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萤石与望远镜——关于其应用、历史、现状与迷思

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发表于 2016-11-24 21:29 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 赵北旅 于 2016-12-24 23:38 编辑

    关于萤石的各种迷思和误解在网上流传甚广,特别是中文世界,由于信息不对称更加严重,虚假宣传充斥网间,所以写这篇小文,希望大家对萤石有更接近真实的理解。但本人非专业人士,专业方面的东西一窍不通,限于水平难免诸多错漏,也请行家不吝指正。

    首先,本文讨论的范围是人工萤石,即人工合成用于光学领域的萤石晶体,自然状态下的萤石纯度大小都不够,很难应用于光学领域,在此不做讨论。
    先从萤石镜的先驱高桥制作所谈起吧。高桥的人工萤石来自于日本茨城县取手市的一家光学公司Optron,这家公司1966年开始研发人工萤石结晶制备技术,1969正式上市,1983年后成为佳能的全资子公司,2004年更名为Canon Optron,至今仍是国际上人工萤石的主要供货商之一。这家公司目前可以供应直径10-400mm的萤石晶体,日系的高桥一直使用的是Canon Optron提供的萤石,兴和应该也类似。另外一家是耶拿的Schott Lithotec,现已卖给Hellma集团,可生产440mm萤石晶体;还有Nikon的NICF系列萤石晶体,这俩主要用于制造光刻机镜头,萤石在紫外红外波段的透过率非其他玻璃可比。此外应该还有一些公司有制造能力,但也是屈指可数了。

Canon Optron Inc.


Nikon NICF人工萤石晶体


肖特造100kg人工萤石晶体


    高桥从70年代首先将萤石用于物镜,比较常见的说法是1977年FS90为全球第一台供销售的萤石望远镜,也有更早的说法,不过总体都在70年代左右。之后FC,FCL,FCT,FET等一系列的各种口径的萤石望远镜相继问世,这些镜子在成像上取得了相当大的成功,直到现在这些老镜还被许多目视玩家看重。2000以后,高桥开发了鼎鼎大名的FSQ系列,当时的旗舰型号FSQ106以及后来的FSQ106N都使用了2片萤石,在超快焦比超大成像圈的前提下得到几乎无色差的优质像面质量。不过这两只经典摄星镜的后续型号FSQ106ED及FSQ106EDXIII则开始弃用萤石改用FPL53玻璃,继而目前的主力型号TSA和TOA也都使用FPL53而未用萤石,包括FSQ系列最新的旗舰FSQ130也是使用3片ED玻璃,TOA上更是用到了双ED的OR APO结构,首尾两片FPL53中间夹一片BSL7。在产的只有一些小镜子比如FS60和一些在某种意义上炒冷饭的镜子比如FC100 F7.4还在继续使用萤石。高桥原本是使用萤石的先驱,也一直以优秀的萤石折射镜为自己的骄傲,如今却发生这样的转变,这是事实,具体什么原因我也不敢说。

高桥在萤石镜的说明书里都会附有这篇小文,自然是单方面说萤石的优点。


FSQ改用ED玻璃以后的说明书,比较令人费解的是,在陈述换用ED已经改动部分设计之后,高桥在老板已经极为优秀的情况下宣称新版戏剧性地提高了(dramatically improved)色差与球差修正水平,至于两个改变各占多少比重,各有什么贡献则没说。


    扯回到80年代,眼看着高桥发布了一系列优秀萤石镜,有另一家光学巨头坐不住了,这家公司名字叫蔡司。当时的蔡司对望远镜的态度还比较积极向上,他们也开始紧跟高桥的步伐开始设计萤石望远镜。当时估计是碰到了和高桥同样的问题,即以当时的工艺(猜测可能是因为镀膜的温度条件对萤石有损害),在萤石上镀膜难度太大。高桥的对策是干脆不给萤石镀膜,并把萤石放到镜组后部(后来解决这个问题之后,高桥也有把镀膜后的萤石放到第一片的作品,并且这么多年下来质量还非常稳定);蔡司则想了一个很聪明的办法,当时蔡司设计师Pudenz博士发展了普旭的油头技术,设计了一个三片式油头apo物镜,因为油头只有前后两个空气面,这样就避开了给中间片萤石镀膜的问题,在保持极高透过率的前提下整镜的光学素质也是登峰造极,这个就是后来被推上神坛的蔡司APQ系列经典三片式萤石望远镜,共有100/640,100/1000,130/1000,150/1200几个型号,还有传说中的200/2000。这个系列产量稀少,又有蔡司、萤石、油头、高素质等等光环笼罩,所以二手市场上都是天价,具体多少钱可以查查am上的成交记录,都是令人乍舌的价格。

