双筒望远镜

双筒望远镜（binoculars）简称双筒镜（binos），也称野外镜（field glasses），是将两个相同或者设计对称的折射望远镜并排对准同一方向并并联组装制成的望远镜。与单筒望远镜相比，双筒望远镜可以让使用者保持视差产生双眼视觉，并且通过重叠双眼各自的不同视野形成立体视觉在观察远处景象时提供更好的距离感。因其适用性，双筒望远镜被广泛使用于各种野外运动、军事、观赏体育、观剧、测绘和天文观测活动中。

常见的双筒望远镜大小通常正好适合双手托拿，其中一些袖珍型号甚至可以单手使用。双筒望远镜通常会采用不同于普通望远镜的内部反射系统设计，以便缩短望远镜的长度使其短于透镜的焦距，此外还可以增大物镜之间的距离来改善深度感。现今常见的双筒望远镜通常分为普罗棱镜设计和屋顶棱镜设计两类，前者使用两组错开排列的三棱镜，优点是可以提供很大的放大倍数且可以实现变换倍数，但通常镜身整体会很宽很重；后者则使用两组五棱镜，主要分阿贝-柯尼棱镜和施密特-别汉棱镜两种设计，优点是整个镜身较为平直紧凑，但放大倍数有限且无法实现变倍。

大的双筒望远镜因为较重不易稳定手持，因此一般被固定在三脚架上或其它支柱上。在第二次世界大战中美国制造过非常大的（10吨），其物镜的距离相当远的（15米）大型双筒望远镜来确定25公里以外的海上目标的距离。目前世界上最大的双筒望远镜是位于美国亚利桑那州的大双筒望远镜（Large Binocular Telescope，LBT）。

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## 与单筒望远镜分别

与单筒望远镜相比，双筒望远镜可给使用者一种立体感：它在使用者的每只眼睛里产生一个稍许不同的图像，这两个图像在使用者的脑中合成一个有深度知觉的总图，使用者可以以此来估计距离。在使用时双筒望远镜用起来也更舒服，使用者不必合上一只眼睛或者使用一个挡板来避免视觉上的混淆。此外稳定地持和平稳地移动双筒望远镜比起持单筒望远镜更容易，因为双手和头部这三个点的可以形成一个稳定的平面，持单筒望远镜时这三点位于一线上。

## 光学设计

### 伽利略式

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几乎在望远镜刚发明的17世纪，就已经开始探索如何将两只望远镜平稳的架设在一起了。早期的双筒镜都是伽利略式的光学设计，使用一个凸透镜和凹透镜来制做。伽利略式的好处是影像是正像，但是视野狭窄，放大倍数也不高。这种型系的结构目前依然使用在便宜的模型望远镜和观剧镜上。

### 开普勒式

开普勒望远镜设计可以提供比伽利略式更好的图像质量和放大倍数，但会导致整个图像上下颠倒180°，所以需要额外的光学部件实现正像。起初开普勒式双筒望远镜与长筒折射望远镜一样使用中继透镜实现正像，但这也继承了此类望远镜的设计缺点——因为必须保证光线路径是直线，因此镜身必须造得细长（特别是更高倍的型号），而且内部额外的透镜组会大大增加整体重量、工艺难度与制造成本。到了1890年代，使用中继透镜的双筒望远镜被新的棱镜正像设计淘汰。

棱镜设计利用全内反射原理来将图像重现颠倒为正像，虽然不能提供额外的放大功能，但却能在极其有限的空间内大大延长光路长度，因此使得高倍双筒望远镜的小型化成为可能。正像功能通常依赖两类棱镜：三棱镜和五棱镜，前者的代表是两个三棱镜错开排列的普罗棱镜，后者的代表是有两个反射面呈直角的屋顶棱镜。虽然棱镜正像设计在1860年代就已经出现，但因当时玻璃生产的技术水平无法提供质量达标的棱镜和透镜，所以直到19世纪末期才成为主流。

