CN108847104A - 折射反射法光学隐形装置 - Google Patents

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李永放
黄育红
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Abstract

一种折射反射法光学隐形装置，在底座上的前侧设前V形水槽、后侧设与前V形水槽的结构相同的后V形水槽，前V形水槽的V形开口与后V形水槽的V形开口相对，前V形水槽和后V形水槽之间设以前V形水槽的中垂面相互对称且结构相同的左V形反射镜和右V形反射镜，左V形反射镜的V形开口与右V形反射镜的V形开口相对，在前V形水槽的V形面、后V形水槽的V形面、左V形反射镜的V形面、右V形反射镜的V形面所在平面围成的空间内，形成菱形边长为前V形水槽与后V形水槽之间距离L的1/2、高度与前V形水槽高度相同四棱柱隐形空间。本发明具有结构简单、成本低廉的优点，适用于中小学科学实验室、大学生科普实验室、以及面向社会公众的科技馆。

Description

折射反射法光学隐形装置
技术领域
本发明属于光学隐身技术领域，具体涉及一种折射反射法光学隐形装置。
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。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上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、成本低廉、能够实现隐身空间扩展的折射反射法光学隐形装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上的前侧设置有前V形水槽、后侧设置有与前V形水槽的结构、大小相同的后V形水槽，前V形水槽的V形开口与后V形水槽的V形开口相对，前V形水槽的中垂面与后V形水槽的中垂面位于同一平面，前V形水槽和后V形水槽之间设置有以前V形水槽的中垂面对称且结构、大小相同的左V形反射镜和右V形反射镜，左V形反射镜的V形开口与右V形反射镜的V形开口相对，左V形反射镜、右V形反射镜的中垂面和前V形水槽与后V形水槽的对称面在同一平面内，前V形水槽与后V形水槽之间的距离L是左V形反射镜、右V形反射镜的V形开口开口宽度M的1.5～5倍，在前V形水槽的V形面、后V形水槽的V形面、左V形反射镜的V形面、右V形反射镜的V形面所在平面围成的空间内，形成以前V形水槽和后V形水槽的中垂面为一个对角面、以前左V形反射镜和右V形反射镜中垂面为另一个对角面的水平截面为菱形，菱形边长为前V形水槽与后V形水槽之间距离L的1/2、高度与前V形水槽高度相同的四棱柱隐形空间。
本发明的前V形水槽、后V形水槽的几何形状是一个侧壁为竖直V形槽的长方体，V形槽的两侧面的夹角为90°，V形槽的顶尖与前V形水槽前侧壁之间的距离h为10～20mm。
本发明的右V形反射镜、左V形反射镜的前反射镜和后反射镜之间的夹角为120°～140°。
本发明的左V形反射镜的前反射镜、后反射镜的宽度是前V形水槽的V形槽一个侧壁宽度的1.2倍；
本发明的前V形水槽、后V形水槽、左V形反射镜、右V形反射镜的高度相同。
