Всякий раз, когда свет проходит границу, он дифрагирует или изгибается из-за волнообразного свойства света, взаимодействующего с этой границей. Апертура в оптической системе, обычно круговая или круглая, является одной из таких границ.
Как свет взаимодействует с апертурой, описывается функцией рассеяния точки (PSF), или в какой степени и в какой степени точечный источник света распространяется в результате прохождения через оптическую систему. PSF определяется геометрией системы (включая форму и размер апертуры; форму (ы) линз и т. Д.) И длиной волны света, проходящего через оптическую систему. PSF - это, по сути, импульсный отклик оптической системы на импульсную функцию , точку света некоторого единичного количества энергии, которая бесконечно мала или жестко ограничена в двумерном пространстве.
Свертка света от объекта с помощью функции рассеяния точки приводит к полученному изображению, которое выглядит более рассеянным, чем исходный объект. По пользователю Wikipedia Default007, из Wikimedia Commons . Public Domain.
Для идеально круглой апертуры в теоретически оптически совершенной системе формирования изображения функция PSF описывается Воздушным диском , который представляет собой концентрический паттерн типа «бычий глаз». кольца чередующихся областей конструктивной интерференции (где волны света конструктивно взаимодействуют, чтобы «сложить») и деструктивной интерференции (где волны света взаимодействуют так, чтобы компенсировать себя).
Важно отметить, что рисунок диска Эйри не является результатом несовершенного качества линз или ошибок в допусках при изготовлении и т. Д. Это строго зависит от формы и размера апертуры и длина волны света, проходящего через него. Таким образом, диск Эйри является своего рода верхним пределом качества одного изображения, которое может быть получено оптической системой 1 .
Точечный источник света, проходящий через круглое отверстие, будет распространяться, создавая рисунок диска Эйри. Сакурамбо , из Wikimedia Commons . Public Domain.
Когда апертура достаточно велика, так что большая часть света, проходящего через объектив, не взаимодействует с краем апертуры, мы говорим, что изображение больше не дифракционное ограничение . Любые несовершенные изображения, полученные в этой точке, не являются следствием дифракции света на краю апертуры. В реальных (неидеальных) системах визуализации эти недостатки включают (но не ограничиваются ими): шум (термический, шаблон, чтение, выстрел и т. Д.); ошибки квантования (которые можно считать другой формой шума); оптические аберрации объектива; ошибки калибровки и юстировки.
Примечания:
Существуют методы для улучшения получаемых изображений, так что видимое оптическое качество системы формирования изображения лучше, чем у диска Эйри - предел. Методы укладки изображений, такие как счастливое изображение , увеличивают видимое качество, объединяя несколько (часто сотни) разных изображений одного и того же объекта вместе. Хотя диск Эйри выглядит как нечеткий набор концентрических кругов, он действительно представляет вероятность того места, где точечный источник света, попадающий в систему камеры, попадет на тепловизор. Результирующее повышение качества, создаваемое укладкой изображений, связано с увеличением статистических знаний о расположении фотонов. Таким образом, укладка изображений уменьшает вероятностную неопределенность, возникающую при дифракции света через апертуру, как описано в PSF, за счет создания избыточной избыточной информации для решения проблемы.
Относительно отношения видимого размера к яркости звезды или точечного источника: более яркий источник света увеличивает интенсивность («высоту») PSF, но не увеличивает его диаметр. Но увеличение интенсивности света, поступающего в систему формирования изображения, означает, что больше фотонов освещают граничные пиксели области, освещаемой PSF. Это форма «цветения света» или, по-видимому, «разлива» света в соседние пиксели. Это увеличивает видимый размер звезды.