看到圖中車(chē)燈發(fā)出的光束，你的第一反應(yīng)是不是：鏡頭臟了，該擦擦了？

這種從光源中心向外輻射的亮線叫做星芒，大家對(duì)此或許并不陌生。用手機(jī)拍攝路燈、車(chē)燈時(shí)，照片中經(jīng)常出現(xiàn)類(lèi)似的效果。

用手抹鏡頭實(shí)際是人為制造了鏡頭表面的不規(guī)則劃痕或油膜，這些物理痕跡會(huì)改變光線通過(guò)鏡頭時(shí)的折射路徑，相當(dāng)于在鏡頭前添加了“簡(jiǎn)易衍射光柵”。

你還可以做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)；找一個(gè)點(diǎn)光源，用手從上到下抹一抹手機(jī)鏡頭，你就能拍到水平方向延展的星芒；從左往右抹一抹手機(jī)鏡頭，你就能獲得豎直方向的星芒。

要想搞明白它的形成原理，我們不妨從光的本性和一場(chǎng)“賭約”說(shuō)起。

光：粒子還是波？

在經(jīng)典物理學(xué)中，光的本質(zhì)是一種電磁波。然而，在我們的日常生活中，光作為一種“波”的特性幾乎不會(huì)被我們納入考慮范圍。相較于被攝物體和鏡頭等光學(xué)器件，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)(約為 400-700 納米)要小得多，因此光可以被近似視為沿直線傳播的“光線”。小孔成像便是光直線傳播最好的例證，這也是早期照相機(jī)成像的基本原理。

小孔成像(圖片來(lái)源：清華大學(xué)出版社)

但是光的本性可不止停留在光線的層次這么簡(jiǎn)單。17 世紀(jì)初，人們對(duì)光的理解分為兩派。

一派是微粒說(shuō)，這一派的祖師爺是大名鼎鼎的牛頓。他認(rèn)為光是由無(wú)數(shù)個(gè)微小、堅(jiān)硬、跑得飛快的“粒子”組成的。

另一派是波動(dòng)說(shuō)，認(rèn)為光是在空間中振動(dòng)的波，具有振幅、相位、周期等一切波的特征，波與波之間可以疊加。

光的粒子說(shuō)(左)和波動(dòng)說(shuō)(圖片來(lái)源：BYJU)

起初，光的微粒說(shuō)更廣為人接受。舉個(gè)例子，就像球碰到墻壁會(huì)反彈一樣，如果光是粒子，那么“光子彈”打到鏡子上，也會(huì)以相似的角度反彈回來(lái)，這就是光的反射定律。因?yàn)槲⒘Ｕf(shuō)直觀易懂，而且能有效地解釋諸多光學(xué)現(xiàn)象，所以在牛頓提出之后，它統(tǒng)治了物理學(xué)界將近 100 年。

然而，后來(lái)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，光還能呈現(xiàn)出一些波的特性，挑戰(zhàn)了微粒說(shuō)，其中一個(gè)重要性質(zhì)就是衍射。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，衍射就是波在傳播過(guò)程中，遇到障礙物或孔洞時(shí)，會(huì)繞過(guò)障礙物的邊緣或穿過(guò)孔洞，并向四周擴(kuò)散，而不是簡(jiǎn)單地沿直線傳播。聲波、水波等所有波都具有這種特性，例如水波就能在遇到障礙物后，繞過(guò)障礙繼續(xù)傳播。

波的衍射示意圖

現(xiàn)在，想象一束光射向一個(gè)非常細(xì)的縫隙，如果光只按直線傳播，我們應(yīng)該在縫隙正后方看到一條清晰的亮線。但實(shí)際上，你會(huì)觀察到光線會(huì)向兩側(cè)展開(kāi)，形成一個(gè)更寬的光斑，甚至出現(xiàn)亮暗相間的條紋。這就是光的衍射現(xiàn)象。

光的賭約

關(guān)于光的衍射特性，必須要提到一場(chǎng)著名的“賭約”。1818 年，法國(guó)科學(xué)院舉辦了一場(chǎng)競(jìng)賽，題目是證明光傳播的特性，以揭示光的本質(zhì)。土木工程師菲涅爾參加了競(jìng)賽，并提交了論文，主張光是一種波。競(jìng)賽的評(píng)委之一是泊松，他是光的粒子說(shuō)的支持者，所以想盡辦法來(lái)找菲涅爾理論的麻煩。

泊松提出了一個(gè)和小孔成像非常類(lèi)似的情形，只不過(guò)把裝置反了過(guò)來(lái)：在光線傳播的路徑上，有一個(gè)極小的圓形遮擋物擋住了光。按照我們的直覺(jué)，光在后面的屏成像時(shí)，一定是被遮擋的中心“最黑”。而泊松卻證明，按照菲涅爾的理論，被遮擋的中心反而是一個(gè)亮斑，違背了人們的常識(shí)，由此來(lái)反對(duì)光的波動(dòng)說(shuō)。

泊松設(shè)想的實(shí)驗(yàn)布置示意圖(圖片來(lái)源：Wikipedia)

