پریسکوپ چیست؟ تاریخچه، نحوه کار و کاربرد لنز پریسکوپی

پریسکوپ (Periscope) یا پیرابین، ابزاری نوری برای دیدن اشیایی است که در خط دید مستقیم ناظر قرار ندارند. با پریسکوپ می توان پشت دیوارها، گوشه ها یا موانع دیگر را دید.

شناخته شده ترین کاربرد پریسکوپ در زیردریایی هاست که خدمه را قادر می سازد از زیر آب، سطح دریا را ببینند. تانک ها و خودروهای زرهی نیز پریسکوپ دارند. جالب است بدانید که امروزه اصول پریسکوپ در دوربین گوشی های هوشمند نیز برای افزایش زوم اپتیکال به کار می رود.

در این مقاله با تاریخچه پریسکوپ، اصول کار پریسکوپ های آینه ای و منشوری و لنز پریسکوپی دوربین گوشی آشنا می شوید.

تاریخچه پریسکوپ

واژه پریسکوپ از دو کلمه یونانی peri به معنای «اطراف» و skopein به معنای «دیدن» ساخته شده است.

پریسکوپ های اولیه

• سال ۱۶۴۷: یوهانس هولیوس، اخترشناس اهل دانتسیگ، در کتاب خود درباره ماه، نوعی پریسکوپ اولیه را با نام پولموسکوپ (Polemoscope) توصیف کرد. واژه یونانی polemos به معنای «جنگ» است و این نام نشان می دهد هولیوس کاربرد نظامی برای این وسیله در نظر داشته است.

• سال ۱۸۵۴: هیپولیت ماری دیوی، دانشمند فرانسوی، نخستین پریسکوپ دریایی را ساخت که از یک لوله عمودی با دو آینه کوچک ۴۵ درجه در دو انتها تشکیل شده بود.

• دهه ۱۸۶۰: توماس داتی از نیروی دریایی آمریکا، نسخه ای از پریسکوپ را با منشور به جای آینه ساخت که در جنگ داخلی آمریکا استفاده شد.

پریسکوپ در زیردریایی ها

از اواخر قرن نوزدهم، پریسکوپ های ابتدایی در زیردریایی ها به کار رفتند و در دهه های بعد به طور مداوم بهبود یافتند.

• سال ۱۹۰۲: سایمون لیک، مهندس زیردریایی آمریکایی، پریسکوپی با چند منشور ساخت که دید ۳۶۰ درجه فراهم می کرد و آن را اومنی اسکوپ (Omniscope) نامید.

• جنگ جهانی اول: سر هوارد گراب، طراح اپتیک ایرلندی، طراحی پریسکوپ زیردریایی را تکمیل کرد.

در همین جنگ، پریسکوپ های سنگری به طور گسترده استفاده شدند و حتی تفنگ هایی مجهز به پریسکوپ ساخته شد تا سربازان بتوانند بدون بیرون آوردن سر از سنگر، دشمن را ببینند و از تیراندازی در امان باشند.

پریسکوپ در خودروهای زرهی

از دهه ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰، پریسکوپ ها به بخش جدایی ناپذیر خودروهای زرهی تبدیل شدند تا خدمه بتوانند از داخل محفظه محافظت شده، اطراف را ببینند.

یک نقطه عطف مهم، پریسکوپ چرخان ۳۶۰ درجه بود که رودولف گوندلاخ، مهندس لهستانی، طراحی کرد و در سال ۱۹۳۶ ثبت شد. این پریسکوپ نخستین بار در تانک لهستانی 7TP به کار رفت و بعدها در بسیاری از تانک های جهان الگو قرار گرفت.

پریسکوپ های مدرن

امروزه تانک ها و خودروهای نظامی بدون پریسکوپ قابل تصور نیستند. پریسکوپ های پیشرفته به جای آینه از منشور استفاده می کنند و با سیستم های عدسی، بزرگنمایی نیز دارند. در زیردریایی های مدرن، پریسکوپ های نوری سنتی تا حد زیادی جای خود را به دکل های اپترونیک داده اند که با دوربین های دیجیتال و حسگرهای حرارتی، تصویر را روی نمایشگر داخل زیردریایی نشان می دهند.

