Question:
Comment la lumière se plie-t-elle autour du bout de mon doigt?
Daniel A.A. Pelsmaeker
2014-05-03 05:20:47 UTC
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Lorsque je ferme un œil et que je place le bout de mon doigt près de mon œil ouvert, il semble que la lumière de l'image d'arrière-plan se plie légèrement autour de mon doigt, déformant l'image près des bords du bout de mon doigt flou.

Qu'est-ce qui cause cela? Est-ce la chaleur de mon doigt qui plie la lumière? Ou la minuscule gravité qu'exerce la masse de mon doigt? (Je ne pense pas.) Est-ce une sorte de diffraction?

Light bending around my finger

Pour reproduire: mettez votre doigt à environ 5 cm de votre œil ouvert, regardez à travers bord flou de votre doigt et concentrez-vous sur quelque chose de plus éloigné. Déplacez votre doigt progressivement dans votre vue et vous verrez l'image d'arrière-plan se déplacer à mesure que votre doigt se déplace.


Pour toutes les personnes qui vous le demandent, j'ai fait une autre photo. Cette fois, la toile de fond est une grille que j'ai sur mon écran (en raison du manque de papier quadrillé). Vous voyez la grille se déformer très légèrement près du haut de mon doigt. Voici la configuration:

Setup Finger on a grid

Notez que ces distances sont arbitraires. Cela fonctionnait aussi bien avec mon doigt plus près de l'appareil photo, mais c'est la situation que j'ai mesurée.


Voici quelques photos du côté d'un objet en plastique opaque plat de 2 mm d'épaisseur , à différentes tailles d'ouverture. Notez en particulier que la grille ne s'aligne pas sur les deux photos du bas.

Object photographed from the side

Voir aussi cet article http://physics.stackexchange.com/q/94235/
Par curiosité, pourquoi avez-vous annulé l'édition?Et si c'est parce que vous n'aimiez pas que l'image soit centrée, seriez-vous bon que les images soient HTTPS au lieu de HTTP pour des raisons de sécurité?
@Nat Désolé, il me semblait que vous aviez seulement ajouté un tas d'espaces, je n'ai pas regardé le diff de démarque.J'essaie généralement d'éviter le html et le codage pour la mise en page spécifique du site, car c'est très fragile et rend la démarque moins lisible.Je suis cependant d'accord avec le HTTPS.
Six réponses:
#1
+476
Ilmari Karonen
2014-05-05 04:41:22 UTC
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OK, il semble que user21820 a raison; cet effet est causé par les objets de premier plan et d'arrière-plan flous , et se produit dans les zones où l'objet de premier plan (votre doigt) occulte partiellement l'arrière-plan, de sorte que seuls certains rayons lumineux atteignent votre œil de l'arrière-plan est bloqué par l'obstacle au premier plan.

Pour voir pourquoi cela se produit, jetez un œil à ce diagramme:

Diagram 1: light rays forming a blurred image of a object

Le Le point noir est un objet éloigné et les lignes pointillées représentent des rayons lumineux qui en émergent et frappent l'objectif, ce qui les recentre pour former une image sur une surface réceptrice (la rétine dans votre œil ou le capteur de votre appareil photo). Cependant, comme l'objectif est légèrement flou, les rayons lumineux ne convergent pas exactement sur le plan récepteur, et l'image semble donc floue.

Ce qui est important à réaliser, c'est que chaque partie de l'image floue est formé par un rayon lumineux séparé traversant une partie différente de la lentille (et de l'espace intermédiaire). Si nous insérons un obstacle entre l'objet et l'objectif qui ne bloque que certains de ces rayons, ces parties de l'image disparaissent!

Diagram 2: obstacle blocking part of the light rays, resulting in a sharper and shifted image

Cela a deux effets: d'abord, l'image de l'objet d'arrière-plan apparaît plus nette, car l'obstacle réduit efficacement l'ouverture de l'objectif. Cependant, il décale le centre de l'ouverture, et donc de l'image résultante, d'un côté.