#### 普罗棱镜

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这是以意大利的光学工程师伊纳济欧·普罗为名的，他在1854年获得了这项正立影像设计的专利权，稍后在1890年代卡尔·蔡司的光学公司使用两个普罗棱镜以Z字型的排列制造出高品质的双筒镜。这型的特征是有宽广的视野，而物镜端产生的分离在目镜端予以良好的抵销掉。普罗棱镜的设计有折叠光路的好处，使得有形的长度比实际的焦距长度短，而物镜之间更宽广的空间，产生了更好的景深感。

倒立普罗棱镜式（Inverted Porro prism）的内部光路一样，只是物镜比目镜更靠近一起。优点是结构较为紧密、小巧，而缺点是立体感不佳。由于受结构所限，口径不大，一般来说质素较次。

#### 屋顶棱镜

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使用屋顶棱镜设计的双筒镜也许早在1880年代就已经由阿基里·维克托·埃米尔设计出来了。多数以屋顶棱镜制做的双筒镜不是使用阿贝-柯尼棱镜（以恩斯特·阿贝和艾伯特·柯尼为名，卡尔·蔡司在1905年取得专利），就是施密特-别汉棱镜（在1899年发明）来折叠光路和使影像正立。与普罗棱镜比较，他们的视野较狭窄，结构较复杂，价格也较昂贵，物镜和目镜几乎就在一条轴线上。

#### 普罗棱镜 vs. 屋顶棱镜

除了价格和轻便性之外，在这两种设计上还有反射和亮度上的差异。在相同的放大倍率、口径和光学品质下，因为内在的在光路上的吸收率本质因素，普罗棱镜的双筒镜的影像会比屋顶棱镜的双筒镜明亮。过去屋顶棱镜式的缺点很多：首先其结构比较复杂，光线共反射六次，有较多的光度损失。此外，当光从镜面反射回来的时候，其相位会改变（phase shift）。部分光会被部分偏振化（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），令屋顶棱镜和同级普罗镜比就会暗一些，成像偏软。但是，从2005年起，因为使用了新的镀膜技术，使用最佳的施密特-别汉棱镜的屋顶棱镜双筒镜，在光学品质上已经可以媲美普罗棱镜的双筒镜，在不考虑他们的高价格下，看来屋顶棱镜双筒镜将占有轻便型的高品质双筒镜市场。欧洲主要的光学厂家（徕卡、蔡司和施华洛世奇）都停止了普罗镜的生产线；日本的厂家（尼康、富士等）也可能跟进。

## 光学参数

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双筒镜常为了预期的特殊用途而被设计。一般双筒望远镜都有标示物镜口径、倍率与视场等数据。比如标示“7×50”说明该双筒望远镜倍率为7倍，物镜口径为50毫米。望远镜的成像质量以及实际分辨率则由其镜片质量与厂商制作工艺决定。这些不同设计的一些光学参数（有些会标示在双筒镜的棱镜盖板上）如下：

### 物镜口径

物镜的口径可以决定能吸收多少的光线来成像，通常是以毫米（mm）来表示。

集光力是指物镜收集光线比肉眼强多少倍的能力，公式是：物镜面积 / 瞳孔面积（7mmx7mm）。然而镀膜、制作精度也会影响光度。一枝优秀的10x40的光度可能比中级的10x50高。

### 倍率（Magnification）

倍率计算公式：物镜焦距 / 目镜焦距

倍率是物镜的焦距除以目镜焦距的商，这是线性的放大倍率（有时会以直径来表示）。例如，倍率为7的，就如同将物体拉近7倍距离的影像。倍率的数值将取决于双筒镜在设计时的用途。手持的双筒镜在设计时倍率可能较低，以减少因手持造成的震动所致的画面模糊。提高放大率会使视野相对应的减小。倍率越高，手持抖动所造成影响的可能性也越明显，因此对于观景来说，放大率小（7～10倍以下）的双筒镜效果有时甚至更好，因为它们比起高倍率的而言画面更为稳定。一般来说10倍乃是一般人之极限。

