CN108615446B - 隐形空间可调的光学隐身演示装置与隐身空间扩展方法 - Google Patents

Abstract

一种隐形空间可调的光学隐身演示装置与隐身空间扩展方法，底座上一端设有前V形水槽、另一端设有与前V形水槽结构相同的后V形水槽，后V形水槽V形开口与前V形水槽V形开口相对，前V形水槽关于中垂面对称，前V形水槽与后V形水槽的中垂面位于同一平面，前V形水槽与后V形水槽之间设有关于前V形水槽中垂面对称的左三角形水槽和右三角形水槽，左三角形水槽的第三侧板与右三角形水槽的第六侧板相对且平行，左三角形水槽三个侧板外表面所在平面与右三角形水槽三个侧板外表面所在平面围成的空间为隐形空间a，通过同步增大前V形水槽、后V形水槽、左三角形水槽、右三角形水槽间的距离，就可扩展该隐形空间a，将物体移入其中实现隐身。

Description

隐形空间可调的光学隐身演示装置与隐身空间扩展方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种隐形空间可调的光学隐身演示装置与隐身空间扩展方法。

背景技术

“隐身”是人类长久来的一种梦想，经过科学家的不懈努力，隐身技术在不同领域都取得了进展。但现有的隐形技术主要是在微波段，通过在飞机表面涂抹能吸收雷达波的材料，避免飞机被雷达发现，从而实现飞机隐形，然而这种技术不是真正的隐身，在可见光波段，飞机仍然是可见的。日本科学家研制一种隐身装置，利用安装在身体后侧的摄像头并以人体的遮盖物为显示屏，将人体后侧的图像拍下后显示在人体前侧的遮盖物上，但其隐形效果受图像质量的影响，且装置非常复杂，难以推广使用。还有一种方式，通过光纤，将光线从物体后侧引导到前侧，从而绕过中间的物体，消除物体对后侧景物的遮挡，实现物体的隐形，但这样的装置对光纤的工艺要求高，造价也非常高，形成的图像质量差，隐形效果不好。最近网上出现了一段视频，表演者手持一大块反光的“塑料布”展开在人身前侧，这时被遮挡的人身体不见了，同时身后的景物一览无余。这引起了网民的极大兴趣，但这种隐身效果实际上是电脑合成所得，目前人类科技的发展还远达不到这种水平。

Pendry等在2006年的Science期刊[Science312,1780(2006)]上发表文章提出了一种理想的隐身技术方法。他们通过变换光学的方法，设计出介电常数和磁导率参数随空间变化的隐身器件，并在微波波段进行了实验验证。但由于Pendry等提出的隐身器件设计方法要求所用材料的电磁参数随空间变化，对材料的要求非常苛刻，实现起来很困难，价格昂贵，同时这种材料由于色散很剧烈，只能工作在很窄的一个频率区间，不能实现对任意极化电磁波的隐身，并且能实现的隐身尺度很小，因此难以得到实际应用。

