□ 編譯 / 任萃毅

雙筒望遠(yuǎn)鏡（一）

□ 編譯 / 任萃毅

常常碰到一些朋友向我咨詢(xún)買(mǎi)什么樣的望遠(yuǎn)鏡好？他們中大多數(shù)人真實(shí)的目的很簡(jiǎn)單——給自己或孩子隨便看一看。倘若你向他們大談特談那些單筒望遠(yuǎn)鏡(折射、反射或折反射望遠(yuǎn)鏡)，結(jié)果往往會(huì)把人家嚇了回去——單是那些“配件”(赤道儀等)就夠折騰人的。如今，每當(dāng)遇到此類(lèi)詢(xún)問(wèn)，我更傾向推薦雙筒望遠(yuǎn)鏡。

對(duì)于雙筒望遠(yuǎn)鏡，我自己也有個(gè)曲折的認(rèn)知過(guò)程。1990年代我曾使用過(guò)一些現(xiàn)在看來(lái)屬于劣質(zhì)的雙筒，那糟糕的成像帶來(lái)的是許久都揮之不去的心理陰影，及至后來(lái)熱衷天文攝影，其間雖曾使用雙筒尋星或輔助觀(guān)測(cè)，但意識(shí)形態(tài)上已經(jīng)對(duì)雙筒之類(lèi)的目視不屑一顧了，這種狀況直到近些年才逐漸改變。

隨著材料和工藝的提高，雙筒品質(zhì)和性?xún)r(jià)比也有了很大程度的提升。就技術(shù)含量來(lái)說(shuō)，雙筒的制作加工一點(diǎn)也不比單筒望遠(yuǎn)鏡簡(jiǎn)單，某些光學(xué)指標(biāo)甚至比后者高很多。

拋開(kāi)那些大口徑、重型雙筒姑且不提，雙筒便攜且使用簡(jiǎn)單，如果你不想錯(cuò)過(guò)那些轉(zhuǎn)瞬即逝的目標(biāo)（不一定是天象），那雙筒是不二的選擇。即使是一架中小口徑的雙筒望遠(yuǎn)鏡，也能讓人在數(shù)年間癡迷于星空。2014年5月期間我?guī)е鑱?lái)的一臺(tái)10×50雙筒在澳洲中部沙漠里來(lái)了一場(chǎng)星空大饕餮，至今念念不忘。據(jù)說(shuō)國(guó)外有人用10×50雙筒橫掃了幾乎全部的梅西葉天體（在良好的暗夜環(huán)境下這是可能的）。

高端的大雙筒更是讓人覺(jué)得目明星銳，欲罷不能。我曾有幸使用過(guò)一架德制100mm口徑的APM雙筒觀(guān)測(cè)獵戶(hù)座大星云M42，通過(guò)它展現(xiàn)在我眼前的是一個(gè)全新的M42，之前用單筒望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)時(shí)隱匿的那些細(xì)節(jié)一一顯現(xiàn)，此刻我終于體會(huì)到什么是“攝人魂魄”。雙筒望遠(yuǎn)鏡可不僅僅是個(gè)消遣物，某些方面優(yōu)勢(shì)使之成為專(zhuān)業(yè)天文愛(ài)好者的“制式武器”。用雙筒觀(guān)測(cè)時(shí)，雙眼目視的立體感會(huì)讓你切切實(shí)實(shí)地感受到天體的存在，而非虛無(wú)縹緲。視野寬廣的大雙筒特別適合搜彗，用它們觀(guān)看那些大彗星，往往會(huì)帶來(lái)超震撼的視覺(jué)

元啪〃詿宵”慳枚瑣免…健澗×鏍冪穴卦（George Alcock）和百武裕司，他們都曾用雙筒做過(guò)實(shí)測(cè)。

有那么一些人，他們的目的純粹就是“看一看”，甚至熱衷于此，他們這種“看一看”的快樂(lè)或許讓你看不上眼，甚至覺(jué)得他們連“業(yè)余愛(ài)好者”都算不上。遺憾的是，直到多年之后我才明白這種思想的錯(cuò)誤，因?yàn)闊o(wú)論是拍攝還是觀(guān)測(cè)，目的只有一個(gè)──那就是對(duì)過(guò)程的享受，只要能找到屬于自己的快樂(lè)便是好事一樁，由此醉心于雙筒同樣名正言順。

