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双筒望远镜的棱镜技术

棱镜在(望远镜的)光学设计是无可避免的,如果不是为了能够看着正立(而不是倒立或者平躺着)的图像,不是我们与生俱来习惯于观察正立着的景物的话,双筒望远镜和单筒观景望远镜中根本就不需要棱镜。

人用鸡做过试验(我记得这个试验也有人自己做过),给鸡带上特殊的可以转像的眼镜,让它看起来世界是颠倒的。在经历了几天的跌跌撞撞以后,大部分都很快适应了这个倒立的世界而不会对行为造成任何不便,和正常鸡没什么两样。如果鸡都可以适应这样倒立的世界,那么我们人类也是可以的,很多习惯于使用天文望远镜的天文爱好者也展示了类似的能力,他们习惯于使用只有天顶镜的望远镜,这样的望远镜左右是颠倒的(上下正立)。

至于剩下的大多数人,包括你我在内,还是更愿意看着正立的景物,如果不能以大脑来完成对景物的纠正,那么就要用别的办法,这就是现代棱镜望远镜所采用的棱镜转像系统。

棱镜具有这样的能力是因为它可以“弯曲”或者更科学地讲,在几个面之间反射光线。当光线以特定角度从玻璃(光密介质)射向空气(光疏介质)的时候,有一些会被反射回来,其余的射出去。要理解这一点,想象一下这我们在窗外看屋里的感觉。反射光线的比例取决于入射角和玻璃的折射率。折射率是用来描述玻璃对光线的折射能力的(等于真空中光速比玻璃中的光速),它和玻璃的密度紧密相关。棱镜比较有趣的一个特性是在入射角大到一定程度的时候(这个角可以由玻璃的折射率算得),从玻璃射向玻璃-空气交界面的光线会被全部反射回来而回到棱镜内部,这称为全反射,完美的内部反射。

全反射的应用可不仅仅局限于棱镜,光导管,光导纤维都是它的重要应用

普罗棱镜转像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

但事实上,廉价普罗棱镜望远镜所用的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。如果你观察出瞳光斑(举起望远镜,远离自己,观察目镜中的那个亮斑)就会发现,使用Bk7棱镜的望远镜出瞳光斑边缘存在阴影切边。
使用更高折射率的玻璃可以修正这个问题,使用Bak4玻璃的普罗棱镜转像系统效率可以达到同级最高,透光率达到90-95%。

另外普罗棱镜还有另外一个特性,由于光路产生了“Z”形的转折,普罗棱镜望远镜的外观也往往会变成此形状。入射光瞳和出射光瞳不在一条直线上,一般来说入射光瞳(物镜)会比出射光瞳(目镜)分开多很多)。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。同理,普罗棱镜望远镜也会影响我们对物体大小和距离的判断在望远镜发展的很早期就有了屋脊棱镜,它可以让出射光和入射光保持在一条直线上。它的镜筒是直的,距离感,体视感,大小感等也比较接近肉眼一些。

(关于屋脊棱镜的优点以后将会另文介绍,观鸟爱好者中屋脊镜的流行主要原因就是上面提到的普罗望远镜和屋脊望远镜成像的大小感不一。鸟在屋脊棱镜望远镜里面看起来会显得大一些,实际上并不是真的大一些,如果测量一个8倍普罗和一个8倍屋脊所成像,会发现大小一样。但是我们确很难让自己的大脑接受看到的实际是一样大的物体。我有一个朋友定量研究了此现象,他把感觉到的物体大小和物镜之间的距离联系了起来。在这点上,反向普罗棱镜望远镜,也就是物镜距离比人双眼距离还要近的望远镜,这个现象体现得尤为突出)


屋脊棱镜还有一些别的方面值得注意,在最常见的屋脊棱镜:施密特别汉棱镜中,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。所以我们必须把这个反射面镀成镜面。一个薄金属反射层可以让光线产生反射。开始用银,直到铝开始大量生产(铝的好处是不会像银那么快氧化而降低反射率)。大部分高级屋脊棱镜望远镜又回到银镀膜因为其反射率更高,对于充氮密封的望远镜,银也不易氧化。

