一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法及装置

1.本发明涉及光学应用技术领域，具体地说是一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法及装置。


背景技术：

2.在光学中，对于不同的波长的光，介质的折射率也不同。白光在折射时，不同颜色的光会因此分开，这种现象被称为光的色散，让一束太阳光穿过三棱镜，白光会分散成许多不同颜色的光，在屏上会出现由红到紫连续排列的七彩光带，现在实验上实现的彩虹，面积都较小，很难达到米量级，通过增加投影屏的距离后，颜色又不能保证够鲜艳。
3.现有的三棱镜通过两次折射只能形成平直的彩色光带，投影面设置在阳光的异侧，且一般距离较近。当镜面较大时，七彩光带中间由于各单色光的叠加容易形成白光，形成的彩色光带长度和宽度一般相对较小，
4.现有的水三棱镜，利用平面镜和水搭建而成，通过两次折射加一次反射也只能形成平直的彩色光带，投影面需要设置在阳光的同侧，投影面不能遮挡阳光入射，且一般距离较近。
5.因此需要设计一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法及装置，投影面在太阳的异侧，且投影面相对较低就能获得七彩光带，投影面上从上到下红到紫的宽度达到米量级，同时色彩饱和度大，中间无重叠后的白光，宽度高度较大且色彩艳丽的弯曲彩虹。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法及装置，投影面在太阳的异侧，且投影面相对较低就能获得七彩光带，投影面上从上到下红到紫的宽度达到米量级，同时色彩饱和度大，中间无重叠后的白光，宽度高度较大且色彩艳丽的弯曲彩虹。
7.为了达到上述目的，本发明提供一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法及装置：包括水缸，曲面底，活动支架，投影屏，其特征在于，水缸的底部设置有曲面底，水缸底部一侧设置有活动支架，水缸的一侧离开若干距离设置有投射屏。
8.曲面底为弧度可调整镜面。
9.活动支架为可调整上下高度的支架。
10.水缸为长方体玻璃水缸。
11.一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法，包括以下步骤：
12.s1：将水缸内盛装有适量的水；
13.s2：将水缸的外侧面向阳光，底部有曲面底的弧面；
14.s3：用活动支架将水缸的内侧面支起，并与水平面形成夹角θ；
15.s4：将水缸的内侧面对向投射屏，即可实现弯曲彩虹投影。
16.本发明同现有技术相比，投影面在太阳的异侧，且投影面相对较低就能获得七彩
光带，通过连续调整θ角度来观察彩虹变化，使阳光色散并通过底面弧形的设计投射出弯曲的彩虹，通过调整θ角度和底面弧度来选择是否使光线通过水面时被全反射来调整投射出彩虹的多种模式，且本装置只需要使用水、镜面和玻璃(或透光的塑料)，成本低廉。
附图说明
17.图1为本发明的装置示意图。
18.图2为本发明的主截面上的光学示意图。
19.图3为本发明弧度较小的弧形彩虹(从上到下的颜色对应从红到紫)示意图。
20.图4为本发明弧度较大的半圆形彩虹(从上到下的颜色对应从红到紫)示意图。
21.图5为本发明半圆形彩虹(从上到下的颜色对应从红到紫)示意图。
22.图6为本发明平面底面装置投影出的光带(从上到下的颜色对应从红到紫)示意图。
具体实施方式
23.现结合附图对本发明做进一步描述。
24.参见图1-图6，本发明提供一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法及装置：
25.包括水缸1，曲面底2，活动支架3，投影屏4，水缸1的底部设置有曲面底2，水缸1底部一侧设置有活动支架3，水缸1的一侧离开若干距离设置有投射屏4。
26.曲面底2为弧度可调整镜面，调整镜面不同弧度，可以产生不同弧度大小的弯曲彩虹。
27.活动支架3为可调整上下高度的支架，通过支架的高度调整，可实现对夹角θ的调整，从而产生不同弧度大小的弯曲彩虹。
28.水缸1为长方体玻璃水缸，便于阳光照射与投射，不局限长方体，只要有从玻璃面折射入射经过镜面反射最后从水面折射出射即可，也就是说也可以改变入射面的弧度来实现，理论上讲入射面、反射面、出射面中的任一个面的弧度改变都可以实现弯曲彩虹；特例，长方体能满足前述折射反射折射的要求。
29.一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法，包括以下步骤：
30.s1：将水缸1内盛装有适量的水；
31.s2：将水缸1的外侧面向阳光，外侧面的底部有曲面底2的弧面；
32.s3：用活动支架3将水缸1的内侧面支起，并与水平面形成夹角θ；
33.s4：将水缸1的内侧面对向投射屏4，即可实现弯曲彩虹投影。
34.实施例1：
35.首先将水缸1内盛装有适量的水，然后将水缸1的外侧面向阳光，保证外侧面的底部有曲面底2的弧面，用活动支架3将水缸1的内侧面支起，并与水平面形成夹角θ，这时将水缸1的内侧面对向投射屏4，即可实现弯曲彩虹投影，如图3-图5所示，在太阳高度角不变的情况下，调整曲面底2的弧度(底面弧度形状，包括反向弧面，实验上已经证实)，夹角θ角度等参数到特定的值即可观察到弧度较小的弧形彩虹或弧度较大的半圆形彩虹；
36.特别地，如果曲面底2形状是一个平面(即曲率半径趋近于无穷大)，也可以在投影
屏4投射出平直的七彩光带，如图6所示，在约6米远的墙上，从红到紫的宽度可以达到1米以上，当太阳高度角α＝50度，底面倾角θ＝4.54度时，红光的出射角在79.23度，而紫光刚好从水面水平出射，出射角在89.64度，两者相差达到10度以上。此时在墙上高于水面的位置刚好可以观察到全部颜色的彩虹，彩虹的纵向宽度为108.86cm。在太阳高度角不变的情况下，连续增大倾角θ，会看到彩虹位置上移，且从红到紫的宽度减小。
37.特别地，不管曲面底2的镜面是平面还是弧面，很容易观察到多级彩虹，这是由阳光在水面和镜面之间多次反射且多次从水面出射引起的，实验上已经证实了这一点。在墙上往上，依次是一级、二级、三级
…
彩虹，颜色顺序保持一致，亮度随级数的增加而降低。
38.本发明中，水缸1的曲面底2设计成镜面，大大增加了阳光的反射，使彩虹颜色非常鲜艳，而且出现多级彩虹。
39.太阳从水缸1的侧面面入射到水中的曲面底2的镜面上，其光路完全不同于从水面入射到镜子的光路。当侧面进入的光经镜面反射后，在水面各种颜色的光会产生大角度的散射，而且出射红光和出射紫光的夹角可以达到10度以上，这为大面积色彩鲜艳的彩虹创造了前提。
40.弯曲的曲面底2弧面镜做玻璃槽底面的设计，通过镜面弧度和侧面有效进光量(水深)的组合，在墙上实现可比拟雨后彩虹的亮度，以及半圆形弯曲程度。
41.在本发明中，通过调节光线入射面的曲率结合光的色散也可以投射出弯曲的彩虹。也可使用玻璃替代缸中的水，则调节形状，包括光线入射面，光线反射面，以及光线出射面中的任何一个面的曲率，结合光的色散就可以投射出弯曲的彩虹，其中太阳光也可替换成强的人造白光平行光源，同样可以投影出彩虹。
42.以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明的范围并不仅仅限于此，使用者可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更，加以实施，但是都包括在本专利的保护范围内。
43.本发明从整体上解决了现有技术只能形成平直的光带无曲面效果，以及由于中间各单色光叠加形成白光，投影面设置受局限等技术问题，通过简单的装置和投射方法，只需调整夹角和弧面，即可产生连续的可弯曲可调整大小的彩虹投影，使其更有视觉冲击力，对于儿童教育，建筑设计，科学普及等方面具备较大的价值。