La direction dans laquelle l'image floue se déplace dépend du fait que l'objectif est focalisé un peu trop près ou un peu trop loin. Si la mise au point est trop proche, comme dans les schémas ci-dessus, l'image apparaîtra décalée de l'obstacle. (Rappelez-vous que l'objectif inverse l'image, donc l'image de l'obstacle lui-même apparaîtra au-dessus de l'image du point dans le diagramme!) Inversement, si la mise au point est trop loin, l'objet d'arrière-plan apparaîtra pour se rapprocher de l'obstacle.

Une fois que vous en connaissez la cause, il n'est pas difficile de recréer cet effet dans un programme de rendu 3D prenant en charge un flou focal réaliste. J'ai utilisé POV-Ray, car je le connais bien:

Render 1: Sphere in front of a grid plane, narrow aperture Render 2: Sphere in front of a grid plane, wide aperture, grid in focus

Ci-dessus, vous pouvez voir deux rendus de une scène d'infographie classique: une sphère jaune devant un plan quadrillé. L'image de gauche est rendue avec une ouverture étroite, montrant à la fois la grille et la sphère avec des détails nets, tandis que celle de droite est rendue avec une grande ouverture, mais avec la grille toujours parfaitement nette. Dans aucun des cas, l'effet ne se produit, car l'arrière-plan est net.

Les choses changent cependant une fois que la mise au point est légèrement déplacée. Dans l'image de gauche ci-dessous, la caméra est mise au point légèrement devant le plan d'arrière-plan, tandis que dans l'image de droite, elle est mise au point légèrement derrière le plan:

Render 3: Sphere in front of a grid plane, focus between grid and sphere Render 4: Sphere in front of a grid plane, focus behind both grid and sphere

Vous pouvez clairement voir que, avec le focus entre la grille et la sphère, les lignes de la grille proches de la sphère semblent décalées de celle-ci, tandis qu'avec le focus derrière le plan de la grille, les lignes de la grille se déplacent vers le sphère.

Déplacer la mise au point de la caméra plus loin du plan d'arrière-plan rend l'effet encore plus fort:

Render 5: Sphere in front of a grid plane, focus between grid and sphere Render 6: Sphere in front of a grid plane, focus behind both grid and sphere

Vous pouvez également voir clairement les lignes deviennent plus nettes près de la sphère, ainsi que la flexion, car une partie de l'image floue est bloquée par la sphère.

Je peux même recréer l'effet de ligne brisée dans vos photos en remplaçant la sphère par une cylindre:

Render 7: Narrow cylinder in front of a grid plane, focus between grid and cylinder Render 8: Narrow cylinder in front of a grid plane, focus between grid and cylinder

Pour récapituler: Cet effet est causé par le fait que l'arrière-plan est (légèrement) flou, et par le objet au premier plan occluant efficacement une partie de la caméra / oeil ap l'ouverture effective, provoquant un décalage de l'ouverture effective (et donc de l'image résultante). Elle n'est pas causée par:

  • Diffraction: comme le montrent les rendus informatiques ci-dessus (qui sont créés à l'aide du lancer de rayons et ne modélisent donc aucun effet de diffraction), cet effet est entièrement expliqué par l'optique à rayons classique. Dans tous les cas, la diffraction ne peut pas expliquer le déplacement des images d'arrière-plan vers l'obstacle lorsque la mise au point est derrière le plan d'arrière-plan.

  • Réflexion: Encore une fois, aucune réflexion de l'arrière-plan de la surface de l'obstacle n'est nécessaire pour expliquer cet effet. En fait, dans les rendus informatiques ci-dessus, la sphère / cylindre jaune ne reflète pas du tout la grille d'arrière-plan. (Les surfaces n'ont pas de composante de réflexion spéculaire, et aucun effet d'éclairage diffus indirect n'est inclus dans le modèle d'éclairage.)

