CN108693622B - 光波隐身装置与隐形空间扩展方法 - Google Patents

Abstract

一种光波隐身装置与隐形空间扩展方法，底座上一端设有前V形棱镜、另一端设有与前V形棱镜结构相同的后V形棱镜，后V形棱镜V形开口与前V形棱镜V形开口相对，前V形棱镜关于中垂面对称，前V形棱镜与后V形棱镜的中垂面位于同一平面，前V形棱镜与后V形棱镜之间设有关于前V形棱镜中垂面对称且结构相同的左三棱镜和右三棱镜，左三棱镜与右三棱镜底面相对且相互平行，左三棱镜底面、左三棱镜两侧面所在平面、右三棱镜底面、左三棱镜两侧面所在平面围成的空间为隐形空间a，通过同步增大前V形棱镜、后V形棱镜、左三棱镜与右三棱镜相互间的距离，就可扩展隐身装置中的隐形空间a。将物体移入隐形空间a实现隐身。

Description

光波隐身装置与隐形空间扩展方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光波隐身装置与隐形空间扩展方法。

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，将光纤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。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。

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、操作方便的光波隐身装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种光波隐身装置，底座上一端设置有前V形棱镜、另一端设置有与前V形棱镜结构相同的后V形棱镜，后V形棱镜V形开口与前V形棱镜的V形开口相对，前V形棱镜1关于中垂面对称，前V形棱镜与后V形棱镜的中垂面位于同一平面，前V形棱镜与后V形棱镜之间设置有关于前V形棱镜中垂面对称且结构相同的左三棱镜和右三棱镜，左三棱镜与右三棱镜底面相对且相互平行，左三棱镜和右三棱镜的中心线均垂直底座，左三棱镜靠近前V形棱镜的一侧面与前V形棱镜V形面中靠近左三棱镜的一侧面平行，右三棱镜靠近前V形棱镜的一侧面与前V形棱镜V形面中靠近右三棱镜的一侧面平行，左三棱镜靠近后V形棱镜的一侧面与后V形棱镜V形面中靠近左三棱镜的一侧面平行，右三棱镜靠近后V形棱镜的一侧面与后V形棱镜V形面中靠近右三棱镜的一侧面平行，前V形棱镜与后V形棱镜之间的距离L为右三棱镜底面宽度M的1.5～5倍，左三棱镜底面、左三棱镜两侧面所在平面、右三棱镜底面、左三棱镜两侧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形棱镜、后V形棱镜、左三棱镜、右三棱镜的材质均为透明玻璃或有机玻璃。

作为一种优选的技术方案，所述的前V形棱镜、后V形棱镜、左三棱镜、右三棱镜的高度相等。

作为一种优选的技术方案，所述的前V形棱镜几何形状为长方体，其中一长方形侧面为内凹V形面的五棱柱体。

作为一种优选的技术方案，所述的V形面的顶角为100°，V形面的尖顶与该尖顶所对侧面之间的距离h为15mm。

作为一种优选的技术方案，所述的左三棱镜2侧面宽度与前V形棱镜V形面中一面的宽度相等。

一种使用上述光波隐身装置的隐形空间扩展方法，包括如下步骤：

(1)同步移动前V形棱镜和后V形棱镜，增大前V形棱镜和后V形棱镜之间的距离。

(2)同步移动左三棱镜和右三棱镜，使左三棱镜两侧面相交的棱和右三棱镜两侧面相交的棱位于前V形棱镜与后V形棱镜的对称面上，且左三棱镜和右三棱镜关于前V形棱镜的中垂面对称。

(3)调节左三棱镜和右三棱镜之间的距离，使透过前V形棱镜和后V形棱镜观察到的景物与直接看到的物大小相同，此时，左三棱镜底面、左三棱镜两侧面所在平面、右三棱镜底面、左三棱镜两侧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形棱镜和后V形棱镜，前V形棱镜和后V形棱镜之间设置有关于前V形棱镜中垂面对称的左三棱镜与右三棱镜，左三棱镜底面、左三棱镜两侧面所在平面、右三棱镜底面、左三棱镜两侧面所在平面围成的隐形空间，通过同步增大前V形棱镜、后V形棱镜、左三棱镜与右三棱镜相互间的距离，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，是一种开放式光隐身装置。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2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、2中，本实施例的光波隐身装置由前V形棱镜1、左三棱镜2、右三棱镜3、底座4、后V形棱镜5连接构成。为了对本发明进一步理解，定义观察方向为前侧。

