Mengapa bintang muncul sebagai lingkaran, bukan titik?

Tidak termasuk Matahari, bintang-bintang begitu jauh sehingga diameter sudutnya efektif nol. Namun, saat Anda memotretnya, bintang yang lebih terang muncul sebagai lingkaran, bukan titik. Mengapa?

Secara teori, bintang mana pun, apa pun kecerahannya, harus mencapai paling banyak satu titik kecil dari media apa pun yang digunakan untuk mengambil foto. Mengapa titik media terdekat juga merespons? Apakah cahaya berlebihan "berdarah" ke titik terdekat, dan, jika demikian, apakah "perdarahan" sama untuk kamera digital dan non-digital?

Apakah ada hubungannya dengan lensa? Apakah lensa memperluas satu titik cahaya menjadi lingkaran kecil, tergantung pada kecerahan?

Saya mengalami ini ketika mencoba untuk menjawab https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of--star yang secara efektif bertanya: apa fungsinya (jika ada) yang menghubungkan kecerahan bintang dengan ukuran disk bintang pada film fotografi (atau media digital)?

Catatan: Saya menyadari bahwa besaran visual dan fotografis bintang dapat berbeda, dan saya berasumsi jawabannya akan didasarkan pada besarnya fotografi.

EDIT: Terima kasih atas semua jawaban, saya masih meninjaunya. Berikut adalah beberapa tautan bermanfaat tambahan yang saya temukan:

• Fotometri (astronomi) di Wikipedia

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml , terutama diskusi tentang "unit gambar mentah" dan "lebar penuh pada setengah maksimum" (FWHM)

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.html dan pembahasannya tentang FWHM

Setiap kali cahaya melewati batas, ia berdifraksi , atau menekuk, karena sifat seperti gelombang cahaya yang berinteraksi dengan batas itu. Bukaan dalam sistem optik, biasanya melingkar atau seperti lingkaran, adalah salah satu batasannya.

Bagaimana cahaya berinteraksi dengan apertur digambarkan oleh fungsi penyebaran titik (PSF), atau seberapa banyak dan sampai sejauh mana sumber titik penyebaran cahaya akibat melewati sistem optik. PSF ditentukan oleh geometri sistem (termasuk bentuk dan ukuran bukaan; bentuk lensa; dll.) Dan panjang gelombang cahaya yang melewati sistem optik. PSF pada dasarnya adalah respons impuls dari sistem optik terhadap fungsi impuls , titik cahaya dari sejumlah unit energi yang sangat sempit atau terikat erat dalam ruang 2D.

^{The lilit cahaya dari subjek dengan fungsi penyebaran titik hasil dalam gambar yang dihasilkan yang muncul lebih menyebar dari objek asli. Oleh pengguna Wikipedia Default007, dari Wikimedia Commons . Area publik.}

Untuk aperture bundar sempurna dalam sistem pencitraan optikal-sempurna teoretis, fungsi PSF dijelaskan oleh disk Airy , yang merupakan pola konseptual seperti cincin lingkaran dari daerah bergantian interferensi konstruktif (tempat gelombang cahaya berinteraksi secara konstruktif untuk "menjumlahkan") dan gangguan destruktif (di mana gelombang cahaya berinteraksi sehingga membatalkan diri mereka sendiri).

Penting untuk dicatat bahwa pola disk Airy bukan hasil dari kualitas lensa yang tidak sempurna, atau kesalahan dalam toleransi dalam pembuatan, dll. Ini benar-benar fungsi dari bentuk dan ukuran bukaan dan panjang gelombang cahaya yang melewatinya. Dengan demikian, disk Airy adalah semacam batas atas pada kualitas gambar tunggal yang dapat diproduksi oleh sistem optik ¹ .

