Tại sao các ngôi sao xuất hiện dưới dạng vòng tròn, không phải điểm?

Không tính Mặt trời, các ngôi sao ở rất xa mà đường kính góc của chúng thực sự bằng không. Tuy nhiên, khi bạn chụp ảnh chúng, các ngôi sao sáng hơn xuất hiện dưới dạng vòng tròn chứ không phải điểm. Tại sao?

Về lý thuyết, bất kỳ ngôi sao nào, bất kể độ sáng, đều nên chạm tối đa một điểm nhỏ của bất kỳ phương tiện nào đang được sử dụng để chụp ảnh. Tại sao các điểm gần đó của phương tiện cũng đáp ứng? Liệu ánh sáng quá mức có "chảy máu" vào các điểm gần đó không, và nếu vậy, liệu "chảy máu" có giống với máy ảnh kỹ thuật số và không kỹ thuật số không?

Nó có liên quan gì đến ống kính không? Có phải ống kính mở rộng một điểm sáng thành một vòng tròn nhỏ, tùy thuộc vào độ sáng?

Tôi đã gặp phải điều này trong khi cố gắng trả lời https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-star để hỏi: chức năng này là gì (nếu có) có liên quan đến độ sáng của sao với kích thước của đĩa sao trên phim ảnh (hoặc phương tiện kỹ thuật số) không?

Lưu ý: Tôi nhận ra rằng cường độ hình ảnh và hình ảnh của một ngôi sao có thể khác nhau và tôi cho rằng câu trả lời sẽ dựa trên cường độ nhiếp ảnh.

EDIT: Cảm ơn tất cả các câu trả lời, tôi vẫn đang xem xét chúng. Dưới đây là một số liên kết hữu ích bổ sung mà tôi tìm thấy:

• Quang trắc học (thiên văn học) tại Wikipedia

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml , đặc biệt là cuộc thảo luận về "đơn vị hình ảnh thô" và "toàn bộ chiều rộng tối đa một nửa" (FWHM)

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.html và thảo luận về FWHM

Bất cứ khi nào ánh sáng đi qua một ranh giới, nó sẽ nhiễu xạ hoặc uốn cong, do tính chất giống như sóng của ánh sáng tương tác với ranh giới đó. Khẩu độ trong một hệ thống quang học, thường là hình tròn hoặc hình tròn, là một ranh giới như vậy.

Làm thế nào ánh sáng tương tác với khẩu độ được mô tả bởi chức năng trải rộng điểm (PSF), hoặc mức độ và mức độ của một nguồn ánh sáng điểm lan truyền khi đi qua hệ thống quang học. PSF được xác định bởi hình dạng của hệ thống (bao gồm hình dạng và kích thước của khẩu độ; hình dạng của ống kính, v.v.) và bước sóng ánh sáng truyền qua hệ thống quang học. PSF về cơ bản là đáp ứng xung của hệ thống quang đối với chức năng xung , một điểm sáng của một số đơn vị năng lượng bị thu hẹp vô hạn hoặc giới hạn chặt trong không gian 2D.

^{Sự kết hợp ánh sáng từ đối tượng với chức năng trải rộng điểm dẫn đến một hình ảnh được tạo ra có vẻ lan rộng hơn so với đối tượng ban đầu. Bởi người dùng Wikipedia Default007, từ Wikimedia Commons . Phạm vi công cộng.}

Để có khẩu độ tròn hoàn hảo trong hệ thống hình ảnh hoàn hảo về mặt lý thuyết, chức năng PSF được mô tả bằng đĩa Airy , là mô hình vòng tròn giống như mục tiêu của các vòng đồng tâm xen kẽ của các vùng giao thoa xây dựng (trong đó sóng ánh sáng tương tác với nhau "cộng lại") và giao thoa triệt tiêu (nơi sóng của ánh sáng tương tác để tự triệt tiêu).

Điều quan trọng cần lưu ý là mẫu đĩa Airy không phải là kết quả của chất lượng ống kính không hoàn hảo, hoặc lỗi về dung sai trong sản xuất, v.v ... Đây thực sự là một chức năng của hình dạng và kích thước của khẩu độ và bước sóng ánh sáng đi qua nó. Do đó, đĩa Airy là một loại giới hạn trên về chất lượng của một hình ảnh duy nhất có thể được tạo ra bởi hệ thống quang học ¹ .

