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  用光學儀器協助射手瞄準槍械的試驗其實最早在17世紀早期就開始了,並且之後兩個世紀內出現過許多設計,但因為當時的技術水平這些瞄具的效能十分有限,基本上從來就沒有用於過實踐。隨著文藝復興時期玻璃鏡片製造技術的不斷進步,利用光學折射原理進行放大觀測的複雜光學儀器開始出現,比如16世紀末發明的光學顯微鏡。1608年,最早的折射望遠鏡由三個荷蘭眼鏡技師發明,並在之後三年內先後被伽利略和開普勒兩人進行了設計上的改進。而18世紀上葉消色差透鏡的發明,使得便攜尺寸的望遠鏡開始出現。因為望遠鏡能讓人觀測到肉眼很難看清的遠處目標,因此被廣泛用於天文、航海和戰場偵查觀測上。隨著線膛槍的發明,火器的精度和有效射程不斷上升,因而用望遠鏡輔助槍械進行遠端觀瞄的需求也越來越高。  真正意義上的槍械瞄準鏡是於1835至1840年間發明的。根據1844年出版的《"The Improved American Rifle"》一書記載,旅美英國工程師約翰·R·查普曼(John Radcliffe Chapman,1815～1899)和當時著名的美國槍匠摩根·詹姆斯(Morgan James,1815～1878)兩人合作設計發明了被稱為“查普曼-詹姆斯瞄具”(Chapman-James sight)的望遠鏡式瞄具。1855年,紐約工程師威廉·馬爾科姆(William Malcolm,1823～1890)將瞄準鏡的設計改進並商業化,使用瞭望遠鏡所用消色差透鏡,增加了風偏修正和仰角修正。這些瞄具的放大倍數在3至20之間(也許更高)。馬爾科姆公司設計的6倍放大瞄準鏡(當時稱為Hi-Lux型)和其它相似規格的瞄準鏡——比如同時期佛蒙特州珠寶商L. M. Amidon生產的瞄準鏡,以及同時期的大衛森(Davidson)和帕克黑爾(Parker Hale)瞄準鏡——早在南北戰爭中就成為精確射手步槍上的常見配具。  1880年,奧地利施特龍斯多夫的皇家林業委員August Fiedler發明了早期的小型化望遠瞄準鏡。之後長適眼距的瞄準鏡開始出現,比如二戰時期德國Kar98k步槍上的Zf-41瞄準鏡。最早用於實戰的行動式低光/夜視瞄準鏡是二戰時期德意志國防軍配備StG44突擊步槍使用的Zielgerät 1229“吸血鬼”瞄準鏡,從1944年一直服役至二戰結束。

  望遠鏡式瞄具的規格通常用光學放大倍數和物鏡直徑兩組引數來形容,比如“10×50”就代表了10倍放大、的物鏡直徑。一般來說,大的物鏡由於能收集更多的光線,能提供長的適眼距,因此目鏡的影象更為清晰。固定放大倍數的瞄準鏡需要根據具體需求決定放大倍數和物鏡直徑。  有些瞄準鏡則具有可變倍率的功能,可以應對不同距離、目標和光線條件下的觀瞄需求。比如低倍數放大具有更廣的視野。可變倍率瞄準鏡的型號表示為:最低倍數-最高倍數×物鏡直徑,比如“3-9×40”代表著可在3～9倍之間變換的40毫米物鏡直徑的瞄準鏡。  讓人容易糊塗的是,歷史上德國(以及其他歐洲國家)的老式瞄準鏡曾使用另一套描述系統來形容規格。第二段數字不表示物鏡直徑,而表示“採光度”。比如一款“4×81”的瞄準鏡的影象要比“2.5×70”明亮。但是物鏡直徑對影象亮度沒有絕對的直接聯絡,因為亮度也可以受放大倍數影響。早期的瞄準鏡物鏡也通常比現代瞄準鏡要小,“4×81”的物鏡直徑大約是36毫米,“2.5×70”則是大約21毫米。採光度等於出瞳直徑的平方,出瞳直徑等於物鏡直徑除以放大倍數,比如4倍放大的36毫米物鏡的採光度就是(36/4)=81,也就是“4×81”。

