□ 編譯 / 任萃毅

芻議雙筒望遠鏡（二）

□ 編譯 / 任萃毅

鍍膜

雙筒中最重要的鍍膜當屬光學(xué)元器件表面的各類增透模（antireflective coatings，圖2.14）。如果不鍍增透膜，即使光線垂直入射(法向入射)也有約4%的光線被反射損失，那些斜射光線的損失就更多了。利用鍍膜的干涉效應(yīng)，光譜中很寬一段區(qū)間的光波的表面反射可降至1.5%以下。通常在510～550nm范圍內(nèi)選擇一特定波長，鍍膜對這一波長的光有最好的增透性。膜的厚度為波長的1/4。其原理是：光線在膜的表面產(chǎn)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波長，于是這兩束光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從而削弱反射(圖2.16和2.17)。那些波長與鍍膜特定波長相差較大的光線在通過鍍膜時，干涉現(xiàn)象反而會造成更多的反射光損，這樣就會造成圖像偏色等一系列問題，這時可以在厚度1/4波長的鍍膜下先鍍一層厚度1/2波長的鍍膜，這樣就能削弱這些光線的反射，這就是多層鍍膜(圖2.18)和寬帶膜(圖2.19)。鍍膜的成本很高，而一些鍍膜的性價比卻未必高。市面上鮮有七層以上、全面鍍膜的雙筒。雙筒的鍍膜往往被定性地描述為：“鍍膜”、“全面鍍膜”等等。稱呼上也沒有統(tǒng)一的觀點，只是普遍做如下詮釋：

鍍膜：在玻璃/空氣之間(通常是物鏡的外側(cè))至少鍍了一層增透膜，通常是MgF2，其他鏡面則沒有鍍膜。

全表面單層鍍膜(FC)：所有透鏡的玻璃/空氣界面間(棱鏡斜邊所在的面除外)都鍍了一層增透膜。

多層鍍膜(MC)：至少玻璃/空氣界面的一面(通常是物鏡的外表面)鍍了兩層或更多層增透膜。另外的表面可能只鍍了一層膜或壓根兒沒鍍膜。

全表面多層鍍膜(FMC)：所有透鏡的玻璃/空氣界面（一般不包括棱鏡斜邊所在的面）都至少鍍了兩層或更多層增透膜。

圖2.14 望遠鏡鏡面呈現(xiàn)不同的顏色——紅、藍、綠、黃、紫等，這就是平常所說的鍍膜。鍍膜可以提高透光率，增加亮度與色彩的對比度、鮮明度，大大改善觀測效果。鏡面不鍍膜或鍍膜效果不好，則反光較多，亦即光線損失較大，透鏡看起來明顯發(fā)亮（如圖中A鏡）。使用高級多層鍍膜，反光更少，透鏡看起來幽邃深暗，而視野更為清晰（如圖中B鏡）。

圖2.15 沒有鍍膜的玻璃（左圖）與鍍膜玻璃（右圖）反射比較。鍍膜改善了反射情況，增強了透鏡的通透度，即光線的透射性增強。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

近來，一些雙筒的鍍膜又被稱作“寬帶膜”，其實沒有明確的行業(yè)標準，三層以上的鍍膜怎么定義基本上就是自說自話。不過，有的生產(chǎn)商還是樂于將產(chǎn)品的鍍膜情況詳盡地描述一番，其中就有廣為流行的美國OBERWERK牌雙筒。它的鍍膜分四個等級：

第Ⅰ級：(等效于全鍍膜)16個玻璃/空氣界面各鍍一層MgF2。兩個物鏡4層，每只目鏡的3組光學(xué)元件共6個面×2＝12層。棱鏡沒有鍍膜。

第Ⅱ級：(等效于多層鍍膜和全鍍膜的共存狀態(tài))兩組物鏡的4個玻璃/空氣界面間和兩只目鏡接目透鏡的4個面鍍了5到7層多層寬帶膜。其他玻璃/空氣界面鍍了一層MgF2，包括棱鏡斜邊所在的面。