2013年，《天文愛(ài)好者》編輯部的老師向我推薦了英國(guó)天文科普作家史蒂芮×掊酊)Tufqifo!Upoljo＊唱猝》啡箴孱有望遠(yuǎn)鏡》（Binocular Astronomy）一書(shū)，我以高中之后就無(wú)長(zhǎng)進(jìn)的英語(yǔ)水平，費(fèi)九牛二虎之力，歷時(shí)約一載，將其粗略地閱覽了一遍，受益匪淺，讓我徹底改變了先前對(duì)雙筒望遠(yuǎn)鏡的淺薄之見(jiàn)。本文也以此書(shū)為藍(lán)本，與讀者共饗其中的一些觀(guān)點(diǎn)，目的是希望大家在購(gòu)鏡之前對(duì)雙筒望遠(yuǎn)鏡的光機(jī)結(jié)構(gòu)、選配、性能測(cè)試、保養(yǎng)與維護(hù)等知識(shí)有個(gè)初步了解。文中不妥或錯(cuò)誤之處，希望讀者朋友批評(píng)指正。

何為雙筒？

之所以用“何為雙筒？”為文章開(kāi)篇的標(biāo)題，是想在這里厘清一些基本概念。

問(wèn)題1 雙筒與雙目?

本文所提及的雙筒是指那些由一對(duì)“物鏡—目鏡”系統(tǒng)組合而成的望遠(yuǎn)鏡，這種稱(chēng)為“雙筒”。還有一類(lèi)，就是主鏡是單一的一個(gè)折射或反射鏡，目鏡端通過(guò)一組光學(xué)系統(tǒng)分離成兩個(gè)(類(lèi)似很多雙目顯微鏡)，這種稱(chēng)之為“雙目望遠(yuǎn)鏡”。很多人常常將此二者混為一談，而實(shí)際上這兩者光學(xué)結(jié)構(gòu)等區(qū)別很大(圖1.1)。

圖1.1 左：筆者使用的普羅棱鏡式雙筒，它有一個(gè)大大的棱鏡室；中：筆者使用的屋脊棱鏡式雙筒，與普羅棱鏡式雙筒不同的是，它的物鏡和目鏡位于前后一條直線(xiàn)上；右：雙目頭，使用時(shí)接在單筒望遠(yuǎn)鏡上，而用雙眼觀(guān)測(cè)。

問(wèn)題2 雙眼視物的優(yōu)勢(shì)

有一點(diǎn)是公認(rèn)的，也是被實(shí)驗(yàn)所證明的，那就是：在黑暗環(huán)境中，雙眼視物比單眼視物的靈敏度閾值要低1.4倍，即所謂的“雙眼總和”效應(yīng)（也稱(chēng)“神經(jīng)加合現(xiàn)象”)，該數(shù)值可以從統(tǒng)計(jì)學(xué)和生理累加兩方面得到。

統(tǒng)計(jì)學(xué)：

用人眼去捕捉一個(gè)暗物體發(fā)出的光線(xiàn)時(shí)，假設(shè)單眼捕捉到目標(biāo)的概率值稍高于0.5，譬如是0.6，則計(jì)算表明，這時(shí)雙眼的反應(yīng)閾值比單眼低1.4倍，算法如下：

則雙眼反應(yīng)閾值與單眼反應(yīng)閾值比為：P雙眼/P單眼=0.84/0.6=1.4。

生理累加：

從本質(zhì)上講這其實(shí)就是在提高信噪比（SNR）。雙眼中任意一只眼的信號(hào)增加，相對(duì)應(yīng)的隨機(jī)神經(jīng)噪音就被削弱，相關(guān)理論計(jì)算證明此時(shí)SNR值提高了，即大約1.4倍。