  不同的瞄準鏡有著不同的主筒尺寸、材料、製造工藝和表面加工。鏡筒的外直徑通常在至之間,但現今市面上最常見的是和兩種,而一些用於遠端精確射擊的高階型號則是。鏡筒的內直徑影響了光線可以通過的面積、鏡片等部件可安裝的體積,以及仰角和風偏調節的極限。用來做長距離或低光環境下觀瞄的瞄準鏡通常擁有更粗的鏡筒。同時更大的鏡筒直徑還可以在不犧牲內部空間的情況下增加筒壁厚度,增加整個鏡體的耐用性。

  因為瞄準鏡通常是根據用途來制定設計指標的,因此經常會迎合一些專業的光學引數, 比如:

  標線(reticle,在英國也稱graticule)是瞄準鏡上最重要的部分之一,因為它直接為使用者提供了可靠一致的目測參照物。瞄準鏡的標線種類很多,從最簡單的十字線到可以用來準確估算目標距離、補運算元彈下墜和風偏的複雜標尺。利用標線,射手可以校正瞄準角度,也可以估算目標物體的距離和大小。  從製造工藝上來說,瞄準鏡的標線主要有絲線式(wire reticle)和蝕刻式(etched reticle)兩種。絲線式標線是最老的款式,由金屬絲或布絲製成,通常安裝在鏡筒內合適的位置;蝕刻式標線則是將標線圖案直接刻畫到鏡內的光學部件之中,與瞄準鏡的光學系統成為一體。如果加以背景照明,絲線式標線通常會反射一部分照明光,因此不會保持完全黑暗的高對比度;蝕刻式標線則會在背景照明下保持完全黑暗,因此蝕刻式標線更佳。蝕刻式標線還可以提供更加靈活的圖案設計,一些製造商甚至提供客戶自己設計的特製圖案。在高階型號和價碼的瞄準鏡中,通常是蝕刻式標線一統天下,但是絲線式標線仍然在低端價格的瞄準鏡中佔有一席之地。

  最簡單也是最原始的標線是十字線(crosshair),使用兩條分別代表水平軸和垂直軸的交叉線來提供瞄準參照。最初是由天然的毛髮(其英文名稱的來源)、絲線甚至蜘蛛絲製造,現今通常使用可以塑形調整寬度的金屬絲或複合材料來製造,或者使用蝕刻在鏡片內的墨線。絕大多數現代瞄準鏡標線其實都是從十字線基礎上衍生出來的設計。  十字線簡單廉價、耐用可靠,適合用來瞄準高對比度的簡單目標,但是在較細的十字線在複雜背景前會發生看不清的問題。較粗的十字線通常不會失落在複雜背景中,但是會更加遮擋目標影象,並且沒有細十字線的精度高。因為這個原因,現代十字線設計通常會使用兩種方案來應對:一種是目標點(target dot)或圈標線(circle reticle),也就是在較細的十字線的中心設定一個相對較粗的準心,或在準心周圍設定一個同心圓圈,這樣即使看不清十字線也有瞄準參照;另一種是重疊十字線(duplex crosshair),也就是使用較粗的十字線但在接近中央的區域改為較細(如同粗細兩條線疊加起來一樣)來追求精確,而且即使看不清準心也可以用周圍的粗線迅速目測到正中位置。  一些重疊十字線還可以用來估算距離,比如“30/30標線”就是在(4倍放大的情況下)細十字線的寬度和高度都是30角分,這樣使用者就能以此為參考估算目標周圍的距離。相似的例子還有Leupold製造的16角分重疊十字線,在180米距離時視野中心相對的兩條粗線端點的距離為大約83.8釐米;若已知物體大小約為40釐米,在瞄具中的影象佔據了端點至端點的空間,那麼物體大約在90米的距離外,這樣射手就可以補充子彈下墜(通過距離估算)以及補充風偏影響(通過風速儀或旗幟等物品估算)。當然需要注意的是在山坡上射擊時有時需要刻意舉高或舉低,修正時需要知道山坡的斜率。而且單純依靠沒有刻度的十字線去估算彈道,誤差會很大,特別是在遠距離瞄準時。