第Ⅲ級：除棱鏡斜邊所在的面鍍了一層MgF2之外，所有其他面都鍍有多層寬帶膜。

第Ⅳ級：包括棱鏡斜邊所在的面，所有面都鍍有多層寬帶膜。

圖2.16 單層鍍

圖2.17 鍍膜光學(xué)系統(tǒng)：單層膜。單層增透膜只對一種特定波長的光有最佳增透效果，對其他波長的光增透效果稍差，它可使每個表面光的反射減至1.5%左右。

圖2.18 多層鍍膜光學(xué)系統(tǒng)：雙層膜。光譜中很寬一段區(qū)間的光波的表面反射較單層膜大大降低。

圖2.19 多層寬帶膜光學(xué)系統(tǒng)：三層膜。好的多層膜每個表面光的反射率只有約0.25%，如用于雙筒鏡的所有表面，光的透過率可達90～95%。

圖2.20 光學(xué)鍍膜。左上起順時針方向：單層鍍膜、多層寬帶膜、多層膜、未鍍膜。

不同鍍膜的物鏡反射陽光的效果也不同，如圖2.20。

隨著望遠鏡技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)MC鍍膜方式在最近幾年得到了飛速發(fā)展，各大品牌都推出了其獨家的鍍膜技術(shù)，其中尤以美國博士能的PC-3鍍膜技術(shù)最為知名。2009年，博士能推出PC-3鍍膜，采用超乎想象的60層鍍膜，大大提高了望遠鏡的亮度、對比度和分辨率。

（本段文字引自網(wǎng)文）

像差

談?wù)撏h鏡，像差是個絕對繞不開的話題。只有充分了解各類像差才能對望遠鏡(不僅是雙筒，包含折射、反射和折反射)的品質(zhì)、選購等有一個初步的認識。像差是實際光學(xué)系統(tǒng)與理想狀態(tài)間偏差的統(tǒng)稱。對望遠鏡來說，有6種主要像差，其中一些影響像質(zhì)，另一些造成成像位置偏差。它們分別是：

色差：影響像質(zhì)。

像散：影響像質(zhì)。

球差：影響像質(zhì)。

場曲：位置偏差。

彗差：影響像質(zhì)。

畸變：位置偏差。

1色差

很多人在中學(xué)見過三棱鏡分光現(xiàn)象，大家知道這是混合光(白光)折射后發(fā)生強烈色散的結(jié)果。如果用數(shù)學(xué)的眼光看，在單一的薄透鏡上做切線，可以做出無數(shù)個三棱鏡，這也意味著色散不可避免。

色差主要有兩種形式：位置色差(軸向色差)和倍率色差(垂軸色差)。位置色差，如圖2.21，波長短的藍光在焦點內(nèi)側(cè)會聚，波長長的紅光在焦點外側(cè)會聚，從而產(chǎn)生彩色的圓形彌散斑，造成在任何位置觀察成像，都帶有色斑或暈環(huán)；倍率色差，如圖2.22，軸外光線，因不同波長的光放大率不同，造成像點在垂軸方向上位置不同(不同波長的光形成大小不同的像)，所視物體如同鑲了一道彩邊，直接影響軸外物體的成像清晰度。

歷史上，對付色差，早期采用增長透鏡焦距的方法來減輕色差。后來建立了消色差理論，人們采用多片不同形狀的透鏡組合來減輕色差。另外，減小透鏡的有效口徑在某種程度上可以減輕位置色差。

圖2.21 位置色差

圖2.22 倍率色差

2球差

前面我們說色差是混合光色散引起的，那么，如果我們改用單色性極好的激光，通過一個球面薄透鏡(圖2.23-a)，是不是從不同位置發(fā)出的光線就可以落在同一焦點了呢？結(jié)果是否定的(圖2.23-b)。

