انواع پریسکوپ (پیرابین) و کاربردها

پریسکوپ ها (به فارسی: پیرابین) که به آنها driver optics هم گفته می شود، ابزارهای نوری جذابی هستند که برای مشاهده، به ویژه در مواقعی که مسیر دید مستقیم مسدود می شود، استفاده می شوند.

یک دستگاه پریسکوپ این امکان را به شما می دهد تا آن سوی دیوارها، گوشه ها یا سایر موانع را نگاه کنید. اغلب زیردریایی‌ ها و تجهیزات نظامی مجهز به پیرابین هستند تا افراد داخل آن بتوانند آنچه را که روی سطح آب یا در نواحی دور از دسترس است را ببینند.

از آنجایی که این سیستم، در موبایل های مدرن نیز استفاده می شود، شاید کنجکاو باشید که نحوه عملکرد آن را بدانید. همراه ما باشید تا در این مقاله، عملکرد کلی یک پریسکوپ را بررسی کرده و انواع مختلف آن را بشناسیم.

تاریخچه مختصر

اصطلاح پریسکوپ، از واژه های یونانی (περί، perí و σκοπεῖν، skopeĩn) به ترتیب به معنای «در اطراف»، «محاطبه»، «نزدیک» و «دیدن» یا «منظر» گرفته شده است.

پریسکوپ های اولیه

اختراع اولین پیرابین، به سال های 1611-1683 برمی گردد و دانشمند هلندی یوهانس هولیوس (Johannes Hevelius) اولین کسی بود که در سال 1647 در اولین کتاب خود، آن را با عنوان پلموسکوپ (polemoscope) توصیف کرد و در درجه اول، برای رصد ماه به کار می رفت.

کلمه Polemos (در یونان باستان Πόλεμος، Pólemos) به انگلیسی به عنوان “جنگ” یا “نبرد” ترجمه می شود و به تجسم جنگ در اساطیر یونانی دلالت می کند. بنابراین، نامی که هولیوس برای اولین پریسکوپ انتخاب کرد، نشان می‌ دهد که او یک کاربرد نظامی برای اختراع خود در نظر داشته است.

در سال 1854، هیپولیت ماری دیوی (Hippolyte Marié-Davy) اولین پیرابین دریایی را اختراع کرد که از یک لوله عمودی با دو آینه کوچک در دو انتهای متقابل تشکیل می شد که در زاویه 45 درجه فیکس شده بودند.

شماتیک اولین پیروسکوپ های مبتنی بر آینه

ورود پیرابین به زیر دریایی

در سال 1898، جان هالند (John Holland) ایرلندی اولین زیردریایی قابل استقرار را با پریسکوپ موثر بر اساس این اصل ساخت. اما این دستگاه او و سایر پریسکوپ‌ های توسعه‌ یافته در دهه 1880 هنوز بسیار ابتدایی بودند و در دهه‌ های بعد به طور مداوم مورد بازنگری و پیشرفت قرار گرفتند.

در نیروی دریایی ایالات متحده، Thomas H. Doughty یک پریسکوپ بر مبنای منشور (به جای آبنه) اختراع کرد که در جنگ داخلی آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.

سیمون لیک ( Simon Lake)، مهندس زیر دریایی، در سال 1902 از پیرابین در زیردریایی های خود استفاده کرد، یک پریسکوپ تاشونده موثرتر با هشت منشور برای نمای 360 درجه ایجاد کرد و از آن به عنوان “omniscope” یا “scalomniscope” یاد کرد که خدمه را قادر می ساخت تا کل محیط اطراف خود را مشاهده کنند.

در طول جنگ جهانی اول (1918-1914)، سرگرد هوارد گراب (Sir Howard Grubb) این طراحی را تکمیل نمود. این پریسکوپ‌ ها که در برخی موارد به تفنگ متصل می‌ شدند، برای اولین بار به سربازان این امکان را می‌ داد تا بالای سنگرها را ببینند و در نتیجه از آتش دشمن در امان باشند.

سرگرد هوارد گراب

ورود به حوزه نظامی

حداکثر از سال 1940، پریسکوپ ها به طور کامل به حوزه نظامی راه پیدا کردند (به عنوان مثال در خودروهای زرهی) تا امکان بازرسی نسبتاً ایمن وضعیت از درون محفظه خدمه محافظت شده توسط زره فراهم شود.

استفاده از پریسکوپ در جنگ جهانی اول

نقطه عطف مهم در این زمینه، سیستم اپتیکی چرخشی 360 درجه بود که توسط مهندس لهستانی رودولف گراندلاخ در بین جنگ ها برای تانک های جنگی توسعه یافت. این طرح که توسط رودولف گرندلاخ در سال 1936 به ثبت رسید، برای اولین بار در تانک 7-TP لهستانی استفاده شد و از سال 1935 تا 1939 تولید شد.