  • Illusion d'optique: Le fait que ce n'est pas une illusion perceptive devrait être évidente du fait que l'effet peut être photographié, et la distorsion mesurée à partir des photos, mais le fait qu'il puisse également être reproduit par rendu informatique le confirme encore. >


Addendum: Juste pour vérifier, je suis allé reproduire les rendus ci-dessus en utilisant mon ancien appareil photo dSLR (et un moniteur LCD, un bouchon de pot à épices en plastique jaune et quelques fil pour l'accrocher):

Photo 1: Yellow plastic cap in front of screen, focus behind screen Photo 2: Yellow plastic cap in front of screen, focus between cap and screen

La photo ci-dessus à gauche a le focus de la caméra derrière l'écran, celle de droite l'a devant de l'écran. La photo ci-dessous à gauche montre à quoi ressemble la scène avec l'écran mis au point (ou aussi proche que possible avec le réglage de la mise au point manuelle). Enfin, la photo de la caméra du téléphone portable ci-dessous à droite montre la configuration utilisée pour prendre les trois autres photos.

Photo 3: Yellow plastic cap in front of screen, screen in focus Photo 4: The camera setup used to take photos 1 to 3


Addendum 2 : Avant que les commentaires ci-dessous ne soient supprimés, il y a eu une discussion sur l'utilité de ce phénomène comme test d'auto-diagnostic rapide pour la myopie (myopie).

Bien que je ne suis pas un ophtalmologiste, il semble que si vous ressentez cet effet à l'œil nu, tout en essayant de garder l'arrière-plan net, alors vous pouvez avoir un certain degré de myopie ou un autre défaut visuel, et vous voudrez peut-être passer un examen de la vue.

(Bien sûr, même si vous ne De toute façon, en avoir un tous les quelques années n'est pas une mauvaise idée. Une myopie légère, au point où elle devient suffisamment grave pour interférer considérablement avec votre vie quotidienne, peut être étonnamment difficile à diagnostiquer autrement, car il apparaît généralement lentement et, sans rien à quoi comparer votre vision, vous vous habituez simplement à des objets distants qui semblent un peu flous. Après tout, dans une certaine mesure, c'est vrai pour tout le monde; seule la distance varie.)

En fait, avec ma myopie légère (environ -1 dpt), je peux personnellement confirmer que, sans mes lunettes, je peux facilement voir à la fois l'effet de flexion et la netteté des traits d'arrière-plan lorsque je déplace mon doigt devant mon œil. . Je peux même voir un soupçon d ' astigmatisme (que je sais avoir; mes lunettes ont une correction cylindrique pour le corriger) dans le fait que, dans certaines orientations, je peux voir les caractéristiques d'arrière-plan se plier non seulement loin de mon doigt, mais aussi légèrement sur le côté. Avec mes lunettes, ces effets disparaissent presque mais pas tout à fait, ce qui suggère que ma prescription actuelle est peut-être un peu décalée.

N'est-ce pas la parallaxe?
Votre explication a été transformée en vidéo éducative sur la chaîne YouTube _Il est correct d'être intelligent_: https://youtu.be/xnrXwpE2pMg
#2
+62
DumpsterDoofus
2014-05-03 19:22:23 UTC
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Contrairement à certaines des réponses que les gens ont publiées sur Yahoo Answers (comme ici et ici) et d'autres endroits, cela n'est pas causé par diffraction.

Pour le montrer, notez que l'effet de flexion peut être modélisé en gros comme le motif de diffraction dû à la lumière incidente sur les bords d'un objet opaque. Comme expliqué par Rod Vance, le profil d'intensité sur un écran à hauteur $ x $ dû à un objet plat à une distance $ d $ de l'écran est donné par $$ I (x) \ propto \ left | C \ gauche (\ sqrt {\ frac {k} {2d}} x \ droite) + i S \ gauche (\ sqrt {\ frac {k} {2d}} x \ droite) + \ gauche (\ frac {1 } {2} + \ frac {i} {2} \ right) \ right | ^ 2 $$ où $ C $ et $ S $ sont les FresnelC et FresnelS fonctions, et $ k = 2 \ pi / \ lambda $ est le nombre d'onde de la lumière.

