双筒望远镜（一）

2014-04-17编译任萃毅

天文爱好者 2014年10期

□ 编译 / 任萃毅

双筒望远镜（一）

□ 编译 / 任萃毅

常常碰到一些朋友向我咨询买什么样的望远镜好？他们中大多数人真实的目的很简单——给自己或孩子随便看一看。倘若你向他们大谈特谈那些单筒望远镜(折射、反射或折反射望远镜)，结果往往会把人家吓了回去——单是那些“配件”(赤道仪等)就够折腾人的。如今，每当遇到此类询问，我更倾向推荐双筒望远镜。

对于双筒望远镜，我自己也有个曲折的认知过程。1990年代我曾使用过一些现在看来属于劣质的双筒，那糟糕的成像带来的是许久都挥之不去的心理阴影，及至后来热衷天文摄影，其间虽曾使用双筒寻星或辅助观测，但意识形态上已经对双筒之类的目视不屑一顾了，这种状况直到近些年才逐渐改变。

随着材料和工艺的提高，双筒品质和性价比也有了很大程度的提升。就技术含量来说，双筒的制作加工一点也不比单筒望远镜简单，某些光学指标甚至比后者高很多。

抛开那些大口径、重型双筒姑且不提，双筒便携且使用简单，如果你不想错过那些转瞬即逝的目标（不一定是天象），那双筒是不二的选择。即使是一架中小口径的双筒望远镜，也能让人在数年间痴迷于星空。2014年5月期间我带着借来的一台10×50双筒在澳洲中部沙漠里来了一场星空大饕餮，至今念念不忘。据说国外有人用10×50双筒横扫了几乎全部的梅西叶天体（在良好的暗夜环境下这是可能的）。

高端的大双筒更是让人觉得目明星锐，欲罢不能。我曾有幸使用过一架德制100mm口径的APM双筒观测猎户座大星云M42，通过它展现在我眼前的是一个全新的M42，之前用单筒望远镜观测时隐匿的那些细节一一显现，此刻我终于体会到什么是“摄人魂魄”。双筒望远镜可不仅仅是个消遣物，某些方面优势使之成为专业天文爱好者的“制式武器”。用双筒观测时，双眼目视的立体感会让你切切实实地感受到天体的存在，而非虚无缥缈。视野宽广的大双筒特别适合搜彗，用它们观看那些大彗星，往往会带来超震撼的视觉

元啪〃诖宵”悭枚琐免…健涧×镙幂穴卦（George Alcock）和百武裕司，他们都曾用双筒做过实测。

有那么一些人，他们的目的纯粹就是“看一看”，甚至热衷于此，他们这种“看一看”的快乐或许让你看不上眼，甚至觉得他们连“业余爱好者”都算不上。遗憾的是，直到多年之后我才明白这种思想的错误，因为无论是拍摄还是观测，目的只有一个──那就是对过程的享受，只要能找到属于自己的快乐便是好事一桩，由此醉心于双筒同样名正言顺。

2013年，《天文爱好者》编辑部的老师向我推荐了英国天文科普作家史蒂芮×掊酊)Tufqifo!Upoljo＊唱猝》啡箴孱有望远镜》（Binocular Astronomy）一书，我以高中之后就无长进的英语水平，费九牛二虎之力，历时约一载，将其粗略地阅览了一遍，受益匪浅，让我彻底改变了先前对双筒望远镜的浅薄之见。本文也以此书为蓝本，与读者共飨其中的一些观点，目的是希望大家在购镜之前对双筒望远镜的光机结构、选配、性能测试、保养与维护等知识有个初步了解。文中不妥或错误之处，希望读者朋友批评指正。

何为双筒？

之所以用“何为双筒？”为文章开篇的标题，是想在这里厘清一些基本概念。

问题1 双筒与双目?