圖2.23 -a 球面薄透鏡示意圖

圖2.23 -b 球差

從圖2.22-b中我們可以看到，從距離光軸不同位置發(fā)出的單色光經(jīng)過透鏡后焦點也不一致。若離光軸較遠的光線的焦距短于離光軸較近的光線的焦距，如凸透鏡，稱為系統(tǒng)球差欠校正(負球差)；反之，稱為系統(tǒng)球差過校正（正球差，如凹透鏡）。只要透鏡表面是球形，球差就不可避免。

減輕球差的辦法有：

改變鏡面曲線，研磨非球面透鏡或反射鏡，如牛反式雙筒望遠鏡的拋物形主鏡面；

球差與口徑三次方成正比，與物高無關(guān)，適當減小口徑可以減小球差；

采用凸透鏡和凹透鏡組合的方式減小球差。

3彗差

彗差可視為一種“不對稱”球差。透鏡組在校正球差后，那些偏離主光軸的一點發(fā)出的光在像面上不能聚焦于一點。偏軸越遠該現(xiàn)象越明顯。由此造成在遠離主光軸的區(qū)域，星光發(fā)散成一個個光斑，貌似彗星，彗差由此得名(圖2.24，該圖中，像向光軸的外側(cè)拖尾，這稱為“正彗差”；也有向光軸內(nèi)側(cè)拖尾的現(xiàn)象，稱為“負彗差”) 。在物鏡系統(tǒng)中，可將某一彗差作為一個量，由另一個大小相同、符號相反的彗差來減輕或消除前者，例如采用對稱結(jié)構(gòu)(圖2.24右下角小圖)。系統(tǒng)前半部分產(chǎn)生的彗差與后半部分產(chǎn)生的彗差絕對值相同，符號相反。由于一般光學(xué)系統(tǒng)的放大率不等于-1，因此絕對的對稱結(jié)構(gòu)并不適合，只能根據(jù)實際系統(tǒng)的物像關(guān)系，設(shè)計接近對稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)。

彗差與口徑的二次方成正比，與視場角成線性正比關(guān)系，所以在超廣角雙筒望遠鏡的設(shè)計中要特別注意彗差的影響。

消除球差和彗差叫作齊明化，消球差和彗差的透鏡稱齊明透鏡。

圖2.24 彗差(圖中入射、出射光線均為單色光，后面的像散、場曲和畸變等圖也是如此，只是為了便于描述用了藍紅綠不同顏色)，右下角為消彗差的對稱鏡片組。

4像散

由軸外一點射出的光線，在透鏡表面分解成相互垂直的經(jīng)向和緯向兩個入射截面(光學(xué)上稱為子午面和弧矢面)，這兩個方面的光束聚焦后都偏離了主光線(連接透鏡中心與像的光線稱為主光線)，像散由此產(chǎn)生(圖2.25)。與彗差類似，像散也可以用另一個光學(xué)元件產(chǎn)生的大小相同、方向相反的像散來矯正。像散與口徑的增長呈線性關(guān)系，與物高的二次方成正比。所以，對于主要用于目視的非廣角雙筒來說，像散不是什么大問題。

圖2.25 像散，右下角為弧矢面像點和子午面像點之間的某位置成像。

5場曲

表面形狀單一的光學(xué)系統(tǒng)所成的像也不會是一個平面，而是一個曲面，確切說是一個球面——這個球面和焦平面相切，切點在焦平面和主光軸的交點上(圖2.26)。場曲表現(xiàn)為邊緣與中央無法同時成像，這在廣角雙筒中尤為明顯。改善場曲就要在透鏡設(shè)計上下功夫。若在靠近成像面安置一面發(fā)散透鏡亦可得到平順的像。場曲與口徑的增長的一次方成正比，與物高的二次方成正比。