從“雙眼總和”效應(yīng)中還可以發(fā)現(xiàn)，用雙眼視物可以同時(shí)提高視覺(jué)的敏感度和對(duì)比度，這在我們驗(yàn)光時(shí)很容易體會(huì)到——測(cè)試視力時(shí)我們被要求“睜一眼閉一眼”。如果用兩只眼去看，原本單眼看不清的字可能會(huì)變得清晰！同理，使用雙筒時(shí)此類(lèi)現(xiàn)象舉不勝舉，例如觀(guān)測(cè)原本模棱兩可的景象，或是辨析一顆雙星，也遵循“雙眼總和”原則。當(dāng)然，上述結(jié)論建立在一個(gè)基礎(chǔ)上——雙眼必須有良好的矯正視力，如果兩眼中的一只眼睛視力很差，則雙眼看到的影像總質(zhì)量要比視力好的那只單眼看到的質(zhì)量差，這種情況也會(huì)影響到雙筒的使用。

雙眼視物還有一個(gè)額外的好處──立體視覺(jué)。雖說(shuō)天體距離我們異常遙遠(yuǎn)，觀(guān)之不可能產(chǎn)生真正的立體感，但如果用雙眼去看就會(huì)產(chǎn)生“立體”的錯(cuò)覺(jué)，恰好有助于審美。

人的眼睛有盲點(diǎn)，所謂盲點(diǎn)就是視網(wǎng)膜的某些位置上視神經(jīng)有缺失，盲點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致視野中那些小目標(biāo)（例如暗淡的小星點(diǎn)）不被眼睛所感知，但如果用雙眼去觀(guān)測(cè)，左右眼能相互消除對(duì)方視物時(shí)的那些盲點(diǎn)，這也是雙眼視物的一大優(yōu)勢(shì)。

圖1.2 雙眼觀(guān)測(cè)天體可以產(chǎn)生立體“錯(cuò)覺(jué)”

問(wèn)題3 雙筒的分類(lèi)

如圖1.1，依據(jù)正像棱鏡的不同，雙筒望遠(yuǎn)鏡主要分為普羅棱鏡式（Porro prism）和屋脊棱鏡式（Roof prism）兩大類(lèi)。下文將對(duì)這二者的特性做客觀(guān)的描述，至于具體選擇哪一類(lèi)型的雙筒，讀者可以根據(jù)自己的實(shí)際情況做出取舍。

雙筒的光機(jī)結(jié)構(gòu)

雙筒望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)主要由三部分組成：

物鏡組：接收來(lái)自物體的光線(xiàn)并在像平面成像。

目鏡組：將物鏡組所成的像轉(zhuǎn)變成人眼可見(jiàn)的像。

正像鏡組：現(xiàn)代雙筒中正像系統(tǒng)多由棱鏡組來(lái)完成（圖2.1），為此某些大雙筒的目鏡需要做成與主鏡筒呈45°或90°轉(zhuǎn)出，而且棱鏡的檔次也往往決定雙筒的品質(zhì)等級(jí)。

圖2.1 兩類(lèi)棱鏡式雙筒的光路

圖2.2 屋脊棱鏡雙筒光路剖面示意圖

圖2.3 普羅棱鏡雙筒光路剖面示意圖

物鏡組

物鏡組通常由兩片或更多片消色差或復(fù)消色差透鏡組成。消色差雙合透鏡是目前雙筒的“標(biāo)配”。高品質(zhì)或大型天文觀(guān)測(cè)用雙筒則多為三片式復(fù)消色差透鏡。除此之外，有時(shí)會(huì)添加其他透鏡用以消除球差、彗差和場(chǎng)曲等像差。消色差透鏡可把兩束不同波長(zhǎng)(顏色)的光線(xiàn)會(huì)聚于一個(gè)焦點(diǎn)，最普通的消色差雙合透鏡由前面一片冕玻璃做的雙凸面透鏡和后面一片火石玻璃做的、起弱發(fā)散效果的透鏡組成?，F(xiàn)代消色差透鏡多用低色散(ED)玻璃制成。還有復(fù)消色差透鏡，它能將三種波長(zhǎng)的光線(xiàn)匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)，其材質(zhì)往往是昂貴且易碎的螢石玻璃。

