望远镜介绍之棱镜

531光电网 / 2008-05-09

棱镜指标

 

1.棱镜形式(Prism type)

 

        双筒镜的灵魂是一组棱镜 (2个).棱镜作用是将图像变回正立像. 

         传统普罗棱镜式 (Porro prism),(曲筒)型使用2个 45-90-45度直角棱镜内全反射原理,把光路折曲.其优点是构造简单,透光率高,而且物镜相距基线变长,双眼视差较大,图像较富立体感.用普罗棱镜望远镜来观察会改变我们习惯的透视感和体视感。一方面，距离感被压缩了，另一方面，立体感被增大。普罗棱镜式双筒镜也会影响我们对物体大小和距离的判决. 缺点是体积较大,看近处景物容易产生双重图像.此外系统结构不够紧密,光轴易歪,手感较差.

 

        普罗棱镜玻璃材质主要有2种,较佳折射率(光学密度指数)高的是BaK4 barium crown glass, 较次的BK7 borosilicate glass. Bk7棱镜折射率接近能产生全反射的下限，所以棱镜中心反射很好，但是在边缘的一小部分光线无法产生全反射而“泄漏”出去,导致出现出瞳光斑边缘存在卷影切边, 减低透光率.

 

        使用更高折射率的玻璃可以修正这个问题，使用Bak4玻璃的普罗棱镜效率可以达到同级最高，透光率可达或者超过94％。普罗棱镜系统在理论上十分有效，因为四个反射面都可以产生全反射，光线没有损失。

 

        倒置普罗棱镜式 (Inverted Porro prism)原理一样,只是把棱镜向内反屈,物镜比目镜更靠近一起,优点是结构较为紧密小巧,缺点是欠缺立体感.结构限制口径,一般质素亦较次级.

 

        另一种棱镜构形为直筒棱镜式 (Dach prism),亦为2个棱镜组合,但排成一直线.有Schimdt-Pechan Roof别汉屋脊镜式或 Abbe-Konig 式,结构比较复杂,需要精度亦较高,不易研制.

       传统上最常见的屋脊棱镜缺点很多.首先它的结构比较复杂,光线共内全反射六次.当中有一个界面无法产生全反射, 大部分光线会射出去而不是反射。所以需把这个反射面镀成镜面。开始用银，之后用铝 (不易被氧化影晌反射率）。自注氮防水镜普及后之后又用回银(反射率更高).不幸的是,银反射膜仍没有内全反射效率高，而用铝反射膜光度损失更到15％!

 

        此外,当光从镜面反射回来的时候,其相位会改变 (phase shift).一部份光会被部分偏振化(polarisation).当两束部分偏振化的光相遇互相干涉的时候，光度会再损失(破坏性干涉效应, destructive interference). 最终导致屋脊镜和同级普罗镜比就会暗一些,成像偏软.

        Abbe-Konig 式光路比五棱镜式简单,但只有蔡司生产. 它的长度要比施密特别汉五棱镜式长不少.Abbe-Konig棱镜的优点是不需要镀反射膜，所有的光线都可以用于全反射。结果透光率更高,达90%或以上,加上光线在棱镜内反射四次,比Pechan式反射六次为少.故此图像较同级Pechan式直筒镜光一点.但这种棱镜仍然有相位改变和干涉的问题，原因和Pechan式略有不同但是结果却一样严重,也会对亮度和分辨率造成影响.而且除新FL系列外, 其余产品在色差控制、锐利度表现上又似乎较差,不知何故.

 

        直筒镜优点是结构紧密,容易手持,较适合看近处景物如观鸟.缺点是价钱较昂贵,立体感不及传统普罗棱镜式机型.(顶级8x30 司华洛世奇直筒镜约6000元, 同厂8x30 普罗镜约4000元)而且看亮光源时容易出现十字星.然而随着观鸟活动普及,越来越多人选用直筒镜,其质素也随市场需求而提高,质素根本不会低过传统普罗型.

