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當你因為天氣晴朗而興奮,拿起相機拍了幾張,卻發現很難拍出太陽那最簡單的三維圓球留在二維平面的影像,而呈現在相紙上的是看不清邊界的太陽和不停向外散發著的“耀眼的光芒”。

相信很多小夥伴都發現過這個現象,這次小編就帶領大家一起認真思考一下這到底是怎麼回事?用物理語言來解讀一下“耀眼的光芒”。


鏡頭下的太陽光 | 來源 :作者手機拍攝


鏡頭下的燈光 | 來源 :作者手機拍攝

老生常談:波粒二象性

太陽或燈周圍的這些光,有個專有名詞——星芒;星芒的物理機制,則是大家耳熟能詳的——光的衍射。

瞭解光的衍射現象之前,首先要提到大家差不多都耳熟能詳的波粒二象性。光既有波的性質,也有粒子的性質,這是光的基本性質。

光的波動性最早見於荷蘭物理學家惠更斯的理論中。但是,這個理論一方面因為無法解釋光的衍射現象,一方面礙於牛頓的權威性,一直被擱置。直到雙縫干涉實驗的現象,以及麥克斯韋方程組在理論推導上的成功,使光的波動性理論逐漸站穩。


光的干涉 | 來源:51sole.com

光的粒子性則可以用光電效應來證明。這個實驗描述的現象是:用光束照射金屬表面,金屬就會發射出電子的現象。當年愛因斯坦老爺子就是憑藉光電效應(注意,而非相對論)獲得了諾貝爾物理學獎。

老生常談:光的衍射

通過經典的光的單縫衍射實驗,可以很清晰的描述光的衍射。在這個實驗中,一束光通過一道細縫後,在屏上會顯示出一系列衍射條紋。就像是光在傳播過程中遇到了障礙物之後,繞過了障礙物繼續傳播。


這清晰的體現出了光的波動性。而且,這個衍射條紋在縫的寬度和光的波長差不多的時候最為明顯。

光的衍射通常分為兩類,一類是菲涅爾衍射;一類是夫琅禾費衍射。菲涅爾衍射發生在障礙物與光源和衍射圖樣的距離都比較近的情況下。而夫琅禾費衍射可以說是菲涅爾衍射的一種特殊情況,這種衍射發生在障礙物與光源和衍射圖樣的距離都無限遠的情況。可以想見,在這種情況下的入射光幾乎是平行的了。


光的衍射 | 來源:51wendang.com

光芒如此奇妙

也許很多小夥伴早已記不起光的干涉和光的衍射之間的關係。那就用下面這張截圖幫大家回憶一下,拿走不謝。


衍射和干涉的區別

這時候,如果把單縫換成小孔,又會出現什麼現象呢?不難想象,這時候的衍射影象就變成了一個個半徑越來越大、共享一個圓心而環環相扣衍射圓環。

其實,在狹縫、多邊形小孔、小圓孔等形狀各不相同的情況下,所產生的衍射圖樣也五花八門,而且經研究表明這個衍射現象還遵循“偶數邊的小孔產生對應偶數個光刺、奇數邊的小孔產生2*對應邊數個光刺”的規律。真是奇妙~~


正多邊形孔的衍射圖樣(模擬)| 來源:[1]


圓孔和圓瓶的衍射圖樣 | 來源:51wendang.com

光芒的物理學解釋

瞭解了光的衍射,下面就可以聊一聊為什麼鏡頭後、螢幕裡的太陽、燈的周圍,都能看到“耀眼的光芒”?

