〖2005-9-27〗〖转帖〗望远镜视场大小分析！

Knight

视场是双筒望远镜的一个很重要的技术指标。我们经常说的视场其实包括两个概念：实际视场和表观视场。他们之间的关系是：实际视场＝表观视场/放大倍数。实际视场一般用角度或者千米外的视场跨度来表示，借助三角函数可以很容易地进行换算。比如贝戈士8x30的视场标注是：150/1000m,换算成角度是8.5度，表观视场为8.5x8＝68度（可能会有少许误差）。
表观视场是相对于人眼的张角大小，通俗地讲就是视场看起来有多大。由于是人眼的直接感觉，所以对于使用者来说还要重要些。但是遗憾的是厂商一般不在产品上标注这个数据，好在有了上面的公式算起来是很方便的。俄罗斯望远镜的一个特点就是各种望远镜都成系列。同系列的表观视场都基本一致，比如贝戈士系列为66度左右。高倍系列为72度左右，袖珍系列为60度左右，全天候系列为58度左右。广角系列（特制极品）为76度左右。望远镜的表观视场如果大于60度（也有别的标准），可以称为广角。对于广角，存在两种观点，一种认为人眼的视场大约是50度，视场不小于这个值就可以了，最重要的是要保证清晰，主要的西方厂商都持这个观点，所以他们的产品一般都不在广角上下功夫，一般都中规中矩，把表观视场做到50-60度，其实厂商并非不能做大，很多时候是把成像稍差的边缘部分人为遮掉了。我觉得这倒是没有必要。不过也有例外，比如著名的leitz望远镜，6x24的视场达到12度多。表观视场72度。是一个很小巧成像很好的广角望远镜，可惜现在不生产了。另一种观点是认为，广角的边缘虽然成像不很好，但是有总比没有强，而且广角本身和中心视场的分辨率没有矛盾（比如俄罗斯迷彩广角的中心成像就很好，据我比较好于贝戈士）。本人就支持后一种观点，因为广角不仅看起来敞亮，而且会给目标搜索带来很大的便利，追踪移动物体以及看大场面的演出或者球赛更是不可少。找到目标要仔细看只要移到视场中心就可以了，更何况人眼周围感光细胞的分表率本身就不如中心的黄斑区（周围是杆状细胞，对微弱光线敏感，但是色觉和分辨率远不如中心的锥状细胞）。所以我希望一方面俄罗斯能够完善广角望远镜（说实在话，那个外观我不太喜欢，迷彩的外皮不如改成同厂的高倍系列的外皮，目镜和调焦各部分的配合也总觉得松垮垮的，背带环更不用说了）。也希望西方名厂和能够重新生产高质量的广角望远镜。但是有一点就是不能为了广角过度牺牲别的方面的性能（比如有一种7*50的广角望远镜体积重量都非常大，稍后我将解释原因）。
上面说了这么多，那么我们来看看是哪些因素影响了望远镜的视场尤其是表观视场。望远镜作为一个串列的光学系统，每个部分都会影响它的性能，同时也存在着瓶颈效应，比如一个广角的目镜装在很小的接口上视场还是大不了。望远镜的目镜，物镜，棱镜都会影响表观视场。
首先是目镜，目镜对于表观视场的影响是最直接的，特别是对高倍望远镜，实际视场比较小，物镜和棱镜的影响是可以忽略不计的。目镜的结构主要有几种：最低档的望远镜用的是两片两组冉司登结构R（为方便说明其结构，用1-1表示其构成,以下同），可用视场为35-45度，色差和像散都很大。稍好一点的有凯尔纳目镜K（2-1，或者1-2），视场有40-50度。阿贝无畸变Or（3-1），普罗素目镜PL（2-2）在表观视场不大的较好望远镜里也有采用。其中俄罗斯全天候望远镜的目镜就是阿贝无畸变的变种，但是好像人眼反而不太适应这种边缘不变形的感觉。在中高档望远镜里采用最多的是ER爱乐弗目镜（2-1-2），可以有60-75度的视场，但是边缘像散较大。国外的高档望远镜包括顶级产品也大多采用这种结构或者其变体（如6片结构）。由于望远镜主要是肉眼观测器材，所以其边缘的像散可以忍受。以上这些目镜最晚在本世纪前期就都出现了。另外，在天文领域，从80年代开始出现了一系列新型的目镜，比如televue的nagler目镜，可以做到82度非常平坦的视场，边缘像质依然优秀，像散比Er低一个数量级。要是有一天能够装到双筒望远镜上。。。。。。（当然价格也是很荒诞的）。此外俄罗斯有种对空指挥用的15x110大双筒，目镜表观视场达到了将近90度！(8片5组1-1-2-2-2结构）。类似的产品我国军队里也有装备。南京天文仪器厂也曾经生产过几种超广角目镜，我用过一个用于观测人造卫星的广角望远镜，实际视场达到17度，表观视场超过80度，边缘的像质仍然不错，不过这个目镜的直径有6cm多。此外，目镜最外片的直径和出瞳距离也会对表观视场产生影响，如果出瞳很大，那么最外片的目镜片也必须较大。
相对而言，物镜和棱镜对望远镜视场的影响时次要的，但是在中低倍时却往往起着制约作用。这是由于在低倍时实际视场比较大的缘故。物镜出射的光束向后逐渐收缩，在焦平面上形成一个和实际视场对应的亮圆。如果实际视场很大，那么这条光路就会收到棱镜的遮挡，而增大棱镜就会使望远镜的体积和重量都增大很多。美国海军曾经少量装备过一种视场为10度，表观视场为70度的广角7x50望远镜，用了很大号的棱镜，物镜焦距也比较短。结果就是体积（宽度和厚度）要比一般的望远镜大了很多，重量更不必说。如果一个7x50 10度望远镜的物镜焦距是20cm,它的焦平面跨度就是3.5cm,棱镜的底边长至少也有7公分，如果要求棱镜完全不遮挡视场（实际上的望远镜很多都会有一点遮挡，只是不明显而已），那么棱镜底边就需要有8公分以上。这种矛盾在望远镜倍数越低，口径越大时就会越突出。此外，口径越大，就好痹徽相机的光圈越大，周围的像质就会越差，可用视场会减小。所以，对于中低倍望远镜来说，口径越大，视场越小。（这一点很多人都搞错了！）这就是为什么8x30的 62有8.5度的视场（68度表观），而7x40的95就只有8度（56度表观）。而西方普遍装备的航海和军用7x50望远镜（其实也包括中国的装备73。74。zeiss jena 7倍）视场都只有7度到7度半（50度左右的表观）。这就是视场不得不对体积重量做出的妥协。其实广角望远镜最大的设计难题往往不在于目镜组的设计，因为目镜组设计比较成熟，往往是现成的，直接根据需要从手册里选取稍加以改动就可以用。难题往往在于物镜，棱镜，目镜的配合，使得视场的遮挡尽可能少而棱镜体积又不会太大，同时不损害其他的性能。这就象搭配电脑，最难做的不是找一个快速的cpu，而是让各部分性能尽量均衡以便能够发挥出各部分应有的性能。从这点讲，俄罗斯的广角系列的光学设计是很成功的，采用了稍大的棱镜，加上缩短棱镜室的长度配合广角目镜。据说连南光3304的总工看了都赞叹不已。如果加上多层镀膜和更好的外观工艺就完美了。
此外，对于透镜转像的望远镜，其视场要受转像透镜组的制约，往往视场相对较小，而对于变倍望远镜，它的表观视场也是随着放大倍数的变化而变化的，一般在低倍端表观视场较小，高倍端较大。