當(dāng)你因?yàn)樘鞖馇缋识d奮，拿起相機(jī)拍了幾張，卻發(fā)現(xiàn)很難拍出太陽(yáng)那最簡(jiǎn)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(yáng)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(guò)這個(gè)現(xiàn)象，這次相寧就帶領(lǐng)大家一起認(rèn)真思考一下這到底是怎么回事？用物理語(yǔ)言來(lái)解讀一下“耀眼的光芒”。
老生常談：波粒二象性
太陽(yáng)或燈周圍的這些光，有個(gè)專有名詞 —— 星芒??；星芒的物理機(jī)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(zhì)，也有粒子的性質(zhì)，這是光的基本性質(zhì)。
光的波動(dòng)性最早見(jiàn)于荷蘭物理學(xué)家惠更斯的理論中。但是，這個(gè)理論一方面因?yàn)闊o(wú)法解釋光的衍射現(xiàn)象，一方面礙于牛頓的權(quán)威性，一直被擱置。直到雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，以及麥克斯韋方程組在理論推導(dǎo)上的成功，使光的波動(dòng)性理論逐漸站穩(wěn)。
光的粒子性則可以用光電效應(yīng)來(lái)證明。這個(gè)實(shí)驗(yàn)描述的現(xiàn)象是：用光束照射金屬表面，金屬就會(huì)發(fā)射出電子的現(xiàn)象。當(dāng)年愛(ài)因斯坦老爺子就是憑借光電效應(yīng)（注意，而非相對(duì)論）獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
老生常談：光的衍射
通過(guò)經(jīng)典的光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)，可以很清晰的描述光的衍射。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一束光通過(guò)一道細(xì)縫后，在屏上會(huì)顯示出一系列衍射條紋。就像是光在傳播過(guò)程中遇到了障礙物之后，繞過(guò)了障礙物繼續(xù)傳播。
這清晰的體現(xiàn)出了光的波動(dòng)性。而且，這個(gè)衍射條紋在縫的寬度和光的波長(zhǎng)差不多的時(shí)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(fèi)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(fèi)衍射可以說(shuō)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(wú)限遠(yuǎn)的情況?？梢韵胍?jiàn)，在這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(guān)系。那就用下面??這張截圖幫大家回憶一下，拿走不謝。
這時(shí)候，如果把單縫換成小孔，又會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？不難想象，這時(shí)候的衍射圖像就變成了一個(gè)個(gè)半徑越來(lái)越大、共享一個(gè)圓心而環(huán)環(huán)相扣衍射圓環(huán)。
其實(shí)，在狹縫、多邊形小孔、小圓孔等形狀各不相同的情況下，所產(chǎn)生的衍射圖樣也五花八門，而且經(jīng)研究表明這個(gè)衍射現(xiàn)象還遵循“偶數(shù)邊的小孔產(chǎn)生對(duì)應(yīng)偶數(shù)個(gè)光刺、奇數(shù)邊的小孔產(chǎn)生 2 * 對(duì)應(yīng)邊數(shù)個(gè)光刺”的規(guī)律。真是奇妙～～
光芒的物理學(xué)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(yáng)、燈的周圍，都能看到“耀眼的光芒”？
我們把鏡頭想象成一個(gè)圓孔，把太陽(yáng)想象成一個(gè)點(diǎn)光源。只不過(guò)對(duì)處于 1.496 億公里之外的太陽(yáng)所發(fā)出的光，對(duì)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(yáng)光的夫瑯禾費(fèi)衍射。
俗話說(shuō)，物理的盡頭是數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)的盡頭是哲學(xué)。當(dāng)然，美妙的數(shù)學(xué)語(yǔ)言當(dāng)然也對(duì)衍射條紋的性質(zhì)也進(jìn)行了描述，即使在最簡(jiǎn)單的波動(dòng)光學(xué)理論之中，也體現(xiàn)得淋漓盡致。
假設(shè) 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(zhǎng)，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(guò)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(dāng)然，大家都在高中時(shí)，就已經(jīng)是先知了。
通過(guò)這個(gè)計(jì)算，我們可以發(fā)現(xiàn)，光波長(zhǎng)越短，衍射條紋寬度越小，則這個(gè)衍射條紋也越靠近中間區(qū)域；而光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射條紋寬度越大，那這個(gè)衍射圖樣展開(kāi)的也越寬。
基于以上計(jì)算，我們?cè)倏匆幌滦敲⒌摹皬]山真面目”。眾所周知，可見(jiàn)光波段是從 380nm 到 750nm 左右。假設(shè)一個(gè)光源可以同時(shí)發(fā)出在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)的 750nm 的紅光、530nm 的綠光以及 400nm 的紫光，那這個(gè)鏡頭下這個(gè)光源周圍的衍射圖樣由內(nèi)而外的每一級(jí)條紋，都將是一個(gè)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(gè)個(gè)五彩斑斕的星芒。
相機(jī)鏡頭內(nèi)的光圈通常為多邊形，當(dāng)我們用相機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)，入射光線經(jīng)過(guò)光圈時(shí)，就會(huì)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(wèn)了，如果光圈是圓形的，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生星芒呢？當(dāng)然不會(huì)了，和圓孔衍射一個(gè)道理，如果光圈是完美的圓，則星芒會(huì)消失，取而代之的則是一個(gè)個(gè)同心的衍射環(huán)。這也是由光的衍射特性所決定的。
當(dāng)然，由于光圈的構(gòu)造問(wèn)題：光圈一般都是由多個(gè)葉片所組成的。通過(guò)改變?nèi)~片的組成，來(lái)決定透過(guò)光圈、被相機(jī)感光元件（CCD 或 CMOS）接收到的光的多少。所以，用相機(jī)拍攝太陽(yáng)這類遠(yuǎn)光源或者使用小光圈拍攝時(shí)，則大概率會(huì)產(chǎn)生星芒；而且，星芒還是偶數(shù)個(gè)哦。
瞇眼打開(kāi)新世界
還有一個(gè)相似的現(xiàn)象。當(dāng)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(dāng)我們迅速的瞇起雙眼之后，在眼睛周圍，卻拉出一條條長(zhǎng)長(zhǎng)的光線。這又是怎么了呢？
不難猜測(cè)，這也是因?yàn)?strong>光的衍射。假設(shè)人的眼睛和鏡頭的光圈一樣，如果都比作光的衍射實(shí)驗(yàn)中的小孔的話，那人眼睛系統(tǒng)的視網(wǎng)膜，就和相機(jī)系統(tǒng)里鏡頭后的屏幕一樣，可以看作是光屏了。
所以，當(dāng)眼瞇成了一條線，上下眼皮就構(gòu)成了一個(gè)狹縫。在我們精密的視覺(jué)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(gè)方向，就會(huì)拉出一條條長(zhǎng)長(zhǎng)的光線。
最后，相寧提醒各位小伙伴：燈光、陽(yáng)光會(huì)比較強(qiáng)，長(zhǎng)時(shí)間的太陽(yáng)、強(qiáng)光的直射，不僅可能會(huì)給相機(jī)感光元件帶來(lái)?yè)p害，對(duì)眼睛的刺激和傷害更大。所以光圈調(diào)好、墨鏡戴牢，不直視它們更好！
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本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院半導(dǎo)體所 （ID：bdtdsj），作者：顏相寧，編輯：南方的貓
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