圖2.26 場曲

6畸變

畸變這種像差造成本是方方正正的物體，其成像卻不是四四方方的，像的邊緣會產(chǎn)生凸起或凹陷的情形。變凸稱為負畸變或桶形畸變；變凹稱為正畸變或枕形畸變。還有一種結(jié)合枕形和桶形的陣笠形畸變。畸變是唯一一種不會模糊成像的像差(圖2.27)，其成因是由于離開透鏡主光軸不同距離處放大倍率不同。桶形畸變?nèi)菀装l(fā)生在廣角透鏡上，而枕形畸變?nèi)菀装l(fā)生在望遠鏡透鏡上。目鏡是畸變的重災(zāi)區(qū)，所以要矯正畸變就要在目鏡的設(shè)計上大做文章。輕微的枕形畸變會減輕“滾球效應(yīng)”（rolling ball）帶來的失真?；兣c口徑無關(guān)，與物高的三次方成正比。

圖2.27 各類畸變

至此，我們講述了透鏡的主要幾種像差，除色差外的其他五種像差都是單色光發(fā)生的，1856年德國天文學(xué)家兼數(shù)學(xué)家賽德(Philipp Ludwig von Seidel，1821～1896年)將該體系理論化，因此稱為“賽德的五種像差”。加上色差，透鏡會產(chǎn)生非常復(fù)雜的綜合像差，多數(shù)像差同口徑相關(guān)，可以通過縮減口徑來減輕像差，但減小口徑會影響成像亮度等重要需求，所以只能在鏡面形狀和不同透鏡的組合上動腦筋，為此人們研制出種類繁多的透鏡并加以組合，這就是像質(zhì)好的鏡頭價格極其昂貴的原因所在。

在觀測面光源目標時，各類像差往往不是很明顯，但如果是點光源，各像差會明顯地顯現(xiàn)出來，故天文攝影用望遠鏡對像質(zhì)要求很高，尤其是短焦比的拍攝型望遠鏡。

孔徑光闌和漸暈

前面提到的各類像差，絕大多數(shù)都與口徑密切相關(guān)，具體來說，口徑增大后，那些離開中心光軸較遠、有著很大入射角的外圍光線在穿越透鏡時折射彎曲最強，隨之而來的就是惱人的各類像差，使成像品質(zhì)大打折扣。為此，人們給透鏡加上光闌(類似光圈)，用它來遮擋掉大多數(shù)外圍光線。

添加光闌后，離軸的光線在離軸的像面上的成像亮度就會變暗，結(jié)果是成像亮度從視場中心向邊緣逐漸遞減，這就是漸暈。除一些特別設(shè)計制作的折射型無漸暈雙筒望遠鏡，大多數(shù)雙筒都患有一定程度的漸暈癥，有些甚至嚴重到全口徑狀態(tài)下圖像依然暗淡。一般在光線充足時，我們往往不會注意到漸暈，除非這望遠鏡太“奇葩”了。

“再銳利些！”雙筒愛好者常常發(fā)出如此呼聲，而我們卻允許漸暈的存在。一般30%的漸暈屬正常情形，在廣角系雙筒中50%的漸暈都可以被接受，這又是為什么呢？因為，在某一特定時間，圖像只有很小的區(qū)域落在人眼視覺最為敏銳的黃斑中央凹上，就是說，只需這個區(qū)域有足夠亮度即可。只要保證亮度向四周均勻遞減，漸暈就不會為人所注意。何況我們在使用雙筒時，往往會下意識地將最關(guān)注的目標置于視野中心！

