短科普：鏡頭星芒是怎麼形成的？

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中秋結束，繼續開工！星芒應該是很多夜拍愛好者都很熱衷的效果，大多數朋友都知道要拍出星芒，前提就是縮小光圈，而前幾天有個朋友邀請我回答一個問題：為什麼有時候F11光圈的照片沒有星芒，同一顆鏡頭有時候F5.6卻又能看到星芒呢？這個話題有點帶攝影科普的性質，可以用一篇短文來說說。

先說星芒的成因，對於一般透鏡系統來說，星芒就是光圈衍射，而衍射在小光圈下更明顯，因此體現星芒才需要縮小光圈。那麼問題來了，衍射不是擴散狀么，為什麼會變成星芒，這是因為控制通光孔徑的是光圈結構，我們知道光圈是由數個葉片組成，理想的小孔可以理解為一個標準的圓形，但光圈顯然很難做到標準圓，基本都會呈規則（或不規則）多邊形，而衍射會以多邊形的邊（對於標準圓來說就是無數條切線）作垂線，形成以下的形態：

這裡可以看到，想要用較為銳利的收攏效果，就意味著光圈葉片邊緣是平直的，也就是非圓光圈，但這樣的設計在大光圈拍攝時虛化效果會比較難看。所以現代鏡頭都比較強調圓形光圈，實現方法就是把光圈葉片邊緣做成弧形，不過圓形光圈一般指的是全開時，當縮小後葉片弧度就不再對齊，光圈孔又會變成多邊形態，此時每一片葉片所產生的衍射垂線角度會有所不同，反饋到星芒上就是尾端呈放射狀：

所以，當在面對相同點光源時，如果一顆鏡頭在相對較大的光圈時就可以拍出星芒，這就說明此時它的光圈已經更接近多邊形，而非圓形。還有一個大家都知道，但不一定明白原理的現象就是偶數葉片光圈的星芒與葉片數量相同，比如8片光圈葉就是8星芒，而奇數葉片的光圈星芒要乘以2，比如9片光圈葉就是18星芒。當看完前面圖片後你應該可以理解到原因了：因為偶數葉片形成的多邊形是逐邊平行對稱關係，上圖的6片光圈裡，第1/2/3片就分別與第4/5/6平行對稱，兩邊形成的衍射圖案方向相同並重合。而奇數葉片光圈則不存在這個現象，每一片光圈葉形成的衍射都能完整呈現在星芒上：

市售星光濾鏡利用的就是衍射原理，在鏡片上蝕刻不透光的細紋路，從而產生想要的星芒效果：

那麼，回到一開始的問題，同一顆鏡頭為什麼有時候超小光圈沒有星芒，有時候相對較大光圈卻有星芒呢？這主要跟拍攝對象有關，衍射是在光源集中度越高的情況下越明顯，因此拍攝對象需要是在感測器上占幅很小的點光源，如果是較大的光源，比如太陽，就需要有部分遮擋的情況下才容易拍出星芒，可以通過樹林樹葉、用遮擋物擋住一半，或者用強減光濾鏡降低入射光亮度來實現：

相同的F8光圈，把夕陽這個強光源透過遮蔽一部分的方式變為點光源後，星芒出現。而在一些折返式天文望遠鏡系統，比如牛頓式望遠鏡里，支撐反射鏡片（下圖紅圈處）的支撐軸因為處於入射光軸上，因此也同樣會造成衍射現象。

原理與透鏡光圈類似，像上圖這種三軸支撐的就會產生6星芒，方向與強度如下圖所示：

除此之外，在天文成像中，最典型的衍射星芒當屬哈勃望遠鏡所拍攝到的畫面，可以看到很明顯的十字型星芒：

看看它的鏡片構造就不難理解為什麼會出現這樣的現象了：

衍射對於天文觀測來說還可以起到輔助對焦的作用，有經驗的朋友應該都聽說過魚骨對焦板，我們知道衍射圖案（星芒）在準確對焦時最為標準，所以，針對具體的小星體，用三個不同衍射模板形成三條衍射圖案，當三者相交時就是準確對焦（GIF為動態模擬，可以看到準確對焦時三條衍射圖案是處於標準形態並相交）：

用數碼相機拍攝時可以通過實時取景放大功能來仔細檢查是否正確對焦，這在天文攝影里也屬於比較重要的拍攝手法了。那麼關於星芒的成因差不多就是這樣，因為原理簡單所以只能算是短文，至於DIY嘛，大家可以試試把羽毛球拍放在鏡頭前，看看不同焦距不同光圈拍出來會是什麼樣子吧……