本发明采用了在底座上设置前V形水槽和后V形水槽，前V形水槽和后V形水槽之间设置有以前V形水槽的中垂面对称的左V形反射镜和右V形反射镜，在前V形水槽的V形面、后V形水槽的V形面、左V形反射镜的V形面、右V形反射镜的V形面所在平面围成的空间内，形成以前V形水槽和后V形水槽的中垂面为一个对角面、以前左V形反射镜和右V形反射镜中垂面为另一个对角面的水平截面为菱形，菱形边长为前V形水槽与后V形水槽之间距离L的1/2、高度与前V形水槽高度相同的四棱柱隐形空间。该发明能够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；本发明在不增加前V形水槽、后V形水槽、左V形反射镜、右V形反射镜的尺度情况下，通过同步增加前V形水槽和后V形水槽、左V形反射镜和右V形反射镜间的距离，能够实现隐身空间的扩展；本发明具有结构简单、成本低廉的优点，本发明适用于中小学科学实验室、大学生科普实验室、以及面向社会公众的科技馆。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例的折射反射法光学隐形装置由底座1、后V形水槽2、右V形反射镜3、前V形水槽4、左V形反射镜5联接构成。为了对本发明进一步理解，定义观察方向为前V形水槽4的前侧。
在底座1上的前侧安装有前V形水槽4、后侧设置有后V形水槽2，前V形水槽4与后V形水槽2的结构、大小相同，前V形水槽4的V形开口与后V形水槽2的V形开口相对，前V形水槽4的几何形状是后侧壁为竖直V形槽的长方体，后V形水槽2的几何形状是前侧壁为竖直V形槽的长方体，V形槽的两侧壁的夹角为90°，V形槽的顶尖与前V形水槽4前侧壁之间的距离h为15mm，前V形水槽4的前侧壁与左侧壁、右侧壁相互垂直，后V形水槽2的后侧壁与左侧壁、右侧壁相互垂直，前V形水槽4、后V形水槽2的左侧壁和右侧壁的宽度相同，前V形水槽4、后V形水槽2的左侧壁与V形槽左侧壁之间的夹角为45°，前V形水槽4、后V形水槽2的右侧壁与V形槽右侧壁之间的夹角为45°，前V形水槽4、后V形水槽2均为透明平板玻璃构成，在前V形水槽4、后V形水槽2中装满水，前V形水槽4的中垂面与后V形水槽2的中垂面位于同一平面。前V形水槽4和后V形水槽2之间安装有左V形反射镜5和右V形反射镜3，左V形反射镜5的V形开口与右V形反射镜3的V形开口相对，左V形反射镜5和右V形反射镜3以前V形水槽4的中垂面相互对称，左V形反射镜5和右V形反射镜3的结构、大小相同，右V形反射镜3、左V形反射镜的前反射镜和后反射镜之间的夹角为130°，左V形反射镜5的前反射镜、后反射镜的宽度是前V形水槽4的V形槽一个侧壁宽度的1.2倍，左V形反射镜5、右V形反射镜3的中垂面和前V形水槽4与后V形水槽2的对称面在同一平面内，前V形水槽4与后V形水槽2之间的距离L为左V形反射镜5、右V形反射镜3的V形开口宽度M的2倍，前V形水槽4、后V形水槽2、左V形反射镜5、右V形反射镜3的高度相同。在前V形水槽4的V形面、后V形水槽2的V形面、左V形反射镜5的V形面、右V形反射镜3的V形面所在平面围成的空间内，形成以前V形水槽4和后V形水槽2的中垂面为一个对角面、以前左V形反射镜5和右V形反射镜3中垂面为另一个对角面的水平截面为菱形，菱形边长为前V形水槽4与后V形水槽2之间距离L的1/2、高度与前V形水槽4高度相同的四棱柱隐形空间a。
实施例2
在底座1上的前侧安装有前V形水槽4、后侧设置有后V形水槽2，前V形水槽4与后V形水槽2的结构、大小相同，前V形水槽4的V形开口与后V形水槽2的V形开口相对，前V形水槽4的几何形状是后侧壁为竖直V形槽的长方体，后V形水槽2的几何形状是前侧壁为竖直V形槽的长方体，V形槽的两侧壁的夹角为90°，V形槽的顶尖与前V形水槽4前侧壁之间的距离h为10mm，前V形水槽4的前侧壁与左侧壁、右侧壁相互垂直，后V形水槽2的后侧壁与左侧壁、右侧壁相互垂直，前V形水槽4、后V形水槽2的左侧壁和右侧壁的宽度相同，前V形水槽4、后V形水槽2的左侧壁与V形槽左侧壁之间的夹角为45°，前V形水槽4、后V形水槽2的右侧壁与V形槽右侧壁之间的夹角为45°，在前V形水槽4、后V形水槽2中装满水，前V形水槽4的中垂面与后V形水槽2的中垂面位于同一平面。