看到图中车灯发出的光束，你的第一反应是不是：镜头脏了，该擦擦了？
这种从光源中心向外辐射的亮线叫做星芒，大家对此或许并不陌生。用手机拍摄路灯、车灯时，照片中经常出现类似的效果。
用手抹镜头实际是人为制造了镜头表面的不规则划痕或油膜，这些物理痕迹会改变光线通过镜头时的折射路径，相当于在镜头前添加了“简易衍射光栅”。
你还可以做一个小实验；找一个点光源，用手从上到下抹一抹手机镜头，你就能拍到水平方向延展的星芒；从左往右抹一抹手机镜头，你就能获得竖直方向的星芒。
要想搞明白它的形成原理，我们不妨从光的本性和一场“赌约”说起。
光：粒子还是波？
在经典物理学中，光的本质是一种电磁波。然而，在我们的日常生活中，光作为一种“波”的特性几乎不会被我们纳入考虑范围。相较于被摄物体和镜头等光学器件，可见光的波长(约为 400-700 纳米)要小得多，因此光可以被近似视为沿直线传播的“光线”。小孔成像便是光直线传播最好的例证，这也是早期照相机成像的基本原理。
小孔成像(图片来源：清华大学出版社)
但是光的本性可不止停留在光线的层次这么简单。17 世纪初，人们对光的理解分为两派。
一派是微粒说，这一派的祖师爷是大名鼎鼎的牛顿。他认为光是由无数个微小、坚硬、跑得飞快的“粒子”组成的。
另一派是波动说，认为光是在空间中振动的波，具有振幅、相位、周期等一切波的特征，波与波之间可以叠加。
光的粒子说(左)和波动说(图片来源：BYJU)
起初，光的微粒说更广为人接受。举个例子，就像球碰到墙壁会反弹一样，如果光是粒子，那么“光子弹”打到镜子上，也会以相似的角度反弹回来，这就是光的反射定律。因为微粒说直观易懂，而且能有效地解释诸多光学现象，所以在牛顿提出之后，它统治了物理学界将近 100 年。
然而，后来物理学家发现，光还能呈现出一些波的特性，挑战了微粒说，其中一个重要性质就是衍射。
简单来说，衍射就是波在传播过程中，遇到障碍物或孔洞时，会绕过障碍物的边缘或穿过孔洞，并向四周扩散，而不是简单地沿直线传播。声波、水波等所有波都具有这种特性，例如水波就能在遇到障碍物后，绕过障碍继续传播。
波的衍射示意图
现在，想象一束光射向一个非常细的缝隙，如果光只按直线传播，我们应该在缝隙正后方看到一条清晰的亮线。但实际上，你会观察到光线会向两侧展开，形成一个更宽的光斑，甚至出现亮暗相间的条纹。这就是光的衍射现象。
光的赌约
关于光的衍射特性，必须要提到一场著名的“赌约”。1818 年，法国科学院举办了一场竞赛，题目是证明光传播的特性，以揭示光的本质。土木工程师菲涅尔参加了竞赛，并提交了论文，主张光是一种波。竞赛的评委之一是泊松，他是光的粒子说的支持者，所以想尽办法来找菲涅尔理论的麻烦。
泊松提出了一个和小孔成像非常类似的情形，只不过把装置反了过来：在光线传播的路径上，有一个极小的圆形遮挡物挡住了光。按照我们的直觉，光在后面的屏成像时，一定是被遮挡的中心“最黑”。而泊松却证明，按照菲涅尔的理论，被遮挡的中心反而是一个亮斑，违背了人们的常识，由此来反对光的波动说。
泊松设想的实验布置示意图(图片来源：Wikipedia)
