刍议双筒望远镜（二）

□ 编译 / 任萃毅

刍议双筒望远镜（二）

□ 编译 / 任萃毅

镀膜

双筒中最重要的镀膜当属光学元器件表面的各类增透模（antireflective coatings，图2.14）。如果不镀增透膜，即使光线垂直入射(法向入射)也有约4%的光线被反射损失，那些斜射光线的损失就更多了。利用镀膜的干涉效应，光谱中很宽一段区间的光波的表面反射可降至1.5%以下。通常在510～550nm范围内选择一特定波长，镀膜对这一波长的光有最好的增透性。膜的厚度为波长的1/4。其原理是：光线在膜的表面产生少量反射，其余透射的光又被下面的玻璃反射出一小部分。后者比前者在光程上多1/2波长，于是这两束光产生干涉现象，从而削弱反射(图2.16和2.17)。那些波长与镀膜特定波长相差较大的光线在通过镀膜时，干涉现象反而会造成更多的反射光损，这样就会造成图像偏色等一系列问题，这时可以在厚度1/4波长的镀膜下先镀一层厚度1/2波长的镀膜，这样就能削弱这些光线的反射，这就是多层镀膜(图2.18)和宽带膜(图2.19)。镀膜的成本很高，而一些镀膜的性价比却未必高。市面上鲜有七层以上、全面镀膜的双筒。双筒的镀膜往往被定性地描述为：“镀膜”、“全面镀膜”等等。称呼上也没有统一的观点，只是普遍做如下诠释：

镀膜：在玻璃/空气之间(通常是物镜的外侧)至少镀了一层增透膜，通常是MgF2，其他镜面则没有镀膜。

全表面单层镀膜(FC)：所有透镜的玻璃/空气界面间(棱镜斜边所在的面除外)都镀了一层增透膜。

多层镀膜(MC)：至少玻璃/空气界面的一面(通常是物镜的外表面)镀了两层或更多层增透膜。另外的表面可能只镀了一层膜或压根儿没镀膜。

全表面多层镀膜(FMC)：所有透镜的玻璃/空气界面（一般不包括棱镜斜边所在的面）都至少镀了两层或更多层增透膜。

图2.14 望远镜镜面呈现不同的颜色——红、蓝、绿、黄、紫等，这就是平常所说的镀膜。镀膜可以提高透光率，增加亮度与色彩的对比度、鲜明度，大大改善观测效果。镜面不镀膜或镀膜效果不好，则反光较多，亦即光线损失较大，透镜看起来明显发亮（如图中A镜）。使用高级多层镀膜，反光更少，透镜看起来幽邃深暗，而视野更为清晰（如图中B镜）。

图2.15 没有镀膜的玻璃（左图）与镀膜玻璃（右图）反射比较。镀膜改善了反射情况，增强了透镜的通透度，即光线的透射性增强。（图片来自网络）

近来，一些双筒的镀膜又被称作“宽带膜”，其实没有明确的行业标准，三层以上的镀膜怎么定义基本上就是自说自话。不过，有的生产商还是乐于将产品的镀膜情况详尽地描述一番，其中就有广为流行的美国OBERWERK牌双筒。它的镀膜分四个等级：

第Ⅰ级：(等效于全镀膜)16个玻璃/空气界面各镀一层MgF2。两个物镜4层，每只目镜的3组光学元件共6个面×2＝12层。棱镜没有镀膜。

第Ⅱ级：(等效于多层镀膜和全镀膜的共存状态)两组物镜的4个玻璃/空气界面间和两只目镜接目透镜的4个面镀了5到7层多层宽带膜。其他玻璃/空气界面镀了一层MgF2，包括棱镜斜边所在的面。