前V形水槽4和后V形水槽2之间安装有左V形反射镜5和右V形反射镜3，左V形反射镜5的V形开口与右V形反射镜3的V形开口相对，左V形反射镜5和右V形反射镜3以前V形水槽4的中垂面相互对称，左V形反射镜5和右V形反射镜3的结构、大小相同，右V形反射镜3、左V形反射镜的前反射镜和后反射镜之间的夹角为120°，左V形反射镜5的前反射镜、后反射镜的宽度是前V形水槽4的V形槽一个侧壁宽度的1.2倍，左V形反射镜5、右V形反射镜3的中垂面和前V形水槽4与后V形水槽2的对称面在同一平面内，前V形水槽4与后V形水槽2之间的距离L等于左V形反射镜5、右V形反射镜3的V形开口宽度M的1.5倍，前V形水槽4、后V形水槽2、左V形反射镜5、右V形反射镜3的高度相同。在前V形水槽4的V形面、后V形水槽2的V形面、左V形反射镜5的V形面、右V形反射镜3的V形面所在平面围成的空间内，形成以前V形水槽4和后V形水槽2的中垂面为一个对角面、以前左V形反射镜5和右V形反射镜3中垂面为另一个对角面的水平截面为菱形，菱形边长为前V形水槽4与后V形水槽2之间距离L的1/2、高度与前V形水槽4高度相同的四棱柱隐形空间a。
其他零部件及零部件连接关系与实施例1相同。
实施例3
在底座1上的前侧安装有前V形水槽4、后侧设置有后V形水槽2，前V形水槽4与后V形水槽2的结构、大小相同，前V形水槽4的V形开口与后V形水槽2的V形开口相对，前V形水槽4的几何形状是后侧壁为竖直V形槽的长方体，后V形水槽2的几何形状是前侧壁为竖直V形槽的长方体，V形槽的两侧壁的夹角为90°，V形槽的顶尖与前V形水槽4前侧壁之间的距离h为20mm，前V形水槽4的前侧壁与左侧壁、右侧壁相互垂直，后V形水槽2的后侧壁与左侧壁、右侧壁相互垂直，前V形水槽4、后V形水槽2的左侧壁和右侧壁的宽度相同，前V形水槽4、后V形水槽2的左侧壁与V形槽左侧壁之间的夹角为45°，前V形水槽4、后V形水槽2的右侧壁与V形槽右侧壁之间的夹角为45°，在前V形水槽4、后V形水槽2中装满水，前V形水槽4的中垂面与后V形水槽2的中垂面位于同一平面。前V形水槽4和后V形水槽2之间安装有左V形反射镜5和右V形反射镜3，左V形反射镜5的V形开口与右V形反射镜3的V形开口相对，左V形反射镜5和右V形反射镜3以前V形水槽4的中垂面相互对称，左V形反射镜5和右V形反射镜3的结构、大小相同，右V形反射镜3、左V形反射镜的前反射镜和后反射镜之间的夹角为140°，左V形反射镜5的前反射镜、后反射镜的宽度是前V形水槽4的V形槽一个侧壁宽度的1.2倍，左V形反射镜5、右V形反射镜3的中垂面和前V形水槽4与后V形水槽2的对称面在同一平面内，前V形水槽4与后V形水槽2之间的距离L等于左V形反射镜5、右V形反射镜3的V形开口宽度M的5倍，前V形水槽4、后V形水槽2、左V形反射镜5、右V形反射镜3的高度相同。在前V形水槽4的V形面、后V形水槽2的V形面、左V形反射镜5的V形面、右V形反射镜3的V形面所在平面围成的空间内，形成以前V形水槽4和后V形水槽2的中垂面为一个对角面、以前左V形反射镜5和右V形反射镜3中垂面为另一个对角面的水平截面为菱形，菱形边长为前V形水槽4与后V形水槽2之间距离L的1/2、高度与前V形水槽4高度相同的四棱柱隐形空间a。
其他零部件及零部件连接关系与实施例1相同。
本发明的工作原理如下：
