影像穩定雙筒鏡 Canon L IS 10X 42mm WP 與雙筒望遠鏡畸變現象

影像穩定式雙筒鏡 (Image Stabilizer) 一直是雙筒天文玩家們津津樂道的配備之一, 其中又以 Canon 最受青睞. Sky and Telescope 的資深編輯 Gary Seronik 就有一篇專文在介紹 Canon 各 IS 雙筒鏡特色比較. 不過在介紹這隻拍賣場拍來的第一隻 IS 雙筒鏡前, 想先筆記一下雙筒鏡常見的畸變 (Distortion) 現象, 主要是閱讀 Holger Merlitz 先生的 "Distortion and globe effect in binoculars", 這篇不但經典而且很容易了解. 在這之前為了加深自己記憶, 又重複囉嗦一下 (很粗略簡單的) 常常混一起不容易分清楚的像散差 (Astigmatism) 與場曲 (Field curvature) 現象, 圖大多用 Amateur Telescope Optics 的資料, Vladimir Sacek 先生講理論很實在.

像散差基本上就是子午面 (Tangential Plane, 垂直面) 與弧矢面 (Sagittal Plane, 水平面) 的光, 個別的最佳聚焦處不在同一平面上. 如上圖, 垂直面的光聚焦在圖左邊 T 那條彎曲的面上; 水平面的光聚焦在 S, 其實最佳的聚焦平面應該是 M 那條藍線 (聚在那邊, 影像才會是正圓, 垂直等於水平), 否則不是水平比較長就是垂直比較長, 這麼一來圓就變成橢圓, 大致上這就是像散差的解釋.

問題是光通過透鏡, 各點最佳的聚焦成像處連起來本來就不可能是平面, 一定是曲的呀? 這些最佳的聚焦成像處連起來的平面叫作佩茲伐平面 (Petzval Surface), 人眼看還好, 大腦多少會修正這種視感, 不過攝影就逃不過敏銳的感光元件記錄了, 因此透過其它透鏡的組合補償, 降低 p 面的曲率, 盡量達到平坦的效果, 這就是做平場.

回到像散, 就算修到零像散, S 與 T 面都與 M 面結合為一, 不過仍然無法與 P 面貼齊, 這個差距就是場曲, 實務操作, 有場曲時會發現... 目鏡視野中心對焦清楚了, 邊邊卻糊糊的, 然後把邊邊糊糊的星點對焦對準, 結果中心剛剛準的又跑掉的現象.

那麼畸變呢? 為什麼幾乎所有的雙筒鏡看格子都會有向內縮的現象?

設計師有許多光學的特性需要調配, 但在畸變現象上不外乎幾種情形, Albrecht Koehler 先生 (曾在 Carl Zeiss Jena, 後來在 Doctor, Analytik Jena 設計雙筒鏡) 歸納出三條簡單的原理:

(1) tan (a) = m * tan (A)
(2) a = m * A
(3) tan (a/2) = m * tan (A/2)

m 是雙筒鏡的目鏡放大倍率, A 是目標 (假設一個星點) 與光軸的夾角, a 是目鏡成像後與視野中央的夾角.

貼圖幫忙了解:

先看點光源 P1 就好, 它沒標出 alpha 1, alpha 1 應該很小, 就是連著 P1 那束黃色光線中央光軸與 P1 位置的夾角, 也就是上面公式的 A; 而公式裏的 a 就是這張圖的  (alpha1)' 囉. 這張圖的意思是目標 P1 與 P2 的比例, 與透過目鏡成像後 (h1)' 與 (h2)' 的比例不同, 這就是畸變.

20 世紀的前半段, 雙筒鏡的畸變設計都是採用 (1)  tan (a) = m * tan (A), 這個可以推演到 1827 年著名的英國天文學家 Airy 先生 (就是發現 Airy pattern 的 Airy) 的計算, 這是一種完全無畸變的設計. 不過這種 "完全無畸變" 設計出問題了, 來自兩次世界大戰的戰場, 當時精密的雙筒望遠鏡可是戰場上重要的武器之一. 士兵們發現, 拿這種 "完全無畸變" 的雙筒鏡掃描戰場, 會有畫面在球上滾動的現象, 看久一定頭暈, 而且容易漏掉敵蹤, 這對生死交關的戰場而言可是致命危機.

因此早在一次世界大戰時期就有光學設計師建議採取 (2) a = m * A 帶有畸變的理論, 1946 年 Zeiss 設計師 Hermann Slevogt 首度引用較為折衷的 (3)  tan (a/2) = m * tan (A/2) 設計, 隔年 1947, Zeiss 正式摒棄 (1) 的 tangent 設計, 導入某種程度的枕狀畸變, 從此之後世界各地其它光學公司紛紛仿效, 迄今幾乎所有雙筒鏡都採用相同的理論.