结果，光学史上最著名的“搬起石头砸自己脚”的实验诞生了。实验由竞赛组织者阿拉戈进行，他让蜡烛发出的光经过贴在玻璃板上的 2mm 的金属磁盘，最后在后方屏幕观察到了亮斑，证明了光的波动性。尽管是误打误撞，但科学界还是将美誉留给了泊松，这一亮斑后来被称为泊松亮斑。
泊松亮斑示意图(图片来源：Wikipedia)
衍射和星芒
光在遇到任何有边界的遮挡物时，都会发生衍射，形成各种各样的图案。泊松光斑就是一种典型的圆屏衍射现象。而我们的手机相机所拍下的星芒，也正是源于光的衍射。
相机中有一个结构叫做光阑，是光学系统中限制光束通过范围的物理元件，起到控制成像亮度、改变景深等作用。为了方便调节大小，光阑通常不会是完美的圆形，而是由多个叶片拼接而成。入射的光在通过光阑时，衍射现象在尖锐的角的地方变得极其剧烈，会以角为中心向垂直方向强烈衍射，形成一条长长的、亮晶晶的光带。你的光圈有几个角，就会产生几组这样的衍射光带。
这些从不同角衍射出来的光带组合在一起，就形成了我们看到的星芒。因此，星芒还有个名字，叫作衍射尖峰。
相机的光阑用于控制进光量(图片来源：iBuider)
当光阑分别是正四边形、正五边形、圆形等形状时，衍射光斑会呈现出不同的图样。我们还可以发现一个规律：叶片数为偶数，星芒数和叶片数保持一致；叶片数为奇数，星芒数则为叶片数的两倍。这是因为边缘上发生的衍射是同时向两侧发散的，偶数叶片两侧的衍射尖峰正好对齐，而奇数叶片的衍射尖峰在两侧不会完全重叠，数量就是叶片数的两倍。
不同光阑的衍射图案(图片来源：Wikipedia)
下图拍摄的是夜幕下的路灯，根据照片中星芒的数量，甚至可以大致反推出相机的光阑叶片数。
呈现星芒的路灯(图片来源：veer 图库)
照片里的星芒
了解光的衍射现象以及光阑的基本结构，我们终于可以解释，为什么手机镜头被手指触碰后，拍出的照片会出现明显的星芒现象：这是因为手指上的油污等杂质会沿指纹形成多个类似狭缝的结构，当光线通过这些“污点”时，会产生额外的衍射和散射，从而在照片中呈现出星芒或光晕。
特别地，如果指纹划成了几道直线，那每一道线就像一道小栅栏。光穿过时，会被栅栏分成好几束，在成像平面上形成几条放射状的光线，这就是我们看到的星芒。星芒的角度和光栅的角度有一一对应的关系，因此我们能看到文章开头视频所呈现出的效果。
沾上指纹的相机镜头(图片来源：CNET)
根据这一原理，摄影行业还专门设计了一种星光镜。在星光镜的玻璃表面涂层下，会有一层非常细的平行或交叉的刻痕或沟槽。这些沟槽就像一条条狭缝，当强光(如路灯、太阳)透过这些狭缝时，就会发生衍射现象。每条狭缝把光分裂成多束，并在远处(感光面)互相叠加，形成一系列同心且方向固定的光线。如果只有一组平行刻痕，就会出现两束对称的星芒，而如果是两组互相垂直的刻痕，就会出现八射线星芒等等。
星光镜和内部结构的示意图
现在，我们已经知道了如何产生星芒，如果不希望有星芒效应出现时，就可以采取以下方法：首先应尽量使用大光圈(这也是手机摄影的根本限制之一)，减少光阑的衍射效应；其次可以调整拍照方向，避免强光直射镜头；还可以使用遮光罩等设备，阻挡部分光线进入；当然对于手机来说，最重要的就是注意清洁镜头，确保没有灰尘，指纹，划痕等其他污渍。
清理镜头表面脏污后，照片中的光束消失(图片来源：Xiaomi)
所以，下次再遇到文章开头那张图，擦一擦镜头，确实没错~
