专利名称：光学万花筒的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种奇妙的万花筒。
众所周知，万花筒是一种传统的娱乐工具，据载我国已有千年以上的历史，广泛地流传于民间，它不仅适用于儿童，而且也适用于成年人，工作之余拿起万花筒，靠近一只眼前，在一个方寸的田地里，可以看到千变万化的图案，真是美不胜收。但是传统的万花筒是用彩色的纸屑和平面玻璃制作的，随着万花筒在手中不停地转动，可以看到五颜六色的图案，但其立体感差、背景层次不明显、不能形成规则的图案，有时又显得杂乱无章，图案无有重复性和稳定性。所以这种传统的万花筒极需要加以改进。
本实用新型针对上述的缺点，摆脱传统的制作方法，应用了平面镜的成象原理和球体透镜的成象原理，研制成功了新型的奇妙光学万花筒。它由球体透镜(2)、三个平面镜(3)、镜筒(1)、透明胶片(5)、固紧带(4)所组成，见附
图10。
三个平面镜互成60°角，构成一个正三棱柱体，球体的一半置于镜筒的外侧。
简单的光学系统工作原理如上所述光学系统由球体透镜和三个互成60°角的平面镜组成(一)透镜的光学原理物体经过透镜会聚后成象1、透镜成象的性质透镜成的象与物体离透镜的距离、透镜的焦距有关。
物象的共轭关系式为 1/(l′) －- 1/(l) ＝ 1/(f′)式中l′为象距l为物距f′为透镜焦距可见f′不同，即使同一个位置的物体，所成象的位置不同，同时，同一个透镜，当物体相对透镜的位置改变时，所成象的位置和大小也不同，下面以物体AB为例说明成象情况。
当物距l＞ef′时，成倒立、缩小的实象，如
图1。
当物距l＝2f′时，成倒立的与物体大小相等的实象，如图2所示当2f′＞l＞f′时，成倒立的放大的实象，如图3所示当物距l＜f′时，成正立的、放大的虚象，如图4所示2、透镜的放大倍数ββ＝ (l′)/(l) 可见物体离透镜远近不同，成象的大小就不同。
3、物体离光轴的距离不同，则成象的位置不同，如图5所示。物AB、CD离光轴的位置不同，则成的象A′B′、C′D′的位置不同。
4、透镜的焦距透镜的焦距与玻璃材料的折射率n、透镜两个表面曲率半径r1、r2及透镜的厚度d有关。即焦距f′＝ (n·n1·n2)/((n-1)[n(r2-r1)+(n-1)d])
5、球体透镜本系统采用球体透镜，这种透镜的视场角特别大，为了使从透镜射出的光线的会聚角大，以使光线射向平面镜，所以选取直径为25毫米的玻璃球体做透镜，玻璃的折射率取n＝1.5，r1＝12.5，r2＝－12.5，d＝25代入焦距公式得f′＝18.75毫米。焦距是主面到焦点之距。象方主面到透镜后表面顶点之距lM′＝ (-r2d)/(n(r2-r1)+(n-1)d) 代入已知数据得lM′＝－12.5＝r2，象方主面在球心位置，透镜的两个面是同心球，所以通过球心的轴都可认为是光轴。假定不考虑象差，则该球体透镜象方理想的焦面在以透镜的球心为球心、以18.75毫米为半径的球面上，从物方射来的平行光都成象在焦面(球面)上，此外，选取短焦距、透镜，可以使周围较近的物体都在2倍焦距之外，形成倒立的、缩小的实象。
(二)平面镜光学原理1、平面镜成象原理如图6所示，P是一个和图面垂直的平面镜，有一物点A发出的光线，任取两条光线AO、AO′，经镜面将按反射定律反射，即反射角I′＝入射角I，反射光线OB、OB′进入眼睛，它的延长线交于A′。发光点虽然在A处，但人们总是根据光线沿直线传播的经验认为光线是从A′点射来的。A′就是物点A在平面镜中的像，这个象是虚象、这个虚象与物对镜面是对称的。
