目前的手机、相机,还有咱们家里的投影仪,明明是个个精密的“镜头”,可你凑近一点看,还是能感觉到那种朦胧的、说不清道不明的晕,不是像老电影里说的糊成一团,就是那种光晕散得特别特别开,把主体给“吃掉”了。
这玩意儿,实际上就是物理世界里最“偷懒”也最“搞心态”的现象之一——小孔衍射。它跟咱们平时用的折射,彻底是两码事。折射是光跑偏了,像喝多了醉汉步行歪歪扭扭;而衍射,更像是光在穿墙而过时,偷偷拆了房子拆了门,把墙缝里的空气都把进去了,把自己拉成了个胖乎乎的圆,然后散开。 要搞懂这事儿,得先破除一个庞大的误区:光确实有波长吗?人脑里早就有了,这是常识。但在显微镜、望远镜这些精密仪器面前,它才是关键。光束一窄,波长就显形了。波长越小,光越像刀,衍射效应就越不明显;波长越大,光越像棉絮,衍射效应就越严重。
由此可见光这边波长大约在 400 到 700 纳米之间,这个数据对大量人来说是个坎儿,比头发丝还细,比头发丝粗的小 100 倍。 咱们拿双缝干涉和单缝衍射做个对比,那个区别真大。双缝实验里,两条缝光一照,就在屏幕中央和两边交出了一大片亮纹,中间最亮,两边慢慢变暗。
这是叠加的功劳,两个光波同相就亮,反相就暗。但单缝衍射呢?这就有点意思了。你只开了一路光,光别看没变多,只是方向乱了一团,等它穿过那个细缝的时候,原本清楚的直射光被“揉”弯了,在屏幕上形成了一个中间最亮、两边麻利衰减的光强分布,像个橄榄球。
这中间最亮的那个点,叫主极大;两边那些慢慢变弱的,叫次级极大。并且你会发现,次级极大的强度一般只有主极大的几百分之一就连几千万分之一。
也就是说,要是你认定光挺亮,那是主极大;要是你认定光挺暗、挺朦胧,那大约率是次级极大了。 这就引出了衍射公式的核心逻辑:拦路虎的数量和大小拍板了多少光能跑出去。在单缝衍射里,德拜公式(Babinet's Principle)是个金标准。啥叫拦路虎?就是缝里还能塞多少光。公式的大约意思就是,缝里塞的光越多,衍射环的半径越大,光越散;塞的光越少,光越聚拢,主极大就越亮,但四周的暗带也就越深。
这就解释了为啥那会儿老式摄影机用个小孔成像,别看成像不清楚,但能看清东西。出于孔径小,光被“截获”得了得,衍射效应别看强,能把光分摊到各个角度,反而让远处的物体在成像板上能亮起来。
你看那个老式黑底白字的照片,字明明比目前的照片大不少,就是那个小孔把光“兜”住了。 这就是为啥目前用手机拍照,得开“夜景模式”要么调高 ISO。
要是光线忒弱,AP 光(全开光圈)一照,镜头直径可能比头发丝还粗,光根本跑不快,衍射效应被无限放大,画面就彻底糊成一片雪花了。
这时候,摄影师得想办法减小光路,比如用 f/1.4 就连 f/1.2 的大光圈来压住光,要么用三脚架把手机固定好,利用工夫换空间,把光路缩短,让衍射效应减弱。
这时候,衍射公式里的“缝宽”和“波长”比呼吸都慢,光根本是直接穿那会儿了,成像还算清楚。 不过话说回来,衍射也是双刃剑。它让光路变宽,但也让成像变软。当你用望远镜看星星时,要是镜筒口径忒大,星星的光斑会变成一个又大又不清楚的圆,你根本看不清具体的亮度和位置。
这时候就需求用“光边带”技术要么校准,把那个不清楚的圆边缘切掉一局部,把光路压窄,让它重新聚拢成一个小的亮点。原理实际上一模一样:口径越小,光斑直径越小。 再换个角度想,要是把焦距调得特别长,光线跑得忒远,到了远处屏幕,衍射效应可能又会变得没那么明显。
这时候,你画出的光强分布图,你会发现亮斑和暗带之间的对比度低,光晕挺淡。
故此,甭管是做光学仪器校准还是摄影,本质上都是跟人眼视觉和心理感受在博弈:既要利用衍射把光路压窄成像清楚,又要管住衍射把光斑做大一点。
你想想,手机屏幕像素点那么密,要是直接用物理大光圈,画面实际上并不一定比不过目前的 OLED 屏幕,出于屏幕本身的光源分布和衍射效应已经混在一起了。 最终得吐槽一句,这个“光晕”有时候确实挺让人头疼的。
有时候你认定屏幕灰蒙蒙的,有时候认定字看不清楚,有时候认定背景有点死白,有时候又认定背景有点暗,这哪是物理公式在讲话,分明是你眼里的光在打架。衍射不怪光,怪的是咱们这“光路”忒复杂,塞满了各种棱镜、透镜、涂层,把那种纯粹的、原始的干涉叠加效应给搞复杂了。下次你再看到家里投影的那些不清楚光斑,大约率是衍射在“作祟”,它只是想把光分得更细一点,把成像散得更大一点。别看技术能够修,但光的根本秉性,就是这个“胖乎乎”的圆。