底座4上表面前端安装有前V形棱镜1，前V形棱镜1几何结构为长方体一长方形侧面为内凹V形面的五棱柱体，V形面的顶角为100°，V形面的尖顶与该尖顶所对侧面之间的距离h为15mm，前V形棱镜1关于中垂面对称，底座4上表面后端安装有与前V形棱镜1结构相同的后V形棱镜5，后V形棱镜5的V形开口与前V形棱镜1的V形开口相对，前V形棱镜1与后V形棱镜5的中垂面位于同一平面，前V形棱镜1与后V形棱镜5之间安装有关于前V形棱镜1中垂面对称的左三棱镜2和右三棱镜3，左三棱镜2和右三棱镜3的结构相同，左三棱镜2与右三棱镜3底面相对且相互平行，左三棱镜2和右三棱镜3的中心线均垂直底座4，左三棱镜2的侧面宽度与前V形棱镜V形面中一面的宽度相等，左三棱镜2的前侧面与前V形棱镜1V形面的左侧面平行、后侧面与后V形棱镜5V形面的左侧面平行，右三棱镜3的前侧面与前V形棱镜1V形面的右侧面平行、后侧面与后V形棱镜5V形面的右侧面平行，前V形棱镜1与后V形棱镜5之间的距离L为右三棱镜3底面宽度M的1.5倍，前V形棱镜1、后V形棱镜5、左三棱镜2、右三棱镜3的材质均为透明玻璃，也可以为有机玻璃，前V形棱镜1、后V形棱镜5、左三棱镜2、右三棱镜3的高度相等，左三棱镜2底面、左三棱镜2两侧面所在平面、右三棱镜3底面、左三棱镜2两侧面所在平面围成的空间为隐形空间a。

实施例2

在图3中，底座4上表面前端安装有前V形棱镜1，前V形棱镜1几何结构为长方体一长方形侧面为内凹V形面的五棱柱体，V形面的顶角为100°，V形面的尖顶与该尖顶所对侧面之间的距离h为15mm，前V形棱镜1关于中垂面对称，底座4上表面后端安装有与前V形棱镜1结构相同的后V形棱镜5，后V形棱镜5的V形开口与前V形棱镜1的V形开口相对，前V形棱镜1与后V形棱镜5的中垂面位于同一平面，前V形棱镜1与后V形棱镜5之间安装有关于前V形棱镜1中垂面对称的左三棱镜2和右三棱镜3，左三棱镜2和右三棱镜3的结构相同，左三棱镜2与右三棱镜3底面相对且相互平行，左三棱镜2和右三棱镜3的中心线均垂直底座4，左三棱镜2的侧面宽度与前V形棱镜1的V形面中一面的宽度相等，左三棱镜2的前侧面与前V形棱镜1V形面的左侧面平行、后侧面与后V形棱镜5V形面的左侧面平行，右三棱镜3的前侧面与前V形棱镜1V形面的右侧面平行、后侧面与后V形棱镜5V形面的右侧面平行，前V形棱镜1与后V形棱镜5之间的距离L为右三棱镜3底面宽度M的3倍，前V形棱镜1、后V形棱镜5、左三棱镜2、右三棱镜3的材质均为透明玻璃，前V形棱镜1、后V形棱镜5、左三棱镜2、右三棱镜3的高度相等，左三棱镜2底面、左三棱镜2两侧面所在平面、右三棱镜3底面、左三棱镜2两侧面所在平面围成的空间为隐形空间a。