第Ⅲ级：除棱镜斜边所在的面镀了一层MgF2之外，所有其他面都镀有多层宽带膜。

第Ⅳ级：包括棱镜斜边所在的面，所有面都镀有多层宽带膜。

图2.16 单层镀

图2.17 镀膜光学系统：单层膜。单层增透膜只对一种特定波长的光有最佳增透效果，对其他波长的光增透效果稍差，它可使每个表面光的反射减至1.5%左右。

图2.18 多层镀膜光学系统：双层膜。光谱中很宽一段区间的光波的表面反射较单层膜大大降低。

图2.19 多层宽带膜光学系统：三层膜。好的多层膜每个表面光的反射率只有约0.25%，如用于双筒镜的所有表面，光的透过率可达90～95%。

图2.20 光学镀膜。左上起顺时针方向：单层镀膜、多层宽带膜、多层膜、未镀膜。

不同镀膜的物镜反射阳光的效果也不同，如图2.20。

随着望远镜技术的发展，FMC镀膜方式在最近几年得到了飞速发展，各大品牌都推出了其独家的镀膜技术，其中尤以美国博士能的PC-3镀膜技术最为知名。2009年，博士能推出PC-3镀膜，采用超乎想象的60层镀膜，大大提高了望远镜的亮度、对比度和分辨率。

（本段文字引自网文）

像差

谈论望远镜，像差是个绝对绕不开的话题。只有充分了解各类像差才能对望远镜(不仅是双筒，包含折射、反射和折反射)的品质、选购等有一个初步的认识。像差是实际光学系统与理想状态间偏差的统称。对望远镜来说，有6种主要像差，其中一些影响像质，另一些造成成像位置偏差。它们分别是：

色差：影响像质。

像散：影响像质。

球差：影响像质。

场曲：位置偏差。

彗差：影响像质。

畸变：位置偏差。

1色差

很多人在中学见过三棱镜分光现象，大家知道这是混合光(白光)折射后发生强烈色散的结果。如果用数学的眼光看，在单一的薄透镜上做切线，可以做出无数个三棱镜，这也意味着色散不可避免。

色差主要有两种形式：位置色差(轴向色差)和倍率色差(垂轴色差)。位置色差，如图2.21，波长短的蓝光在焦点内侧会聚，波长长的红光在焦点外侧会聚，从而产生彩色的圆形弥散斑，造成在任何位置观察成像，都带有色斑或晕环；倍率色差，如图2.22，轴外光线，因不同波长的光放大率不同，造成像点在垂轴方向上位置不同(不同波长的光形成大小不同的像)，所视物体如同镶了一道彩边，直接影响轴外物体的成像清晰度。

历史上，对付色差，早期采用增长透镜焦距的方法来减轻色差。后来建立了消色差理论，人们采用多片不同形状的透镜组合来减轻色差。另外，减小透镜的有效口径在某种程度上可以减轻位置色差。

图2.21 位置色差

图2.22 倍率色差

2球差

前面我们说色差是混合光色散引起的，那么，如果我们改用单色性极好的激光，通过一个球面薄透镜(图2.23-a)，是不是从不同位置发出的光线就可以落在同一焦点了呢？结果是否定的(图2.23-b)。

图2.23 -a 球面薄透镜示意图

图2.23 -b 球差

从图2.22-b中我们可以看到，从距离光轴不同位置发出的单色光经过透镜后焦点也不一致。若离光轴较远的光线的焦距短于离光轴较近的光线的焦距，如凸透镜，称为系统球差欠校正(负球差)；反之，称为系统球差过校正（正球差，如凹透镜）。只要透镜表面是球形，球差就不可避免。