蔡司APQ系列说明书


蔡司APQ 100/640与130/1000


蔡司APQ 130/1000




碳筒蔡司APQ 150/1200



原版蔡司apq150/1200

    除了这俩以外还有一些使用萤石做望远镜的厂家,比如日系的KOWA在88系列,82单双筒、黑金刚以及之前的一些老观鸟镜上使用了萤石;BORG的FL系列轻便镜头50FL,55FL,67FL,71FL,90FL,107FL;Vixen(同时为celestron贴牌)的FL55/70/69/90/102FL萤石系列天文望远镜;美系的如TEC 110/160/180/200FL/250VT天文望远镜;TV的101SDF;AP的92F4.9。其余一些小厂的就不一一列举了,国内的裕众去年还卖了一批90FL,据传用的是肖特的萤石,推测可能和Stellavue的90TBV类似,价格根据质量在6-9k。

Vixen萤石


    那么双筒望远镜里有没有厂家使用萤石物镜的?这个据我所知,除了kowa的82萤石版大双、高桥22x60萤石双筒(据说和小六是同一个物镜)以及宫内的100,141等一些大双筒之外,没有了,基本上也都不在手持的领域。所谓蔡司FL系列(这个系列的名字取得相当不厚道,因为BORG、VIXEN的FL系列都是货真价值的萤石,很容易令人联想到萤石。而蔡司官方使用FL代号实际代表的是Fluoride即氟化物这个词,这玩意就是前文所述的FPL类ed玻璃)、徕卡ultravid、施华、kowa等等双筒里号称使用萤石的,不是翻译乱翻,就是国内的虚假宣传。上述所有的小双使用的都是某种ED玻璃,这个在他们各家的英文官网上都写得很清楚。那些号称用了萤石的小双筒,各位可以花几十块钱买个绿激光笔,这玩意就是照妖镜。

    至于小双领域虽然在营销上群魔乱舞,但至今实际没有一家采用萤石的原因,我只能做一下猜测。可能的原因有以下几点:
1、        萤石价格较高,在别家未使用萤石的充分竞争市场,单独使用萤石的成本过高,会导致产品失去竞争力。
2、        在小口径小倍率的小双领域,使用萤石和高等级ED玻璃在光学上几乎没有可见差别,所谓吃力不讨好。
3、        小双的主流用途为观鸟及打猎,这两个市场都是粗用,首先要求望远镜耐用可靠,而萤石的物理性质、机械性能相对ED玻璃要差,更容易在使用中出现问题。

    结合以上三点,使用萤石只有坏处没有好处,所以也不难理解为何没有厂家在小双里使用萤石,而围绕萤石的迷思在普通用户中又经久不散,所以也不难理解为何厂家总是试图通过模糊概念、默认虚假宣传等间接方式来让用户觉得其产品中含有萤石。说到底,小双对萤石的宣传是典型的市场炒作行为。

    识别有没有使用萤石主要有2个方法。一个是看标注,从常理看,厂家但凡真的使用了萤石的,都把它当做重大卖点来宣传,必然在镜身显眼处打上萤石标记,所以如果镜头上或者镜身上标注了Fluorite字样,注意必须是Fluorite不能是Fluoride,后者一般都只是ED玻璃。像高桥的萤石镜,基本都能在物镜圈上或者遮光罩上找到这个词,相反有些厂家想糊弄的也不敢直接将Fluorite这个词单独打到镜子上,因为这样就是赤裸裸的虚假宣传了,消费者即便不去告它,对商誉也是极大的损害;另一个是用激光笔打一下,因为萤石是立方晶体结构,有固定的排列方式,各向同性,不存在双折射现象,所以光散射很少,激光笔经过萤石的光柱会淡得多,几乎接近消失,而ED玻璃是多种物质混合而成,分子没有固定的排列方式,所以激光光柱经过会散射形成一条亮路。这个是最简单最直接的检测方式,不管营销吹得如何天花乱坠,是不是萤石一照便知。(此处有另一个例外,据称肖特的FK51虽然属于ED玻璃,即Fluoro-Crown,但激光照射也几乎不出现亮路,但这不影响萤石界定,因为出现明显亮路的一定不是萤石)