^{Một nguồn ánh sáng điểm đi qua khẩu độ tròn sẽ lan rộng để tạo ra mô hình đĩa Airy. Bởi Sakurambo , từ Wikimedia Commons . Phạm vi công cộng.}

Khi khẩu độ đủ lớn, sao cho hầu hết ánh sáng đi qua ống kính không tương tác với cạnh khẩu độ, chúng tôi nói rằng hình ảnh không còn bị nhiễu xạ giới hạn nữa. Bất kỳ hình ảnh không hoàn hảo nào được tạo ra tại thời điểm đó không phải do sự nhiễu xạ của ánh sáng bởi cạnh khẩu độ. Trong các hệ thống hình ảnh thực (không lý tưởng), các khiếm khuyết này bao gồm (nhưng giới hạn ở): nhiễu (nhiệt, hoa văn, đọc, bắn, v.v.); lỗi lượng tử hóa (có thể được coi là một dạng nhiễu khác); quang sai của ống kính; lỗi hiệu chuẩn và căn chỉnh.

Ghi chú:

1. Có các kỹ thuật để cải thiện hình ảnh được tạo ra, sao cho chất lượng quang học rõ ràng của hệ thống hình ảnh tốt hơn so với đĩa Airlimitit. Các kỹ thuật xếp chồng hình ảnh, chẳng hạn như hình ảnh may mắn , tăng chất lượng rõ ràng bằng cách xếp chồng nhiều (thường là hàng trăm) hình ảnh khác nhau của cùng một chủ đề với nhau. Mặc dù đĩa Airy trông giống như một tập hợp các vòng tròn đồng tâm mờ, nhưng nó thực sự đại diện cho một xác suấtnơi mà một nguồn ánh sáng đi vào hệ thống camera sẽ chiếu vào hình ảnh. Sự gia tăng chất lượng được tạo ra bởi xếp chồng hình ảnh là do tăng kiến ​​thức thống kê về vị trí của các photon. Đó là, xếp chồng hình ảnh làm giảm độ không đảm bảo xác suất được tạo ra do nhiễu xạ ánh sáng thông qua khẩu độ như mô tả của PSF, bằng cách ném dư thừa thông tin dư thừa vào vấn đề.

2. Về mối quan hệ về kích thước rõ ràng với độ sáng của nguồn sao hoặc nguồn điểm: nguồn sáng mạnh hơn làm tăng cường độ ("chiều cao") của PSF, nhưng không làm tăng đường kính của nó. Nhưng cường độ ánh sáng tăng vào hệ thống hình ảnh có nghĩa là nhiều photon chiếu sáng các pixel biên của vùng được chiếu sáng bởi PSF. Đây là một hình thức "nở hoa ánh sáng", hoặc rõ ràng là "tràn" ánh sáng vào các pixel lân cận. Điều này làm tăng kích thước rõ ràng của ngôi sao.

Kích thước của "điểm" bị ảnh hưởng bởi "Chức năng trải rộng điểm" (PSF) phụ thuộc bước sóng của hệ thống ống kính bạn đang sử dụng.

Nhiễu xạ ánh sáng, xác định giới hạn độ phân giải của hệ thống, làm mờ mọi vật thể giống như điểm đến một kích thước và hình dạng tối thiểu nhất định gọi là Chức năng trải rộng điểm. PSF, sau đó, là hình ảnh ba chiều của một vật thể giống như điểm ở mặt phẳng hình ảnh. PSF thường cao hơn chiều rộng (giống như một quả bóng đá Mỹ đứng trên đỉnh của nó), bởi vì các hệ thống quang học có độ phân giải kém hơn theo hướng sâu hơn so với hướng bên.

PSF thay đổi tùy thuộc vào bước sóng của ánh sáng bạn đang xem: bước sóng ánh sáng ngắn hơn (như ánh sáng xanh, 450nm) dẫn đến PSF nhỏ hơn, trong khi bước sóng dài hơn (như ánh sáng đỏ, 650nm) dẫn đến PSF lớn hơn và do đó giải quyết kém hơn. Ngoài ra, Khẩu độ số (NA) của ống kính mục tiêu mà bạn sử dụng ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của PSF: mục tiêu NA cao mang lại cho bạn một PSF nhỏ đẹp và do đó độ phân giải tốt hơn.

Đáng ngạc nhiên là PSF độc lập với cường độ của điểm. Điều này đúng cho cả chụp ảnh thiên văn và kính hiển vi.