减轻球差的办法有：

改变镜面曲线，研磨非球面透镜或反射镜，如牛反式双筒望远镜的抛物形主镜面；

球差与口径三次方成正比，与物高无关，适当减小口径可以减小球差；

采用凸透镜和凹透镜组合的方式减小球差。

3彗差

彗差可视为一种“不对称”球差。透镜组在校正球差后，那些偏离主光轴的一点发出的光在像面上不能聚焦于一点。偏轴越远该现象越明显。由此造成在远离主光轴的区域，星光发散成一个个光斑，貌似彗星，彗差由此得名(图2.24，该图中，像向光轴的外侧拖尾，这称为“正彗差”；也有向光轴内侧拖尾的现象，称为“负彗差”) 。在物镜系统中，可将某一彗差作为一个量，由另一个大小相同、符号相反的彗差来减轻或消除前者，例如采用对称结构(图2.24右下角小图)。系统前半部分产生的彗差与后半部分产生的彗差绝对值相同，符号相反。由于一般光学系统的放大率不等于-1，因此绝对的对称结构并不适合，只能根据实际系统的物像关系，设计接近对称结构的光学系统。

彗差与口径的二次方成正比，与视场角成线性正比关系，所以在超广角双筒望远镜的设计中要特别注意彗差的影响。

消除球差和彗差叫作齐明化，消球差和彗差的透镜称齐明透镜。

图2.24 彗差(图中入射、出射光线均为单色光，后面的像散、场曲和畸变等图也是如此，只是为了便于描述用了蓝红绿不同颜色)，右下角为消彗差的对称镜片组。

4像散

由轴外一点射出的光线，在透镜表面分解成相互垂直的经向和纬向两个入射截面(光学上称为子午面和弧矢面)，这两个方面的光束聚焦后都偏离了主光线(连接透镜中心与像的光线称为主光线)，像散由此产生(图2.25)。与彗差类似，像散也可以用另一个光学元件产生的大小相同、方向相反的像散来矫正。像散与口径的增长呈线性关系，与物高的二次方成正比。所以，对于主要用于目视的非广角双筒来说，像散不是什么大问题。

图2.25 像散，右下角为弧矢面像点和子午面像点之间的某位置成像。

5场曲

表面形状单一的光学系统所成的像也不会是一个平面，而是一个曲面，确切说是一个球面——这个球面和焦平面相切，切点在焦平面和主光轴的交点上(图2.26)。场曲表现为边缘与中央无法同时成像，这在广角双筒中尤为明显。改善场曲就要在透镜设计上下功夫。若在靠近成像面安置一面发散透镜亦可得到平顺的像。场曲与口径的增长的一次方成正比，与物高的二次方成正比。

图2.26 场曲

6畸变

畸变这种像差造成本是方方正正的物体，其成像却不是四四方方的，像的边缘会产生凸起或凹陷的情形。变凸称为负畸变或桶形畸变；变凹称为正畸变或枕形畸变。还有一种结合枕形和桶形的阵笠形畸变。畸变是唯一一种不会模糊成像的像差(图2.27)，其成因是由于离开透镜主光轴不同距离处放大倍率不同。桶形畸变容易发生在广角透镜上，而枕形畸变容易发生在望远镜透镜上。目镜是畸变的重灾区，所以要矫正畸变就要在目镜的设计上大做文章。轻微的枕形畸变会减轻“滚球效应”（rolling ball）带来的失真。畸变与口径无关，与物高的三次方成正比。

图2.27 各类畸变

至此，我们讲述了透镜的主要几种像差，除色差外的其他五种像差都是单色光发生的，1856年德国天文学家兼数学家赛德(Philipp Ludwig von Seidel，1821～1896年)将该体系理论化，因此称为“赛德的五种像差”。加上色差，透镜会产生非常复杂的综合像差，多数像差同口径相关，可以通过缩减口径来减轻像差，但减小口径会影响成像亮度等重要需求，所以只能在镜面形状和不同透镜的组合上动脑筋，为此人们研制出种类繁多的透镜并加以组合，这就是像质好的镜头价格极其昂贵的原因所在。

