Yıldızlar neden nokta değil halka şeklinde görünüyor?

Güneş hariç, yıldızlar o kadar uzaktır ki açısal çapları etkin bir şekilde sıfırdır. Ancak, fotoğraflarını çektiğinizde, parlak yıldızlar nokta değil, daireler halinde görünür. Niye ya?

Teoride, parlaklıktan bağımsız olarak, herhangi bir yıldız, fotoğrafı çekmek için kullanılan ortamın en küçük bir noktasına çarpmalıdır. Neden ortamın yakındaki noktaları da yanıt veriyor? Aşırı ışık yakın noktalara "kanıyor" mu, eğer öyleyse "kanama" dijital ve dijital olmayan kameralar için aynı mıdır?

Lensle bir ilgisi var mı? Objektif, parlaklığa bağlı olarak tek bir ışık noktasını küçük bir daireye genişletiyor mu?

Bu soruyu yanıtlamaya çalışırken koştum https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-star'ın etkili bir şekilde sorduğu sorular: işlev nedir (varsa) fotografik filmde (veya dijital ortamlarda) yıldız parlaklığını bir yıldızın diskinin boyutuyla ilişkilendirir?

Not: Bir yıldızın görsel ve fotografik büyüklüklerinin farklı olabileceğinin farkındayım ve cevabın fotografik büyüklüğe dayanacağını farz ediyorum.

EDIT: Tüm cevaplar için teşekkürler, hala gözden geçiriyorum. İşte bulduğum bazı yardımcı bağlantılar:

• Fotometri (astronomi) Wikipedia'da

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml , özellikle "ham görüntü birimleri" ve "yarı genişlikte tam genişlik" (FWHM) hakkındaki tartışma

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.html ve FWHM tartışması

Işık sınırdan geçtiği zaman, o kırılır nedeniyle bu sınırın hafif etkilesmeyen dalgalı özelliğine, ya virajlı. Optik bir sistemdeki, tipik olarak dairesel veya daire benzeri bir açıklık, böyle bir sınırdır.

Işığın açıklıkla nasıl etkileşime girdiği, nokta yayma işlevi (PSF) veya optik sistemden geçmenin bir sonucu olarak ne kadar ve bir nokta ışık kaynağının yayıldığı ile tanımlanır. PSF, sistemin geometrisiyle (açıklığın şekli ve boyutu; lenslerin şekli / şekilleri dahil) ve optik sistemden geçen ışığın dalga boyu ile belirlenir. PSF, esasen optik sistemin , 2 boyutlu uzayda sonsuz derecede dar ya da sıkıca bağlanmış bir miktar enerji miktarının ışığı noktası olan dürtü fonksiyonuna olan dürtü tepkisidir .

^{Büklüm kişiden alınan ışığın nokta dağılım fonksiyonu , üretilmiş bir görüntü sonuçları görüntülenir daha özgün nesneden daha yayılmış olduğu. Vikipedi kullanıcısı tarafından Default007, Wikimedia Commons'dan . Kamu malı.}

Teorik olarak optik olarak mükemmel bir görüntüleme sisteminde mükemmel bir yuvarlak diyafram için PSF işlevi, değişken yapılı girişim bölgelerinin (ışık dalgalarının yapıcı olarak etkileşime girdiği etkileşimli bölgelerin bullseye-hedef benzeri halka şeklindeki bir halka şeklindeki bullseye-hedef-benzeri bir deseni olan bir Airy diski ile tanımlanmaktadır . "toplayın") ve yıkıcı girişim (ışığın dalgalarının kendilerini iptal edecek şekilde etkileşimde bulunduğu yer).

Airy disk modelinin kusurlu objektif niteliklerinin veya üretim, vb. Toleranslardaki hataların bir sonucu olmadığını not etmek önemlidir . Bu kesinlikle açıklığın şeklinin ve boyutunun ve içinden geçen ışığın dalga boyunun bir fonksiyonudur. Bu nedenle, Airy diski, optik sistem ¹ tarafından üretilebilecek tek bir görüntünün kalitesi üzerinde bir üst sınırdır .