 

1.1 直筒棱镜镀膜(Prism Coating)

 

        在1988年, 前西德蔡司研制出了一种棱镜镀膜技术.它和增透镀膜十分类似------都由数层非常薄的高折射率材料构成,但厚度随距离中心而改变,技术要求极高. 它有效消除了Abbe-Konig 中的相位会改变问题. 别的厂商也很快把类似的技术应用到别汉屋脊镜式上以提高成像的亮度和分辨率.这些镀膜都叫做“相位修正镀膜, phase (correction) coating”,它至少使得Abbe-Konig 式（因为没有反射损失）可以和最好的普罗棱镜式达到相同的透光率（大于90％）和分辨率.Schimdt-Pechan别汉屋脊镜式的改进效果要小一些.但亦增加反差和分辨率.当然相位修正镀膜也有好有劣,不同厂商所镀膜也会有很大的差别。一些大厂如 L,S在90年代初推出相位修正镀膜别汉屋脊,而Nikon在97年中推出Venturer LX同类产品.真正普及大众化型的要到0l年初Olympus EXWPI上市.自此之后,相位修正镀膜成了一个重要技术指标.

 

        近几年,一些高端厂商把施密特别汉棱镜中的银反射面用非常复杂的高－低折射率材料混和镀膜 (dielectic coating)来替换. 此技术于90年代中开始应用于高端天文用 diagonal mirror (不是天顶棱镜),在一块完美光学平面上镀上数十层非金属镀膜,反射率升到空前的99+%.当然价钱非常昂贵,一个价钱二仟多港元!为了能够接近全反射的效果,可见光谱内的光必须被分成许多波段,不同镀膜层针对不同波段而设计. 最早使用的超过30层的镀膜增加了2％－3％的透光率,约02年上市.更新的产品应用了70多层的镀膜来增加别汉棱镜的透光率,使其光学水□终于达到了最好的棱镜系统.其镀膜好坏主要取决于把光谱能够细分到什么程度,这个细分的数量决定镀膜层数及制造工艺.

 

       关于增加2至3%反光率会否改善像质问题,小弟□比较过 Lumincon 96% 及 98% enchanced reflectivity diagonal mirror(价格相差很大) 发觉其反光率的确存有分别,稍注意已可看到.此外日间比较过 Leica 10x42 Trinovid (棱镜镀银,2001) and Leica 10x42 Ultravid (42 层 dielectic coating, 2003),平行比较下后者的确比前者稍亮及锐.

       以后一讲直筒镜,除了相位镀膜外,还有更高一级:dielectic coated 相位镀膜别汉棱镜!巿面上暂知有 Zeiss 32 FL (70多层), Leica Ultravid (42层)采用, Swarovski swarobright 镜款(30多层) 也应是dielectic coating.这也许可帮助解释什么是世界顶级名镜.

 

2.镜片镀膜(Coating)

 

        利用光学干涉 (Interference) 原理,一片镜片表面镀上一层适当镀膜可增加透光率,减少反光,加强反差.单层简单镀膜如 MgF2 呈蓝色,主要反射蓝光,透光率低,只约95%.而且色调偏黄.多层镀膜较佳,减低不同频率的光线反射, 透光率更高,最高可达99%以上!一枝镜筒内起码有10多个光学面,合成结果(O.99的10次方 v.s. 0.95的10次方)非同小可!

 

        最佳的多层镀膜应不会反射任何光线.实际上应呈暗紫红色 或暗绿色.此等镀膜不但改善透光率,抑制镜内光线散射, 而且增强清晰度.反而流行的平价红膜镜 (Ruby coating) 只会反射红色光,减低透光率,使图像呈现暗绿色,不适合日常赏鸟观星,只宜雪地上反光太强情况下使用.

 

        镀膜虽然增加透光率和改善反差(光暗位分明),但表面却容易受到霉菌侵蚀或易刮损,此乃其主要缺点.

 

3.锐利度(Sharpness)

 

        现代一般望远镜在日间中央视场的锐利度表现不致太差,试锐利度最好在观星场合.使用较高质机型看星应会呈现点状,而平价机型时星点则会化开.色差大的形号在锐利度的表现通常较差.以往没有相位修正镀膜处理的直筒镜在镜锐利度和光度上比普罗型差一些,但今天顶级镜已基本解决先天缺陷.