我們把鏡頭想象成一個圓孔,把太陽想象成一個點光源。只不過對處於1.496億公里之外的太陽所發出的光,對於地球上的任何東西,大多數情況下都可以被看作是平行入射光束了。在這種情況下,鏡頭下也就出現了陽光的夫琅禾費衍射。

俗話說,物理的盡頭是數學,數學的盡頭是哲學。當然,美妙的數學語言當然也對衍射條紋的性質也進行了描述,即使在最簡單的波動光學理論之中,也體現得淋漓盡致。

假設a為單縫的寬度,D為狹縫到光屏的距離或者透鏡的焦距,K是第幾條衍射條紋,是衍射條紋的寬度,是波長,為衍射條紋與狹縫平面法線的夾角,以上這些引數滿足以下公式。通過這些公式,我們可以如先知一般,知曉特定條件下的衍射圖樣。當然,大家都在高中時,就已經是先知了。

通過這個計算,我們可以發現,光波長越短,衍射條紋寬度越小,則這個衍射條紋也越靠近中間區域;而光波長越長,衍射條紋寬度越大,那這個衍射圖樣展開的也越寬。


光譜 | 來源:cwwz.net

基於以上計算,我們再看一下星芒的“廬山真面目”。眾所周知,可見光波段是從380nm到750nm左右。假設一個光源可以同時發出在可見光波段範圍內的750nm的紅光、530nm的綠光以及400nm的紫光,那這個鏡頭下這個光源周圍的衍射圖樣由內而外的每一級條紋,都將是一個從最中間多種光混合區域,逐漸變化到紫色-綠色-紅色的彩色條紋,也就是一個個五彩斑斕的星芒。


相機鏡頭內的光圈通常為多邊形,當我們用相機進行拍攝時,入射光線經過光圈時,就會沿著光圈的邊緣發生單邊衍射,然後在接收屏上就形成了帶有很多“耀眼光芒”的衍射條紋圖樣,這些耀眼光芒即星芒。


可能你要問了,如果光圈是圓形的,會不會產生星芒呢?當然不會了,和圓孔衍射一個道理,如果光圈是完美的圓,則星芒會消失,取而代之的則是一個個同心的衍射環。這也是由光的衍射特性所決定的。

當然,由於光圈的構造問題:光圈一般都是由多個葉片所組成的。通過改變葉片的組成,來決定透過光圈、被相機感光元件(CCD或CMOS)接收到的光的多少。所以,用相機拍攝太陽這類遠光源或者使用小光圈拍攝時,則大概率會產生星芒;而且,星芒還是偶數個哦。

眯眼開啟新世界

還有一個相似的現象。當我們文藝、深情地抬起頭,卻被那並不柔和的燈光刺痛了雙眼;而當我們迅速的眯起雙眼之後,在眼睛周圍,卻拉出一條條長長的光線。這又是怎麼了呢?


鏡頭和人眼 | 來源:[1]

不難猜測,這也是因為光的衍射。假設人的眼睛和鏡頭的光圈一樣,如果都比作光的衍射實驗中的小孔的話,那人眼睛系統的視網膜,就和相機系統裡鏡頭後的螢幕一樣,可以看作是光屏了。

所以,當眼眯成了一條線,上下眼皮就構成了一個狹縫。在我們精密的視覺系統裡,就也發生了光的衍射現象。因此,在眼睛周圍,尤其是上下兩個方向,就會拉出一條條長長的光線。

最後,小編提醒各位小夥伴:燈光、陽光會比較強,長時間的太陽、強光的直射,不僅可能會給相機感光元件帶來損害,對眼睛的刺激和傷害更大。所以光圈調好、墨鏡戴牢,不直視它們更好!

參考文獻:

[1] 陳耿劍,周新宇,何春清,等.由多邊形小孔的遠場衍射解釋燈光的星芒[J].物理實驗,2019,39(03):27-31.

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[3] 王瑩,周渝涵,夏往所.星芒現象的理論與實驗研究[J].大學物理,2020,39(09):41-46+71.

[4] 韓佩杉,伍泓錦,黃博文,楊浩林,賈欣燕,劉其軍,常相輝,魏雲,樊代和.相機底片中星芒現象的研究[J].物理與工程,2019,29(04):82-87.

[5] 陳賢欽,張志華,張睿.關於“星芒”現象的matlab模擬模擬實現[J].物理與工程,2019,29(S1):101-105+110.

[6] 陳嘉富,王智勇,于斌,林丹櫻.單縫衍射模擬實驗設計及分析[J].大學物理,2020,39(12):67-74.

來源:中科院半導體研究所

原標題:如何從物理學角度解釋“耀眼的光芒”

編輯:dogcraft



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/“閃瞎眼的光芒”背後的物理知識

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