¿Cómo se dobla la luz alrededor de la punta de mi dedo?

OK, parece que user21820 tiene razón ; este efecto se debe a que tanto el objeto de primer plano como el de fondo están desenfocados , y ocurre en áreas donde el objeto de primer plano (su dedo) ocluye parcialmente el fondo, de modo que solo se bloquean algunos de los rayos de luz que llegan a su ojo desde el fondo por el obstáculo de primer plano.

Para ver por qué sucede esto, eche un vistazo a este diagrama:

El punto negro es un objeto distante, y las líneas discontinuas representan los rayos de luz que emergen de él y golpean la lente, que los vuelve a enfocar para formar una imagen en una superficie receptora (la retina de su ojo o el sensor de su cámara). Sin embargo, dado que la lente está ligeramente desenfocada, los rayos de luz no convergen exactamente en el plano del receptor, por lo que la imagen aparece borrosa.

Es importante darse cuenta de que cada parte de la imagen borrosa está formada por un rayo de luz separado que pasa a través de una parte diferente de la lente (y del espacio intermedio). Si insertamos un obstáculo entre el objeto y la lente que bloquea solo algunos de esos rayos, ¡esas partes de la imagen desaparecen!

Esto tiene dos efectos: primero, la imagen del objeto de fondo aparece más nítida, porque el obstáculo reduce efectivamente la apertura de la lente. Sin embargo, también desplaza el centro de la apertura, y por lo tanto de la imagen resultante, hacia un lado.

La dirección en la que se desplaza la imagen borrosa depende de si la lente está enfocada demasiado cerca o demasiado lejos. Si el foco está demasiado cerca, como en los diagramas anteriores, la imagen aparecerá alejada del obstáculo. (¡Recuerde que la lente invierte la imagen, por lo que la imagen del obstáculo mismo aparecería sobre la imagen del punto en el diagrama!) Por el contrario, si el enfoque está demasiado lejos, el objeto de fondo parecerá moverse más cerca del obstáculo.

Una vez que conoce la causa, no es difícil recrear este efecto en cualquier programa de renderizado 3D que admita un desenfoque focal realista. Usé POV-Ray , porque estoy familiarizado con él:

Arriba, puede ver dos representaciones de una escena clásica de gráficos por computadora: una esfera amarilla frente a un plano de cuadrícula. La primera imagen se renderiza con una apertura estrecha, mostrando tanto la cuadrícula como la esfera con detalles nítidos, mientras que la segunda se renderiza con una apertura amplia, pero con la cuadrícula todavía perfectamente enfocada. En ninguno de los dos casos se produce el efecto, ya que el fondo está enfocado.

Las cosas cambian, sin embargo, una vez que el foco se mueve ligeramente. En la primera imagen a continuación, la cámara se enfoca ligeramente por delante del plano de fondo, mientras que en la segunda imagen se enfoca ligeramente por detrás del plano:

Puede ver claramente que, con el foco entre la cuadrícula y la esfera, las líneas de la cuadrícula cercanas a la esfera aparecen alejadas de ella, mientras que con el foco detrás del plano de la cuadrícula, las líneas de la cuadrícula se desplazan hacia la esfera.

Mover el enfoque de la cámara más lejos del plano de fondo hace que el efecto sea aún más fuerte:

También puede ver claramente que las líneas se vuelven más nítidas cerca de la esfera, además de doblarse, porque parte de la imagen borrosa está bloqueada por la esfera.

Incluso puedo recrear el efecto de línea quebrada en tus fotos reemplazando la esfera con un cilindro estrecho:

En resumen: este efecto es causado por el fondo que está (ligeramente) desenfocado, y por el objeto de primer plano que efectivamente ocluye parte de la cámara/apertura del ojo, lo que hace que la apertura efectiva (y, por lo tanto, la imagen resultante) se desplace. No es causado por:

• Difracción: como se muestra en las representaciones de computadora anteriores (que se crean utilizando el trazado de rayos y, por lo tanto, no modelan ningún efecto de difracción), este efecto se explica completamente por la óptica de rayos clásica. En cualquier caso, la difracción no puede explicar el desplazamiento de las imágenes de fondo hacia el obstáculo cuando el foco está detrás del plano de fondo.

• Reflexión: Nuevamente, no se requiere reflexión del fondo de la superficie del obstáculo para explicar este efecto. De hecho, en las representaciones por computadora anteriores, la esfera/cilindro amarillo no refleja en absoluto la cuadrícula de fondo. (Las superficies no tienen un componente de reflexión especular y no se incluyen efectos de iluminación indirecta difusa en el modelo de iluminación).