在观测面光源目标时，各类像差往往不是很明显，但如果是点光源，各像差会明显地显现出来，故天文摄影用望远镜对像质要求很高，尤其是短焦比的拍摄型望远镜。

孔径光阑和渐晕

前面提到的各类像差，绝大多数都与口径密切相关，具体来说，口径增大后，那些离开中心光轴较远、有着很大入射角的外围光线在穿越透镜时折射弯曲最强，随之而来的就是恼人的各类像差，使成像品质大打折扣。为此，人们给透镜加上光阑(类似光圈)，用它来遮挡掉大多数外围光线。

添加光阑后，离轴的光线在离轴的像面上的成像亮度就会变暗，结果是成像亮度从视场中心向边缘逐渐递减，这就是渐晕。除一些特别设计制作的折射型无渐晕双筒望远镜，大多数双筒都患有一定程度的渐晕症，有些甚至严重到全口径状态下图像依然暗淡。一般在光线充足时，我们往往不会注意到渐晕，除非这望远镜太“奇葩”了。

“再锐利些！”双筒爱好者常常发出如此呼声，而我们却允许渐晕的存在。一般30%的渐晕属正常情形，在广角系双筒中50%的渐晕都可以被接受，这又是为什么呢？因为，在某一特定时间，图像只有很小的区域落在人眼视觉最为敏锐的黄斑中央凹上，就是说，只需这个区域有足够亮度即可。只要保证亮度向四周均匀递减，渐晕就不会为人所注意。何况我们在使用双筒时，往往会下意识地将最关注的目标置于视野中心！

抛去像差先不谈，在那些本该有光阑的地方去掉光阑，让光线无拘束地穿越整个光路，这样一来似乎没有了渐晕，但只要某些机械构件或光学组件对光线有所阻隔，照样会产生渐晕。相对于“消渐晕”，要想做出本质上“无渐晕”的望远镜，就必须在整个光路上保持大的通光口径，这势必要使用大的光学组件(大棱镜或大透镜)，这样做出的产品必然价格贵、分量重。面对手持时让你手腕累得发酸的重量，就算那些“不吝成本、精益求精”的观测者们恐怕也要退却了！这样的双筒，即便使用三脚架搭载，那脚架也必须足够强壮！这种性价比的权衡是不能不考虑的，对于那些精益求精的观测者来说自然会不吝成本地追求高端设备，但对于大多数普通使用者来说，为那些“外围光线”大花血本而像质却没得到“超值”提升，显然太不上算。所以，综合考虑下来，还是“消渐晕”双筒轻巧便宜又像质不错。

调焦机构

双筒的调焦机构通常有三种。

1中央调焦（普罗棱镜）

普罗式望远镜，目镜组与中央铰链上的螺杆相连。内部的一个螺丝滚轮或滚柱转动并驱使螺杆前后移动。右眼的目镜组具备一定范围的独立调焦功能(图2.27a)，即所谓的“屈光度调节”。这样，即使两眼裸视视力稍有不同也能合焦。该调焦方式的缺陷是：在经常需要转动的桥式铰链的衔接处，密封性很难做到尽善尽美，无孔不入的灰尘、水汽会乘虚而入，进到镜筒内部。（图2.28）

图2.27 可调屈光度的右目镜。a:普罗棱镜。b:屋脊棱镜。

图2.28 普罗式双筒中央调焦的桥式铰链

2中央调焦(屋脊棱镜)

与普罗式双筒类似，屋脊式双筒外部也有一个调焦轮，其右眼目镜也具备一定范围的独立调焦功能(图2.27b)，但两者的相同点仅此而已，其他部分大相径庭。屋脊式双筒通过移动物镜和棱镜组之间一块调焦透镜的位置来完成调焦工作。除了调焦，紧凑的结构还可以防尘防水，可谓一举两得。缺点是需要添置一块额外的且需精密加工的调焦镜片，除了增加一些光损外，在调焦镜片移动的过程中还会轻微地改变视场(图2.29)。