经常会以放大率X口径的型式来表示双筒镜的特性，也就是显示为7×50，并显示在棱镜的盖板上。

一般双筒望远镜放大率8倍以下的为最好，它们能提供足够放大率，同时手持也不太费劲。大多数人可以稳定地拿它们。7×30或8×30的双筒望远镜对白天使用已非常足够。口径40或50毫米的双筒望远镜在夜间提供较好的亮度。夜间使用的（如用在观星上）双筒望远镜若需更高放大率的话，需更高口径。

手持的双筒望远镜最小的是3×10的伽利略观剧镜，一般户外最大的放大率在7至12倍之间，口径在30至50毫米之间。更大的双筒望远镜一般需要一个支柱，比如天文爱好者使用的约150毫米的双筒望远镜。有一些天文爱好者也制造过更大的反射或者折射的双筒望远镜，其效果有好有坏。

### 视野

双筒镜的视野取决于它的光学设计，通常他显示的是线性的数值。例如标示为在1,000码（或1,000米）的距离时看见的宽度为多少英尺（或米），或是直接标示可以看见的视野角度。

### 出射光瞳

倍率计算公式：物镜口径（mm） / 倍率

当你手持双筒镜使目镜离双眼一段距离时，你会见目镜中央有一个圆型光点，其余地方为黑色，这光点就是出射光瞳。

双筒镜经由物镜收集的入射光会集中在目镜，也就是由出射光瞳射出，射出的直径就是出射瞳的孔径，其大小即为物镜与倍数相除的商值。出射光瞳越小，代表影像较光亮，较易看到影像。若出射光瞳太细，会使影像难于观测。要最有效率的使用收集到的光线并有效的提高亮度，出射瞳的直径应该与充分张开的虹膜直径一样大。人眼的虹膜最大直径—大约是7 mm，但会随着年龄的增加而减小。如50岁的人瞳孔夜间中扩到最大亦只有5mm。因此，比这个值高的出射光瞳会浪费部分的光。出射瞳太大会是浪费掉收集的光量，而且在观察小天体时，出射光瞳太大会降低反差，尤其在观察暗弱天体时十分不利，所以在白天使用出射瞳约3mm的就足够了。目前较普遍的出射光瞳为5毫米，比如10×50或者8×40。但是，较大的出射瞳能使眼睛更容易对准光束，并且能避免突然进入黑暗边缘的晕边现象。

### 适眼距

适眼距是从真实的目镜到后方仍能清晰看见影像的距离，在这个距离之内观测者看见的影像没有晕散开的现象。通常目镜的焦距越长，适眼距也会越长。双筒镜的适眼距一般都在几毫米至2.5公分的范围内，这个距离对戴眼镜的观测者非常重要。通常，需要较长的适眼距才能让戴着眼镜的观测者依然能看见完整的视野，而不是只看见片段的范围。在使用时，适眼距太短的双筒镜也很难让观测者维持平稳的进行观测。

## 光学镀膜

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由于双筒镜可以有多达16个空气与玻璃交界的表面，而每个表面都会造成光线的损失，因此镀膜的品质对影像的质量影响极大。光线在不同物质内有不同的折射率，因此在穿过不同物质的交界面时，会有部分被反射和部分透射并被折射（此处是玻璃和空气的交界面）。任何一种需要呈现影像的光学仪器（望远镜、照相机、显微镜等），在理想上是不要反射任何光线；取而代之的是应该以所有的光线来成像。经过反射之后抵达的光会散布在观测者的视野内，降低影像与背景环境间的对比。经由在界面上的光学镀膜处理，虽然无法完全消除，但可以减少光线的反射。光线在进入或离开玻璃时，每次大约都会有5%被反射回去。这些"迷途"的光线会在双筒镜的内部到处乱闯，使影像模糊而难以观看。在透镜上镀膜可以有效降低反射的损失，最后可以获得一个更加明亮和清晰的影像。例如，经过良好镀膜处理之后的8x40双筒镜的影像，可以比未曾镀膜的8x50双筒镜更为明亮与清晰。虽然光线一样在仪器的内部被反射，但是在比例上已经降低到微不足道得可以忽略的程度。对比也因为绝大部分的内部反射都被消除而获得改善。