En utilisant $ d = 5 \ text {cm}, \ lambda = 600 \ text {nm} $, cela donne

enter image description here

Ceci indique qu'il y a un écart d'environ 0,05 $ \ text {mm} $ à 0,1 $ \ text {mm} $. Il s'agit d'une très petite distance, à peu près la même que l'épaisseur d'une feuille de papier, et bien plus petite que l'affaissement bien visible vers le doigt présent dans la ligne bleue $ 2 ^ \ text {nd} $ sur le fond du papier. Donc, bien que la diffraction puisse jouer un petit rôle, il semble douteux que ce soit le rôle dominant.

Des preuves supplémentaires contre le fait qu'elle soit due à la diffraction proviennent de la prise en compte des effets chromatiques. La flexion est fortement dépendante de $ \ lambda $, la lumière rouge étant plus fortement pliée que la lumière bleue. Si la diffraction était le principal phénomène responsable, vous vous attendriez à voir un effet arc-en-ciel sur les bords de votre doigt, dans lequel la lumière du papier se plie sous différents angles en fonction de la longueur d'onde. Cependant, cela n'est pas observé.

De plus (et probablement le point le plus important!), Comme Rob l'a souligné dans sa réponse, la diffraction ferait apparaître les lignes bleues derrière le doigt se plier vers le haut , mais ils semblent plier vers le bas .

Je suppose que certaines sortes de facteurs géométriques (peut-être avec l'appareil photo, les objectifs, etc.) jouent le rôle principal ici, mais j'attendrai le jugement de personnes qui en savent plus sur l'optique que moi.

En fait, quand j'essaye ça avec mon doigt, je peux voir une aberration chromatique
@BrianFunt À la lumière de l'explication acceptée, je suis très curieux de savoir si vous pouvez reproduire ou expliquer l'aberration chromatique que vous avez observée.
@rob Si je prends un morceau de carte et le tiens sur un fond clair comme le ciel, puis en me concentrant sur le bord supérieur de la carte et en soulevant mon doigt, le bord de la carte devient légèrement flou et jaunâtre.Si je regarde le bord inférieur de la carte et que je relève mon doigt, le bord devient bleuâtre cette fois.Fait intéressant, si j'essaye vraiment de me concentrer sur la carte pour que l'effet de «flexion» ne soit pas perceptible (comme prévu par la réponse), l'aberration chromatique (?) Reste visible.
Il semble que cela dépend de la direction à partir de laquelle je ramène mon doigt.Si j'abaisse mon doigt, la distorsion de la couleur est inversée (c'est-à-dire bord supérieur bleu, bord inférieur jaune). D'un autre côté, en tant que photographe, cela ressemble à l'aberration chromatique bleu-magenta que j'obtiens parfois dans les images, mais je me demande si c'est un effet similaire ou non.
J'ai tenté sans succès de photographier ceci, en essayant différentes ouvertures, sur et sous-exposition, et différentes focales.Bien qu'il m'est venu à l'esprit que je ne l'ai pas essayé avec la carte floue ...
@BrianFunt: Cela ne semble pas vraiment surprenant: [l'œil humain a une aberration chromatique] (http://physics.stackexchange.com/questions/12602/do-eyeballs-exhibit-chromatic-aberration), ce qui provoque des couleurs différentesêtre dans une mise au point légèrement différente, et ainsi ressentir l'effet de flexion dans des quantités différentes.Je soupçonne que photographier cet effet serait plus facile avec un objectif de caméra de très mauvaise qualité avec une aberration chromatique significative;une bonne lentille achromatique vaincra vos efforts ici.
#3
+50
user21820
2014-05-04 13:42:16 UTC
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Haha, quand j'étais jeune, je pensais que cet effet était dû à la gravité, qui est bien sûr trop faible pour que de petits objets soient observables. Mais il s'avère qu'il ne s'agit ni de réfraction, ni de diffraction, ni d'erreur de parallaxe. Au lieu de cela, c'est dû à une mauvaise mise au point. Si vous êtes myope comme moi, alors lorsque vous regardez un objet éloigné, chaque point générera une image disque circulaire sur votre rétine au lieu d'une pointe nette. Lorsque vous déplacez le bord d'un objet près de votre œil et qu'il bloque une partie de la pupille, l'image générée sur votre rétine ne sera plus un disque plein, donc l'image semble s'éloigner du bord. Ceci explique vos quatre dernières images de grille. Notez que le reste de la grille n'est jamais net, mais que la région près du bord de l'objet occlus est plus nette, car ces points ont généré moins d'un disque plein sur le plan du capteur de la caméra. Quant à vos images précédentes, elles étaient dues au fait que la mise au point était au-delà de l'objet que vous regardiez. Comme précédemment, chaque point se traduirait par une image disque sur votre rétine, mais inversée. Ainsi, lorsqu'un autre objet bloque une partie de votre pupille, l'image semble se déplacer vers le bord au lieu de s'en éloigner.

