なぜ星は点ではなく円として表示されるのですか？

太陽を除くと、星は遠すぎて角直径は事実上ゼロです。ただし、写真を撮ると、明るい星は点ではなく円として表示されます。どうして？

理論的には、明るさに関係なく、どの星も写真を撮るために使用されている媒体の最大1つの小さな点に当たるはずです。媒体の近くのポイントも応答するのはなぜですか？過度の光は近くのポイントに「にじみ」ますか、もしそうなら、「にじみ」はデジタルカメラと非デジタルカメラで同じですか？

レンズと何か関係がありますか？レンズは、明るさに応じて光の単一点を小さな円に拡大しますか？

https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-starに答えようとしているときにこれに遭遇しました：これは効果的に尋ねます：関数は何ですか（もしあれば）星の明るさを写真フィルム（またはデジタルメディア）上の星のディスクのサイズに関連付けますか？

注：星の視覚と写真の大きさは異なる可能性があることを理解しており、答えは写真の大きさに基づいていると仮定しています。

編集：すべての答えをありがとう、私はまだそれらを確認しています。私が見つけたいくつかの追加の役立つリンクを以下に示します。

• ウィキペディアの測光（天文学）

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml、特に「生画像ユニット」と「半値全幅」（FWHM）に関する議論

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.htmlおよびFWHMの説明

光が境界を通過するたびに、その境界と相互作用する光の波状の性質により、回折または曲がります。通常、円形または円形の光学システムの開口部は、そのような境界の1つです。

光が開口部と相互作用する方法は、点広がり関数（PSF）、または光学系を通過した結果として点光源がどの程度、どの程度広がるかによって記述されます。PSFは、システムの形状（アパーチャの形状とサイズ、レンズの形状など）および光学システムを通過する光の波長によって決まります。PSFは本質的に、インパルス関数に対する光学システムのインパルス応答です。インパルス関数は、2D空間で限りなく狭い、または厳密に制限された、ある単位エネルギー量の光の点です。

^{点広がり関数による被写体からの光の畳み込みにより、元のオブジェクトよりも広がって見える生成された画像が得られます。Wikimedia Commonsの WikipediaユーザーDefault007による。パブリックドメイン。}

理論的に光学的に完全なイメージングシステムの完全に円形の開口部の場合、PSF関数はエアリーディスクによって記述されます。 「加算」）と破壊的な干渉（光の波が相互作用して相殺される）。

エアリーディスクパターンは、不完全なレンズ品質や製造時の公差の誤差などの結果ではないことに注意することが重要です。これは、厳密にアパーチャの形状とサイズ、および通過する光の波長の関数です。したがって、エアリーディスクは、光学システム^１によって生成できる単一の画像の品質の一種の上限である。

^{円形の開口部を通過する点光源は広がり、エアリーディスクパターンを生成します。Sakuramboから、ウィキメディアコモンズ。パブリックドメイン。}

開口部が十分に大きく、レンズを通過する光の大部分が開口部の縁と相互作用しない場合、画像は回折限界ではなくなります。その時点で生成される不完全な画像は、開口部のエッジによる光の回折によるものではありません。実際の（理想的ではない）イメージングシステムでは、これらの欠陥には次のものが含まれます（ただし、これらに限定されます）：ノイズ（熱、パターン、読み取り、ショットなど）; 量子化誤差（ノイズの別の形態と見なすことができます）; レンズの光学収差; キャリブレーションとアライメントのエラー。

ノート：

1. 画像システムの見かけの光学品質がエアリーディスクの制限よりも優れているように、生成される画像を改善する技術があります。ラッキーイメージングなどの画像スタック技術は、同じ被写体の複数の（多くの場合何百もの）異なる画像を一緒にスタックすることにより、見かけの品質を向上させます。Airyディスクは同心円のファジーセットのように見えますが、実際には確率を表しますカメラシステムに入射する点光源がイメージャーに到達する場所。画像のスタッキングによって生じる品質の結果としての増加は、光子の位置の統計的知識の増加によるものです。つまり、画像スタッキングは、余剰の冗長情報を問題に投げかけることにより、PSFで記述された開口部を通る光の回折によって生じる確率的不確実性を低減します。

