光的世界︰【□○閱讀】折射式望遠鏡《六》

論語‧子路

子夏為莒父宰,問政。子曰:無欲速,無見小利。欲速,則不達;見小利,則大事不成。

閱讀往往需要循序漸進、由淺入深,貪快者常常欲速則不達。一路所言彷彿長而不當,不過祇是墊腳石而已。方便學習者能進出天下文章,無入而不可自得也。故此處惟文摘耳︰

雙筒望遠鏡

雙筒望遠鏡(或直接簡稱雙筒鏡,也稱之為野外鏡)是將兩個相同的或者鏡像對稱的望遠鏡並排連在一個架子上使得它們始終對準同一方向而製成的望遠鏡。使用者可通過它同時以雙眼觀察遠處景象 。雙筒望遠鏡比單筒望遠鏡提供更高的深度和距離感。雙筒鏡也可以成由兩個短的折射望遠鏡組合,用於觀看遙遠目標的設備。

最常見的雙筒望遠鏡的大小正好適合雙手托拿,它包括內部的反射系統,這個系統可以縮短望遠鏡的長度,使它短於透鏡的焦距。此外它還可以增大物鏡之間的距離來改善深度感。所有常見的雙筒望遠鏡是伽利略式的,或者使用稜鏡來呈現一個正像。

大的雙筒望遠鏡比較重,不易穩定地拿住,因此一般被固定在三腳架上或其它支柱上。在第二次世界大戰美國製造過非常大的(10噸),其物鏡的距離相當遠的(15米)大型雙筒望遠鏡來確定25公里以外的海上目標的距離。目前世界上最大的雙筒望遠鏡是位於美國亞利桑那州大雙筒望遠鏡Large Binocular TelescopeLBT)。

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典型的以普羅稜鏡設計的雙筒鏡
1 – 物鏡
2-3 – 普羅稜鏡
4目鏡

與單筒望遠鏡分別

與單筒望遠鏡相比,雙筒望遠鏡可給使用者一種立體感:它在使用者的每隻眼睛裡產生一個稍許不同的圖像,這兩個圖像在使用者的腦中合成一個有深度知覺的 總圖,使用者可以以此來估計距離。在使用時雙筒望遠鏡用起來也更舒服,使用者不必合上一隻眼睛或者使用一個擋板來避免視覺上的混淆。此外穩定地持和平穩地 移動雙筒望遠鏡比起持單筒望遠鏡更容易,因為雙手和頭部這三個點的可以形成一個穩定的平面,持單筒望遠鏡時這三點位於一線上。

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光學設計

伽利略式雙筒鏡

幾乎在望遠鏡剛發明的17世紀,就已經開始探索如何將兩隻望遠鏡平穩的架設在一起了[1]。早期的雙筒鏡都是伽利略式的光學設計,使用一個凸透鏡和凹透鏡來製做。伽利略式的好處是影像是正像,但是視野狹窄,放大倍數也不高。這種型系的結構目前依然使用在便宜的模型望遠鏡觀劇鏡上。

普羅稜鏡雙筒鏡

這是以義大利的光學工程師伊納濟歐·普羅為名的,他在1854年獲得了這項正立影像設計的專利權,稍後在1890年代卡爾·蔡司的光學公司使用兩個普羅稜鏡Z字型的排列製造出高品質的雙筒鏡。這型的特徵是有寬廣的視野,而物鏡端產生的分離在目鏡端予以良好的抵銷掉。普羅稜鏡的設計有摺疊光路的好處,使得有形的長度比實際的焦距長度短,而物鏡之間更寬廣的空間,產生了更好的景深感。

倒立普羅稜鏡式(Inverted Porro prism)的內部光路一樣,只是物鏡比目鏡更靠近一起。優點是結構較為緊密、小巧,而缺點是立體感不佳。由於受結構所限,口徑不大,一般來說質素較次。

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雙普羅稜鏡設計

屋頂稜鏡雙筒鏡

使用屋頂稜鏡設計的雙筒鏡也許早在1880年代就已經由阿基里·維克托·埃米爾設計出來了[2]。多數以屋頂稜鏡製做的雙筒鏡不是使用阿貝-柯尼稜鏡(以恩斯特·阿貝艾伯特·柯尼為名,卡爾·蔡司在1905年取得專利)[3],就是施密特-別漢稜鏡(在1899年發明)來摺疊光路和使影像正立。與普羅稜鏡比較,他們的視野較狹窄,結構較複雜,價格也較昂貴,物鏡和目鏡幾乎就在一條軸線上。

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阿貝-柯尼”屋頂稜鏡”的設計

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機械設計

對焦和調焦

使用雙筒鏡觀看的物體,距離不是固定不變的,所以必須有聚焦的 功能。傳統上,有兩種不同的方法來調整焦點:”獨立調焦”(IF)和”中央調焦”(CF)。”獨立調焦”的雙筒鏡在個別鏡筒的目鏡上都可以改變與物鏡的距 離。被設計在惡劣環境下使用的雙統鏡,如軍用的,都會使用獨立調焦。另一種類型為中央調焦,由一個中央調焦的輪軸同步改變兩個目鏡與物鏡的距離,之後可以 進一步對二個目鏡中的一個進行調整,以校正兩眼之間的差異(通常在目鏡的基座上調整),也就是屈光度的差異。因為可以一次對兩眼近型調整 ,所以一般的使用 者偏好此一類型,特別是個人專用的情況下,因為一旦作過屈光度的調整之後,在重新對不同距離的物體聚焦時,只要透過中央的調整輪就可以一起移動兩個鏡筒的 焦距,而不用再調整目鏡了。

也有稱為”自由焦點”或”固定焦點”,不需調整焦距的雙筒鏡。因為它們的景深從足夠近的距離直到無窮遠,而且能確實的將影像維持在一定的品質上,特別是在中間的距離上(不全然是如此)。

變焦雙統鏡在原則上是一個很好的想法,但在實務上並很難製做出高品質的產品。

現代的雙筒鏡多數絞鏈的結構,可以配合觀測者兩眼調整目鏡間的距離,舊型的則缺乏此種功能。

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觀劇鏡

觀劇鏡,也稱為戲劇雙筒鏡伽利略雙筒鏡,是一種小型、低倍率的光學放大裝置。他的名稱來自於他經常執行的事件,通常使用在觀賞戲劇的場合中。為了避免影像的抖動和維持足夠大的視野 [來源請求],放大倍率通常低於5倍,最常見到的組合是3倍[來源請求]。許多現代觀劇鏡的設計仍然是基於19世紀流行的附有手持長柄的形式。

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珍珠母觀劇鏡和皮套。

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