拋去像差先不談，在那些本該有光闌的地方去掉光闌，讓光線無拘束地穿越整個光路，這樣一來似乎沒有了漸暈，但只要某些機械構(gòu)件或光學(xué)組件對光線有所阻隔，照樣會產(chǎn)生漸暈。相對于“消漸暈”，要想做出本質(zhì)上“無漸暈”的望遠鏡，就必須在整個光路上保持大的通光口徑，這勢必要使用大的光學(xué)組件(大棱鏡或大透鏡)，這樣做出的產(chǎn)品必然價格貴、分量重。面對手持時讓你手腕累得發(fā)酸的重量，就算那些“不吝成本、精益求精”的觀測者們恐怕也要退卻了！這樣的雙筒，即便使用三腳架搭載，那腳架也必須足夠強壯！這種性價比的權(quán)衡是不能不考慮的，對于那些精益求精的觀測者來說自然會不吝成本地追求高端設(shè)備，但對于大多數(shù)普通使用者來說，為那些“外圍光線”大花血本而像質(zhì)卻沒得到“超值”提升，顯然太不上算。所以，綜合考慮下來，還是“消漸暈”雙筒輕巧便宜又像質(zhì)不錯。

調(diào)焦機構(gòu)

雙筒的調(diào)焦機構(gòu)通常有三種。

1中央調(diào)焦（普羅棱鏡）

普羅式望遠鏡，目鏡組與中央鉸鏈上的螺桿相連。內(nèi)部的一個螺絲滾輪或滾柱轉(zhuǎn)動并驅(qū)使螺桿前后移動。右眼的目鏡組具備一定范圍的獨立調(diào)焦功能(圖2.27a)，即所謂的“屈光度調(diào)節(jié)”。這樣，即使兩眼裸視視力稍有不同也能合焦。該調(diào)焦方式的缺陷是：在經(jīng)常需要轉(zhuǎn)動的橋式鉸鏈的銜接處，密封性很難做到盡善盡美，無孔不入的灰塵、水汽會乘虛而入，進到鏡筒內(nèi)部。（圖2.28）

圖2.27 可調(diào)屈光度的右目鏡。a:普羅棱鏡。b:屋脊棱鏡。

圖2.28 普羅式雙筒中央調(diào)焦的橋式鉸鏈

2中央調(diào)焦(屋脊棱鏡)

與普羅式雙筒類似，屋脊式雙筒外部也有一個調(diào)焦輪，其右眼目鏡也具備一定范圍的獨立調(diào)焦功能(圖2.27b)，但兩者的相同點僅此而已，其他部分大相徑庭。屋脊式雙筒通過移動物鏡和棱鏡組之間一塊調(diào)焦透鏡的位置來完成調(diào)焦工作。除了調(diào)焦，緊湊的結(jié)構(gòu)還可以防塵防水，可謂一舉兩得。缺點是需要添置一塊額外的且需精密加工的調(diào)焦鏡片，除了增加一些光損外，在調(diào)焦鏡片移動的過程中還會輕微地改變視場(圖2.29)。

圖2.29 中央調(diào)焦（屋脊式雙筒）

3獨立式調(diào)焦

所謂獨立式調(diào)焦就是兩個目鏡各自具有獨立的旋轉(zhuǎn)調(diào)焦功能，這比中央調(diào)焦堅實耐用且防塵防水性更好，是高端雙筒的特質(zhì)之一。缺點是兩個目鏡不能同時合焦，但對天文觀測來說這不是問題，因為天文目標近乎在無窮遠的位置，一次對焦后無須再頻繁調(diào)整。

圖2.30 天文觀測的完美調(diào)焦樣式——獨立調(diào)焦

準直

不僅單個鏡筒內(nèi)部各光學(xué)元件要準直，兩鏡筒之間的光軸也要相互校準；不僅兩鏡筒相互間光軸要校準，與瞳距相關(guān)的鉸鏈和其他機械軸都要校準，后者尤為重要，否則就會產(chǎn)生一種叫“條件準直”現(xiàn)象。條件準直表現(xiàn)為：兩鏡筒處在某一特定的瞳距時，光軸是準直的，但隨著瞳距擴大或縮小，兩鏡筒之間的光軸就會發(fā)生偏離。這樣的雙筒只能給特定的、符合這個瞳距值的人使用，換個人換個瞳距可能成像就“不堪入目”！

