當你因為天氣晴朗而興奮，拿起相機拍了幾張，卻發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在相紙上的是看不清邊界的太陽和不停向外散發(fā)著的“耀眼的光芒”。
相信很多小伙伴都發(fā)現(xiàn)過這個現(xiàn)象，這次相寧就帶領大家一起認真思考一下這到底是怎么回事？用物理語言來解讀一下“耀眼的光芒”。
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?shù)?—— 光的衍射。
了解光的衍射現(xiàn)象之前，首先要提到大家差不多都耳熟能詳?shù)?strong>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。
光的波動性最早見于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(xiàn)象，一方面礙于牛頓的權威性，一直被擱置。直到雙縫干涉實驗的現(xiàn)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(wěn)。
光的粒子性則可以用光電效應來證明。這個實驗描述的現(xiàn)象是：用光束照射金屬表面，金屬就會發(fā)射出電子的現(xiàn)象。當年愛因斯坦老爺子就是憑借光電效應（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(jīng)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后，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后，繞過了障礙物繼續(xù)傳播。
這清晰的體現(xiàn)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；一類是夫瑯禾費衍射。菲涅爾衍射發(fā)生在障礙物與光源和衍射圖樣的距離都比較近的情況下。而夫瑯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(fā)生在障礙物與光源和衍射圖樣的距離都無限遠的情況?？梢韵胍姡谶@種情況下的入射光幾乎是平行的了。
光芒如此奇妙
也許很多小伙伴早已記不起光的干涉和光的衍射之間的關系。那就用下面??這張截圖幫大家回憶一下，拿走不謝。
這時候，如果把單縫換成小孔，又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？不難想象，這時候的衍射圖像就變成了一個個半徑越來越大、共享一個圓心而環(huán)環(huán)相扣衍射圓環(huán)。
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(jīng)研究表明這個衍射現(xiàn)象還遵循“偶數(shù)邊的小孔產生對應偶數(shù)個光刺、奇數(shù)邊的小孔產生 2 * 對應邊數(shù)個光刺”的規(guī)律。真是奇妙～～
光芒的物理學解釋
了解了光的衍射，下面就可以聊一聊為什么鏡頭后、屏幕里的太陽、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。只不過對處于 1.496 億公里之外的太陽所發(fā)出的光，對于地球上的任何東西，大多數(shù)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(xiàn)了陽光的夫瑯禾費衍射。
俗話說，物理的盡頭是數(shù)學，數(shù)學的盡頭是哲學。當然，美妙的數(shù)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(xiàn)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，以上這些參數(shù)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(jīng)是先知了。
通過這個計算，我們可以發(fā)現(xiàn)，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(qū)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。
基于以上計算，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(fā)出在可見光波段范圍內的 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(qū)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(jīng)過光圈時，就會沿著光圈的邊緣發(fā)生單邊衍射，然后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(huán)。這也是由光的衍射特性所決定的。
當然，由于光圈的構造問題：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(shù)個哦。
瞇眼打開新世界
還有一個相似的現(xiàn)象。當我們文藝、深情地抬起頭，卻被那并不柔和的燈光刺痛了雙眼；而當我們迅速的瞇起雙眼之后，在眼睛周圍，卻拉出一條條長長的光線。這又是怎么了呢？
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(tǒng)的視網(wǎng)膜，就和相機系統(tǒng)里鏡頭后的屏幕一樣，可以看作是光屏了。
所以，當眼瞇成了一條線，上下眼皮就構成了一個狹縫。在我們精密的視覺系統(tǒng)里，就也發(fā)生了光的衍射現(xiàn)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。
最后，相寧提醒各位小伙伴：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！
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本文來自微信公眾號：中科院半導體所 （ID：bdtdsj），作者：顏相寧，編輯：南方的貓
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