用物理解释摄影，如何拍摄漂亮的星芒？本文转自：中科院之声夜幕降

本文转自：中科院之声夜幕降临，华灯初上，快门声响起，一张记录城市夜色的照片透过屏幕跃然眼前：本应柔和的街灯发出了耀眼的光芒，代替星空为镜中城市增光添彩。

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图1 城市夜景 (摄影设备与参数：Canon 70D, 67mm 8s, ISO 6400, f/25) 摄| 朱智敏这有趣的现象激起了不少人的好奇：是什么光学现象创造了镜头下的星光？我们能否掌握其中的规律，自由地制造或者消除这种现象？在基础光学早已成熟的今天，这个问题能够很好的用光学理论解决并进行仿真。如今，这类问题被统一归纳为星芒的现象来研究，接下来我们就将一探究竟。

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图2 城市夜景 (摄影设备与参数：Canon 70D, 80mm 8s, ISO 6400, f/22) 摄| 朱智敏
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波动光学与光的衍射
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★看到相片中的星芒后，有一定物理基础的同学就会判断这背后的原因是光的衍射，的确如此。在了解光的衍射现象之前，我们需要先从光的波动性说起。
最初的光学现在被整理为几何光学，即将光视为射线来研究光的反射、折射等问题。而在波动光学中，光被认为具有波动性，由此它获得了诸如波长、频率、周期、相位、波速等有关波的特征参数，并可以用波函数来描述。经典的光波函数形式如下：

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上式用指数形式生动地体现了光波在空间及时间上的振荡特性。r 用来表示空间坐标位置， A(r)则代表该位置上光的振荡幅值。核心部分

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说明了光波在传播时的时空振荡特性。

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图3 在不同时刻下的一种简单的经典光波函数， A(r)=1 ， φ(r)=r 图| 朱智敏波动光学提出了一个经典的物理概念——子波源与次波。要解释这个概念，可以想象水面泛起的波纹：中心振源在周围激起一圈涟漪，这圈涟漪随即在其周围激起一弧更大的涟漪，接着继续向外传播。在这个现象中，我们既可以认为只有中心波源一个波源在制造振动，也可以认为每圈涟漪上都存在着无数子波源——当涟漪被激发时，涟漪上的点振动起来，成为波源向外传递波动。

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图4 水中涟漪图源| pixabay荷兰物理学家惠更斯用理论这样解释：波前上的每一点（面源）都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻出射波的波面；介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。

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图5 惠更斯原理示意图图源| wikipedia从子波源与次波的角度考虑，通过经典的光的单缝衍射实验，我们就可以很清晰地描述光的衍射。当光线垂直射向狭缝板时，打在板上的光波都会生成子波源，这些子波源以球面波的形式向外传递次波。当狭缝的尺度与入射光波长相当或更大时，狭缝附近那些本无法直线穿过狭缝的光线，就能通过这种激发出球面次波的方式，将光波传播到狭缝板的另一侧。这就像是光在传播过程中遇到了障碍物之后，绕过了障碍物继续传播。