本文所提及的双筒是指那些由一对“物镜—目镜”系统组合而成的望远镜，这种称为“双筒”。还有一类，就是主镜是单一的一个折射或反射镜，目镜端通过一组光学系统分离成两个(类似很多双目显微镜)，这种称之为“双目望远镜”。很多人常常将此二者混为一谈，而实际上这两者光学结构等区别很大(图1.1)。

图1.1 左：笔者使用的普罗棱镜式双筒，它有一个大大的棱镜室；中：笔者使用的屋脊棱镜式双筒，与普罗棱镜式双筒不同的是，它的物镜和目镜位于前后一条直线上；右：双目头，使用时接在单筒望远镜上，而用双眼观测。

问题2 双眼视物的优势

有一点是公认的，也是被实验所证明的，那就是：在黑暗环境中，双眼视物比单眼视物的灵敏度阈值要低1.4倍，即所谓的“双眼总和”效应（也称“神经加合现象”)，该数值可以从统计学和生理累加两方面得到。

统计学：

用人眼去捕捉一个暗物体发出的光线时，假设单眼捕捉到目标的概率值稍高于0.5，譬如是0.6，则计算表明，这时双眼的反应阈值比单眼低1.4倍，算法如下：

则双眼反应阈值与单眼反应阈值比为：P双眼/P单眼=0.84/0.6=1.4。

生理累加：

从本质上讲这其实就是在提高信噪比（SNR）。双眼中任意一只眼的信号增加，相对应的随机神经噪音就被削弱，相关理论计算证明此时SNR值提高了，即大约1.4倍。

从“双眼总和”效应中还可以发现，用双眼视物可以同时提高视觉的敏感度和对比度，这在我们验光时很容易体会到——测试视力时我们被要求“睁一眼闭一眼”。如果用两只眼去看，原本单眼看不清的字可能会变得清晰！同理，使用双筒时此类现象举不胜举，例如观测原本模棱两可的景象，或是辨析一颗双星，也遵循“双眼总和”原则。当然，上述结论建立在一个基础上——双眼必须有良好的矫正视力，如果两眼中的一只眼睛视力很差，则双眼看到的影像总质量要比视力好的那只单眼看到的质量差，这种情况也会影响到双筒的使用。

双眼视物还有一个额外的好处──立体视觉。虽说天体距离我们异常遥远，观之不可能产生真正的立体感，但如果用双眼去看就会产生“立体”的错觉，恰好有助于审美。

人的眼睛有盲点，所谓盲点就是视网膜的某些位置上视神经有缺失，盲点会导致视野中那些小目标（例如暗淡的小星点）不被眼睛所感知，但如果用双眼去观测，左右眼能相互消除对方视物时的那些盲点，这也是双眼视物的一大优势。

图1.2 双眼观测天体可以产生立体“错觉”

问题3 双筒的分类

如图1.1，依据正像棱镜的不同，双筒望远镜主要分为普罗棱镜式（Porro prism）和屋脊棱镜式（Roof prism）两大类。下文将对这二者的特性做客观的描述，至于具体选择哪一类型的双筒，读者可以根据自己的实际情况做出取舍。

双筒的光机结构

双筒望远镜的光学系统主要由三部分组成：

物镜组：接收来自物体的光线并在像平面成像。

目镜组：将物镜组所成的像转变成人眼可见的像。

正像镜组：现代双筒中正像系统多由棱镜组来完成（图2.1），为此某些大双筒的目镜需要做成与主镜筒呈45°或90°转出，而且棱镜的档次也往往决定双筒的品质等级。

图2.1 两类棱镜式双筒的光路

图2.2 屋脊棱镜双筒光路剖面示意图

图2.3 普罗棱镜双筒光路剖面示意图

物镜组

物镜组通常由两片或更多片消色差或复消色差透镜组成。消色差双合透镜是目前双筒的“标配”。高品质或大型天文观测用双筒则多为三片式复消色差透镜。除此之外，有时会添加其他透镜用以消除球差、彗差和场曲等像差。消色差透镜可把两束不同波长(颜色)的光线会聚于一个焦点，最普通的消色差双合透镜由前面一片冕玻璃做的双凸面透镜和后面一片火石玻璃做的、起弱发散效果的透镜组成。现代消色差透镜多用低色散(ED)玻璃制成。还有复消色差透镜，它能将三种波长的光线汇聚于一个焦点，其材质往往是昂贵且易碎的萤石玻璃。