انواع مدرن

امروزه فناوری تانک نظامی بدون پیرابین ها غیرقابل تصور است. در طراحی کلاسیک دو تلسکوپ به سمت یکدیگر نشانه رفته اند و اگر دارای بزرگنمایی متفاوت باشند، این تفاوت باعث بزرگنمایی یا کاهش کلی دستگاه می شود.

پیرابین های پیچیده تر معمولاً از منشور یا فیبر نوری پیشرفته (به جای آینه) استفاده می کنند، کیفیت بالاتری دارند و نتایج دقیق تری ارائه می دهند. در ادامه به برخی از انواع آنها خواهیم پرداخت.

کاربرد پریسکوپ در زیردریایی

اصول عملکردی یک پریسکوپ

پریسکوپ یک ابزار نوری است که از سیستمی از منشورها، عدسی ها یا آینه ها برای انعکاس تصاویر از طریق یک لوله استفاده می کند. نور از یک جسم دور به اپتیک بالایی برخورد می کند و سپس با زاویه 90 درجه در لوله پریسکوپ منعکس می شود.

به طور کلی، پریسکوپ های دارای عدسی، منشور و آینه اگرچه در کلیت انتقال نور یکسان عمل می کنند، اما نحوه برخورد آنها با پرتو نور فرودی متفاوت است که در ادامه خواهیم دید.

پریسکوپ های مبتنی بر آینه

ساختار اصلی یک پریسکوپ در ساده ترین حالت، شامل یک پوشش بیرونی با دو آینه موازی Sp1 و Sp2 است که در دو انتهای آن با زاویه 45 درجه نسبت به پرتو نور ورودی و خروجی نصب شده است.

عملکرد این دستگاه بر اساس اصل انعکاس پرتو نور مکرر است: یک پرتو نوری که از دهانه بالایی وارد می شود با زاویه برخورد 45 درجه به آینه Sp1 برخورد می کند و آینه، پرتو نور را به صورت عمودی به پایین بدنه منعکس می کند تا زمانی که به دهانه دیگر برسد.

شماتیک یک پریسکوپ آینه ای ساده

نور منعکس شده در زاویه 45 درجه به آینه Sp2 برخورد می کند و در یک حرکت موازی به سمت خروجی اصلی منحرف می شود. زاویه تابش پرتو نور برای این موضوع تفاوتی ندارد زیرا به لطف موقعیت آینه در 45 درجه، همیشه به صورت عمودی به سمت مشاهده گر منعکس می شود.

بنابراین، ناظری که در دهانه پایینی دستگاه پیرابین نگاه می کند، این تصور را دارد که محیط اطراف را بالاتر از آن مشاهده می کند.

در انواع مدرن تر و پیچیده تر که کاربردهای حساس تری دارند، معمولاً از انواع لنزها برای جهت دادن یا موازی سازی نور بازتابی از آینه ها استفاده می شود که گاهی به پریسکوپ های مبتنی بر لنز نیز شناخته می شوند.

سیستم پیرابین مجهز به لنز

پریسکوپ های مبتنی بر منشور

منشورها اغلب در پریسکوپ های پیچیده تر، به ویژه آنهایی که در زیردریایی ها و ابزارهای علمی یافت می شوند، استفاده می شوند. در این سیستم ها، با پدیده شکست نور مواجه هستیم (به جای بازتاب نور در مدل قبل).

در این نوع دستگاه های پیرابین، مطابق شکل زیر، دو منشور در کنار هم قرار گرفته اند تا یک پرتو نوری فرودی مسیر نشان داده شده را طی کند. و مفهوم غالب، بازتاب کل داخلی است.

شماتیک کلی از یک پیرابین منشوری ساده

بازتاب داخلی کل در مرز بین دو محیط، زمانی رخ می دهد که زاویه برخورد در محیط اول بیشتر از زاویه بحرانی باشد. به عبارت ساده تر، هنگامی که نور از یک محیط متراکم تر (مانند شیشه) به یک محیط با چگالی کمتر (مانند هوا) حرکت می کند، اگر زاویه تابش از یک زاویه بحرانی خاص بیشتر شود، می تواند کاملاً به محیط متراکم تر منعکس شود.

زمانی که این شرط برآورده می شود، تمام نور به محیط اول بازتاب می شود و در نتیجه بازتاب کامل صورت می گیرد. از نظر ریاضی، رابطه بین زوایا و ضرایب شکست توسط قانون اسنل ارائه می شود:

قانون اسنل

منشورها ذاتاً مستحکم هستند، در حالی که آینه ها فقط در صورتی قوی هستند که بسیار ضخیم ساخته شوند. البته در یک پریسکوپ با کیفیت بالا ساخته شده از آینه، آنها ضخیم و بسیار مسطح ساخته می شوند.