传统的透镜镀膜材料是氟化镁，可以使反射率由5%降低至1%。现代的透镜镀膜，包含复杂的多层镀膜，不仅可以使反射率降低至0.25%，还能让影像有最大的亮度和原本的自然颜色。在屋顶棱镜，抗相位转移的镀膜技术，在对比的改善上非常有效。目前使用在双筒镜上的镀膜处理，有下列几种层级：

- 镀膜光学：一个或多个表面有镀膜。
- 全镀膜：所有的空气与玻璃交界的表面都有镀膜，但是如果使用塑胶的透镜，可能没有镀膜。
- 多层镀膜：一个或多个表面有多层的镀膜。
- 全多层镀膜：所有的空气与玻璃交界的表面都有镀膜。

相位修正棱镜镀膜和电介质棱镜镀膜以减少反射的技术，是最近（2005年）才有效的新技术。

## 机械设计

### 对焦和调焦

使用双筒镜观看的物体，距离不是固定不变的，所以必须有聚焦的功能。传统上，有两种不同的方法来调整焦点："独立调焦"（IF）和"中央调焦"（CF）。"独立调焦"的双筒镜在个别镜筒的目镜上都可以改变与物镜的距离。被设计在恶劣环境下使用的双筒镜，如军用的，都会使用独立调焦。另一种类型为中央调焦，由一个中央调焦的轮轴同步改变两个目镜与物镜的距离，之后可以进一步对二个目镜中的一个进行调整，以校正两眼之间的差异（通常在目镜的基座上调整），也就是屈光度的差异。因为可以一次对两眼进行调整，所以一般的使用者偏好此一类型，特别是个人专用的情况下，因为一旦作过屈光度的调整之后，在重新对不同距离的物体聚焦时，只要透过中央的调整轮就可以一起移动两个镜筒的焦距，而不用再调整目镜了。

也有称为"自由焦点"或"固定焦点"，不需调整焦距的双筒镜。因为它们的景深从足够近的距离直到无穷远，而且能确实的将影像维持在一定的品质上，特别是在中间的距离上（不全然是如此）。

变焦双统镜在原则上是一个很好的想法，但在实务上并很难制做出高品质的产品。

现代的双筒镜多数绞链的结构，可以配合观测者两眼调整目镜间的距离，旧型的则缺乏此种功能。

### 影像稳定

利用影像稳定的技术可以减少双筒镜的震动，对高倍率的使用者大有帮助。改变影像呈现的位置，或借助于安装在内部的陀螺仪或惯性回转仪和驱动器所提供的动力，可以消除突然的震动或移动的影响。稳定仪是否需要工作可以由使用者来决定，这些技术只需要很少量的动力就可以使影象稳定，因此可以让手持的倍数高达20X。但还是有些不便之处：

- 与架在三角架上未做稳定影像处理的双筒镜比较，影像的品质可能不是最佳的；而且当仪器出错时影像品质会变得更糟。
- 它们更为昂贵，而且电池的寿命不够长。
- 当观察移动中的物体时，不适合使用稳定影像的功能。

### 调整

经过良好调校的双筒镜，当影像经由观测者的双眼传送至脑部时，应该是唯一的一个三度空间的影像，而不是两幅有稍许不同的相似的影像。如果不是理想的情况，最常见的，将导致眼睛的不舒适与视力的疲劳，但可察觉的视野无论如何都还是一个圆形的区域。在电影的场景中，当通双筒镜观看时，常常会用两个有部分重叠的圆组成的8字型来代表所见到的视野，在实际生活中是不对的。

不同心度可以经由对棱镜的位置做些许的调整来修正，通常只要转动螺丝而不需要拆开双筒镜；或是调整预先安置在物镜组合内的偏心环的位置。虽然在网络上可以找到如何进行调整的资料，但这些调整工作通常都需要专家在仪器的检查与协助下才能完成。