图2.29 中央调焦（屋脊式双筒）

3独立式调焦

所谓独立式调焦就是两个目镜各自具有独立的旋转调焦功能，这比中央调焦坚实耐用且防尘防水性更好，是高端双筒的特质之一。缺点是两个目镜不能同时合焦，但对天文观测来说这不是问题，因为天文目标近乎在无穷远的位置，一次对焦后无须再频繁调整。

图2.30 天文观测的完美调焦样式——独立调焦

准直

不仅单个镜筒内部各光学元件要准直，两镜筒之间的光轴也要相互校准；不仅两镜筒相互间光轴要校准，与瞳距相关的铰链和其他机械轴都要校准，后者尤为重要，否则就会产生一种叫“条件准直”现象。条件准直表现为：两镜筒处在某一特定的瞳距时，光轴是准直的，但随着瞳距扩大或缩小，两镜筒之间的光轴就会发生偏离。这样的双筒只能给特定的、符合这个瞳距值的人使用，换个人换个瞳距可能成像就“不堪入目”！

光轴平行度所允许的误差值取决于人眼对双筒最终成像的辨析力和放大倍率。如果超过这个误差值，则从两个镜筒导出的图像不能精确拼合，或者勉强合二为一，这会导致眼睛疲劳，出现恶心及头晕等现象。图像拼合的程度用高低、发散和会聚三个量(关于这三个量后文有具体解释)来描述。表观视场(表观视场=视场×倍率)可接受的三个量的误差如下∶

高低：15角分

发散：45角分

会聚：20角分

实际误差与倍率间的关系如表2.1。

表2.1

双筒光轴的校准有两种方式。绝大多数双筒采用的是调节物镜偏心环与双筒本体间的相对位置来调整光轴；另一种方式是调整棱镜，在棱镜室位置可以看到一些平头螺丝(有的则是揭开棱镜室位置的蒙皮后就可以看见这些螺丝)。调节这些螺丝可以移动棱镜位置，进而改变光轴。相对来说，调整偏心环的方式比较好，因为棱镜一旦调歪了就会加剧像散。

其他类型的双筒

1倒置式普罗棱镜双筒：

这种双筒把棱镜向内反屈，物镜比目镜更靠近一起，优点是结构非常紧密小巧，缺点是像质比较差，属于“看着玩玩”类的。初次使用这类双筒的人往往会把物镜端当目镜端！

图2.31 倒置式普罗棱镜双筒

2稳像仪

这是一种内置微电子芯片，能对移动和震颤给予补偿，从而稳定像质的双筒。此类产品厂商众多，各有千秋。佳能公司成功地研发出一系列非常适合天文观测所需防抖功能的像质稳定系统。其核心是一项被称作“多角度棱镜”的技术(图2.32)。由一种特制的柔性胶片做成的类似于伸缩皮腔的伸缩管，将两块圆形玻璃板的边缘粘接成一个环形腔，内充高折射率的硅基油脂。内部的微电子电路感知振动，然后驱使伸缩管的伸缩来改变光线的折射角度，对人手的抖动做出补偿，这样，那些昏暗的目标就更容易看清楚了。稳像仪研发的初衷是为了军事侦察而非天文。《天空和望远镜》(Sky & Telescope)杂志的测试报告称：“佳能公司研发的稳像仪光学品质上乘，适合天文观测使用”。除了稳像的功能，本质上它就是一台加了平场透镜的屋脊棱镜式双筒。一架10×30IS(“IS”为英文“Image Stabilization”缩写，亦指其类型)稳像仪的成像效果堪比一架10×50的双筒，且只有区区600克重，适合长时间手持。大一点的如15×50IS、18×50IS，分量上比较重，不宜长时间手持。如果你有购买稳像仪的意向，有一点可要注意了，这东西需要电池供电，电池的寿命，特别是碱性电池，天冷的时候可是不长的，没了电这玩意儿它就和普通双筒无二。（图2.33）

图2.32 佳能多角度棱镜图像稳定技术

图2.33 佳能10×30IS型稳像仪

（未完待续）

（责任编辑 张恩红）