知乎日報(bào)收錄——為什么星星用眼睛看起來并不模糊?

簡單來說,就是你的分辨率不夠——你看起來只有幾個(gè)像素點(diǎn),就以為這叫做不模糊。但如果你能放大圖像的話,你就會發(fā)現(xiàn)其實(shí)是模糊的。

你拿出一臺單反,用三腳架架起來,然后用遙控器控制拍照(為了盡量避免抖動)
將單反對準(zhǔn)天上的星星,然后使用默認(rèn)的曝光時(shí)間進(jìn)行拍攝。將拍攝得到的照片你拉大了仔細(xì)看看,就會發(fā)現(xiàn)星星全都不是圓形的,而是短線一樣的。這就是因?yàn)榈厍蛞恢痹趧?,所以在曝光時(shí)間內(nèi)星星的相對位置會發(fā)生改變從而變模糊。(下圖是自己動手拍攝的結(jié)果,圖片里看起來還挺圓的,放大后就是短線了)此外地面上還有大氣擾動所帶來的模糊。

如果你希望盡量拍攝得清晰的話,除了要最大程度地避免機(jī)械抖動,你還需要將曝光時(shí)間盡量降到最低,同時(shí)將相機(jī)的感光度盡量提高(否則太暗了)。

而另一條拍攝思路就是盡量延長曝光時(shí)間,這樣就可以拍攝到好看的星軌了?。ㄏ聢D來源于維基百科,該照片一共曝光了2小時(shí)5分)

星軌是多個(gè)同心圓的圓弧,而根據(jù)圓弧的角度可以計(jì)算出曝光時(shí)間。因?yàn)槲覀冎酪徽焓且蝗Γ簿褪?60°;那么2小時(shí)5分就應(yīng)該圓弧角度大約為31.25°;而哪怕0.5秒鐘的曝光時(shí)間也會導(dǎo)致0.002°的圓弧

另外,如果你有望遠(yuǎn)鏡的話,你就可以很清楚地看到星星一直在移動了。比如下面就是6年前我和一些朋友無聊的時(shí)候把相機(jī)接到了望遠(yuǎn)鏡上對木星進(jìn)行了多次拍攝。把這些照片連起來,你就發(fā)現(xiàn)木星確實(shí)一直在移動中。

當(dāng)時(shí)拍攝出來的模糊的木星,隱約可以看到木星花紋。該圖片尚未經(jīng)過處理。未處理原因:當(dāng)時(shí)就是大家一起拍的好玩的,然后我懶。


看到這里,你可能會問,既然為了不拍模糊,就必須曝光時(shí)間很短,那么如何保證排出高質(zhì)量的星星照片呢?
這確實(shí)是個(gè)很好的問題。常見的方式就是每次拍攝都選用極短的曝光時(shí)間,但是進(jìn)行很多次的拍攝。之后再利用程序來對星星照片進(jìn)行識別和對齊疊加,這樣經(jīng)過多次疊加之后就可以很清晰了!
如果哪位朋友有可以進(jìn)行對齊疊加的matlab算法也可以告訴我一聲,讓我來處理下這批圖片(就不需要自己寫代碼了),看看能得到怎樣的效果?!靖拢篶hatgpt幫我把代碼寫好了,也處理好了數(shù)據(jù)】
這是單張的木星:

這是100張疊加后的木星,分辨率得到了略微提升(理論上是10倍)。如果想要獲得更加清晰的圖像,需要疊加更多的圖片才行。小圖看起來似乎要更加清晰些,但其實(shí)就是同樣的一張圖……



類似的情況也在我的博士課題中發(fā)生過。激光平臺上反射鏡的振動、激光平臺上方空氣的擾動這些,恐怕絕大多數(shù)人都從來不會感覺到這個(gè)問題。但是在我的博士課題中卻是真實(shí)存在的大問題——因?yàn)槲沂褂玫耐獠罘ǎ℉eterodyne detection)技術(shù)對于光程差的要求達(dá)到了納米級,具有很高的分辨率!哪怕因?yàn)楦鞣N擾動光程差只改變了頭發(fā)絲的厚度的千分之一(60 nm),也會使得測量得到的相位改變 π/5,這是一個(gè)不可忽略的巨大誤差。
而最終我們的解決方案就是
搭建laser table box把我們的裝置全部封起來,最大程度降低空氣擾動
讓希望計(jì)算光程差的兩束光具有完全相同的光路,這樣哪怕有其它的擾動(比如激光平臺上反射鏡的振動、激光平臺上方空氣的擾動等)就會對于它們有相同的影響,從而對于最終的光程差影響很小。
最終我們的裝置可以將相位穩(wěn)定性提升10倍,文章也得以發(fā)表于ACS Photonics.