^{Sumber cahaya yang melewati aperture bundar akan menyebar untuk menghasilkan pola disk Airy. Oleh Sakurambo , dari Wikimedia Commons . Area publik.}

Ketika aperture cukup besar, sehingga sebagian besar cahaya yang melewati lensa tidak berinteraksi dengan tepi aperture, kita katakan gambar tidak lagi difraksi terbatas . Gambar tidak sempurna yang dihasilkan pada saat itu bukan karena difraksi cahaya oleh tepi apertur. Dalam sistem pencitraan nyata (tidak ideal), ketidaksempurnaan ini termasuk (tetapi terbatas pada): noise (termal, pola, baca, bidikan, dll.); kesalahan kuantisasi (yang dapat dianggap sebagai bentuk kebisingan lainnya); penyimpangan optik lensa; kesalahan kalibrasi dan perataan.

Catatan:

1. Ada teknik untuk meningkatkan gambar yang dihasilkan, sehingga kualitas optik jelas dari sistem pencitraan lebih baik daripada disk Airy -batas. Teknik penumpukan gambar, seperti lucky imaging , meningkatkan kualitas yang tampak dengan menumpuk banyak (seringkali ratusan) gambar berbeda dari subjek yang sama bersamaan. Sementara disk Airy terlihat seperti seperangkat lingkaran konsentris fuzzy, itu benar-benar mewakili probabilitasdari mana sumber cahaya titik memasuki sistem kamera akan mendarat di imager. Peningkatan yang dihasilkan dalam kualitas yang dihasilkan oleh penumpukan gambar adalah karena meningkatnya pengetahuan statistik dari lokasi foton. Yaitu, penumpukan gambar mengurangi ketidakpastian probabilistik yang dihasilkan oleh difraksi cahaya melalui aperture seperti yang dijelaskan oleh PSF, dengan melemparkan surplus informasi yang berlebihan pada masalah.

2. Mengenai hubungan dalam ukuran yang jelas dengan kecerahan sumber bintang atau titik: sumber cahaya yang lebih terang meningkatkan intensitas ("tinggi") PSF, tetapi tidak meningkatkan diameternya. Tetapi peningkatan intensitas cahaya yang masuk ke sistem pencitraan berarti bahwa lebih banyak foton menerangi piksel batas wilayah yang diterangi oleh PSF. Ini adalah bentuk "mekar cahaya", atau tampaknya "menumpahkan" cahaya ke piksel tetangga. Hal ini meningkatkan jelas ukuran bintang.

Ukuran "titik" dipengaruhi oleh "Point-Spread Function" (PSF) yang tergantung pada panjang gelombang sistem lensa yang Anda gunakan.

Difraksi cahaya, yang menentukan batas resolusi sistem, mengaburkan objek seperti titik ke ukuran dan bentuk minimal tertentu yang disebut Fungsi Penyebaran Titik. PSF, kemudian, adalah gambar tiga dimensi dari objek seperti titik di bidang gambar. PSF biasanya lebih tinggi daripada lebar (seperti sepak bola Amerika berdiri di ujungnya), karena sistem optik memiliki resolusi lebih buruk di arah kedalaman daripada di arah lateral.

PSF bervariasi tergantung pada panjang gelombang cahaya yang Anda lihat: panjang gelombang cahaya yang lebih pendek (seperti cahaya biru, 450nm) menghasilkan PSF yang lebih kecil, sementara panjang gelombang yang lebih panjang (seperti lampu merah, 650nm) menghasilkan PSF yang lebih besar dan karenanya resolusi lebih buruk. Selain itu, Numerical Aperture (NA) lensa objektif yang Anda gunakan memengaruhi ukuran dan bentuk PSF: tujuan NA tinggi memberi Anda PSF kecil yang bagus dan karenanya resolusi yang lebih baik.

Secara mengejutkan PSF tidak tergantung pada intensitas titik. Ini berlaku untuk astrophotography dan mikroskop.