2. 見かけのサイズと星または点光源の明るさの関係について：明るい光源はPSFの強度（「高さ」）を増加させますが、その直径は増加しません。しかし、イメージングシステムに入射する光の強度が増すと、PSFで照らされる領域の境界ピクセルをより多くの光子が照らすことを意味します。これは「光のブルーミング」、または明らかに「隣接するピクセルへの光のこぼれ」の一種です。これにより、星の見かけのサイズが大きくなります。

「ポイント」のサイズは、使用しているレンズシステムの波長依存の「ポイント拡散機能」（PSF）の影響を受けます。

システムの解像度の限界を決定する光の回折は、ポイントのようなオブジェクトをポイントスプレッド関数と呼ばれる特定の最小サイズと形状にぼかします。したがって、PSFは、イメージプレーンでの点状オブジェクトの3次元画像です。PSFは通常、幅よりも背が高くなります（アメリカンフットボールがその先端に立っているように）。これは、光学システムの解像度が横方向よりも奥行き方向の方が悪いためです。

PSFは、表示している光の波長によって異なります。短い波長の光（青色光、450nmなど）は小さいPSFになり、長い波長（赤色光、650nmなど）は大きいPSFになります。より悪い解像度。また、使用する対物レンズの開口数（NA）はPSFのサイズと形状に影響します。高NAの対物レンズは、優れた小さなPSFを提供するため、解像度が向上します。

驚くべきことに、PSFはポイントの強度とは無関係です。これは、天体写真と顕微鏡検査の両方に当てはまります。

私が考えることができるいくつかの理由があります：

1. 最も一般的なのはレンズです。レンズに無限遠で焦点を合わせるのは、「過去」の無限遠に焦点を合わせることができるいくつかのレンズでは注意が必要です。しかし、正確に取得できたとしても、レンズ自体がそれをいくらか広げることがあります。
2. もう1つの理由は、センサーサイト（またはフィルム粒子）がすべての星と完全に揃っていないか、センサーまたはフィルムへの星の投影が原因であるため、光が実際に複数のセンサーサイトに当たる可能性があることです実際には、単一のセンサーサイトまたはフィルム粒子よりも大きくなります。
3. 大気はまた、星から来る光を広げ、それぞれの星に大きな円を導きます。

私はあなたの写真から小さな領域を取り、それを拡大しました（10倍にリサンプリング）。

2つの興味深い地域をマークしました。領域Aは、直径2〜3ピクセルのピークを持つおよそ3x3ピクセル領域に光学系によってぼかされた星を示します。これは、scottbbの回答で説明されているぼかし効果です。

ただし、位置Bの明るい星ははるかに広く、中心部の飽和も示しています。私の推測では、この追加の拡大は、ピクセルブリードスルーまたは単なる飽和によって引き起こされます。

「ブリーディング」はデジタルカメラと非デジタルカメラで同じですか？

おそらくない。非デジタルカメラのコントラスト範囲ははるかに高いため、彩度の問題は少なく、電子効果であるピクセルブリーディングはまったく発生しない可能性があります。

ただし、デジタルカメラ内のHDR記録方式では、追加の広がりを補正して、スポットBをスポットAのように明るくすることができます。

ぼかし効果のサイズを変更するには、カメラの開口部と画像の星（または星が利用できない場合は紙に印刷されたドット、または遠くに光源がある暗い段ボールの小さな穴）で遊んでください。

1830年に公開された、ジョージ・エアリー（天文学者ロイヤル）によってよく研究されました。現在、エアリーディスクまたはエアリーパターンと呼ばれています。最初の暗いリングの直径は、円形開口を備えた適切に補正されたレンズの場合、2.44波長です。これは、レンズの解像力に関して重要な事実です。これらの同心円をイメージすることは困難ですが、不可能ではありません。ほとんどの画像はこれらのリングを融合します。

ジョン・ストラット、第3男爵レイリー（天文学者ロイヤル）はさらに、レンズの理論的な最大解像力をカバーするレイリー基準と呼ばれるものを発表しました。「ラインのミリ単位の分解能は、1392÷F値です。したがって、f / 1 = 1392ライン/ミリメートル（最大）。f / 2 = 696ライン/ミリメートルの場合。f / 8 = 174ライン/ミリメートルの場合。注：f / 8より大きい開口部の解像力は、絵画的に有用なフィルムよりも高く、活用できます。また、解像力は、間に空白スペースがある平行線をイメージングすることによって測定されます。最終的に罫線が合流するように見えるとき、それらの間隔はそのイメージングシステムの解像度の限界です。レンズがレイリー基準を超えている場合はほとんどありません。