจุดเล็ก ๆ น้อย ๆ กระจายกันเป็นขนาดและรูปร่างที่เล็กที่สุดที่เรียกว่าฟังก์ชั่นกระจายจุด ดังนั้น PSF จึงเป็นภาพสามมิติของวัตถุคล้ายจุดที่ระนาบภาพ PSF มักจะสูงกว่ากว้าง (เหมือนอเมริกันฟุตบอลยืนอยู่ที่ปลายสุด) เนื่องจากระบบการมองเห็นมีความละเอียดที่แย่กว่าในทิศทางความลึกมากกว่าในทิศทางด้านข้าง

PSF แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสงที่คุณกำลังดู: ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าของแสง (เช่นแสงสีฟ้า 450nm) ส่งผลให้ PSF มีขนาดเล็กลงในขณะที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า (เช่นแสงสีแดง 650nm) ความละเอียดแย่ลง นอกจากนี้รูรับแสงตัวเลข (NA) ของเลนส์ใกล้วัตถุที่คุณใช้จะมีผลต่อขนาดและรูปร่างของ PSF: เป้าหมาย NA สูงช่วยให้คุณมี PSF ขนาดเล็กที่ดีและให้ความละเอียดที่ดีกว่า

น่าแปลกที่ PSF นั้นไม่ขึ้นกับความเข้มของจุด นี่เป็นเรื่องจริงสำหรับทั้งการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์และการใช้กล้องจุลทรรศน์

มีเหตุผลสองสามข้อที่ฉันนึกถึง:

1. ที่พบมากที่สุดคือเลนส์ การใช้เลนส์เพื่อโฟกัสที่อินฟินิตี้นั้นอาจเป็นเรื่องยากสำหรับบางเลนส์ที่ให้คุณโฟกัสอินฟินิตี้ "ที่ผ่านมา" แต่ถึงแม้ว่าคุณจะได้รับมันแน่นอนเลนส์ตัวเองอาจยังคงแพร่กระจายออกมาบ้าง
2. อีกเหตุผลหนึ่งก็คือมีความเป็นไปได้ที่แสงจะกระทบกับไซต์เซ็นเซอร์มากกว่าหนึ่งไซต์เนื่องจากเซ็นเซอร์ไซต์ (หรือฟิล์มเม็ด) นั้นไม่ได้เรียงตัวกันอย่างสมบูรณ์แบบกับดาวทุกดวงหรือเพราะการฉายดาวบนเซ็นเซอร์หรือฟิล์ม จริง ๆ แล้วมีขนาดใหญ่กว่าไซต์เซนเซอร์เดี่ยวหรือแถบฟิล์ม
3. บรรยากาศยังกระจายแสงที่มาจากดวงดาวซึ่งนำไปสู่วงกลมที่ใหญ่กว่าสำหรับแต่ละดวง

ฉันใช้พื้นที่เล็ก ๆ จากภาพถ่ายของคุณและขยายให้ใหญ่ขึ้น (ปรับขนาดใหม่อีก 10 เท่า)

ฉันทำเครื่องหมายภูมิภาคที่น่าสนใจสองแห่ง ภูมิภาค A หมายถึงดาวที่เบลอโดยเลนส์ประมาณ 3x3 พิกเซลโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 2-3 พิกเซล ซึ่งเป็นผลทำให้เปรอะเปื้อนตามที่อธิบายไว้ในคำตอบของ scottbb

อย่างไรก็ตามดาวฤกษ์สว่างที่ตำแหน่ง B นั้นกว้างกว่ามากและยังแสดงถึงความอิ่มตัวของจุดศูนย์กลาง ฉันเดาว่าการขยายเพิ่มเติมนี้เกิดจากพิกเซลมีเลือดออกหรือเพียงแค่ความอิ่มตัว

"ตกเลือด" เท่ากันสำหรับกล้องดิจิตอลและไม่ใช่กล้องดิจิตอล?

อาจจะไม่. กล้องที่ไม่ใช่ดิจิตอลมีช่วงคอนทราสต์สูงกว่ามากดังนั้นความอิ่มตัวของสีอาจน้อยกว่าปัญหาและมีเลือดออกพิกเซลซึ่งเป็นผลอิเล็กทรอนิกส์อาจไม่เกิดขึ้นเลย

อย่างไรก็ตามด้วยรูปแบบการบันทึก HDR ภายในกล้องดิจิตอลคุณควรแก้ไขให้ถูกต้องสำหรับการขยายเพิ่มเติมและทำให้จุด B เหมือนจุด A สว่างขึ้นมากเท่านั้น

ในการเปลี่ยนขนาดของเอฟเฟกต์เบลอคุณสามารถเล่นรอบ ๆ ด้วยรูรับแสงของกล้องและดาวภาพของคุณ (หรือจุดที่พิมพ์บนกระดาษหากไม่มีดาวหรือหลุมเล็ก ๆ ในกระดาษแข็งสีเข้มที่มีแหล่งกำเนิดแสงอยู่ด้านหลัง)

การศึกษาที่ดีของ George Airy, Astronomer Royal, ตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1830 ปัจจุบันเรียกว่า Airy disk หรือ Airy pattern ซึ่งเป็นรูปดาวที่เป็นแหล่งกำเนิดของจุดที่มีแสงสลับและวงแหวนมืดรอบดิสก์กลาง เส้นผ่านศูนย์กลางของวงแหวนมืดครั้งแรกคือความยาวคลื่น 2.44 สำหรับเลนส์ที่ได้รับการแก้ไขอย่างดีพร้อมรูรับแสงแบบวงกลม นี่คือข้อเท็จจริงที่สำคัญเมื่อเกี่ยวกับพลังการแก้ไขของเลนส์ มันเป็นเรื่องยาก แต่เป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายภาพวงแหวนศูนย์กลางเหล่านี้ ภาพส่วนใหญ่รวมวงแหวนเหล่านี้เข้าด้วยกัน

John Strutt, 3 บารอน Rayleigh (Astronomer Royal) เผยแพร่เพิ่มเติมสิ่งที่เรียกว่าเกณฑ์ Rayleigh ซึ่งครอบคลุมพลังการแก้ไขสูงสุดทางทฤษฎีของเลนส์ “ กำลังแก้ไขในหน่วยมิลลิเมตรเป็น 1392 ÷ f-number ดังนั้น f / 1 = 1392 บรรทัดต่อมิลลิเมตรสูงสุด สำหรับ f / 2 = 696 บรรทัดต่อมิลลิเมตร สำหรับ f / 8 = 174 บรรทัดต่อมิลลิเมตร โปรดทราบ: พลังการแก้ไขสำหรับรูรับแสงที่มีขนาดใหญ่กว่า f / 8 นั้นสูงกว่าฟิล์มที่ตั้งใจให้เป็นประโยชน์ในเชิงภาพสามารถใช้ประโยชน์ได้ นอกจากนี้การแก้ไขพลังงานจะถูกวัดโดยการถ่ายภาพเส้นขนานพร้อมช่องว่างสีขาวระหว่าง เมื่อมองเห็นเส้นที่ตัดออกไปแล้วการเว้นวรรคจะจำกัดความละเอียดสำหรับระบบภาพนั้น น้อยหากมีเลนส์ใด ๆ ที่ดีที่สุดเกณฑ์ Rayleigh