對(duì)于大口徑雙筒，由于其焦比通常比較小，一般在f/5，甚至更小，所以色差能否控制得好是首先要考慮的。各類(lèi)像差后文將有詳細(xì)介紹。

目鏡組

現(xiàn)代雙筒的目鏡的鏡片數(shù)在3片或以上，組數(shù)在2組或更多。目鏡中最普通卻堪稱(chēng)“尊者”的凱爾納（Kellner）目鏡，其歷史可追溯到1849年，它的場(chǎng)鏡是一塊雙凸透鏡，接目鏡則由兩塊透鏡組成。逐漸普及的是一種由埃德蒙科技公司（Edmund Scientific Company）的David Rank在1975年提出設(shè)計(jì)的、在凱爾納目鏡基礎(chǔ)上的改進(jìn)型，這就是RKE（The Reversed Kellner eyepiece）目鏡。它的鏡片結(jié)構(gòu)樣式與凱爾納目鏡正好相反，前端為雙合透鏡，后面為一個(gè)雙凸透鏡，所以也被稱(chēng)作反向凱爾納式目鏡。這種目鏡的視場(chǎng)可達(dá)50度，較凱爾納式的45度稍有增加，鏡目距（出瞳距離，后文有詳述）也比凱爾納式增加了許多。大視場(chǎng)雙筒通常使用改進(jìn)的埃弗利(Erfle)目鏡，采用3組、每組5或6枚鏡片（圖2.4）。它有著寬達(dá)70°的視場(chǎng)，但當(dāng)視場(chǎng)超過(guò)65°時(shí)鏡目距往往變差。

圖2.4 常見(jiàn)的雙筒目鏡

棱鏡組

多數(shù)單一的“物鏡－目鏡”體系得到的是與實(shí)景上下左右顛倒的成像，棱鏡組的作用就是把顛倒的影像保質(zhì)保量地轉(zhuǎn)成正像。另外，由于棱鏡折疊了光路，所以雙筒才有了這種與眾不同、便于手持的短筒形象。前面說(shuō)過(guò)，大多數(shù)雙筒統(tǒng)歸于兩種樣式：普羅棱鏡式和屋脊棱鏡式。

1 普羅棱鏡（Porro prism）

普羅棱鏡組是由兩塊塑造成等腰直角三棱鏡的底面拼合而成，這兩個(gè)面的棱邊必須嚴(yán)格垂直，此一點(diǎn)尤為重要，如果拼合誤差較大，就會(huì)產(chǎn)生明顯的圖像旋轉(zhuǎn)（術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為“像傾斜”）。像傾斜的角度可以達(dá)到錯(cuò)位角的2倍，且方向相反（假設(shè)順時(shí)針?lè)较蛏习惭b誤差0.5°，則影像逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)1°）。普羅棱鏡的光路如圖2.5－a，2.5－b是用于校準(zhǔn)普羅棱鏡像傾斜的儀器。

圖2.5 a：普羅棱鏡中圖像發(fā)生上下左右翻轉(zhuǎn)（以紅線(xiàn)為基準(zhǔn)，對(duì)比一下入射光和出射光中其他兩條線(xiàn)的位置）；b：用于校準(zhǔn)普羅棱鏡像傾斜的儀器

圖2.6 未開(kāi)槽與開(kāi)槽的普羅棱鏡

采用短焦比的物鏡時(shí)，那些與光軸不平行的光線(xiàn)在普羅棱鏡的底面上會(huì)產(chǎn)生一次內(nèi)反射（圖2.6-a），最終從棱鏡中出射的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)了三次反射，因這些光線(xiàn)而產(chǎn)生的“雜光”會(huì)降低影像的對(duì)比度。解決的辦法是：在普羅棱鏡底面中心線(xiàn)上開(kāi)一條槽，便可有效地消除這些添亂子的雜光（圖2.6-b）。開(kāi)槽棱鏡可是高品質(zhì)雙筒才具備的特征。