实施例3

在图3中，底座4上表面前端安装有前V形棱镜1，前V形棱镜1几何结构为长方体一长方形侧面为内凹V形面的五棱柱体，V形面的顶角为100°，V形面的尖顶与该尖顶所对侧面之间的距离h为15mm，前V形棱镜1关于中垂面对称，底座4上表面后端安装有与前V形棱镜1结构相同的后V形棱镜5，后V形棱镜5的V形开口与前V形棱镜1的V形开口相对，前V形棱镜1与后V形棱镜5的中垂面位于同一平面，前V形棱镜1与后V形棱镜5之间安装有关于前V形棱镜1中垂面对称的左三棱镜2和右三棱镜3，左三棱镜2和右三棱镜3的结构相同，左三棱镜2与右三棱镜3底面相对且相互平行，左三棱镜2和右三棱镜3的中心线均垂直底座4，左三棱镜2的侧面宽度与前V形棱镜1V形面中一面的宽度相等，左三棱镜2的前侧面与前V形棱镜1V形面的左侧面平行、后侧面与后V形棱镜5V形面的左侧面平行，右三棱镜3的前侧面与前V形棱镜1V形面的右侧面平行、后侧面与后V形棱镜5V形面的右侧面平行，前V形棱镜1与后V形棱镜5之间的距离L为右三棱镜3底面宽度M的5倍，前V形棱镜1、后V形棱镜5、左三棱镜2、右三棱镜3的材质均为透明玻璃，前V形棱镜1、后V形棱镜5、左三棱镜2、右三棱镜3的高度相等，左三棱镜2底面、左三棱镜2两侧面所在平面、右三棱镜3底面、左三棱镜2两侧面所在平面围成的空间为隐形空间a。

本发明的光波隐身装置的隐形空间扩展方法，具体包括以下步骤：

(1)移动后V形棱镜5使后V形棱镜5与前V形棱镜1间的距离L等于右三棱镜3底面宽度M的1.5倍。

(2)在前V形棱镜1的正前方距前V形棱镜1前侧面1～5m处透过前V形棱镜1和后V形棱镜5观察后V形棱镜5后侧面后的景物，同时同步移动左三棱镜2和右三棱镜3，调节左三棱镜2和右三棱镜3之间的距离，使透过前V形棱镜1和后V形棱镜5观察到的景物与直接看到的景物大小相同，此时，左三棱镜2底面、左三棱镜2两侧面所在平面、右三棱镜3底面、左三棱镜2两侧面所在平面围成的空间为隐形空间a，如图2，透过前V形棱镜1的前侧面观察放置在隐形空间a中的物体不可见，能观察到后V形棱镜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形棱镜5与前V形棱镜1间的距离L增大到右三棱镜3底面宽度M的3倍，将左三棱镜2和右三棱镜3朝后V形棱镜5方向同步平行移动，使左三棱镜2两侧面相交的棱和右三棱镜3两侧面相交的棱位于前V形棱镜1与后V形棱镜5的对称面上，且左三棱镜2和右三棱镜3关于前V形棱镜1的中垂面对称，同步增大左三棱镜2和右三棱镜3底面之间的距离，使透过前V形棱镜1和后V形棱镜5观察到的景物与直接看到的景物大小相同，此时，左三棱镜2底面、左三棱镜2两侧面所在平面、右三棱镜3底面、左三棱镜2两侧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形棱镜5的中垂面为分界线，垂直入射到后V形棱镜5后侧面上的平行光中位于后V形棱镜5中垂面左侧的平行光，透过后V形棱镜5由V形面左侧面出射时向左折射，位于后V形棱镜5中垂面右侧的平行光，透过后V形棱镜5由V形面右侧面出射时向右折射，即通过后V形棱镜5将一幅画面分成大小相等的两副画面。由后V形棱镜5的V形面左侧面出射的向左折射的光到达左三棱镜2的后侧面进入左三棱镜2，折射光中平行于左三棱镜2底面的光，由左三棱镜2的前侧面出射，入射到前V形棱镜1的V形面的左侧面上；以两个V形棱镜中垂面为对称的由后V形棱镜5V形面右侧面出射的向右折射的光到达右三棱镜3的后侧面进入右三棱镜3，折射光中平行于右三棱镜3的底面的光，由右三棱镜3的前侧面出射，入射到前V形棱镜1的V形面的右侧面上；到达前V形棱镜1的V形面左侧面和右侧面的光进入前V形棱镜1后又折射成为平行光射出，即通过前V形棱镜1将后V形棱镜5分开的画面又合成为一副，也就是透过前V形棱镜1能看到后V形棱镜5后侧面外的景物。由于透过后V形棱镜5从前V形棱镜1出射的平行光绕过了由左三棱镜2底面、左三棱镜2两侧面所在平面、右三棱镜3底面、左三棱镜2两侧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形棱镜1观察后V形棱镜5后侧面外的景物，并不产生遮挡。同时，前V形棱镜1的折射作用，使得在前V形棱镜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 (6)