## 应用

### 户外运动

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手持的双筒镜从最小的3x10是伽利略式，用于观赏戏剧的；倍数7至12倍都是开普勒式了，口径30到50毫米，适用于野外活动的。虽然有各种不同的形式，虽然赏鸟人和猎人倾向于喜欢更轻便的屋顶棱镜，也愿意付出更高的代价，但普罗型棱镜的显然仍占尽优势。

观鸟是自然爱好者中一项很受欢迎的活动，但肉眼视力往往无法在树冠和植被中看清小型鸟类，因此能提供图像放大并保留立体视觉且又便携的双筒望远镜是这项运动中普遍使用的基本工具。观鸟用的双筒望远镜通常会使用8×或10×的放大倍数，以便能够在观察细节的同时保留视野宽度——如果需要更高的放大倍数，通常会使用固定在脚架（单脚架或三脚架）上的观瞄镜，但仍会使用双筒镜寻找目标。因为需要观察相对阴暗处（如树冠），加上有一些鸟类会在曙暮时活动，因此观鸟镜会需要较大的物镜（如40～50mm）来保证采光量。此外，因为观鸟需要参与者长时间在野外手持望远镜，因此重量和防水性（主要是防雨）也是时常被优先考虑的指标。

许多旅游胜地都会将高倍数的双筒镜安装在有基座的脚架上，供游客投币后自行操作来更贴近的欣赏景色。在英国，投入20便士通常可以操作两三分钟；在美国，一或两个两角半的硬币可以观看一分半到两分半的时间；在台湾，10或20圆硬币可以看2至10分钟不等（因地而异）。

### 狩猎

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狩猎参与者基本上都会随身携带双筒望远镜来协助寻找猎物。因为大部分猎用枪械（特别是步枪）都会配备瞄准镜，不需要依赖双筒望远镜来观察目标细节，所以狩猎用的双筒镜通常不会使用太高的放大倍数（最常见的是8×），而是会侧重考虑图像质量和采光量。当用来狩猎黄昏出没的猎物时，特殊设计的双筒镜通常会优化460～540纳米波长的光谱透光。同时因为狩猎时猎手还要额外负担枪支弹药的重量，而且需要长距离跋山涉水，因此所携带的双筒镜会尽量考虑轻量化和袖珍化。

### 军事

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双筒镜用在军事上的历史非常悠久，通常用于侦察和巡逻任务来帮助士兵观察远处情况，在近代炮兵观察员对其使用最为常见。此外，现代的狙击和渗透等特种作战也时常配备双筒镜来帮助作战人员搜索敌情、观察并分析战场情况，这些双筒镜通常会配备特殊的测距标线或激光测距仪。

伽利略式适用途最广的，但在19世纪结束前，让位给普罗棱镜型。供军事使用的双筒镜一般会比民间使用的沉重些，也会避免使用易损坏的中央调焦而采用独立调焦的对焦方式。棱镜上也会以层层的镀铝来保护，不会在潮湿的时候失去反射的能力。在冷战的时期，军用的双筒镜还曾经安装被动式的感应器，来侦测一些活动的红外线辐射体；现在一些更新的，还有能遮蔽激光光的滤镜组。为军事用途设计的望远镜，有一个视觉上的距离标尺，可以判断或估计距离。

也有为民用和军用设计适合在海上使用的双筒镜。手持的模式放大率依然是5至7倍，但是有非常大的棱镜组和宽大的适眼距。这样的光学组合，即使在俯仰和摇晃不定的船上，也能让使用者在没有影像稳定器的协助下，或是黑暗中进行观测。固定式、口径更大、放大率更高的模式以在船上使用中。

前曾提过，美国海军曾经建造了非常大的双筒镜做为测距仪，可以让海军瞄准25公里外的目标。但是20世纪后期的激光测距技术，已经使这种用途被淘汰了。

### 天文学

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双筒镜被天文爱好者广泛使用，特别是便于携带的型式，因为它们宽广的视野用在彗星和超新星的搜寻上非常有效。

