为什么用小光圈拍摄发光体如太阳、星星可以出现“星芒”现象？

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为什么用小光圈拍摄发光体如太阳、星星可以出现“星芒”现象？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/21708675

长长的路

光在物体边缘产生的衍射。
小时候看电视，有个镜头记得很清楚：拍一个山水景色的镜头，镜头一转，画面上出现好几个六边形的光斑也随着镜头动起来。小时候不知道为什么，直到后来知道有些镜头里的光圈正是六边形的。

继续前进

相机的星芒效果是通过光线通过镜头光圈时发生衍射现象产生的。当光线通过镜头的小光圈边缘时，每个光圈叶片都会对光线产生衍射作用，形成从中心点向四周散开的光线图案。这些衍射图案相互重叠，最终在照片上形成我们看到的星芒效果。
我们知道，由于光的波粒二象性，光通过单缝会产生衍射。



单缝衍射实验示意图（图源网络）

如果把单缝换成小孔，又会出现什么现象呢？不难想象，这时候的衍射图像就变成了一个个半径越来越大、共享一个圆心而环环相扣衍射圆环。其实，在狭缝、多边形小孔、小圆孔等形状各不相同的情况下，所产生的衍射图样也五花八门，而且经研究表明这个衍射现象还遵循“偶数边的小孔产生对应偶数个光刺、奇数边的小孔产生2*对应边数个光刺”的规律。



光通过不同多边形小孔后的衍射图案（图源参考文献[1])

相机中的星芒现象，就是光线通过光圈结构时发生了衍射现象。球面光透过无焦系统后变为平行光，平行光透过光圈发生夫琅禾费衍射，再透过聚焦系统，进入接收面被电子元件探测，最终被记录于相机的内存中。



变焦相机简化系统示意图（图源参考文献[2]）

当多边形的直线边变为圆弧边时，星芒变为光束状；当光源透过圆形光圈时，星芒完全消失。由此，答案显而易见：衍射发生在边缘和夹角上；多边形的边越直，边角越多，光圈衍射产生出的星芒越发锐利丰富。有的星芒长，就是因为光线的入射角度偏离，导致星芒长的那个方向的衍射更强。
因此，如果想要避免星芒，可以使用没有边角的光圈或增大光圈；想要产生更多星芒，可以采用多边形光圈并适当缩小光圈。
<hr/>参考资料：

• 陈耿剑,周新宇,何春清,等.由多边形小孔的远场衍射解释灯光的星芒[J].物理实验,2019,39(03):27-31.
  
• 用物理解释摄影，如何拍摄漂亮的星芒？
  
• 如何从物理学角度解释“耀眼的光芒”
  

清风寡欲

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与希波克拉底并肩：拍出星芒，你也可以！

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