• Ilusión óptica: El hecho de que esto no es una ilusión perceptiva debería ser obvio por el hecho de que el efecto se puede fotografiar y la distorsión se puede medir a partir de las fotos, pero el hecho de que también se puede reproducir por computadora lo confirma aún más.

Anexo: solo para verificar, fui y reproduje las representaciones anteriores usando mi vieja cámara DSLR (y un monitor LCD, una tapa de plástico amarilla para un frasco de especias y un hilo para colgarlo):

La primera foto de arriba tiene el enfoque de la cámara detrás de la pantalla; el segundo lo tiene delante de la pantalla. La primera foto a continuación muestra cómo se ve la escena con la pantalla enfocada (o tan cerca como pude con el ajuste de enfoque manual). Finalmente, la imagen de la cámara del teléfono celular de mierda a continuación (segunda) muestra la configuración utilizada para tomar las otras tres fotos.

Anexo 2: Antes de que se limpiaran los comentarios a continuación, hubo una discusión sobre la utilidad de este fenómeno como una prueba rápida de autodiagnóstico para la miopía (miopía).

Si bien no soy un oftalmólogo , parece que, si experimenta este efecto a simple vista, mientras trata de mantener el fondo enfocado, es posible que tenga algún grado de miopía o algún otro defecto visual, y es posible que desee obtener un examen de la vista

(Por supuesto, incluso si no lo hace, obtener uno cada pocos años no es una mala idea, de todos modos. La miopía leve, hasta el punto en que se vuelve lo suficientemente grave como para interferir sustancialmente con su vida diaria, puede ser sorprendentemente difícil de autodiagnosticarse de lo contrario, ya que normalmente aparece lentamente y, sin nada con lo que comparar su visión, simplemente se acostumbra a que los objetos distantes se vean un poco borrosos.Después de todo, hasta cierto punto, eso es cierto para todos; solo varía la distancia. )

De hecho, con mi miopía leve (alrededor de −1 dpt), puedo confirmar personalmente que, sin mis anteojos, puedo ver fácilmente tanto el efecto de flexión como la nitidez de las características del fondo cuando muevo el dedo frente a mi ojo. Incluso puedo ver un indicio de astigmatismo (que sé que tengo; mis anteojos tienen una corrección cilíndrica para corregirlo) en el hecho de que, en algunas orientaciones, puedo ver las características del fondo doblándose no solo alejándose de mi dedo, sino también ligeramente de lado. Con mis anteojos puestos, estos efectos casi desaparecen, pero no del todo, lo que sugiere que mi graduación actual puede estar un poco fuera de lugar.

Al contrario de algunas de las respuestas que la gente ha publicado en Yahoo Respuestas (como aquí y aquí ) y otros lugares, esto no se debe a la difracción.

Para mostrar esto, tenga en cuenta que el efecto de flexión se puede modelar aproximadamente como el patrón de difracción debido a la luz que incide en los bordes de un objeto opaco. Según explica Rod Vance , el perfil de intensidad en una pantalla en altura$x$debido a un objeto plano a una distancia$d$de la pantalla está dada por

Usando$d=5\text{cm},\lambda=600\text{nm}$, esto da

Esto indica que hay una dispersión de aproximadamente$0.05\text{mm}$a$0.1\text{mm}$. Esta es una distancia muy pequeña, aproximadamente igual al grosor de una hoja de papel, y mucho más pequeña que la combadura bastante visible hacia el dedo presente en el$2^\text{nd}$línea azul en el fondo del papel. Entonces, si bien la difracción puede desempeñar un papel pequeño, parece dudoso que sea el papel dominante.

La evidencia adicional en contra de que se deba a la difracción proviene de considerar los efectos cromáticos. La flexión es fuertemente$\lambda$-dependiente, con la luz roja doblada más fuertemente que la luz azul. Si la difracción fuera el fenómeno principal responsable, esperaría ver un efecto de arco iris en los bordes de su dedo, en el que la luz del papel se dobla en diferentes ángulos según la longitud de onda. Sin embargo, esto no se observa.

Además (¡y probablemente el punto más importante!), Como señaló Rob en su respuesta, la difracción haría que las líneas azules detrás del dedo pareciera que se doblan hacia arriba , pero en cambio, parecen doblarse hacia abajo .

Supongo que algún tipo de factores geométricos (¿quizás con la cámara, lentes, etc.?) juegan el papel principal aquí, pero esperaré el juicio de las personas que saben más sobre óptica que yo.