انواع ساختارهای پریسکوپ های منشوری

در انواع مبتنی بر لنز،

لنزهای پریسکوپ

عدسی پریسکوپ یک جزء اپتیکی است که از منشور یا آینه برای هدایت نور از طریق لنزها با زاویه 90 درجه با محور نوری استفاده می کند. این فناوری امکان زوم اپتیکال بیشتری نسبت به آنچه با لنزهای سنتی امکان پذیر است را فراهم می کند.

لنز پریسکوپ قابلیت‌ زوم اپتیکال بسیار بالایی را ارائه می‌ دهد که در دوربین گوشی‌ های هوشمند معمولی غیرممکن است و امکان زوم اپتیکال 5 برابر، یا حتی 10 برابر را فراهم می‌ کند.

لنز پریسکوپ 5 برابر زوم در گوشی Huawei P30 Pro

چگونه کار می کند؟

در ابتدایی ترین سطح، لنزها نور را روی یک سنسور دوربین (یا در برخی موارد فیلم) متمرکز می کنند، که نور را به تصویر تبدیل می کند. اکثر گوشی‌ های هوشمند دارای دوربینی هستند که میدان دید وسیعی دارد، زیرا به طور کلی، مردم می‌ خواهند تا جایی که ممکن است عکس‌ های خود را ثبت کنند.

با این حال، محدودیت فیزیکی عمق تلفن، حداکثر فاصله کانونی دوربین آن را محدود می کند (و در نتیجه زوم و میدان دید آن) را محدود می کند. برای دستیابی به زوم بیشتر، دوربین باید فاصله کانونی بیشتری داشته باشد.

برخی از سازندگان موبایل ها، سعی کردند با ادغام لنز زوم اپتیکال بر فاصله کانونی محدود غلبه کنند. سامسونگ با گلکسی زوم خود که دارای یک لنز تلسکوپی بود که می‌ توانست به زوم 10 برابری دست یابد، این کار را انجام داد.

اگرچه اولین تلاش اصلی برای عکاسی با زوم موبایل بی نتیجه ماند، اما این رویا در مفهومی به نام اپتیک تا شده ادامه یافت. نور لزوما در یک خط مستقیم حرکت نمی کند. بسته به اشیایی که با آن روبرو می شود، مسیر آن می تواند خمیده، منحرف یا منحرف شود.

گوشی های هوشمند مدرن با الگو برداری از طراحی پریسکوپ از این مزیت استفاده می کنند. ایده پشت این دوربین ها ساده است. لنز پریسکوپ معمولاً در داخل دستگاه (مانند تلفن هوشمند) تعبیه می شود، نه اینکه مانند یک لنز زوم سنتی در بخش بیرونی قرار گرفته باشد.

طرز کار این لنزها به این صورت است که نور وارد سیستم عدسی شده و توسط منشورها یا آینه ها شکسته می شود و امکان بزرگنمایی را فراهم می کند. طراحی فشرده این لنزها، آنها را قادر می سازد تا در فضای محدود دستگاه های مدرن قرار بگیرند.

عملکرد کلی یک لنز پریسکوپ

با وجود مزایای قابل توجه، ماژول‌ های دوربین پریسکوپ هنوز موانع مهمی برای غلبه بر آنها دارند. اول از همه، گران هستند، نه فقط از نظر هزینه، بلکه از نظر فضایی که اشغال می کنند.

قیمت دوربین های پریسکوپ بیشتر از ماژول های دوربین استاندارد با سنسورهای مشابه است، زیرا قطعات بیشتری دارند و با مهندسی دقیق تری ساخته می شوند. همچنین، فضای بیشتری را در تلفن اشغال می کنند، به این معنی که تلفن ها یا باید ضخیم تر و سنگین تر شوند یا سایر ویژگی های سخت افزاری مانند جک هدفون یا فضای ذخیره سازی کم شوند.

سخن پایانی

پریسکوپ یک ابزار نوری است که در سیستم های زمینی، دریایی و ناوبری زیردریایی استفاده می شود و این امکان را برای ناظر فراهم می کند تا در حالی که پنهان، پشت زره یا زیر آب است، محیط اطراف را ببیند.

پریسکوپ های ساده از آینه ساخته شده اند، در حالی که برخی از انواع پیشرفته و پیچیده از منشورهای بازتابنده ساخته شده اند که بر اساس اصل بازتاب نور کار می کنند که در آن زاویه بازتاب برابر با زاویه تابش است.

لنزهای پریسکوپ که با الگوبرداری از یک پریسکوپ عمل می کنند، با ارائه زوم اپتیکال گسترده، امکانات هیجان انگیزی را برای بهبود عکاسی با گوشی هوشمند ارائه می دهند.

امیدواریم که این مقاله مفید بوده است. پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات شرکت بلورآزما نیز دیدن کنید. در صورت لزوم، امکان دانلود رایگان کاتالوگ محصولات وجود دارد.

منابع و مراجع

Wikipedia