1.一种光波隐身装置，其特征在于：底座（4）上一端设置有前V形棱镜（1）、另一端设置有与前V形棱镜（1）结构相同的后V形棱镜（5），后V形棱镜（5） V形开口与前V形棱镜（1）的V形开口相对，前V形棱镜（1）关于中垂面对称，前V形棱镜（1）与后V形棱镜（5）的中垂面位于同一平面，前V形棱镜（1）与后V形棱镜（5）之间设置有关于前V形棱镜（1）中垂面对称且结构相同的左三棱镜（2）和右三棱镜（3），左三棱镜（2）与右三棱镜（3）底面相对且相互平行，左三棱镜（2）和右三棱镜（3）的中心线均垂直底座（4），左三棱镜（2）靠近前V形棱镜（1）的一侧面与前V形棱镜（1）V形面中靠近左三棱镜（2）的一侧面平行，右三棱镜（3）靠近前V形棱镜（1）的一侧面与前V形棱镜（1） V形面中靠近右三棱镜（3）的一侧面平行，左三棱镜（2）靠近后V形棱镜（5）的一侧面与后V形棱镜（5）V形面中靠近左三棱镜（2）的一侧面平行，右三棱镜（3）靠近后V形棱镜（5）的一侧面与后V形棱镜（5）V形面中靠近右三棱镜（3）的一侧面平行，前V形棱镜（1）与后V形棱镜（5）之间的距离L为右三棱镜（3）底面宽度M的1.5～5倍，左三棱镜（2）底面、左三棱镜（2）两侧面所在平面、右三棱镜（3）底面、左三棱镜（2）两侧面所在平面围成的空间为隐形空间（a）, 所述的前V形棱镜（1）几何结构为长方体一长方形侧面为内凹V形面的五棱柱体。

2.根据权利要求1所述的光波隐身装置，其特征在于：所述的前V形棱镜（1）、后V形棱镜（5）、左三棱镜（2）、右三棱镜（3）的材质均为透明玻璃或有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的光波隐身装置，其特征在于：所述的前V形棱镜（1）、后V形棱镜（5）、左三棱镜（2）、右三棱镜（3）的高度相等。

4.根据权利要求1所述的光波隐身装置，其特征在于：所述的V形面的顶角为100°，V形面的尖顶与该尖顶所对侧面之间的距离h为15mm。

5.根据权利要求1～4任一项所述的光波隐身装置，其特征在于：所述的左三棱镜（2）侧面宽度与前V形棱镜（1） V形面中一面的宽度相等。

6.根据权利要求1所述的光波隐身装置的隐形空间扩展方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）同步移动前V形棱镜（1）和后V形棱镜（5），增大前V形棱镜（1）和后V形棱镜（5）之间的距离；

（2）同步移动左三棱镜（2）和右三棱镜（3），使左三棱镜（2）两侧面相交的棱和右三棱镜（3）两侧面相交的棱位于前V形棱镜（1）与后V形棱镜（5）的对称面上，且左三棱镜（2）和右三棱镜（3）关于前V形棱镜（1）的中垂面对称，

（3）调节左三棱镜（2）和右三棱镜（3）之间的距离，使透过前V形棱镜（1）和后V形棱镜（5）观察到的景物与直接看到的景物大小相同，此时，左三棱镜（2）底面、左三棱镜（2）两侧面所在平面、右三棱镜（3）底面、左三棱镜（2）两侧面所在平面围成的隐形空间（a）扩大完毕。

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