Pour prouver que cette explication est la bonne, approchez votre visage de l'écran sans vous concentrer dessus, et placez votre doigt devant votre œil. L'image à l'écran semblera se déplacer vers votre doigt et deviendra également plus nette dans la direction perpendiculaire au bord de votre doigt. Maintenant, répétez cette expérience avec l'écran à une distance de lecture confortable et assurez-vous de vous concentrer exactement sur l'écran. Le blocage de votre vue maintenant ne devrait avoir aucun effet sur la position apparente de chaque pixel à l'écran. S'il semble toujours bouger, c'est parce que l'image floue (non focalisée) de votre doigt interfère dans une illusion d'optique. Pour éviter cela, vous pouvez utiliser un fil noir à la place. Et si vous vous concentrez quelque part devant l'écran, l'image sur l'écran semblerait s'éloigner de votre doigt. Si vous utilisez un fil noir à un angle oblique par rapport à une grille sur l'écran, il n'y aura pas de lignes de grille incompatibles sur les deux côtés du fil si vous vous concentrez exactement sur l'écran, mais si vous ne vous concentrez pas exactement sur l'écran les lignes de la grille seront en effet incompatibles.

#4
+20
rob
2014-05-03 21:03:08 UTC
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Modifié: Ilmari Karonen a publié une réponse complète et convaincante à cette question. Je laisse cette réponse en place, malgré les votes négatifs, car elle contenait des indices utiles: l'effet était incompatible avec la diffraction de la lumière autour des obstructions, et avait quelque chose de spongieux à voir avec une mise au point imparfaite dans un système optique non idéal.


Je pense il est intéressant de noter que la partie déformée de la ligne est plus proche du bout de votre doigt que la partie non déformée. Cela suggère que ce n'est pas de la diffraction. Si la diffraction permettait à la lumière de la ligne bleue de voyager au-dessus de votre doigt, ces rayons entreraient dans votre œil avec un léger angle vers le bas , par rapport à la lumière non déviée de chaque côté. Cela ferait apparaître l'image de la partie déformée de la ligne légèrement plus haute . Si vous avez de la lumière réfléchissant du bout de votre doigt, en revanche, vous verrez la ligne se plier vers le bas . Voici un dessin animé:

ray-tracing diagram

Cela soulève la question de savoir pourquoi vous ne voyez pas à la fois une image directe et une image réfléchie; Je soupçonne que la séparation angulaire est suffisamment petite pour que la mise au point de la caméra puisse fusionner les deux images, mais je n'ai pas encore de bon modèle pour cela.