萤石的晶体结构



高桥FS152,注意镜头上标注Fluorite


高桥大小萤石镜,注意遮光罩标注Fluorite


高桥FSQ106早期版本,注意镜头上标注Fluorite



高桥FSQ106晚期版本,注意镜头上不再标注Fluorite


高桥不同时期的TOA,在产款定位为万能镜,使用2片FPL53玻璃,收差极好,镜头没有标注Fluorite。物镜组头尾使用2片ED玻璃,用料极为奢华罕见,历史上这样的设计就没有几例子,另一个例子就是深圳那台304apo双筒,下文会涉及。


高桥目前在产的主力目视镜TSA系列,也不再使用萤石。


高桥22x60萤石双筒,注意镜肩标注FLUORITE


Kowa 82萤石版大双,注意镜身标注FLUORITE


Kowa883萤石观鸟镜,注意镜身标注FLUORITE


宫内100mm萤石大双,注意镜身标注FLUORITE


宫内141mm萤石大双,注意镜身标注FLUORITE


激光在萤石中亮路消失


TEC160FL三片式萤石镜,中间一片为萤石,光路中段接近消失


Kowa82萤石版大双筒,第二片为萤石,光路消失


TMB130SS三片式apo,中间一片为FPL53玻璃,明显亮路


裕众100ed大双筒,第一片(疑似)为FK61,亮路


Lzos 123三片式apo,中间一片为OK4,亮路


裕众(stellavue)90F7三片式萤石镜,中间一段亮路消失


蔡司832FL双筒,1+2物镜结构,亮路,无萤石


    那萤石与目前高级别的ED玻璃相比到底还有没有优势?为什么很多厂家慢慢开始淡出?
    从阿贝系数和折射率这两个主要指标来看,FPL53级别的ED玻璃这两个主要指标已经非常接近于萤石了(当然萤石还是有那么一点点优势)。高桥在换用53后也曾说明过(不管是不是有夸大成分),使用53玻璃的镜子其光学素质不会差于萤石。而ED玻璃较易加工,机械性能和热性能好的优点就凸显了,这可能也是除了成本以外换用ED玻璃的一个主要因素。

    但ED玻璃毕竟是一批一批熔出来的,制造中的变量比较多,所以每批的ED玻璃质量都会有区别。坊间传闻小原的将ED玻璃按照内部均一性分为多等,最高等级和最低等级差价达到4倍(见jrbarnett的论述,还有人声称差距可达10倍),也就是说同样是FPL53,价格可以差4倍,而你永远不知道你手中的镜子厂家用的是哪种等级。有一个坊间传闻是AP的老板Roland Christen每次进货都进比最高等级低一等的ED玻璃,然后挨个检测,达标的留下不达标的退货,这样既可以降低成本又可以保证质量。然后留下的玻璃还得逐一测试(TEC的老板Yuri也多次表示需要这么做)按照每块的细小区别重新微调制造过程以达到最佳效果。即便这样,也有报道称AP某折射镜测试下来斯太尔率偏低,用户拿到实验室去测试,结果原因是其中一块ED玻璃内部均一性有问题,导致最后镜子的PV值不达标。类似ap这样的顶级折射比同样叫FPL53的中低档镜子贵这么多,恐怕这也是一个原因。

    这个问题在萤石上相对好些,因为萤石都是在实验室条件下结晶生长出来的,所以两块萤石间的质量差距会比较小,相对来说质量会更有保障一些。另外,萤石相对比较轻,散射也较低,在460nm以下的色差纠正会略强,不过这几点做成成品镜以后还有没有实际意义?在其他条件对等的前提下,换用一片萤石到底能轻多少?透光率因为散射减少而提高在观星时能否有可见区别?短波长段的一点色差纠正的提升人眼到底能不能看出区别?最后,大口径的ED玻璃,比如7-8寸以上的市场上比较少见,厂家鲜有生产(也不是没有,比如说CFF在200mm口径apo上使用FPL55,但是供货肯定很困难,不适合批量稳定生产),所以很多大口径的apo设计多采用萤石。这事从TEC250的设计过程就能体现,这镜子一开始打算用一块ED,但我估计是找不到那么大的ED货源,或者质量无法保证,所以最后改用了萤石,而焦比从7.5提升到了最后的8.8。不过这里有一个例外,俄罗斯的LZOS工厂可以生产大到510mm的OK4玻璃,这种玻璃光学性质基本上和FPL53相当,但是这家公司不像OHARA、HOYA、SCHOTT那样对外卖玻璃,他家的玻璃都是自产自用,所以你只能直接买他家的折射镜头,不过现在因为普京大帝的原因折射镜头也全面停产了,这轮一共就生产了一台510mm apo物镜,连同深圳的那台304mm apo大双筒一道,暂时成为绝唱了,也不知LZOS以后还不会继续做这些叫好不叫座的镜头。