 

4.偏色,颜色还原度(Color bias, Color rendition)

 

         不同镀膜让某种光线通过较多,使视场偏向某种颜色,如较次级品种是偏暗黄.但欧洲高级机种如蔡司、徕卡(袖珍镜)都稍偏鲜黄色,但实际上却更感觉上视野较光亮,反差提升,予人一种世界是美好的感觉.此特质在欧洲光线不足的森林非常有用! 轻微偏色只是小问题,理应对观星没有影响,但会影响个人对某些品牌观感.无可否认,偏色会降低颜色还原度,这是取舍问题.当然严重偏色就会大大扣分.

 

5.通透清晰度(Image clarity)

 

        大部份平价国产镜都有一个通病,就是通透度比以往大有改善但仍不足,总是有种灰濛感. 最佳的双筒镜是在使用时完全感觉不到玻璃的存在! 这亦是一个重要评级标准.其成因颇复杂,包括镀膜、镜身设计、玻璃质素等等.但最失望的是某顶级机型亦.......

 

6.亮度(Brightness)

 

        影响亮度有三个主要因素:棱镜、镀膜、色调.色调偏青感觉上光度会低些而色调偏鲜黄恰好相反.优质镜在光度大体上都足够有余,格镜时无需要为一点点光度而作意气之争.只要是同级机型,像差、通透感、颜色差异往往更大更为重要.

 

7.眩光控制(Internal flare control)

 

        绝大部份袖珍镜和中型镜因机型所限,其机身内遮光系统不能把在低角度射入杂光挡掉,加上镀膜质素欠佳,在顺着阳光方向观景时光线在机身内部不规则散射,导致整个视场都被弥漫眩光所盖,严重影响观测效果.多层镀膜减低内反射可将眩光控制得较佳.较高级机型物镜前罩做得较长,发挥遮光罩放果,但仍不能完全解决问题.

 

        此外某些机型目镜片数较多,而镀膜技术又欠佳者,观看夜景时亦容易出现鬼影现像.

 

8.立体感(3-D effect)

 

        这个因素可说是传说中的指标.虽云普罗型的立体感较大,但即使是同级机型,所出来的效果又不是每只皆一样.记忆中应以CZJ 7X50效果最佳,Pentax 6x30 Mariner 也不俗.但即使是直筒镜,Leica 10x50BA感觉上又会比Zeiss Victory强一点.国产62式光学质素平庸但又带给我强烈立体感!95式光学质素合格但立体感又欠奉!这指标在正则帮助书中只字不提,故只能说是笔者自创之指标.不过若有一镜能带给我当年CZJ的立体感觉的话,我会立即去马!　

 

9.像差(Abberation)

 

A. 色差(Chromatic aberration)

 

        光线穿过玻璃时产生折射现象, 不同频率光线折射角度有别, 形成在高反差图像旁出现蓝/黄边. 色差问题在高倍率时尤其严重. 所幸双筒镜倍数较低, 色差问题不大. 改善方法是使用昂贵光学玻璃如 ED (Extra Low Dispersion, Nikon 于1972年推出), Fluorite 萤石镜 (Canon 于1969年大规模生产) 籍其高折射率抑压不同光线之折射角度,从而降低色差.但一些数千元的双筒镜都只使用普通玻璃而产生极佳成像.色差绝对是一个重要格镜指标.

 

B. 球面差(Spherical aberration)

 

        普通球面玻璃其性质使边缘光线不能聚焦在同一焦点上,越近边缘光线焦点越短.导致边缘松散.而且中央解像度及亮度也有所影响.解缺方法是镜内装设特殊研磨的非球面镜 (多个曲面),改善边缘变形情度.广角机型边缘有些松散不是问题,但要尽量避免.

 

C. 场曲(Field curvature)

 

        场曲指图像聚焦的焦平面是一块曲面.图像不会变蒙,但外围直线会娈成曲线!解决方法是在镜内加上平场透镜Field flattener.(如Nikon 7x50 Prostar)

 

D. 枕型失真(Pincushion effect)

 

        是另一种像差.图像不会变蒙,但越近边缘,图像会变形,像是倍率变大!然而像蔡司、徕卡、司华洛世奇等名镜这种像差是故意加上去的.因由在手持双筒镜横扫眼前树木风景时感觉反较自然(angular fidelity),而加上平场透镜的机型(linear fidelity)反而会出现浮凸效果!个人认为在广角机型下,除非外围变形极为碍眼,否则边缘直线是否够直没有实际意义.

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