不幸的是,哪怕是最好的银反射膜也没有全反射效率高,总会有些光线损失掉。镀铝的棱镜光损失可以达到15%,直到不久以前,屋脊棱镜望远镜的亮度仍然无法和普罗在对比中抗衡。

另外,当光从镜面反射回来的时候,其相位发生改变。我们可以把光波看成是一束呈现各个方向震动的波,当从镜面反射回来,它会被部分偏振化,在水平方向震动的波能量会更高一些。一部分能量(亮度)和一部分信息(分辨率)被损失掉了。当两束部分偏振化的光相遇互相干涉的时候,这种损失会更大。

如果我们不采取任何措施,那么屋脊棱镜望远镜和同档次普罗望远镜比就会暗一些,成像软一些。前面提到了,观鸟者更喜欢用屋脊棱镜望远镜哪怕其成像要略差一点,因为它的透视感和操作感更好一些,所以更昂贵复杂的屋脊棱镜望远镜被设计出来。
屋脊棱镜望远镜还有另外一种结构,叫做阿贝-Konig,这是来自蔡司的一种独特的结构,它的长度要比施密特别汉大不少。比如蔡司 7×42


阿贝?D?DKonig棱镜的优点是不需要镀反射膜,所有的光线都可以应用全反射。这意味着在对比中其会比施密特别汉棱镜具有更高的亮度。

但这种棱镜仍然有相位改变和干涉的问题,原因和施密特别汉棱镜略有不同但是结果却一样严重,都会对亮度和分辨率造成影响。

在80年代,蔡司研发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,它有效消除了阿贝?D?DKonig棱镜中的相位改变问题。 别的厂商也很快把类似的技术应用到施密特别汉棱镜上以提高成像的亮度和分辨率。

这些镀膜都叫做“相位镀膜”,它至少使得阿贝-Konig棱镜(因为没有反射损失)第一次可以和最好的普罗棱镜达到相同的透光率(大于90%)和分辨率。就我个人经验而言,施密特别汉棱镜的改进效果要小一些,这种改进包括增加反差和分辨率。

最后的发展在近几年,一些高端厂商尝试把施密特别汉棱镜中的金属反射面用非常复杂的高-低折射率材料混和镀膜来取代,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,每个波段针对其设计的镀膜

最早使用的超过30层的镀膜增加了2%-3%的透光率,更新的产品应用了超过70层的镀膜来增加施密特别汉棱镜的透光率,使其达到或者超过了最好的普罗棱镜和阿贝?D?DKonig系统。


所以现在我们有三套高效率的棱镜转像系统可供选择:普罗棱镜,相位镀膜的阿贝?DKonig棱镜,相位镀膜和非金属多层反射膜的施密特别汉棱镜系统

无须置疑的是,正如多层镀膜成为了业界的一个标准而推广开来,然后是相位镀膜得到普及在大多数屋脊棱镜望远镜上得到应用,施密特别汉棱镜的非金属多层镀膜也会四海开花,从贵族产品走向更加廉价的产品,这一切将在今后的5年内发生。

不过请记住,正如多层镀膜也有高低之分,相位镀膜也有好有坏,今后可以预见的是,不同厂商所生产同样标称“非金属反射膜”的镀膜实际也会有很大的区别。就我个人的理解,其好坏主要取决于把光谱能够细分到什么程度,这个细分的数量将决定镀膜层数和膜层的制造工艺。各家的“非金属反射膜”是不一样的,而且永远不会是一样的东西。

设计者选用哪种系统取决于价格和光学效果的目标,最廉价能达到最好效果的永远是结构简单的高级普罗棱镜。相位镀膜的Abbe Konig棱镜系统对于具有更高预算,要求全尺寸望远镜的用户来说是一个很好的选择,而且随着Zeiss Conquest 40mm系列的推出,这种产品价格第一次降到的中价格望远镜水平。而带有相位镀膜,非金属反射镀膜的施密特别汉棱镜望远镜现在出现在高价的全尺寸,中尺寸以及袖珍望远镜中。

最后,对于这几种棱镜构造来说,今天的技术使得它们已经不再具有透光率的差别,简言之,透光率已经不是大问题。
出处:无忌论坛

 

 

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