特殊的低亮度和物镜直径与放大率的比率是天文观测者最在意的。虽然大的出射光瞳意味着有些光线被浪费掉了，但低的放大倍数能使视野更为广阔，适合观赏大的深空天体，像是银河、星云和星系等目标。大的出射光瞳也使背景的星空呈现在视野之中，使有效的对比降低，不利于侦查暗弱与远距离的目标，但与周遭的光污染比较，又显得是微不足道了。天文学上对双筒镜的使用是倾向于大口径的，因为口径越大，越能收集更多的光线，才能看见更微弱的天体。如1996年1月底，百武彗星的发现者所使用的双筒望远镜口径高达150mm。观鸟爱好者和猎人也是双筒望远镜的主要市场。

许多巨大的双筒镜是由业余制镜者完成的，有些根本就是两架折射望远镜组合的结果。在专业的天文界中有一架非常巨大双筒镜，大双筒望远镜（Large Binocular Telescope），坐落在美国亚利桑那州，已经在2005年10月26日启用，但是没有人称它为双筒镜。LBT是由两架8.4米反射镜组合成的，毫无疑问的就像观测者的一对眼睛一样，两架望远镜同时看一个目标。由于它是分离开的两个镜片，所以能扩大视野并收集到更多的讯息。

## 选择

理想的双筒望远镜应该产生两个相同的、质量绝好的、没有色差和相差的成像。两个成像该没有大小、方向的差别。实际上的双筒望远镜当然多少有些误差。

最常见的双筒望远镜为8×30。7×50和10×50较适合夜间使用。所有的双筒望远镜至少应调节良好，两幅图像应该相配（重合没有重影），此外使用时舒适，还有一定的牢固性。屋脊棱镜的双筒望远镜较轻，较小巧，但与相应的普罗棱镜的双筒望远镜相比也比较贵。

充了干燥气体（一般为氮气）的密封的双筒镜内部不会在低温度下形成凝结水与生长霉菌。但假如保管不好的话时间长了密封可能会泄漏。有些完全密封的双筒镜甚至有防水效果，当然，此类双筒镜比同口径同类型的贵。

放大率和物镜口径要根据使用需要选择。放大率越高手颤动造成的抖动也越强烈。物镜口径越大整个望远镜的重量和大小也越高、越大。

口径并非唯一的重要参考，物镜、棱镜上的镀膜同样重要。没有这层防止反射的镀膜，每次光在通过空气和玻璃之间的界面时有5%的光会被反射。

影像稳定装置可以使手持的双筒望远镜达到更高的放大率，缺点是它非常昂贵，很大和很重。它们较容易坏，还需要电池驱动。

与选择光学仪器一样，即使是同一厂商、同一型号的双筒望远镜也可能会有质量的些微差别，因此在购买时要特别用心比较。

以双筒望远镜观测深空天体比以单筒望远镜轻便与明亮，故受天文爱好者欢迎，使用的望远镜物镜口径一般较大（如50mm或以上），可以用三脚架支撑，用以提供一个稳定、舒适而清晰的观测环境，而专业寻彗使用的双筒镜口径则更大。

## 保养与维护

假如双筒望远镜的两个筒产生的图像不适当相应（光轴不一致），那么使用这样的双筒望远镜会很不舒服，其效果也不好。其原因可能是因为生产质量不好，或者望远镜被碰撞过，或者望远镜老化变形（此情形很少出现）。使用外部的螺丝可以调节内部棱镜光轴来解决，这样也不需把望远镜拆开，但这是检修师傅修理的专业程序，这操作会直接改变成像，非一般人能维修。

而平时使用后的双筒镜应与相机镜头、照相机的修藏方法一样──置于长期干燥密闭的环镜中（如放潮箱等）并定时检查状况。观赏与携带时亦严防碰撞与随便沾污与擦拭物镜与目镜。

## 外部链接

- Bear 15x70 Binocular Minor Collimation Procedures
- 双筒镜选购指南
- Advice on binoculars
- 望远镜和双筒镜的历史
- Binoculars Guide
- Science/Astronomy/Business/Telescopes,_Binoculars_and_Accessories