^{Yuvarlak bir açıklıktan geçen bir ışık kaynağı, bir Airy disk deseni üretmek üzere yayılır. By Sakurambo dan, Wikimedia Commons . Kamu malı.}

Açıklık yeterince büyük olduğunda, mercekten geçen ışığın çoğu açıklık kenarıyla etkileşime girmeyecek şekilde, görüntünün artık kırınım sınırlı olmadığını söyleriz . Bu noktada üretilen kusursuz olmayan görüntüler ışığın açıklık kenarı tarafından difraksiyonundan kaynaklanmaz. Gerçek (ideal olmayan) görüntüleme sistemlerinde bu kusurlar aşağıdakileri içerir (ancak bunlarla sınırlı): gürültü (termal, kalıp, okuma, atış, vb.); niceleme hataları (başka bir gürültü şekli olarak kabul edilebilir); lensin optik sapmaları; Kalibrasyon ve hizalama hataları.

Notlar:

1. Görüntüleme sisteminin görünür optik kalitesi Airy disk sınırından daha iyi olacak şekilde üretilen görüntüleri iyileştirme teknikleri vardır. Şanslı görüntüleme gibi görüntü istifleme teknikleri, aynı konunun birden fazla (genellikle yüzlerce) farklı görüntüsünü bir araya getirerek görünür kaliteyi artırır. Airy disk bulanık konsantrik daireler kümesi gibi görünüyor olsa da, gerçekten bir olasılık temsil eder.kamera sistemine giren bir noktadaki ışık kaynağının görüntüleyiciye ineceği yer. Görüntü istiflemeyle elde edilen kalitedeki artış, fotonların konumlarının istatistiki bilgisinin arttırılmasından kaynaklanmaktadır. Yani, görüntü istifleme, sorunda fazla bilgi fazlalığı atmak suretiyle PSF tarafından tarif edilen açıklıktan ışığın difraksiyonu yoluyla ortaya çıkan olasılıksal belirsizliği azaltır.

2. Belirgin boyuttaki yıldızın veya nokta kaynağının parlaklığı ile ilişkisine gelince: daha parlak bir ışık kaynağı, PSF'nin yoğunluğunu ("yükseklik") arttırır, fakat çapını arttırmaz. Ancak görüntüleme sistemine artan ışık yoğunluğu, daha fazla fotonun PSF tarafından aydınlatılan bölgenin sınır piksellerini aydınlattığı anlamına gelir. Bu, "ışık açan" bir formdur veya görünüşte komşu piksellere ışığın "dökülmesi" şeklindedir. Bu , yıldızın görünür boyutunu arttırır .

"Noktanın" boyutu, kullandığınız lens sisteminin dalga boyuna bağlı "Nokta-Yayılma İşlevi" (PSF) tarafından etkilenir.

Sistemin çözünürlük sınırını belirleyen ışığın kırılması, nokta benzeri herhangi bir nesneyi Nokta Yayılma Fonksiyonu adı verilen belirli bir minimum boyuta ve şekle bulanıklaştırır. Öyleyse PSF, görüntü düzlemindeki noktaya benzer bir cismin üç boyutlu görüntüsüdür. PSF genellikle geniş olduğundan daha uzundur (ucu üzerinde duran bir Amerikan futbolu gibi), çünkü optik sistemler, yanal doğrultuda olduğundan derinlik yönünde daha kötü çözünürlüğe sahiptir.

PSF, görüntülediğiniz ışığın dalga boyuna bağlı olarak değişir: daha kısa ışık dalgaları (mavi ışık, 450nm gibi) daha küçük bir PSF ile sonuçlanırken, daha uzun dalga boyları (kırmızı ışık, 650nm gibi) daha büyük bir PSF ile sonuçlanır ve daha kötü çözünürlük Ayrıca, kullandığınız objektif lensin Sayısal Açıklığı (NA) PSF'nin boyutunu ve şeklini etkiler: yüksek NA hedefi size güzel bir küçük PSF ve dolayısıyla daha iyi çözünürlük verir.

Şaşırtıcı bir şekilde PSF, noktanın yoğunluğundan bağımsızdır. Bu hem astrofotografi hem de mikroskopi için geçerlidir.