圖2.7 BK7和BaK4玻璃。例如，當(dāng)光線(xiàn)以41°角入射，在BaK4玻璃中發(fā)生全反射，但在BK7玻璃中有部分光線(xiàn)折射損失。

棱鏡的玻璃材質(zhì)是值得一番說(shuō)道的。一種是硅酸硼冕玻璃BK7(“BK”源自德文“Borkron”)，另一種是品質(zhì)更好的鋇冕玻璃BaK4 (“BaK”源自德文“Baritleichtkron”)，后者折射率更高。折射率相對(duì)高的臨界角相對(duì)越小，BaK4的臨界角為39.6°，BK7為41.2°，較大的臨界角會(huì)因折射而損失部分光線(xiàn)（圖2.7）。特別是那些焦比在f/5或更短且大視場(chǎng)的雙筒，兩種材質(zhì)做出的棱鏡差異更加明顯。物鏡邊緣那些沒(méi)有被全反射的光線(xiàn)會(huì)給成像帶來(lái)漸暈，這種情況很容易檢測(cè)——將雙筒對(duì)準(zhǔn)明亮的天空或其他面光源，然后觀(guān)察出瞳光斑就會(huì)發(fā)現(xiàn)，采用BaK4玻璃的雙筒是一個(gè)完美的出瞳亮斑，但用BK7玻璃的雙筒出瞳光斑邊緣會(huì)出現(xiàn)明顯的藍(lán)灰色陰影切邊（如圖2.8）。對(duì)于屋脊棱鏡來(lái)說(shuō)，采用BK7或BaK4玻璃出瞳光斑的差異可以參照李龍濤先生的網(wǎng)文：BaK4和BK7的區(qū)別（屋脊棱鏡篇）。注意：不同類(lèi)型的雙筒判斷方法不能隨意相互照搬。

圖2.8 出瞳光斑。 a：BK7玻璃；b：BaK4玻璃

2 屋脊棱鏡（Roof prism）

屋脊棱鏡有很多種，常見(jiàn)的是施密特—?jiǎng)e漢屋脊棱鏡（Schmidt_Pechan prism，圖2.9）。它由一塊剖成一半的五棱鏡（別漢棱鏡，能45°轉(zhuǎn)向，圖2.10-a）和一塊施密特屋脊棱鏡組成（圖2.10-b），光線(xiàn)在此經(jīng)歷了六次反射（普羅棱鏡是四次），從而轉(zhuǎn)成正像。

采用屋脊棱鏡組的雙筒的優(yōu)點(diǎn)是：

光線(xiàn)自前端進(jìn)入，后端出射，形成幾乎“直通”的轉(zhuǎn)像結(jié)構(gòu)。這種“直通”光路結(jié)構(gòu)緊湊，屋脊棱鏡式雙筒整體給人的感覺(jué)就是簡(jiǎn)潔、小巧。

分量輕，同等規(guī)格的前提下，屋脊棱鏡雙筒更輕(圖1.1中兩款BOSMA雙筒，普羅型的重1072g，屋脊的重912g)，鏡筒瘦小，拿握靈活，符合人體工程學(xué)，長(zhǎng)時(shí)間手持也不會(huì)手腕酸累。

圖2.9 施密特—?jiǎng)e漢棱鏡光路圖

采用內(nèi)調(diào)焦，所以防水性好。內(nèi)部充氮的雙筒在水汽大的環(huán)境下不會(huì)結(jié)濕起露，而且在觀(guān)鳥(niǎo)或看比賽中即便遭受雨淋，也不大會(huì)有水滲入。