对于大口径双筒，由于其焦比通常比较小，一般在f/5，甚至更小，所以色差能否控制得好是首先要考虑的。各类像差后文将有详细介绍。

目镜组

现代双筒的目镜的镜片数在3片或以上，组数在2组或更多。目镜中最普通却堪称“尊者”的凯尔纳（Kellner）目镜，其历史可追溯到1849年，它的场镜是一块双凸透镜，接目镜则由两块透镜组成。逐渐普及的是一种由埃德蒙科技公司（Edmund Scientific Company）的David Rank在1975年提出设计的、在凯尔纳目镜基础上的改进型，这就是RKE（The Reversed Kellner eyepiece）目镜。它的镜片结构样式与凯尔纳目镜正好相反，前端为双合透镜，后面为一个双凸透镜，所以也被称作反向凯尔纳式目镜。这种目镜的视场可达50度，较凯尔纳式的45度稍有增加，镜目距（出瞳距离，后文有详述）也比凯尔纳式增加了许多。大视场双筒通常使用改进的埃弗利(Erfle)目镜，采用3组、每组5或6枚镜片（图2.4）。它有着宽达70°的视场，但当视场超过65°时镜目距往往变差。

图2.4 常见的双筒目镜

棱镜组

多数单一的“物镜－目镜”体系得到的是与实景上下左右颠倒的成像，棱镜组的作用就是把颠倒的影像保质保量地转成正像。另外，由于棱镜折叠了光路，所以双筒才有了这种与众不同、便于手持的短筒形象。前面说过，大多数双筒统归于两种样式：普罗棱镜式和屋脊棱镜式。

1 普罗棱镜（Porro prism）

普罗棱镜组是由两块塑造成等腰直角三棱镜的底面拼合而成，这两个面的棱边必须严格垂直，此一点尤为重要，如果拼合误差较大，就会产生明显的图像旋转（术语称为“像倾斜”）。像倾斜的角度可以达到错位角的2倍，且方向相反（假设顺时针方向上安装误差0.5°，则影像逆时针方向偏转1°）。普罗棱镜的光路如图2.5－a，2.5－b是用于校准普罗棱镜像倾斜的仪器。

图2.5 a：普罗棱镜中图像发生上下左右翻转（以红线为基准，对比一下入射光和出射光中其他两条线的位置）；b：用于校准普罗棱镜像倾斜的仪器

图2.6 未开槽与开槽的普罗棱镜

采用短焦比的物镜时，那些与光轴不平行的光线在普罗棱镜的底面上会产生一次内反射（图2.6-a），最终从棱镜中出射的光线经过了三次反射，因这些光线而产生的“杂光”会降低影像的对比度。解决的办法是：在普罗棱镜底面中心线上开一条槽，便可有效地消除这些添乱子的杂光（图2.6-b）。开槽棱镜可是高品质双筒才具备的特征。

图2.7 BK7和BaK4玻璃。例如，当光线以41°角入射，在BaK4玻璃中发生全反射，但在BK7玻璃中有部分光线折射损失。

棱镜的玻璃材质是值得一番说道的。一种是硅酸硼冕玻璃BK7(“BK”源自德文“Borkron”)，另一种是品质更好的钡冕玻璃BaK4 (“BaK”源自德文“Baritleichtkron”)，后者折射率更高。折射率相对高的临界角相对越小，BaK4的临界角为39.6°，BK7为41.2°，较大的临界角会因折射而损失部分光线（图2.7）。特别是那些焦比在f/5或更短且大视场的双筒，两种材质做出的棱镜差异更加明显。物镜边缘那些没有被全反射的光线会给成像带来渐晕，这种情况很容易检测——将双筒对准明亮的天空或其他面光源，然后观察出瞳光斑就会发现，采用BaK4玻璃的双筒是一个完美的出瞳亮斑，但用BK7玻璃的双筒出瞳光斑边缘会出现明显的蓝灰色阴影切边（如图2.8）。对于屋脊棱镜来说，采用BK7或BaK4玻璃出瞳光斑的差异可以参照李龙涛先生的网文：BaK4和BK7的区别（屋脊棱镜篇）。注意：不同类型的双筒判断方法不能随意相互照搬。