Düşünebilmemin birkaç nedeni var:

1. En yaygın olanı mercek. Sonsuza odaklanmak için bir mercek almak, "geçmiş" sonsuza odaklanmanıza izin veren bazı merceklere zor gelebilir. Fakat bunu tam olarak öğrenebilseniz bile, lensin kendisi hala bazılarını dağıtabilir.
2. Başka bir neden, ışığın, sensör bölgesi (veya film taneleri) her yıldız ile mükemmel bir şekilde hizalanmadığından veya yıldızın sensör veya film üzerine yansıması olduğu için, birden fazla sensör bölgesine çarpması mümkün olmasıdır. aslında tek bir sensör bölgesinden veya film tanesinden daha büyük.
3. Atmosfer ayrıca yıldızlardan gelen ışığı yayar ve bu da her biri için daha büyük bir daireye yol açar.

Fotoğrafınızdan küçük bir alan aldım ve onu büyütdüm (10 kat yeniden örneklendi).

İki ilginç bölgeyi işaretledim. Bölge A, optiklerin yaklaşık olarak 2-3 piksel çapında bir tepe noktasına sahip 3x3 piksel alana bulanıklaştırıldığını söyleyebilirim. Bu scottbb'in cevabında açıklandığı gibi bulanıklık etkisidir .

Bununla birlikte, B pozisyonundaki parlak yıldız çok daha geniştir ve ayrıca merkezdeki doygunluğu gösterir. Tahminimce, bu ek genişlemenin, sızan pikselden veya sadece doygunluktan kaynaklandığı.

"kanama" dijital ve dijital olmayan kameralar için aynı mıdır?

Muhtemelen değil. Dijital olmayan kameralar çok daha yüksek kontrast aralığına sahiptir, bu nedenle doyma bir sorundan daha az olabilir ve elektronik bir etki olan piksel kanaması hiç gerçekleşmeyebilir.

Bununla birlikte, bir dijital fotoğraf makinesindeki bir HDR kayıt şeması ile, ek genişletme için doğru bir ayar yapılmalı ve B noktasının A noktasının sadece daha parlak görünmesini sağlamalıdır.

Bulanıklaştırma efektinin boyutunu değiştirmek için fotoğraf makinenizin ve görüntü yıldızlarının açıklığıyla (veya yıldızlar mevcut değilse karanlık kağıda küçük bir delik veya arkada ışık kaynağı olan kağıda basılmış noktalar) oynayabilirsiniz.

1830'da yayınlanan Astronomer Royal, George Airy tarafından iyi çalışılmıştır. Şimdi Airy disk veya Airy modeli olarak adlandırılan merkezi bir diski çevreleyen alternatif ışık ve karanlık halkalara sahip bir nokta kaynaklı yıldız görüntüdür. İlk koyu halkanın çapı, dairesel açıklığa sahip iyi düzeltilmiş bir mercek için 2.44 dalga boyudur. Bu, bir lensin çözülme gücüyle ilgili önemli bir gerçektir. Bu eşmerkezli halkaları görüntülemek zordur, ancak imkansız değildir. Çoğu resim bu halkaları birleştirir.

John Strutt, 3. Baron Rayleigh (Astronomer Royal) ayrıca bir lensin teorik maksimum çözme gücünü kapsayan Rayleigh Kriteri adı verilen şeyi daha da yayınladı. “Satır milimetresindeki Gücü Çözme 1392 ÷ f sayısıdır. Böylece f / 1 = maksimum milimetre başına 1392 satır. F / 2 = milimetre başına 696 satır. F / 8 = milimetre başına 174 satır. Lütfen dikkat: f / 8'den daha büyük delikler için gücün çözülmesi, resimsel olarak yararlı olması amaçlanan filmden daha yüksek, faydalanabilir. Ayrıca, gücü çözme, aralarında boşluk olan paralel çizgileri görüntüleyerek ölçülür. Sonunda çizgili çizgiler birleştiğinde, boşlukları o görüntüleme sistemi için çözünürlük sınırıdır. Herhangi bir lens Rayleigh Kriterini en iyi şekilde kullandıysa birkaç kişi.