短科普:镜头星芒是怎么形成的?

发布时间:18-09-2509:34

中秋结束,继续开工!星芒应该是很多夜拍爱好者都很热衷的效果,大多数朋友都知道要拍出星芒,前提就是缩小光圈,而前几天有个朋友邀请我回答一个问题:为什么有时候F11光圈的照片没有星芒,同一颗镜头有时候F5.6却又能看到星芒呢?这个话题有点带摄影科普的性质,可以用一篇短文来说说。

先说星芒的成因,对于一般透镜系统来说,星芒就是光圈衍射,而衍射在小光圈下更明显,因此体现星芒才需要缩小光圈。那么问题来了,衍射不是扩散状么,为什么会变成星芒,这是因为控制通光孔径的是光圈结构,我们知道光圈是由数个叶片组成,理想的小孔可以理解为一个标准的圆形,但光圈显然很难做到标准圆,基本都会呈规则(或不规则)多边形,而衍射会以多边形的边(对于标准圆来说就是无数条切线)作垂线,形成以下的形态:

这里可以看到,想要用较为锐利的收拢效果,就意味着光圈叶片边缘是平直的,也就是非圆光圈,但这样的设计在大光圈拍摄时虚化效果会比较难看。所以现代镜头都比较强调圆形光圈,实现方法就是把光圈叶片边缘做成弧形,不过圆形光圈一般指的是全开时,当缩小后叶片弧度就不再对齐,光圈孔又会变成多边形态,此时每一片叶片所产生的衍射垂线角度会有所不同,反馈到星芒上就是尾端呈放射状:

所以,当在面对相同点光源时,如果一颗镜头在相对较大的光圈时就可以拍出星芒,这就说明此时它的光圈已经更接近多边形,而非圆形。还有一个大家都知道,但不一定明白原理的现象就是偶数叶片光圈的星芒与叶片数量相同,比如8片光圈叶就是8星芒,而奇数叶片的光圈星芒要乘以2,比如9片光圈叶就是18星芒。当看完前面图片后你应该可以理解到原因了:因为偶数叶片形成的多边形是逐边平行对称关系,上图的6片光圈里,第1/2/3片就分别与第4/5/6平行对称,两边形成的衍射图案方向相同并重合。而奇数叶片光圈则不存在这个现象,每一片光圈叶形成的衍射都能完整呈现在星芒上:

市售星光滤镜利用的就是衍射原理,在镜片上蚀刻不透光的细纹路,从而产生想要的星芒效果:

那么,回到一开始的问题,同一颗镜头为什么有时候超小光圈没有星芒,有时候相对较大光圈却有星芒呢?这主要跟拍摄对象有关,衍射是在光源集中度越高的情况下越明显,因此拍摄对象需要是在传感器上占幅很小的点光源,如果是较大的光源,比如太阳,就需要有部分遮挡的情况下才容易拍出星芒,可以通过树林树叶、用遮挡物挡住一半,或者用强减光滤镜降低入射光亮度来实现:

相同的F8光圈,把夕阳这个强光源透过遮蔽一部分的方式变为点光源后,星芒出现。而在一些折返式天文望远镜系统,比如牛顿式望远镜里,支撑反射镜片(下图红圈处)的支撑轴因为处于入射光轴上,因此也同样会造成衍射现象。

原理与透镜光圈类似,像上图这种三轴支撑的就会产生6星芒,方向与强度如下图所示:

除此之外,在天文成像中,最典型的衍射星芒当属哈勃望远镜所拍摄到的画面,可以看到很明显的十字型星芒:

看看它的镜片构造就不难理解为什么会出现这样的现象了:

衍射对于天文观测来说还可以起到辅助对焦的作用,有经验的朋友应该都听说过鱼骨对焦板,我们知道衍射图案(星芒)在准确对焦时最为标准,所以,针对具体的小星体,用三个不同衍射模板形成三条衍射图案,当三者相交时就是准确对焦(GIF为动态模拟,可以看到准确对焦时三条衍射图案是处于标准形态并相交):

用数码相机拍摄时可以通过实时取景放大功能来仔细检查是否正确对焦,这在天文摄影里也属于比较重要的拍摄手法了。那么关于星芒的成因差不多就是这样,因为原理简单所以只能算是短文,至于DIY嘛,大家可以试试把羽毛球拍放在镜头前,看看不同焦距不同光圈拍出来会是什么样子吧……

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