中国发明专利(CN 103207451 B)“一种柱状电磁波隐身器件”和中国发明专利(CN103268014 B)“一种具有四个方向隐身效果的柱状电磁波隐身器件”分别公开了采用由第一介质和第二介质制成的不同顶角的等腰三角形，构成不同结构和隐形尺度的隐形器件。其特点为由不同顶角的等腰三角形组合形成的隐形空间是封闭的，隐形空间尺度的增大必须通过增加不同顶角的等腰三角形的尺寸来实现，这必然增大制造成本和制造难度。同时采用由第一介质和第二介质制成的不同顶角的等腰三角形较多，加工和组装精度要求高。这些特征使其用于构造大尺度隐形空间存在一定困难，制约了其在面向大学生、中小学生和社会公众开展科普教育中的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有隐身装置的缺点，提供一种结构简单、成本低、操作方便的隐形空间可调的光学隐身演示装置与隐身空间扩展方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种隐形空间可调的光学隐身演示装置，底座上一端设置有透明的前V形水槽、另一端设置有与前V形水槽结构与尺寸相同的后V形水槽，后V形水槽的V形开口与前V形水槽的V形开口相对，前V形水槽关于中垂面对称，前V形水槽与后V形水槽的中垂面位于同一平面，前V形水槽与后V形水槽之间设置有关于前V形水槽中垂面对称的透明的左三角形水槽和右三角形水槽，左三角形水槽的侧壁由首尾相接的第一侧板、第二侧板、第三侧板构成，右三角形水槽的侧壁由首尾相接的第四侧板、第五侧板、第六侧板构成，左三角形水槽的第三侧板与右三角形水槽的第六侧板相互平行，前V形水槽V形侧壁中靠近左三角形水槽的侧壁与左三角形水槽的第一侧板平行、靠近右三角形水槽的另一侧壁与右三角形水槽的第四侧板平行，后V形水槽V形侧壁中靠近左三角形水槽的侧壁与左三角形水槽的第二侧板平行、靠近右三角形水槽的另一侧壁与右三角形水槽的第五侧板平行，前V形水槽与后V形水槽之间的距离L是右三角形水槽第六侧板长度M的1.5～5倍，前V形水槽、后V形水槽、左三角形水槽、右三角形水槽内均注有相同水位的水，左三角形水槽三个侧板外表面所在平面与右三角形水槽三个侧板外表面所在平面围成的空间为隐形空间a。

作为一种优选的技术方案，所述的前V形水槽、后V形水槽、左三角形水槽、右三角形水槽的材质均为透明玻璃。

作为一种优选的技术方案，所述的前V形水槽、后V形水槽、左三角形水槽、右三角形水槽的高度相等。

作为一种优选的技术方案，所述的前V形水槽结构为长方形水槽且其中一长侧壁板为内凹V形侧壁板。

作为一种优选的技术方案，所述的V形侧壁板的顶角为90°，V形侧壁板的尖顶与该尖顶所对侧壁板之间的距离h为10～20mm。

作为一种优选的技术方案，前V形水槽1V形侧壁中任一侧壁的长度等于左三角形水槽第一侧板的长度。

本发明还提供一种隐形空间可调的光学隐身演示装置的隐形空间扩展方法，包括如下步骤：

(1)将放置于底座上的前V形水槽、后V形水槽、左三角形水槽和右三角形水槽中均注满水，移动后V形水槽，增大前V形水槽和后V形水槽之间的距离；

(2)同步移动左三角形水槽和右三角形水槽，使左三角形水槽第一侧板和第二侧板相交的棱和右三角形水槽第四侧板和第五侧板相交的棱位于前V形水槽与后V形水槽的对称面上，且左三角形水槽和右三角形水槽关于前V形水槽的中垂面对称；

(3)调节左三角形水槽和右三角形水槽之间的距离，使透过前V形水槽和后V形水槽观察到的景物与直接看到后V形水槽后面的景物大小相同，此时，左三角形水槽三个侧板的外表面所在平面与右三角形水槽三个侧板的外表面所在平面围成的隐形空间a扩大完毕。

本发明的有益效果如下：

本发明采用在底座上设置V形开口相对的前V形水槽和后V形水槽，前V形水槽和后V形水槽之间设置有关于前V形水槽中垂面对称的左三角形水槽与右三角形水槽，左三角形水槽三个侧板外表面所在平面与右三角形水槽三个侧板外表面所在平面围成的空间为隐形空间a，通过同步增大前V形水槽、后V形水槽、左三角形水槽与右三角形水槽相互间的距离，就可扩展隐身装置中的隐形空间，将物体移入隐形空间实现隐身。本发明具有结构简单、成本低、操作方便的优点，本发明可在中小学科学实验室、大学生科普实验室、以及面向社会公众的科技馆推广使用，用于展示光学隐形技术的物理原理，激发学生的科学兴趣，启迪学生的创新思维。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明实施例1光路走向的结构示意图。

图3是本发明实施例3光路走向的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。

实施例1

在图1中，本实施例的隐形空间可调的光学隐身演示装置由前V形水槽1、左三角形水槽2、右三角形水槽3、底座4、后V形水槽5连接构成，为了对本发明进一步理解，定义观察方向为前V形水槽1的前侧。