Jaja, cuando era joven pensaba que este efecto se debía a la gravedad, que por supuesto es demasiado débil para que los objetos diminutos sean observables. Pero resulta que no es ni refracción ni difracción ni error de paralaje. En cambio, se debe a tener el enfoque equivocado. Si eres miope como yo, al mirar un objeto lejano, cada punto generará una imagen de disco circular en tu retina en lugar de una punta afilada. Cuando mueve el borde de cualquier objeto cerca de su ojo y bloquea parte de la pupila, la imagen generada en su retina ya no será un disco completo, por lo tanto, la imagen parece alejarse del borde. Esto explica sus cuatro imágenes de cuadrícula posteriores. Observe que el resto de la cuadrícula nunca está enfocada con nitidez, pero la región cercana al borde del objeto que ocluye es más nítida, lo cual se debe a que esos puntos generaron menos de un disco completo en el plano del sensor de la cámara. En cuanto a sus imágenes anteriores, se debieron a que el foco estaba más allá del objeto que estaba mirando. Como antes, cada punto daría como resultado una imagen de disco en su retina, pero invertida. Por lo tanto, cuando otro objeto bloquea parte de su pupila, la imagen parece moverse hacia el borde en lugar de alejarse de él.

Para probar que esta explicación es la correcta, acerca tu cara a la pantalla sin enfocarla, y mueve tu dedo frente a tu ojo. La imagen en la pantalla parecerá moverse hacia su dedo y también se volverá más nítida en la dirección perpendicular al borde de su dedo. Ahora repite este experimento con la pantalla a una distancia de lectura cómoda y asegúrate de enfocar exactamente en la pantalla. Bloquear su vista ahora no debería tener efecto en la posición aparente de cada píxel en la pantalla. Si todavía parece moverse, es porque la imagen borrosa (no enfocada) de su dedo está interfiriendo en una ilusión óptica. Para evitar eso, puedes usar un hilo negro en su lugar. Y si se enfoca en algún lugar frente a la pantalla, la imagen en la pantalla parecerá alejarse de su dedo.

Editado: Ilmari Karonen ha publicado una respuesta completa y convincente a esta pregunta. Dejo esta respuesta, a pesar de los votos negativos, porque contenía sugerencias útiles: el efecto era inconsistente con la difracción de la luz alrededor de las obstrucciones y tenía algo blando que ver con el enfoque imperfecto en un sistema óptico no ideal.

Esto plantea la pregunta de por qué no ve una imagen directa y reflejada; Sospecho que la separación angular es lo suficientemente pequeña como para que el enfoque de la cámara pueda fusionar las dos imágenes, pero todavía no tengo un buen modelo para eso.

Me parece que esto es en realidad un caso de paralaje , en su mayor parte. Su retina y la cámara CCD no son sumideros puntuales. Son una matriz de sumideros de puntos. Si suma los sumideros de puntos (fotorreceptores) sobre la superficie de cada uno de estos sensores de imagen, logrará exactamente este efecto.
Puede demostrar esto alejando el dedo de su cara (para tener en cuenta la mayor distancia entre los sensores), enfocándose en algo en el fondo (como se requiere con su ejemplo de un ojo) y mentalmente (o digitalmente con una cámara) superponiendo esos dos imágenes
Obtendrá una superposición sólida donde ambos ojos ven la misma imagen y un borde borroso donde la vista es diferente.
Trate de mantener su dedo aún más cerca de su cara, el desenfoque a su alrededor se hace más grande porque es paralaje y el efecto aumenta con distancias más pequeñas.

Están sucediendo muchas cosas que podrían influir en lo que ve (qué tipo de distorsión ocurre). Algunos se han mencionado (o se han discutido más a fondo) en otras respuestas, por lo que no entraré en detalles:

1. Efectos de apertura y enfoque
2. Aberraciones del sistema óptico (lentes de baja calidad en el ojo o la cámara)
3. Difracción alrededor de un objeto
4. Tu piel (de hecho, todo tu dedo excepto el hueso) no es del todo opaca; un poco de luz la atraviesa y se dobla en el proceso. Usar un objeto como una hoja de metal o un lápiz evitaría esto.
5. Es probable que su dedo esté un poco más caliente que el aire circundante. El aire más cálido es menos denso, por lo que doblaría ligeramente la luz lejos de su dedo. También puede haber corrientes convectivas que afecten la luz más lejos del dedo, dependiendo de la orientación. Usar un objeto que esté a la misma temperatura que el aire ayudaría aquí.
6. Luz doblada por la masa de su dedo (un efecto muy, muy pequeño que probablemente nunca será medible. Lea sobre la medición de la luz de una estrella doblada por el Sol, durante un eclipse solar de 1919, que fue una de las primeras confirmaciones de la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Era un ángulo bastante pequeño.)

Todas estas cosas (y posiblemente más de las que no puedo pensar en este momento), en orden aproximadamente descendente, están afectando la imagen y deben tenerse en cuenta.