Ada beberapa alasan yang dapat saya pikirkan:

1. Yang paling umum adalah lensa. Mendapatkan lensa untuk fokus pada tak terbatas dapat menjadi rumit pada beberapa lensa yang memungkinkan Anda memusatkan tak terbatas "masa lalu". Tetapi bahkan jika Anda bisa mendapatkannya dengan tepat, lensa itu sendiri mungkin masih menyebarkannya.
2. Alasan lain adalah bahwa mungkin bagi cahaya untuk benar-benar mengenai lebih dari satu lokasi sensor, baik karena lokasi sensor (atau butiran film) tidak selaras sempurna dengan setiap bintang, atau karena proyeksi bintang pada sensor atau film adalah sebenarnya lebih besar dari situs sensor tunggal atau butir film.
3. Atmosfer juga menyebarkan cahaya yang datang dari bintang-bintang yang mengarah ke lingkaran yang lebih besar untuk masing-masing bintang.

Saya mengambil area kecil dari foto Anda dan memperbesarnya (resampled dengan faktor 10).

Saya menandai dua wilayah yang menarik. Wilayah A menunjukkan bintang, dikaburkan oleh optik kira-kira menjadi area 3x3 piksel dengan puncak diameter 2-3 piksel, menurut saya. Ini adalah efek kabur seperti yang dijelaskan dalam jawaban scottbb .

Namun, bintang terang di posisi B jauh lebih luas dan juga menunjukkan saturasi di tengah. Dugaan saya adalah bahwa perluasan tambahan ini disebabkan oleh piksel yang berdarah atau hanya karena kejenuhan.

Apakah "pendarahan" sama untuk kamera digital dan non-digital?

Mungkin tidak. Kamera non-digital memiliki rentang kontras yang jauh lebih tinggi, sehingga saturasi mungkin kurang dari masalah dan pendarahan piksel yang merupakan efek elektronik mungkin tidak terjadi sama sekali.

Namun, dengan skema perekaman HDR dalam kamera digital, seseorang harus dapat mengoreksi perluasan tambahan dan membuat spot B terlihat seperti spot A hanya lebih terang.

Untuk mengubah ukuran efek buram Anda dapat bermain-main dengan aperture kamera dan bintang gambar Anda (atau titik-titik yang dicetak di atas kertas, jika bintang-bintang tidak tersedia atau lubang kecil di karton gelap dengan sumber cahaya di belakang jauh).

Dipelajari dengan baik oleh George Airy, Astronomer Royal, diterbitkan pada tahun 1830. Sekarang disebut disk Airy atau pola Airy, sumber gambar bintang membintangi dengan cincin cahaya dan gelap bergantian mengelilingi disk pusat. Diameter cincin gelap pertama adalah 2,44 panjang gelombang untuk lensa yang dikoreksi dengan baik dengan apertur melingkar. Ini adalah fakta kunci ketika menyangkut kekuatan penyelesaian lensa. Sulit, tetapi tidak mustahil untuk membayangkan cincin konsentris ini. Sebagian besar gambar menggabungkan cincin-cincin ini.

John Strutt, Baron Rayleigh ke-3 (Astronomer Royal) lebih lanjut menerbitkan apa yang sekarang disebut Kriteria Rayleigh yang mencakup kekuatan penyelesaian maksimum teoritis dari sebuah lensa. “Menyelesaikan Power in lines milimeter adalah 1392 ÷ f-number. Jadi f / 1 = 1392 baris per milimeter maksimum. Untuk f / 2 = 696 baris per milimeter. Untuk f / 8 = 174 baris per milimeter. Harap dicatat: Menyelesaikan daya untuk lubang yang lebih besar dari f / 8 lebih tinggi daripada film yang dimaksudkan untuk bermanfaat secara gambar, dapat dimanfaatkan. Juga, daya penyelesaian diukur dengan mencitrakan garis paralel dengan spasi putih di antaranya. Ketika garis-garis yang akhirnya dikuasai terlihat bergabung, jaraknya adalah batas resolusi untuk sistem pencitraan tersebut. Beberapa lensa telah mengalahkan Kriteria Rayleigh.