图2.8 出瞳光斑。 a：BK7玻璃；b：BaK4玻璃

2 屋脊棱镜（Roof prism）

屋脊棱镜有很多种，常见的是施密特—别汉屋脊棱镜（Schmidt_Pechan prism，图2.9）。它由一块剖成一半的五棱镜（别汉棱镜，能45°转向，图2.10-a）和一块施密特屋脊棱镜组成（图2.10-b），光线在此经历了六次反射（普罗棱镜是四次），从而转成正像。

采用屋脊棱镜组的双筒的优点是：

光线自前端进入，后端出射，形成几乎“直通”的转像结构。这种“直通”光路结构紧凑，屋脊棱镜式双筒整体给人的感觉就是简洁、小巧。

分量轻，同等规格的前提下，屋脊棱镜双筒更轻(图1.1中两款BOSMA双筒，普罗型的重1072g，屋脊的重912g)，镜筒瘦小，拿握灵活，符合人体工程学，长时间手持也不会手腕酸累。

图2.9 施密特—别汉棱镜光路图

采用内调焦，所以防水性好。内部充氮的双筒在水汽大的环境下不会结湿起露，而且在观鸟或看比赛中即便遭受雨淋，也不大会有水渗入。

图2.10 a：半五棱镜（别汉棱镜，45°转向）；b：施密特棱镜。图像发生上下左右翻转，主轴偏转了45°。

不过，要达到与普罗棱镜相媲美的光学质量，屋脊棱镜造价更贵。首先，屋脊棱镜加工精度要求很高，特别是屋脊夹角，它的制作公差（2″）要比普罗棱镜（10′）高很多，两者相差300倍！之所以要求这么高的精度是因为光束在进入屋脊面之后，会一分为二，经过两次反射后理论上应该重新合成一个点，但是如果屋脊面夹角超出允许的公差，则两束光线就无法合成一个点，轻则影响分辨率，重则导致显著的重影。尤其是天文观测，星点质量明显变差。

图2.11 镀膜前后对比(图片源自网络)

别汉棱镜有一个面无法通过全反射来反射光线，通常在这一面镀了铝或银来提高反射率，但是铝和银对不同波长的光线反射率并不相同，这就会产生偏色和成像亮度下降两个问题，为此，就要靠镀膜来解决。而镀膜可不是简简单单的一层，可多达几十层，它们把可见光的波长分成几十个小波段，每层膜负责特定波段的光线，这样一来，反射光的整体曲线才变得较为平坦，而且反射率非常接近100%（图2.11）。

另外，光波的光束在屋脊棱镜内分离并重组的过程中会发生干涉现象，导致对比度降低。通过在棱镜表面镀“相位膜”可以改善这种情况，这类双筒往往用“PC”（Phase Coating：相位膜）来标识。

同时，这种“直通”式结构很大程度上限制了双筒的口径，因为物镜中心间距不能大于观测者的瞳距。

因为上述几项原因，自然而然地抬高了屋脊棱镜的成本，这也再次说明光学产品真真是“一分价钱一分货”。

随着使用45°或90°曲角目镜的双筒天文望远镜数量的增多，出现了种类繁多的棱镜的组合，例如普罗Ⅱ型棱镜配半五棱镜做45°转像、或与五棱镜组合成90度转像；还有一种由施密特屋脊棱镜和斜方棱镜组合的45°转像系统；一些顶尖级双筒望远镜采用的是阿贝－柯尼屋脊棱镜（Abbe- Koenig roof prisms，图2.12）。