  許多現代瞄準鏡標線在設計上都可以利用基線測距(stadiametric rangefinding)原理來估算目標距離,或通過已知距離來估算物體的大小,其中最有名也是最受歡迎的設計就是密位式標線(mil reticle)。而最常見的是密位點標線(mil-dot reticle),也就是在十字線的基礎上於距離準心每個毫弧度(密位)的間隔位置上布有一個小點讓使用者可以在已知目標尺寸的基礎上利用密位值反向估算出大概精確的距離,並且用來補運算元彈的下墜和風偏度。在北約國家的軍方和警方中已經廣泛使用密位點及其類似的密位刻度標線(mil-hash reticle),並且統一使用手動調整值為0.1密位的瞄準鏡,同時狙擊小組中觀測手與射擊手之間的計算通話也以密位為單位標準。  利用密位點估算距離的數學公式是“目標距離=目標長度或寬度÷目視密位值×1000”,一個尺寸為1米的物體在1000米距離上恰好是佔有1密位。舉個例子,如果使用者在瞄準鏡中看到一個高度為1.8米的物體佔了3密位的高度,那麼目標距離就是1.8米÷3×1000=600米。  與密位式標線相似的是角分式標線(MOA reticle),也就是在距離準心每個角分的間隔位置上布有一個小點或刻度,在幾何學原理上和密位式完全相同的,唯一的差別是刻度間距的標準不同。角分式標線在北美的民用市場比較常見,原因是一角分在100碼距離上大致等於1英寸(其實是1.047英寸),相比起通常用於計算公制單位的密位式標線,仍然使用舊式英制單位的美國民間對角分主觀上更加習慣認同一些。

  因為瞄準鏡是以折射望遠鏡的原理為基礎設計的,因此鏡內有兩個聚焦平面(focal plane)可以用來放置標線:物鏡與正像鏡之間的第一焦平面(first focal plane,簡稱FFP,也稱前焦面或物方焦面),以及正像鏡與目鏡之間的第二焦平面(second focal plane,簡稱SFP,也稱後焦面或像方焦面)。在固定放大倍數的瞄準鏡上,標線放在哪個焦平面上都無所謂;但是如果是可變倍數設計的瞄準鏡,位於第一焦平面的標線會隨著目標影象一起同步放大或縮小,而位於第二焦平面的標線則會忽視目標保持自己的尺寸不變。  在使用測距型標線(比如密位點)的時候。因為標線和目標間的尺寸比例依賴於放大倍數,第二焦平面設計的標線只在一個指定倍數(通常是最大倍數)上才會發揮可靠的瞄準校正作用,一旦倍數改變就會導致標線上的刻度變得不準。因此計算公式必須考慮到倍數差,成為“目標距離=目標長度或寬度÷目視密位值×1000×(當前倍數÷指定倍數)”,有些廠家製造的瞄準鏡為了方便這種計算會特意將指定倍數設計在10倍。第一焦平面設計的標線則沒有這個換算問題,但是因為標線隨著放大倍數同步變化,會出現標線變得太粗或太細導致使用者在觀瞄的時候無法同時看清目標或標線,特別是在低光環境下。此外,第一焦平面設計的製作成本通常要高於同等質量水平的第二焦平面設計,因此目前市面上絕大多數中低價碼的主流瞄準鏡除非特殊標明,基本上都是第二焦平面設計的產品。  雖然通常價碼較貴,但是因為使用起來更加方便可靠,越來越多追求精度的射手仍然傾向於第一焦平面的瞄準鏡設計。同時為了解決第一焦平面標線在極端倍數過粗過細干擾影象的問題,現在一些廠家已經試著推出新的雙焦面(dual focal plane,簡稱DFP)設計的高階產品,只在第一焦平面放置刻度標碼,準心和十字線被挪到了第二焦平面,使用時兩個焦平面的影象重疊。這種新設計的成本要遠遠高於普通的第一焦平面和第二焦平面產品。