Je pense que vous avez raison de dire que ce n'est pas de la réfraction.J'ai déjà remarqué cela mais je n'y ai pas bien réfléchi.Je soupçonne que cela est dû à l'ouverture finie de l'appareil photo ou de l'œil.Un cône de lumière laissant un point sur la grille d'arrière-plan heurtera l'objectif et sera focalisé vers le bas pour converger en un point sur le capteur.Le doigt (qui est flou) bloque une partie du cône de lumière, mais pas la totalité (comme vous pouvez le voir à partir de l'ombre floue dans la région affectée).Je pense que l'obstruction fait en quelque sorte que le point de convergence se déforme.
Un effet de sentiment similaire pour toute personne ayant une vision même légèrement floue: faites un [trou d'épingle de doigt] (http://lifehacker.com/5992896/create-in-a-pinch-reading-glasses-with-your-fingers) (ou utilisez un morceau de papier), tenez-le près de votre œil et regardez à travers.Vous pouvez affiner votre vision et améliorer le contraste, même si vous perdez de la luminosité.Des lunettes gratuites, si vous le souhaitez.
Oh - "pas de réfraction" aurait dû dire "pas de diffraction", bien que je ne pense pas non plus que ce soit de la réfraction.
#5
+19
Samuel
2014-05-04 05:05:31 UTC
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Il me semble que c'est en fait un cas de parallaxe, pour la plupart. Votre rétine et votre caméra CCD ne sont pas des puits ponctuels. Ils sont un tableau de puits ponctuels. Si vous additionnez les puits de points (photorécepteurs) sur la surface de chacun de ces capteurs d'imagerie, vous obtiendrez cet effet exact.
Vous pouvez le démontrer en éloignant votre doigt de votre visage (pour tenir compte de la plus grande distance entre les capteurs), en vous concentrant sur quelque chose en arrière-plan (comme requis avec votre exemple à un œil) et mentalement (ou numériquement avec une caméra) ) superposant ces deux images.
Vous obtiendrez un chevauchement solide où les deux yeux verront la même image et un bord flou où la vue est différente.
Essayez de tenir votre doigt encore plus près de votre visage, le flou autour de celui-ci s'agrandit car c'est la parallaxe et le l'effet est augmenté avec des distances plus petites. enter image description here

#6
+8
Phil Perry
2014-05-23 20:29:15 UTC
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Il se passe beaucoup de choses qui pourraient avoir une influence sur ce que vous voyez (quels types de distorsion se produisent). Certains ont été abordés (ou discutés plus en détail) dans d'autres réponses, je n'entrerai donc pas dans les détails:

  1. Effets d'ouverture et de mise au point
  2. Aberrations du système optique (faible lentille de qualité dans l'œil ou la caméra)
  3. Diffraction autour d'un objet
  4. Votre peau (en fait, tout votre doigt sauf l'os) n'est pas assez opaque - un peu de lumière passe à travers, se pliant dans le processus. Utiliser un objet comme une feuille de métal ou un crayon éviterait cela.
  5. Votre doigt est probablement un peu plus chaud que l'air ambiant. L'air plus chaud est moins dense et plierait légèrement la lumière loin de votre doigt. Il peut également y avoir des courants de convection affectant la lumière plus loin du doigt, en fonction de l'orientation. Utiliser un objet qui est à la même température que l'air aiderait ici.
  6. La lumière est pliée par la masse de votre doigt (un très, très petit effet qui ne sera probablement jamais mesurable. En savoir plus sur la mesure de la lumière d'une étoile pliée par le Soleil, lors d'une éclipse solaire de 1919, c'était l'une des premières confirmations de la théorie générale de la relativité d'Einstein. C'était un angle assez petit.)

Tout de ces choses (et peut-être d'autres auxquelles je ne peux pas penser pour le moment), dans l'ordre décroissant, affectent l'image et doivent être prises en compte.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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