以后V形水槽2的中垂面为分界线，垂直入射到后V形水槽2后侧壁上的平行光中，位于后V形水槽2中垂面左侧的平行光，透过后V形水槽2由后V形水槽2的V形槽左侧壁出射时向左折射；位于后V形水槽2中垂面右侧的平行光，透过后V形水槽2由后V形水槽2的V形槽右侧壁出射时向右折射，光通过后V形水槽2将一幅画面分成大小相等的两副画面。由后V形水槽2的V形槽左侧壁出射的向左折射的光到达左V形反射镜5，通过左V形反射镜5的前反射镜、后反射镜两次反射到达前V形水槽4的V形槽左侧壁；由后V形水槽2的V形槽右侧壁出射的向右折射的光到达右V形反射镜3，通过右V形反射镜3的前反射镜、后反射镜两次反射到达前V形水槽4的V形槽右侧壁；到达前V形水槽4的V形槽左侧壁、前V形水槽4的V形槽右侧壁的光进入前V形水槽4后又折射成为平行光射出，通过前V形水槽4将后V形水槽2分开的画面又合成为一副，即透过前V形水槽2的前侧壁能看到后V形水槽2的后侧壁外的景物。由于透过后V形水槽2从前V形水槽4出射的平行光绕过了由前V形水槽4的V形面、后V形水槽2的V形面、左V形反射镜5的V形面、右V形反射镜3的V形面所在平面围成的空间内，形成以前V形水槽4和后V形水槽2的中垂面为一个对角面、以前左V形反射镜5和右V形反射镜3中垂面为另一个对角面的水平截面为菱形，菱形边长为前V形水槽4与后V形水槽2之间距离L的1/2、高度与前V形水槽4高度相同的四棱柱隐形空间a。因此放置在该隐形空间a的物体对透过前V形水槽4的前侧壁能看到后V形水槽2后侧壁外的景物不产生遮挡作用，同时在前V形水槽4的折射作用下，使得在前V形水槽4的正前方不能看到放置隐形区域中的物体，即实现了放置该区域内物体的隐身。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种折射反射法光学隐形装置，其特征在于：在底座(1)上的前侧设置有前V形水槽(4)、后侧设置有与前V形水槽(4)的结构、大小相同的后V形水槽(2)，前V形水槽(4)的V形开口与后V形水槽(2)的V形开口相对，前V形水槽(4)的中垂面与后V形水槽(2)的中垂面位于同一平面，前V形水槽(4)和后V形水槽(2)之间设置有以前V形水槽(4)的中垂面对称且结构、大小相同的左V形反射镜(5)和右V形反射镜(3)，左V形反射镜(5)的V形开口与右V形反射镜(3)的V形开口相对，左V形反射镜(5)、右V形反射镜(3)的中垂面和前V形水槽(4)与后V形水槽(2)的对称面在同一平面内，前V形水槽(4)与后V形水槽(2)之间的距离L是左V形反射镜(5)、右V形反射镜(3)的V形开口开口宽度M的1.5～5倍，在前V形水槽(4)的V形面、后V形水槽(2)的V形面、左V形反射镜(5)的V形面、右V形反射镜(3)的V形面所在平面围成的空间内，形成以前V形水槽(4)和后V形水槽(2)的中垂面为一个对角面、以前左V形反射镜(5)和右V形反射镜(3)中垂面为另一个对角面的水平截面为菱形，菱形边长为前V形水槽(4)与后V形水槽(2)之间距离L的1/2、高度与前V形水槽(4)高度相同的四棱柱隐形空间(a)。
2.根据权利要求1所述的折射反射法光学隐形装置，其特征在于：所述的前V形水槽(4)、后V形水槽(2)的几何形状是一个侧壁为竖直V形槽的长方体，V形槽的两侧面的夹角为90°，V形槽的顶尖与前V形水槽(4)前侧壁之间的距离h为10～20mm。
3.根据权利要求1所述的折射反射法光学隐形装置，其特征在于：所述的右V形反射镜(3)、左V形反射镜(5)的前反射镜和后反射镜之间的夹角为120°～140°。
4.根据权利要求1所述的折射反射法光学隐形装置，其特征在于：所述的左V形反射镜(5)的前反射镜、后反射镜的宽度是前V形水槽(4)的V形槽一个侧壁宽度的1.2倍。
5.根据权利要求2所述的折射反射法光学隐形装置，其特征在于：所述的前V形水槽(4)、后V形水槽(2)、左V形反射镜(5)、右V形反射镜(3)的高度相同。
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