回到戰場, 為什麼 "完全無畸變" 雙筒鏡會出現畫面在球上滾動的現象呢? 其實這是人眼先天的缺陷, 程度因人而異, 你可以試試看靠近一面長牆走路, 閉一隻眼, 用另一隻眼 (裸眼, 別帶眼鏡) 看著牆, 沿著牆往前走, 會發現牆往內凹還是往外凸? 程度會因人而異, 這就是所謂的 Globe effect 或叫作 Rolling ball effect. 人眼天生就有桶狀畸變 , 因此最自然, 可以消除掉 Globe effect 的雙筒鏡就是加入相同程度的枕狀畸變互補. 那麼問題又來了, 人眼畸變程度天生不同, 那要選擇哪種雙筒鏡還互補呢? 又不是配眼鏡. 不過聽說 Zeiss 還真的為其高階 Victory SF 系列設計購買前驗光的服務呢, 真的還假的? 太驚人了.

至於畸變又分線性 (Rectilinear Dsitortion) 或角距型 (Angular Magnification Distortion) 的, 前一篇有稍稍提到, 就不再複述. Holger 先生的文裏有動畫, 可以更生動的了解不同參數調整對於 globe effect 與畸變現象的關係.



亂寫了半天, 主角終於要上場...

第一個感覺是... 好重喔, 以 10X 42mm 的標準而言. 我還是第一次用 Canon 產品, 不過聽說其實高橋的鏡片也都是 Canon 工廠生產的. Canon 一系列 IS 雙筒鏡賣最好的應該是 15X50mm, 但只有這隻有紅圈圈, 也就是所謂的 L 鏡, 每筒各用 2 片 Canon UD 玻璃, 據說不但無色差, 像場也平得不得了... 而且也是唯一有作防水的, 我看說明書寫, 鏡片髒時先拿去洗一洗, 還真的畫了一張在水龍頭下淋浴的圖.

前主人保管得還可以啦, 還送了兩片 52mm 的保護鏡... 一整個相機鏡頭概念. 不過我覺得保護鏡很透明呀? 所以也沒拆下, 而且這個設計倒讓自己不用傷腦筋作濾鏡框, 買個 M52 轉 M48 的轉接環就好.

買 IS 最大的理由就是不用腳架, 腳架雖不太費事, 不過如果能夠只背著一台雙筒趴趴走還是很吸引人. 比如說旅行, 外出旅行, 萬一難得又去南半球... 當然主要不是為了觀星, 這時手上剛好有隻 IS... 這不是太完美了嗎? 這個神奇的按鈕按下, 綠燈亮起, 畫面還真的就穩定下來; 我拿給四年級小女孩試, 小女生也是一直點頭, 可見防震的功能十分有感.

不過畢竟 1 公斤的東西, 想懸空長時間手持還是會吃力, 所以最好還是背後有牆壁或柱子可靠, 或著手肘有地方可以長時間支撐. 至於光學品質如何? 剛好可以跟我最愛的 Leica Trinovid 10X 42mm 比比, 首先是白天:

Canon 這個平場真的沒唬爛, 實在有夠平, 我看屋頂磚瓦, 樹葉... 幾乎完全沒有失焦的現象, Leica 就不再說了, 75% 之後糊糊一片. 色彩飽和度與銳利感還是 Leica 厲害, 不過 Canon 並沒有遜色多少, 不會有之前試 Nikon 與 Leica 那種差距. 至於枕狀畸變兩隻差不多, 我稍稍對了近距離的牆壁磁磚, 不過沒仔細測量.


夜景也測過好幾次了, 亮星會有星茫 (Leica 不會), 離軸時也會有色差 (Leica 比較小), 視野邊緣星點的變形程度則大大優於 Leica. 昨晚月亮很亮我用 ultrablock 看 NGC 7000 連墨西哥灣的黑凹都很清楚, 清晰程度還贏過前晚用 FC-100DC + XW40 + 1000 OAKS LP3 (O-III), 不過大視野作出的對比一定贏小視野... 這是最近反覆測試的心得.

這幾天夜空常常短暫露空, 然後一下子又烏雲滿天, 最常用的就是這把 Canon IS 10X 42mm 了, 至少可以享受到片刻珍貴的美麗星空, 而且沒有負擔, 好帶好收. 如果有人把大隻望遠鏡形容是巨砲, 大砲... 那麼這隻小 IS 絕對是 007 特務級的致命隨身武器了.