圖2.10 a：半五棱鏡（別漢棱鏡，45°轉(zhuǎn)向）；b：施密特棱鏡。圖像發(fā)生上下左右翻轉(zhuǎn)，主軸偏轉(zhuǎn)了45°。

不過(guò)，要達(dá)到與普羅棱鏡相媲美的光學(xué)質(zhì)量，屋脊棱鏡造價(jià)更貴。首先，屋脊棱鏡加工精度要求很高，特別是屋脊夾角，它的制作公差（2″）要比普羅棱鏡（10′）高很多，兩者相差300倍！之所以要求這么高的精度是因?yàn)楣馐谶M(jìn)入屋脊面之后，會(huì)一分為二，經(jīng)過(guò)兩次反射后理論上應(yīng)該重新合成一個(gè)點(diǎn)，但是如果屋脊面夾角超出允許的公差，則兩束光線(xiàn)就無(wú)法合成一個(gè)點(diǎn)，輕則影響分辨率，重則導(dǎo)致顯著的重影。尤其是天文觀(guān)測(cè)，星點(diǎn)質(zhì)量明顯變差。

圖2.11 鍍膜前后對(duì)比(圖片源自網(wǎng)絡(luò))

別漢棱鏡有一個(gè)面無(wú)法通過(guò)全反射來(lái)反射光線(xiàn)，通常在這一面鍍了鋁或銀來(lái)提高反射率，但是鋁和銀對(duì)不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)反射率并不相同，這就會(huì)產(chǎn)生偏色和成像亮度下降兩個(gè)問(wèn)題，為此，就要靠鍍膜來(lái)解決。而鍍膜可不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的一層，可多達(dá)幾十層，它們把可見(jiàn)光的波長(zhǎng)分成幾十個(gè)小波段，每層膜負(fù)責(zé)特定波段的光線(xiàn)，這樣一來(lái)，反射光的整體曲線(xiàn)才變得較為平坦，而且反射率非常接近100%（圖2.11）。

另外，光波的光束在屋脊棱鏡內(nèi)分離并重組的過(guò)程中會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致對(duì)比度降低。通過(guò)在棱鏡表面鍍“相位膜”可以改善這種情況，這類(lèi)雙筒往往用“PC”（Phase Coating：相位膜）來(lái)標(biāo)識(shí)。

同時(shí)，這種“直通”式結(jié)構(gòu)很大程度上限制了雙筒的口徑，因?yàn)槲镧R中心間距不能大于觀(guān)測(cè)者的瞳距。

因?yàn)樯鲜鰩醉?xiàng)原因，自然而然地抬高了屋脊棱鏡的成本，這也再次說(shuō)明光學(xué)產(chǎn)品真真是“一分價(jià)錢(qián)一分貨”。

隨著使用45°或90°曲角目鏡的雙筒天文望遠(yuǎn)鏡數(shù)量的增多，出現(xiàn)了種類(lèi)繁多的棱鏡的組合，例如普羅Ⅱ型棱鏡配半五棱鏡做45°轉(zhuǎn)像、或與五棱鏡組合成90度轉(zhuǎn)像；還有一種由施密特屋脊棱鏡和斜方棱鏡組合的45°轉(zhuǎn)像系統(tǒng)；一些頂尖級(jí)雙筒望遠(yuǎn)鏡采用的是阿貝－柯尼屋脊棱鏡（Abbe- Koenig roof prisms，圖2.12）。

圖2.12 阿貝－柯尼屋脊棱鏡(Abbe- Koenig roof prisms)

圖2.13 雙目視覺(jué)原理

3 雙目系統(tǒng)

雙目視覺(jué)系統(tǒng)是由一面半透半反鏡和兩塊斜方棱鏡構(gòu)成的（圖2.13）。分光鏡將一束光線(xiàn)分成相互垂直的兩路，而斜方棱鏡只是偏轉(zhuǎn)了光軸的方向，不同于轉(zhuǎn)像棱鏡那般起顛倒影像的作用。也有用一對(duì)分光鏡來(lái)完成雙目視覺(jué)功能。圓柱形的光管確保兩邊的光路徑完全相同。瞳距則是靠沿光軸安置的鉸鏈裝置來(lái)調(diào)整。

（未完待續(xù)）

（責(zé)任編輯 張恩紅）