結(jié)果，光學(xué)史上最著名的“搬起石頭砸自己腳”的實(shí)驗(yàn)誕生了。實(shí)驗(yàn)由競(jìng)賽組織者阿拉戈進(jìn)行，他讓蠟燭發(fā)出的光經(jīng)過(guò)貼在玻璃板上的 2mm 的金屬磁盤(pán)，最后在后方屏幕觀察到了亮斑，證明了光的波動(dòng)性。盡管是誤打誤撞，但科學(xué)界還是將美譽(yù)留給了泊松，這一亮斑后來(lái)被稱(chēng)為泊松亮斑。

泊松亮斑示意圖(圖片來(lái)源：Wikipedia)

衍射和星芒

光在遇到任何有邊界的遮擋物時(shí)，都會(huì)發(fā)生衍射，形成各種各樣的圖案。泊松光斑就是一種典型的圓屏衍射現(xiàn)象。而我們的手機(jī)相機(jī)所拍下的星芒，也正是源于光的衍射。

相機(jī)中有一個(gè)結(jié)構(gòu)叫做光闌，是光學(xué)系統(tǒng)中限制光束通過(guò)范圍的物理元件，起到控制成像亮度、改變景深等作用。為了方便調(diào)節(jié)大小，光闌通常不會(huì)是完美的圓形，而是由多個(gè)葉片拼接而成。入射的光在通過(guò)光闌時(shí)，衍射現(xiàn)象在尖銳的角的地方變得極其劇烈，會(huì)以角為中心向垂直方向強(qiáng)烈衍射，形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的、亮晶晶的光帶。你的光圈有幾個(gè)角，就會(huì)產(chǎn)生幾組這樣的衍射光帶。

這些從不同角衍射出來(lái)的光帶組合在一起，就形成了我們看到的星芒。因此，星芒還有個(gè)名字，叫作衍射尖峰。

相機(jī)的光闌用于控制進(jìn)光量(圖片來(lái)源：iBuider)

當(dāng)光闌分別是正四邊形、正五邊形、圓形等形狀時(shí)，衍射光斑會(huì)呈現(xiàn)出不同的圖樣。我們還可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律：葉片數(shù)為偶數(shù)，星芒數(shù)和葉片數(shù)保持一致；葉片數(shù)為奇數(shù)，星芒數(shù)則為葉片數(shù)的兩倍。這是因?yàn)檫吘壣习l(fā)生的衍射是同時(shí)向兩側(cè)發(fā)散的，偶數(shù)葉片兩側(cè)的衍射尖峰正好對(duì)齊，而奇數(shù)葉片的衍射尖峰在兩側(cè)不會(huì)完全重疊，數(shù)量就是葉片數(shù)的兩倍。

不同光闌的衍射圖案(圖片來(lái)源：Wikipedia)

下圖拍攝的是夜幕下的路燈，根據(jù)照片中星芒的數(shù)量，甚至可以大致反推出相機(jī)的光闌葉片數(shù)。

照片里的星芒

了解光的衍射現(xiàn)象以及光闌的基本結(jié)構(gòu)，我們終于可以解釋?zhuān)瑸槭裁词謾C(jī)鏡頭被手指觸碰后，拍出的照片會(huì)出現(xiàn)明顯的星芒現(xiàn)象：這是因?yàn)槭种干系挠臀鄣入s質(zhì)會(huì)沿指紋形成多個(gè)類(lèi)似狹縫的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光線通過(guò)這些“污點(diǎn)”時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的衍射和散射，從而在照片中呈現(xiàn)出星芒或光暈。

特別地，如果指紋劃成了幾道直線，那每一道線就像一道小柵欄。光穿過(guò)時(shí)，會(huì)被柵欄分成好幾束，在成像平面上形成幾條放射狀的光線，這就是我們看到的星芒。星芒的角度和光柵的角度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此我們能看到文章開(kāi)頭視頻所呈現(xiàn)出的效果。

沾上指紋的相機(jī)鏡頭(圖片來(lái)源：CNET)

根據(jù)這一原理，攝影行業(yè)還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種星光鏡。在星光鏡的玻璃表面涂層下，會(huì)有一層非常細(xì)的平行或交叉的刻痕或溝槽。這些溝槽就像一條條狹縫，當(dāng)強(qiáng)光(如路燈、太陽(yáng))透過(guò)這些狹縫時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。每條狹縫把光分裂成多束，并在遠(yuǎn)處(感光面)互相疊加，形成一系列同心且方向固定的光線。如果只有一組平行刻痕，就會(huì)出現(xiàn)兩束對(duì)稱(chēng)的星芒，而如果是兩組互相垂直的刻痕，就會(huì)出現(xiàn)八射線星芒等等。

星光鏡和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了如何產(chǎn)生星芒，如果不希望有星芒效應(yīng)出現(xiàn)時(shí)，就可以采取以下方法：首先應(yīng)盡量使用大光圈(這也是手機(jī)攝影的根本限制之一)，減少光闌的衍射效應(yīng)；其次可以調(diào)整拍照方向，避免強(qiáng)光直射鏡頭；還可以使用遮光罩等設(shè)備，阻擋部分光線進(jìn)入；當(dāng)然對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，最重要的就是注意清潔鏡頭，確保沒(méi)有灰塵，指紋，劃痕等其他污漬。

清理鏡頭表面臟污后，照片中的光束消失(圖片來(lái)源：Xiaomi)

所以，下次再遇到文章開(kāi)頭那張圖，擦一擦鏡頭，確實(shí)沒(méi)錯(cuò)~