  在低光條件下使用時,標線往往會因為整體亮度太低而難以看清,因此就有了照明標線的需求。能夠根據使用情況來調節照明的亮度是至關重要的,因為太亮的標線會導致射手的瞳孔收縮使其無法看清目標背景。  標線照明通常是由乾電池供電的發光二極體提供的(但也有用其他型別的電子光源),通常由後向前照射在標線上,然後反射到使用者的眼裡。因為紅光對人眼在低光情況下的影響最少,因此通常使用的都是紅光。放射性同位素,比如氚,也可以被用來作為照明標線的光源,通常可以堅持8～10年才會因為放射性衰變喪失亮度。使用氚光源的著名產品有Trijicon的ACOG、ELCAN的C79和Trilux的SUSAT等等。此外,一些產品則使用光導纖維來收集並強化環境光來達到照明效果。

  如果目標影象沒有處在與標線一致的光學平面上(目標的焦面在標線的焦面前方或後方),就會出現視差效應。在這種情況下,人眼在目鏡後方觀察位置的細微變化(比如頭部稍有移動)都會導致標線和準星發生移動到目標的不同位置上,使得瞄準時產生誤差,影響射擊精度。為了應對這個問題,中高階的瞄準鏡通常都有視差校正設計,也就是讓準鏡內部的光學部件可以移動,來調整將標線和目標挪到同一焦面上。視差校正的設計通常有以下幾種:  在觀測較遠距離的目標時人眼位置變化產生的視線角度變化,要大大小於觀測較近距離目標時的視角變化。如果只用來瞄準遠距離目標,瞄準鏡即使沒有視差校正設計精度也不會太受影響。因此市面上大部分用來打獵的中低端價位瞄準鏡通常只設計有一個固定的最佳視差距離(通常在100碼),因為打獵距離通常不會超過300碼,對遠端精度的要求並不是那麼嚴格。一些比賽用或軍用的瞄準鏡可能會有固定在200或300碼的視差設定,在比這個距離稍遠或稍近的距離上,即使有細微的視差也通常不會太影響射擊效果。但如果是在凸緣底火槍械、氣槍、手槍、霰彈槍和前膛槍這類有效射程較短的武器上使用,視差造成的影響就不可小視了。因此這類短程武器上使用的瞄準鏡,通常都要求帶有視差校正的設計,有些特殊型號甚至可以把視差設定調整到個位數距離。

  一些為指定型號槍械和彈藥所設計的瞄準鏡上有彈墜補助(bullet drop compensation,簡稱BDC)的設計,來補助測算平射情況下子彈在重力影響下飛行產生的彈道下墜。這種設計也就是製造廠家在設定一個標準槍口初速和空氣密度條件下,將子彈在不同目標距離上自由飛行的下落距離預先測試好,並且在瞄準鏡的標線上刻畫出來,讓使用者可以更加方便迅速的估算射擊時所需的彈道仰角。  因為彈墜補助設計依賴於預先假設的外彈道條件,因此通常只對某些指定的槍管—彈藥組合有效,如果槍械的型號狀況和彈藥的效能發生了變化,就不再準確了。因為軍用制式槍械和彈藥的型號搭配通常比較標準化,因此在專門為軍用設計的瞄準鏡(比如美製的ACOG和蘇制的PSO-1)上經常會在標線和調整撥盤上畫有預先校對的在特定距離上的彈墜補助刻度。在槍械型號和彈藥搭配更加多樣化的民用市場,彈墜補助較為少見,但是如果客戶願意提供槍彈資訊一些製造廠家也會提供相應特製的設計選項。同時彈墜補助設計基本上不考慮偏離預設條件以外的環境因素,潛在誤差在長距離上更為明顯,因此通常只用於不太追求極致精度的中近距離射擊。追求高精度遠端射擊的高階射手基本上不會考慮選擇彈墜補助的標線設計。