底座4上表面前端安装有透明的前V形水槽1，前V形水槽1结构为长方体水槽且后侧壁为内凹V形侧壁板，V形侧壁板的顶角为90°，V形侧壁板的尖顶与该尖顶所对前侧壁板之间的距离h为15mm，前V形水槽1关于中垂面对称，底座4上表面后端安装有与前V形水槽1结构和尺寸相同的后V形水槽5，后V形水槽5V形侧壁板的V形开口与前V形水槽1V形侧壁板的V形开口相对，前V形水槽1与后V形水槽5的中垂面位于同一平面，前V形水槽1与后V形水槽5之间安装有关于前V形水槽1中垂面对称的左三角形水槽2和右三角形水槽3，左三角形水槽2和右三角形水槽3的结构相同，左三角形水槽2的侧壁由首尾相接的第一侧板2‐1、第二侧板2‐2、第三侧板2‐3构成，右三角形水槽3的侧壁由首尾尾相接的第四侧板3‐1、第五侧板3‐2、第六侧板3‐3构成，左三角形水槽2的第三侧板2‐3与右三角形水槽3的第六侧板3‐3相互平行，前V形水槽1V形侧壁板中靠近左三角形水槽2的侧壁板与左三角形水槽2的第一侧板2‐1平行、靠近右三角形水槽3的侧壁板与右三角形水槽3的第四侧板3‐1平行，后V形水槽5V形侧壁板中靠近左三角形水槽2的侧壁板与左三角形水槽2的第二侧板2‐2平行、靠近右三角形水槽3的侧壁板与右三角形水槽3的第五侧板3‐2平行，前V形水槽1V形侧壁板中任一侧壁板的长度等于左三角形水槽2第一侧板2‐1的长度，前V形水槽1与后V形水槽5之间的距离L是右三角形水槽3第六侧板3‐3长度M的2倍，前V形水槽1、后V形水槽5、底座4、左三角形水槽2、右三角形水槽3的材质为玻璃，也可以为有机玻璃，前V形水槽1、后V形水槽5、左三角形水槽2、右三角形水槽3的高度相等，前V形水槽1、后V形水槽5、左三角形水槽2、右三角形水槽3内均注有相同水位的水，左三角形水槽2三个侧板外表面所在平面与右三角形水槽3三个侧板外表面所在平面围成的空间为隐形屋a。

实施例2

在图2中，底座4上表面前端安装有透明的前V形水槽1，前V形水槽1结构为长方形水槽且后侧壁为内凹V形侧壁板，V形侧壁板的顶角为90°，V形侧壁板的尖顶与该尖顶所对前侧壁板之间的距离h为10mm，底座4上表面后端安装有与前V形水槽1结构和大小相同的后V形水槽5，后V形水槽5的V形开口与前V形水槽1的V形开口相对，前V形水槽1与后V形水槽5的中垂面位于同一平面，前V形水槽1与后V形水槽5之间安装有关于前V形水槽1中垂面对称的左三角形水槽2和右三角形水槽3，前V形水槽1与后V形水槽5之间的距离L是右三角形水槽3第六侧板3‐3长度M的1.5倍。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例3

在图3中，底座4上表面前端安装有透明的前V形水槽1，前V形水槽1结构为长方形水槽且后侧壁为内凹V形侧壁板，V形侧壁板的顶角为90°，V形侧壁板的尖顶与该尖顶所对前侧壁板之间的距离h为20mm，底座4上表面后端安装有与前V形水槽1结构和大小相同的后V形水槽5，后V形水槽5的V形开口与前V形水槽1的V形开口相对，前V形水槽1与后V形水槽5的中垂面位于同一平面，前V形水槽1与后V形水槽5之间安装有关于前V形水槽1中垂面对称的左三角形水槽2和右三角形水槽3，前V形水槽1与后V形水槽5之间的距离L是右三角形水槽3第六侧板3‐3长度M的3倍。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

本发明的隐形空间可调的光学隐身演示装置的隐身空间扩展方法，具体包括以下步骤：

(1)将放置于底座4上的前V形水槽1、后V形水槽5、左三角形水槽2和右三角形水槽3中均注满水，移动后V形水槽5使前V形水槽1和后V形水槽5之间的距离等于右三角形水槽3第六侧板3‐3长度M的2倍；