پریسکوپ چگونه کار می کند؟

پریسکوپ با استفاده از آینه ها یا منشورها، مسیر نور را دو بار ۹۰ درجه تغییر می دهد. نور از جسم به دهانه بالایی پریسکوپ می رسد، به سمت پایین لوله هدایت می شود و در دهانه پایینی دوباره به سمت چشم ناظر می چرخد. به این ترتیب ناظر تصویری از محیطی را می بیند که بالاتر از او قرار دارد.

پریسکوپ آینه ای

ساده ترین پریسکوپ از یک لوله و دو آینه موازی تشکیل شده است که در دو انتهای لوله با زاویه ۴۵ درجه نصب شده اند.

1. نور از دهانه بالایی وارد شده و با زاویه ۴۵ درجه به آینه اول برخورد می کند.

2. آینه اول نور را ۹۰ درجه منحرف کرده و به سمت پایین لوله می فرستد.

3. نور به آینه دوم می رسد و دوباره ۹۰ درجه منحرف شده و به سمت چشم ناظر خارج می شود.

عملکرد این پریسکوپ بر اساس قانون بازتاب است: زاویه بازتاب برابر زاویه تابش است. چون دو آینه موازی هستند، پرتو خروجی با پرتو ورودی موازی است و تصویر به صورت مستقیم (نه وارونه) دیده می شود.

در پریسکوپ های پیشرفته تر، علاوه بر آینه ها از عدسی ها نیز برای جمع کردن نور، افزایش میدان دید و بزرگنمایی تصویر استفاده می شود.

پریسکوپ منشوری

در پریسکوپ های پیشرفته، مانند پریسکوپ زیردریایی ها و ابزارهای علمی، به جای آینه از منشورهای قائم الزاویه استفاده می شود. منشورها نیز نور را بازتاب می دهند، اما با پدیده ای به نام بازتاب کلی داخلی.

بازتاب کلی داخلی چیست؟

وقتی نور از محیطی با ضریب شکست بیشتر (مانند شیشه) به محیطی با ضریب شکست کمتر (مانند هوا) می رود، بخشی از آن شکسته شده و از مرز عبور می کند. اما اگر زاویه تابش از یک مقدار مشخص به نام زاویه بحرانی بیشتر شود، دیگر هیچ نوری از مرز عبور نمی کند و تمام نور به داخل محیط اول برمی گردد. به این پدیده بازتاب کلی داخلی می گویند.

رابطه بین زوایا و ضرایب شکست با قانون اسنل بیان می شود:

n1 × sin θ1 = n2 × sin θ2

و زاویه بحرانی از این رابطه به دست می آید:

sin θc = n2 / n1

برای شیشه معمولی و هوا، زاویه بحرانی حدود ۴۲ درجه است. در منشور قائم الزاویه، نور با زاویه ۴۵ درجه به سطح شیب دار برخورد می کند که از زاویه بحرانی بیشتر است. بنابراین تمام نور بازتاب شده و ۹۰ درجه تغییر جهت می دهد.

مزایای منشور نسبت به آینه

• بازتاب تقریبا کامل: بازتاب کلی داخلی تقریبا هیچ اتلاف نوری ندارد، در حالی که آینه ها بخشی از نور را جذب می کنند.

• استحکام بیشتر: منشورها ذاتا محکم هستند، در حالی که آینه ها فقط اگر ضخیم ساخته شوند مقاوم اند.

• دوام بیشتر: سطح بازتابنده منشور در داخل شیشه است و با گذشت زمان مانند پوشش آینه کدر یا خراشیده نمی شود.

لنز پریسکوپی در دوربین گوشی های هوشمند

محدودیت زوم در دوربین گوشی

برای داشتن زوم اپتیکال بیشتر، دوربین باید فاصله کانونی بلندتری داشته باشد؛ یعنی فاصله بیشتری بین عدسی ها و حسگر لازم است. اما ضخامت گوشی های هوشمند بسیار کم است و این فاصله را محدود می کند. به همین دلیل دوربین های معمولی گوشی ها میدان دید وسیع و زوم اپتیکال محدودی دارند.