  因為瞄準鏡其實是有額外特殊功能的折射望遠鏡,是一種複雜的光學儀器,因此能夠細微調控各個部件對發揮所有的潛能來說非常重要。通常在設計上,瞄準鏡會有以下的手動調節控制: 差不多所有現代瞄準鏡都有前三個調節控制,第四個必須是可變倍瞄準鏡上才能找到,而第五和第六個則屬於特殊設計的高階瞄準鏡上才會出現的選項。因為調節旋鈕屬於精密的機械部件,隨著時間可能出現積塵、生鏽、磨損老化的情況,因此使用過度或過少都會造成問題。  在調整仰角和風偏時,很重要的一個指標就是旋鈕的調節值(adjustment value,也稱adjustment increment或adjustment graduation)。因為調節旋鈕內部通常設計有小滾珠,使得每旋轉一個計量刻度時會產生細微的“咔噠”聲和觸感來提醒使用者,因此刻度值常常俗稱為“咔噠值”(click value)。絕大多數中低價碼的瞄準鏡採用的都是1⁄4角分的刻度值,而更加精密的中高階的產品則常常使用0.1密位的刻度值。在選擇瞄準鏡時,非常需要考慮的一個因素就是調節刻度值的單位是否和標線上的刻度單位相符(密位式標線配密位刻度值的旋鈕,角分式標線配角分刻度值的旋鈕),否則在實際使用時會產生麻煩。舉個例子,如果瞄準鏡使用的是密位式標線,但是調節刻度值是1⁄4角分,而1角分大致等於0.29密位,旋鈕每調節一刻度相當於移動標線刻度的13.75分之一,射手在試圖用標線目測校對彈著點時幾乎無法方便的估算需要旋鈕轉動幾個刻度。市面上大多數大眾價位的產品出於成本考慮,用密位式標線也配備了1⁄4角分刻度值的調節旋鈕。如果用沒有刻度的十字線標線,則使用什麼刻度值都無關緊要。  一些老式瞄準鏡甚至沒有仰角和風偏調節功能,而是依賴特殊設計的鏡環或安裝基座來提供調節。一些現代的安裝基座(比如皮卡汀尼導軌)則特別設計有固定前後高度差(比如前傾20角分、40角分甚至60角分)的款式,來輔助瞄準鏡本身進行比較極限的仰角調節,以防對鏡體內部的部件造成太大的機械負擔。一般來說,可調式基座的適應性更強,但固定傾斜度的基座在面對射擊後坐力時更加牢固耐用和可靠。

  瞄準鏡通常可以配有的附件包括:
望遠鏡式瞄具(英語:Telescopic sight),俗稱瞄準鏡(英語:scope),別稱準鏡和綾鏡,在中國大陸也稱白光瞄準鏡,是一種利用折射望遠鏡原理的光學瞄具。瞄準鏡可用於各種需要精確觀瞄的系統,但與其它形式的瞄具如機械瞄具、紅點鏡和鐳射瞄準器等一樣,最常見的還是在單兵武器尤其是步槍上使用。瞄準鏡的光學系統通常在合適位置配備有標線,能夠給使用者提供精確的瞄準參照,其光學部分可結合其他光電原件成為在低光和夜視情況下使用。近年皮卡汀尼導軌的出現讓瞄具的安裝和使用更方便,目前各國軍隊的制式步槍幾乎都能搭載光學瞄準鏡。