Có một vài lý do tôi có thể nghĩ ra:

1. Phổ biến nhất là ống kính. Lấy một ống kính để lấy nét ở vô cực có thể khó khăn đối với một số ống kính cho phép bạn lấy nét "quá khứ". Nhưng ngay cả khi bạn có thể có được nó chính xác, bản thân ống kính vẫn có thể lan rộng ra một số.
2. Một lý do khác là ánh sáng có thể chiếu vào nhiều hơn một vị trí cảm biến, bởi vì vị trí cảm biến (hoặc hạt phim) không được căn chỉnh hoàn hảo với mọi ngôi sao, hoặc do hình chiếu của ngôi sao lên cảm biến hoặc phim thực sự lớn hơn một trang web cảm biến hoặc hạt phim.
3. Bầu không khí cũng tỏa ra ánh sáng đến từ các ngôi sao dẫn đến một vòng tròn lớn hơn cho mỗi người.

Tôi lấy một khu vực nhỏ từ ảnh của bạn và phóng to nó (được cộng lại theo hệ số 10).

Tôi đã đánh dấu hai vùng thú vị. Vùng A chỉ ra một ngôi sao, được làm mờ bởi quang học xấp xỉ vào vùng 3x3 pixel với đỉnh có đường kính 2-3 pixel, tôi có thể nói. Đây là hiệu ứng làm mờ như được mô tả trong câu trả lời của scottbb .

Tuy nhiên, ngôi sao sáng ở vị trí B rộng hơn nhiều và cũng cho thấy độ bão hòa ở trung tâm. Tôi đoán là việc mở rộng bổ sung này là do pixel bị chảy qua hoặc chỉ do bão hòa.

"chảy máu" giống nhau cho máy ảnh kỹ thuật số và phi kỹ thuật số?

Chắc là không. Máy ảnh phi kỹ thuật số có phạm vi tương phản cao hơn nhiều, do đó độ bão hòa có thể ít xảy ra sự cố và chảy máu pixel, đó là hiệu ứng điện tử có thể không xảy ra.

Tuy nhiên, với sơ đồ ghi HDR trong máy ảnh kỹ thuật số, người ta có thể điều chỉnh để mở rộng thêm và làm cho điểm B trông giống như điểm A chỉ sáng hơn nhiều.

Để thay đổi kích thước của hiệu ứng làm mờ, bạn có thể chơi xung quanh với khẩu độ của máy ảnh và ngôi sao hình ảnh (hoặc các chấm in trên giấy, nếu các ngôi sao không có sẵn hoặc một lỗ nhỏ trong các tông tối có nguồn sáng phía sau).

Được nghiên cứu kỹ bởi George Airy, Nhà thiên văn Hoàng gia, xuất bản năm 1830. Hiện được gọi là đĩa Airy hoặc mẫu Airy, một hình ảnh ngôi sao nguồn điểm với một vòng sáng và tối xen kẽ bao quanh một đĩa trung tâm. Đường kính của vòng tối đầu tiên là 2,44 độ dài sóng đối với ống kính được điều chỉnh tốt với khẩu độ tròn. Đây là một thực tế quan trọng khi liên quan đến khả năng phân giải của ống kính. Thật khó, nhưng không phải là không thể hình ảnh những vòng tròn đồng tâm này. Hầu hết các hình ảnh trộn lẫn các vòng này.

John Strutt, Nam tước Rayleigh thứ 3 (Nhà thiên văn học Hoàng gia) đã công bố thêm về cái mà ngày nay gọi là Tiêu chí Rayleigh bao gồm khả năng phân giải tối đa theo lý thuyết của một thấu kính. Sức mạnh phân giải của máy tính theo dòng milimet là 1392 ÷ f-number. Do đó f / 1 = 1392 dòng trên mỗi milimet tối đa. Cho f / 2 = 696 dòng trên milimet. Cho f / 8 = 174 dòng trên milimet. Xin lưu ý: Công suất phân giải cho khẩu độ lớn hơn f / 8 cao hơn phim dự định là hữu ích về mặt hình ảnh, có thể khai thác. Ngoài ra, độ phân giải được đo bằng cách chụp các đường song song với khoảng trắng giữa. Khi cuối cùng các dòng thống trị được nhìn thấy hợp nhất, khoảng cách của chúng là giới hạn độ phân giải cho hệ thống hình ảnh đó. Rất ít nếu bất kỳ ống kính nào đạt tiêu chuẩn Rayleigh tốt nhất.