برخی سازندگان تلاش کردند با لنزهای زوم بیرون زده بر این محدودیت غلبه کنند. برای مثال سامسونگ در گوشی گلکسی زوم از یک لنز تلسکوپی با زوم اپتیکال ۱۰ برابر استفاده کرد، اما این طراحی گوشی را حجیم می کرد و رایج نشد.

لنز پریسکوپی چگونه کار می کند؟

راه حل، استفاده از ایده پریسکوپ یا اپتیک تاشده (Folded Optics) بود. در لنز پریسکوپی:

1. نور از دریچه دوربین در پشت گوشی وارد می شود.

2. یک منشور یا آینه، نور را ۹۰ درجه منحرف می کند.

3. نور در طول بدنه گوشی از مجموعه ای از عدسی ها عبور می کند که به صورت افقی و در امتداد طول گوشی قرار گرفته اند.

4. نور در نهایت به حسگر دوربین می رسد.

چون عدسی ها در طول گوشی چیده شده اند نه در ضخامت آن، فاصله کانونی بسیار بلندتری در دسترس است. به این ترتیب گوشی های هوشمند می توانند زوم اپتیکال ۵ برابر یا حتی ۱۰ برابر داشته باشند، بدون اینکه ضخیم شوند.

محدودیت های لنز پریسکوپی

• هزینه بالاتر: ماژول های پریسکوپی قطعات بیشتری دارند و به مهندسی دقیق تری نیاز دارند، بنابراین از دوربین های معمولی گران ترند.

• فضای بیشتر: این ماژول ها فضای بیشتری در داخل گوشی اشغال می کنند و ممکن است جای قطعات دیگر مانند باتری را محدود کنند.

• نور کمتر: دهانه این لنزها معمولا کوچک تر است و در نور کم، کیفیت تصویر ممکن است کاهش یابد.

کاربردهای پریسکوپ

• زیردریایی ها: مشاهده سطح دریا از زیر آب

• تانک ها و خودروهای زرهی: دیدن اطراف از داخل محفظه محافظت شده

• سنگرها: مشاهده میدان نبرد بدون بیرون آمدن از سنگر

• بازرسی صنعتی: مشاهده داخل کوره ها، راکتورها و محیط های خطرناک

• گوشی های هوشمند: لنزهای پریسکوپی برای زوم اپتیکال

• آموزش: ساخت پریسکوپ ساده برای آموزش اصول بازتاب نور

سوالات متداول درباره پریسکوپ

پریسکوپ به فارسی چه می شود؟

معادل فارسی پریسکوپ، «پیرابین» است.

پریسکوپ بر اساس چه اصلی کار می کند؟

پریسکوپ آینه ای بر اساس قانون بازتاب و پریسکوپ منشوری بر اساس بازتاب کلی داخلی کار می کند.

چرا در پریسکوپ های پیشرفته از منشور استفاده می شود؟

چون بازتاب کلی داخلی تقریبا بدون اتلاف نور است و منشورها مقاوم تر و بادوام تر از آینه ها هستند.

لنز پریسکوپی گوشی چیست؟

نوعی دوربین که با یک منشور، نور را ۹۰ درجه منحرف می کند تا عدسی ها در طول گوشی قرار گیرند و زوم اپتیکال بیشتری فراهم شود.

تصویر در پریسکوپ وارونه است؟

خیر، در پریسکوپ ساده با دو آینه موازی، تصویر مستقیم دیده می شود.

جمع بندی

پریسکوپ یا پیرابین ابزاری نوری است که با دو بار تغییر مسیر نور به کمک آینه ها یا منشورها، امکان دیدن اطراف از پشت موانع، زیر آب یا داخل خودروهای زرهی را فراهم می کند. پریسکوپ های ساده از آینه و پریسکوپ های پیشرفته از منشور و پدیده بازتاب کلی داخلی استفاده می کنند.

امروزه همین اصل در لنزهای پریسکوپی گوشی های هوشمند به کار می رود و زوم اپتیکال بالا را در بدنه ای باریک ممکن کرده است. برای آشنایی با تجهیزات اپتیکی بلورآزما و دانلود رایگان کاتالوگ ها، به صفحه محصولات مراجعه کنید.