TEC 250apo镜头结构,中间一片为萤石


据传为TEC250采购的镜片,成分未知


绝版Lzos 510mm OK4 apo镜头


绝版Lzos 304双OK4大双筒


    今天看到一个两片式镜头色差的简易估算公式,注意只适用于两片式物镜,代入以后感觉萤石在两片式物镜设计中,色差消除上相比FPL53还是有明显的优势,公式如下;

CB = 920 * D * SS / FR

920是蔡司公司采用的常数,相对较高一些,要求也苛刻一些。
D是口径mm数
SS=Secondary Spectrum二级光谱
FR=Focal Ratio焦比

这个公式的几个变量说明口径越大,二级光谱越大,焦比越快,色差越难控制,这个和常识也是吻合的。

接下来是集中常见的SS:

两片式普消=1/2000
两片式51级ed=1/6000
两片式53级别ed=1/10000
两片式萤石=1/16000

计算结果1以下可以认为无色差,1-2是对应ed镜表现,2以上为普消水准。配对玻璃对最终结果最多可有正负10%的影响。
这样就可以看到萤石相比53具有的明显优势,高桥FS152这么大口径的2片式数值才1.09而已,其他2片式根本无法望其项背。小口径的计算值更是要远低于1.0。

下面列举几个常见的2片式:
高桥FS102:920x100/16000/8=0.72(没谁了)
高桥FS152:920x152/16000/8=1.09(简直了)
信达120ed:920X120/10000/7.5=1.47(相当不错哦)
裕众140ed:920x140/10000/7=1.84(中规中矩)
星特朗80eq:920x80/2000/11.25=3.27(还算不错哦)
东可达204:920x204/2000/6=15.64(彻底完蛋咯)

裕众120ed双筒镜头:920x120/10000/5.5=2.01
裕众100ed镜头:920x100/6000/5.5=2.79
kowa82镜头:920x82/16000/5.5=0.86
可以看到这三个双筒,Kowa的色差纠正水平最好,120ed又好于100ed,不过双筒还要考虑棱镜影响,不过大体还是同样的趋势。

    反推这个公式,要达到1以下无色差的表现,一台100mm双片式普消的焦比要达到F46,51级别双片式要达到F15.3,53级别双片式要达到F9.2,而萤石双片式只需F5.75即可。我感觉这多少有点反常识,不过公式推导出的就是这个结果。
    这张图是Roland Christen对几种常见设计二级色差值的演示,萤石+KF6双片式录得的理论值为1/12285,FPL51+KF6双片式录得的理论值为1/6670,而两种普消录得1/3400和1/1867。



用二级光谱公式:Δƒ =[P(x,y)2-P(x,y)2]ƒ/(V1-V2)
代入计算,那萤石双片的二级光谱相对于FPL53确实是有一定优势,主要不是因为萤石的阿贝系数(v)高于FPL53,而是因为萤石的相对部分色散值(pxy)要大,两片玻璃的这个差值直接影响分子的大小。

    本文论述的焦点集中在萤石及高等级ED玻璃,但并不意味着用了萤石或者高等级ED玻璃的镜子就是好镜子,镜子是一个系统工程,设计是不是合理、搭配玻璃的好坏、金工件的水准、制作中的工艺、质检流程等等,甚至制作者的良心都可能对最终效果起到决定性作用,要谈这些那又得大费周章,在此就略去不表了。
   
    有什么新的想法就边改边写,不定期更新。

    最后一个奢望:技术讨论为主,希望各位不要回复无意义的内容。



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2#
发表于 2016-11-24 21:44 | 只看该作者
内容比较高深  一时半会消化不了
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3#
发表于 2016-11-24 22:19 | 只看该作者
萤石是一种非金属矿物,刚接触时我知道它是用在建材生产上的。
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4#
 楼主| 发表于 2016-11-24 22:22 | 只看该作者
淫民完税 发表于 2016-11-24 22:19
萤石是一种非金属矿物,刚接触时我知道它是用在建材生产上的。


你说的是山里开采出来的自然萤石矿,不在本文讨论范围。
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5#
发表于 2016-11-24 22:30 | 只看该作者
据传萤石的化学性质不够稳定