光軸平行度所允許的誤差值取決于人眼對雙筒最終成像的辨析力和放大倍率。如果超過這個誤差值，則從兩個鏡筒導(dǎo)出的圖像不能精確拼合，或者勉強合二為一，這會導(dǎo)致眼睛疲勞，出現(xiàn)惡心及頭暈等現(xiàn)象。圖像拼合的程度用高低、發(fā)散和會聚三個量(關(guān)于這三個量后文有具體解釋)來描述。表觀視場(表觀視場=視場×倍率)可接受的三個量的誤差如下∶

高低：15角分

發(fā)散：45角分

會聚：20角分

實際誤差與倍率間的關(guān)系如表2.1。

表2.1

雙筒光軸的校準有兩種方式。絕大多數(shù)雙筒采用的是調(diào)節(jié)物鏡偏心環(huán)與雙筒本體間的相對位置來調(diào)整光軸；另一種方式是調(diào)整棱鏡，在棱鏡室位置可以看到一些平頭螺絲(有的則是揭開棱鏡室位置的蒙皮后就可以看見這些螺絲)。調(diào)節(jié)這些螺絲可以移動棱鏡位置，進而改變光軸。相對來說，調(diào)整偏心環(huán)的方式比較好，因為棱鏡一旦調(diào)歪了就會加劇像散。

其他類型的雙筒

1倒置式普羅棱鏡雙筒：

這種雙筒把棱鏡向內(nèi)反屈，物鏡比目鏡更靠近一起，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)非常緊密小巧，缺點是像質(zhì)比較差，屬于“看著玩玩”類的。初次使用這類雙筒的人往往會把物鏡端當目鏡端！

圖2.31 倒置式普羅棱鏡雙筒

2穩(wěn)像儀

這是一種內(nèi)置微電子芯片，能對移動和震顫給予補償，從而穩(wěn)定像質(zhì)的雙筒。此類產(chǎn)品廠商眾多，各有千秋。佳能公司成功地研發(fā)出一系列非常適合天文觀測所需防抖功能的像質(zhì)穩(wěn)定系統(tǒng)。其核心是一項被稱作“多角度棱鏡”的技術(shù)(圖2.32)。由一種特制的柔性膠片做成的類似于伸縮皮腔的伸縮管，將兩塊圓形玻璃板的邊緣粘接成一個環(huán)形腔，內(nèi)充高折射率的硅基油脂。內(nèi)部的微電子電路感知振動，然后驅(qū)使伸縮管的伸縮來改變光線的折射角度，對人手的抖動做出補償，這樣，那些昏暗的目標就更容易看清楚了。穩(wěn)像儀研發(fā)的初衷是為了軍事偵察而非天文?！短炜蘸屯h鏡》(Sky & Telescope)雜志的測試報告稱：“佳能公司研發(fā)的穩(wěn)像儀光學(xué)品質(zhì)上乘，適合天文觀測使用”。除了穩(wěn)像的功能，本質(zhì)上它就是一臺加了平場透鏡的屋脊棱鏡式雙筒。一架10×30IS(“IS”為英文“Image Stabilization”縮寫，亦指其類型)穩(wěn)像儀的成像效果堪比一架10×50的雙筒，且只有區(qū)區(qū)600克重，適合長時間手持。大一點的如15×50IS、18×50IS，分量上比較重，不宜長時間手持。如果你有購買穩(wěn)像儀的意向，有一點可要注意了，這東西需要電池供電，電池的壽命，特別是堿性電池，天冷的時候可是不長的，沒了電這玩意兒它就和普通雙筒無二。（圖2.33）

圖2.32 佳能多角度棱鏡圖像穩(wěn)定技術(shù)

圖2.33 佳能10×30IS型穩(wěn)像儀

（未完待續(xù)）

（責(zé)任編輯 張恩紅）