技术特征：
1.一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的装置，包括水缸(1)，曲面底(2)，活动支架(3)，投影屏(4)，其特征在于，所述水缸(1)的底部设置有曲面底(2)，所述水缸(1)底部一侧设置有活动支架(3)，所述水缸(1)的一侧离开若干距离设置有投射屏(4)。2.根据权利要求1所述的一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的装置，其特征在于，所述曲面底(2)为弧度可调整镜面。3.根据权利要求1所述的一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的装置，其特征在于，所述活动支架(3)为可调整上下高度的支架。4.根据权利要求1所述的一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的装置，其特征在于，所述水缸(1)为长方体玻璃水缸。5.一种根据权利要求1所述基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将水缸(1)内盛装有适量的水；s2：将水缸(1)的外侧面向阳光，所述外侧面的底部有曲面底(2)的弧面；s3：用活动支架(3)将水缸(1)的内侧面支起，并与水平面形成夹角θ；s4：将水缸(1)的内侧面对向投射屏(4)，即可实现弯曲彩虹投影。

技术总结
本发明涉及光学应用技术领域，具体地说是一种基于水三棱镜原理实现弯曲彩虹投影的方法及装置，包括水缸，曲面底，活动支架，投影屏，其特征在于，水缸的底部设置有曲面底，水缸底部一侧设置有活动支架，水缸的一侧离开若干距离设置有投射屏，将水缸内盛装有适量的水，将外侧面向阳光，外侧面的底部有弧面，将水缸的内侧面支起，与水平面形成夹角θ，将内侧面对向投射屏，本发明同现有技术相比，投影面在太阳的异侧，且投影面相对较低就能获得七彩光带，通过连续调整θ角度来观察彩虹变化，使阳光色散并通过底面弧形的设计投射出弯曲的彩虹，通过调整θ角度和底面弧度来选择是否使光线通过水面时被全反射来调整投射出彩虹的多种模式。种模式。种模式。


技术研发人员：刘新军 胡伟 张亦文 王子武
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.01.05
技术公布日：2022/3/8