因此萤石镜片会存在相对比较快的老化现象
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6#
 楼主| 发表于 2016-11-24 22:34 | 只看该作者
神经过的国度 发表于 2016-11-24 22:30
据传萤石的化学性质不够稳定

因此萤石镜片会存在相对比较快的老化现象

80年代的高桥萤石镜现在很多还好好的。
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7#
发表于 2016-11-24 22:41 | 只看该作者
不打算传世的话

看来没问题喽
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8#
发表于 2016-11-24 22:41 | 只看该作者
淫民完税 发表于 2016-11-24 22:19
萤石是一种非金属矿物,刚接触时我知道它是用在建材生产上的。

用来制作氟
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9#
发表于 2016-11-24 23:31 | 只看该作者
看了第一段有收获,才知道,萤石是人工做的,原先以为是天然提炼的
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10#
发表于 2016-11-24 23:36 | 只看该作者
本帖最后由 SoulerXu 于 2016-11-24 23:41 编辑

这个是号称用了萤石的 星特朗 100F-ED 观鸟镜,从价格来看不可能,色差表现也不怎么样。

但用激光笔一打,中间一段亮路却看不出来。

想是空气面吧?看起来又太厚。

且第三反射点是胶结面才会出现的黄色,空气面应该不用胶吧?

看了赵兄的帖子,真有将它拆开一探究竟的想法~~~

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11#
 楼主| 发表于 2016-11-24 23:47 | 只看该作者
本帖最后由 赵北旅 于 2016-11-24 23:54 编辑
SoulerXu 发表于 2016-11-24 23:36
这个是号称用了萤石的 星特朗 100F-ED 观鸟镜,从价格来看不可能,色差表现也不怎么样。

但用激光笔一打 ...


Celestron's Regal F-ED spotting scopes feature an air-spaced doublet, one element of which is made from the exotic mineral fluorite.

这句话来自官网,写得很明白了,物镜是空气分离2片式。鉴于你已经看到两条亮路了,那么这头里面就不可能有萤石。
但这句话实际上没有说错,只是说的极具误导性而已,我可以讲明这个就是故意这么讲的,玩的就是文字游戏,目的就是营销。
你查字典就可以知道,made from意思是“由…做成(看不出原材料)”,本来ED玻璃就含有大量Caf2成分,所以可以讲ed glass is made from fluorite,只是不仅仅一种成分而已,从语法上讲这句话没说错。如果用made of的话,那意思就要发生变化了。
这种例子可不少,但如果知道物镜的基本结构,激光笔一打统统要显形。
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12#
发表于 2016-11-24 23:52 | 只看该作者
赵北旅 发表于 2016-11-24 23:47
Celestron's Regal F-ED spotting scopes feature an air-spaced doublet, one element of which is ma ...


那我就不用白费力去拆了

其实我最想不通的是第三反射点,为嘛是黄的呢?
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13#
 楼主| 发表于 2016-11-24 23:53 | 只看该作者
本帖最后由 赵北旅 于 2016-11-24 23:57 编辑
SoulerXu 发表于 2016-11-24 23:52
那我就不用拆了

其实我最想不通的是第三反射点,为嘛是黄的呢?


这个不是很清楚,可能这个面做了什么处理。
从这个亮路来看,后面一片很可能是51级别的ED玻璃,2片式51再加棱镜,那整体光学表现就比较难做好了。
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14#
发表于 2016-11-25 00:59 | 只看该作者
我得到的重要信息是三大小双都没有使用萤石镜片,不知道这么理解是否正确?还请赵仁兄指点一二
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15#
 楼主| 发表于 2016-11-25 01:07 | 只看该作者
本帖最后由 赵北旅 于 2016-11-25 01:09 编辑
sqys111 发表于 2016-11-25 00:59
我得到的重要信息是三大小双都没有使用萤石镜片,不知道这么理解是否正确?还请赵仁兄指点一二


正确,不信可以挨个照。不仅三大,在产的小双我是没有听说过。现在花钱立刻就能买到的萤石双筒只有Kowa 82。
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16#
发表于 2016-11-25 01:45 | 只看该作者
普京的什么原因
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17#
发表于 2016-11-25 06:35 | 只看该作者
楼主的文章图文并茂,内容详细,值得收藏研究和学习。
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18#
发表于 2016-11-25 08:24 | 只看该作者
好文章,学习了
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19#
发表于 2016-11-25 08:36 | 只看该作者
纯粹的技术贴,楼主费心了!!
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20#
发表于 2016-11-25 09:02 | 只看该作者
好帖,有深度,学习了。看来不必对萤石那么迷信。
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