(2)在前V形水槽1的正前方距前V形水槽1前侧壁板2～8m处透过前V形水槽1和后V形水槽5观察后V形水槽5后侧壁板后的景物，同时同步移动左三角形水槽2和右三角形水槽3，调节左三角形水槽2和右三角形水槽3之间的距离，使透过前V形水槽1和后V形水槽5观察到的景物与直接看到的景物大小相同，此时，左三角形水槽2三个侧板外表面所在平面与右三角形水槽3三个侧板外表面所在平面围成的空间为隐形空间a，如图2，透过前V形水槽1的前侧壁板观察放置在隐形空间a中的物体不可见，能观察到后V形水槽5后面的景物，即实现了放置在隐形空间a内物体的隐身；

(3)在步骤(2)的基础上，使后V形水槽5与前V形水槽1间的距离L增大到右三角形水槽3底面宽度M的3倍，将左三角形水槽2和右三角形水槽3朝后V形水槽5方向同步平行移动，使左三角形水槽2第一侧板2‐1和第二侧板2‐2相交的棱和右三角形水槽3第四侧板3‐1和第五侧板3‐2相交的棱位于前V形水槽1与后V形水槽5的对称面上，且左三角形水槽2和右三角形水槽3关于前V形水槽1的中垂面对称，同步增大左三角形水槽2第三侧板2‐3和右三角形水槽3第六侧板3‐3之间的距离，使透过前V形水槽1和后V形水槽5观察到的后V形水槽5后侧壁板后的景物与直接看到的景物大小相同，此时，左三角形水槽2三个侧板的外表面所在平面与右三角形水槽3三个侧板的外表面所在平面围成的空间为隐形空间a，如图3，该隐形空间a大于步骤(2)中如图2所示的隐形空间a，隐形空间a扩大完毕。

本发明的工作原理如下：

本发明基于光的折射原理，如图2、3所示，以后V形水槽5的中垂面为分界线，垂直入射到后V形水槽5后侧壁上的平行光中位于后V形水槽5中垂面左侧的平行光，透过后V形水槽5由V形壁板的左侧壁板出射时向左折射，位于后V形水槽5中垂面右侧的平行光，透过后V形水槽5由V形壁板的右侧壁板出射时向右折射，即通过后V形水槽5将一幅景物画面分成大小相等的两副画面。由后V形水槽5的V形壁板的左侧壁板出射的向左折射的光到达左三角形水槽2的第二侧板2‐2进入左三角形水槽2，折射光中平行于左三角形水槽2第三侧板2‐3的光，由左三角形水槽2的第一侧板2‐1出射，入射到前V形水槽1的V形壁板的左侧壁板上；以两个V形棱镜中垂面为对称的由后V形水槽5V形壁板的右侧壁板出射的向右折射的光到达右三角形水槽3的第五侧板3‐2进入右三角形水槽3，折射光中平行于右三角形水槽3的第六侧板3‐3的光，由右三角形水槽3的第四侧板3‐1出射，入射到前V形水槽1的V形壁板的右侧壁板上；到达前V形水槽1的V形壁的左侧壁板和右侧壁板的光进入前V形水槽1后又折射成为垂直于前V形水槽1前侧壁板的平行光射出，即通过前V形水槽1将后V形水槽5分开的画面又合成为一副，也就是透过前V形水槽1和后V形水槽5能看到后V形水槽5后侧壁板外的景物。由于透过后V形水槽5从前V形水槽1出射的平行光绕过了由左三角形水槽2三个侧板外表面所在平面与右三角形三个侧板外表面所在平面围成的阴影区域，如图2、3所示，因此放置在该区域的物体对透过前V形水槽1观察后V形水槽5后侧壁板外的景物，并不产生遮挡。同时，前V形水槽1的折射作用，使得在前V形水槽1的正前方不能看到放置在图2、3中所示的阴影区域中的物体，即实现了放置该区域内物体的隐身。

Claims (7)

1.一种隐形空间可调的光学隐身演示装置，其特征在于：底座（4）上一端设置有透明的前V形水槽（1）、另一端设置有与前V形水槽（1）结构与尺寸相同的后V形水槽（5），后V形水槽（5）的V形开口与前V形水槽（1）的V形开口相对，前V形水槽（1）关于中垂面对称，前V形水槽（1）与后V形水槽（5）的中垂面位于同一平面，前V形水槽（1）与后V形水槽（5）之间设置有关于前V形水槽（1）中垂面对称的透明的左三角形水槽（2）和右三角形水槽（3），左三角形水槽（2）的侧壁由首尾相接的第一侧板（2-1）、第二侧板（2-2）、第三侧板（2-3）构成，右三角形水槽（3）的侧壁由首尾相接的第四侧板（3-1）、第五侧板（3-2）、第六侧板（3-3）构成，左三角形水槽（2）的第三侧板（2-3）与右三角形水槽3的第六侧板（3-3）相互平行，前V形水槽（1）V形侧壁中靠近左三角形水槽（2）的侧壁与左三角形水槽（2）的第一侧板（2-1）平行、靠近右三角形水槽（3）的另一侧壁与右三角形水槽（3）的第四侧板（3-1）平行，后V形水槽（5）V形侧壁中靠近左三角形水槽（2）的侧壁与左三角形水槽（2）的第二侧板（2-2）平行、靠近右三角形水槽（3）的另一侧壁与右三角形水槽（3）的第五侧板（3-2）平行，前V形水槽（1）与后V形水槽（5）之间的距离L是右三角形水槽（3）第六侧板（3-3）长度M的1.5～5倍，前V形水槽（1）、后V形水槽（5）、左三角形水槽（2）、右三角形水槽（3）内均注有相同水位的水，左三角形水槽（2）三个侧板外表面所在平面与右三角形水槽（3）三个侧板外表面所在平面围成的空间为隐形空间（a）。

2.根据权利要求1所述的隐形空间可调的光学隐身演示装置，其特征在于：所述的前V形水槽（1）、后V形水槽（5）、左三角形水槽（2）、右三角形水槽（3）的材质均为透明玻璃。

3.根据权利要求1所述的隐形空间可调的光学隐身演示装置，其特征在于：所述的前V形水槽（1）、后V形水槽（5）、左三角形水槽（2）、右三角形水槽（3）的高度相等。

4.根据权利要求1所述的隐形空间可调的光学隐身演示装置，其特征在于：所述的前V形水槽（1）结构为长方形水槽且其中一长侧壁板为内凹V形侧壁板。

5.根据权利要求4所述的隐形空间可调的光学隐身演示装置，其特征在于：所述的V形侧壁板的顶角为90°，V形侧壁板的尖顶与该尖顶所对侧壁板之间的距离h为10～20mm。

6.根据权利要求1～5任一项所述的隐形空间可调的光学隐身演示装置，其特征在于：前V形水槽（1）V形侧壁中任一侧壁的长度等于左三角形水槽（2）第一侧板（2-1）的长度。

7.一种使用权利要求1所述的隐形空间可调的光学隐身演示装置的隐形空间扩展方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将放置于底座（4）上的前V形水槽（1）、后V形水槽（5）、左三角形水槽（2）和右三角形水槽（3）中均注满水，移动后V形水槽（5），增大前V形水槽（1）和后V形水槽（5）之间的距离；

（2）同步移动左三角形水槽（2）和右三角形水槽（3），使左三角形水槽（2）第一侧板（2-1）和第二侧板（2-2）相交的棱和右三角形水槽（3）第四侧板（3-1）和第五侧板（3-2）相交的棱位于前V形水槽（1）与后V形水槽（5）的对称面上，且左三角形水槽（2）和右三角形水槽（3）关于前V形水槽（1）的中垂面对称；

（3）调节左三角形水槽（2）和右三角形水槽（3）之间的距离，使透过前V形水槽（1）和后V形水槽（5）观察到的景物与直接看到后V形水槽（5）后面的景物大小相同，此时，左三角形水槽（2）三个侧板的外表面所在平面与右三角形水槽（3）三个侧板的外表面所在平面围成的隐形空间（a）扩大完毕。