2、物和它在平面镜中象之间的空间形状的对应关系。
如图7所示，我们在平面镜P的物空间取一个左手坐标系XYZ，根据物点出象点对平面镜对称的关系，可以确定它的象X′Y′Z′，由图7可以看到X′Y′Z′是一个右手坐标，它和XYZ大小相等，但形状不同。即物空间的右手坐标在象空间变成右手坐标，从该图还可以看到，如果分别对着Z和Z′轴看XY和X′Y′坐标面时，当X按顺时针方向转到Y时，则X′按逆时针转到Y′，即物平面按顺时针转动，象平面按逆时针转动，这个结论对于YZ和ZX坐标面来说同样适用，这种物象空间的形状对应关系称为“镜象”。
如果第一个平面镜所成的象X′Y′Z′，再通过第二个平面镜N成象X″Y″Z″，则右手坐标又变成了左手坐标，和原来的物体完全相同(见图7)。
3、平面镜成象的性质综上所述，单个平面镜成象具有以下性质(1)平面镜能使整个空间理想成象，物点和象点对平面镜对称。
(2)物和象大小相等，但形状不同，物空间的左手坐标，在象空间为右手坐标，当物平面按顺时针方向转动时，象平面按逆时针方向转动，形成“镜象”。
(三)光学系统的工作原理以上对透镜和平面镜的光学原理作了说明，下面介绍光学系统的工作原理。
1、当眼睛离镜筒距离稍远时，在视场内看到的图案较少。视场中央的象是物体通过球体透镜所成的象。它周围的三个象是物体通过球体透镜会聚的光线分别射向三个平面镜所成的“镜象”。
2、眼睛向镜筒逐渐靠近，所观察到的图案逐渐增多。图8中AB、BC、AC是和图面垂直的、互成60°的三个平面镜。AC平面镜所成的第一次镜象ACB′再通过AB平面镜又成象A′C′B″，同样，ACB′通过BC平面镜又成象CA′B″。
同理另两个平面镜AB、BC所成的第一次镜象又分别再通过其余的两个平面镜成第二次象。第二次象又分别再通过三个平面镜成第三次象(见图9)………。光线如此通过镜面多次反射，多次成虚象，因此眼睛越靠近镜筒，经过多次镜面反射后，从镜筒出射进入眼睛的光线越多，所以看见的图案也就越多。
3、由于每两个平面镜之间之夹角为60°，所以每一个大的图案由 (360°)/(60°) ＝6个小图案组成的。
4、视场中越靠近边缘，图案越暗。这是因为反射光线每经过一次镜面反射就要损失一部分光能，经过镜面反射的次数越多，光能损失越大。所以，越靠近视场边缘，进入眼睛的光能越少，因此越暗。
5、当转动镜筒时，图案发生转动，这是因为物与镜筒是相对运动的，转动镜筒就相当物在转动。物转则镜象也转，且物顺时针转，则第一次镜象逆时针转，第二次象顺时针转，所以图案成有规律的转动。
6、物体的位置不同，则通过透镜成象的位置也不同，所以通过平面镜成象也不同，因此又组成了多种图案。
在上述的光学万花筒前放置各种不同的颜色、不同形状的物体，能观察到五颜六色的不同图案。将镜筒向物体远近移动或稍加转动，可以改变图案的形状、大小和颜色，真是变花万千，可以组成无穷无尽种美丽的、立体感极强的图案。它能开拓图案设计师的视野，启迪想象力，减轻脑力劳动的重负，提高设计质量和工作效率，设计出许多丰富多彩、美丽新颖的图案，因此可以说是图案设计师的得力工具，是脑力劳动者的至上好友，又是儿童的一种科学玩具，能引起儿童对科学的浓厚兴趣，向往美好的憧憬。奇妙的光学万花筒也将引起各种年龄的人的极大兴趣，在繁忙的工作之余，拿起奇妙的光学万花筒观察室内、室外的各种物体，真是其乐无穷。
图10为万花筒示意图。
权利要求1.一种光学万花筒，其特征是由镜筒(1)、球体透镜(2)、三个平面镜(3)、固紧带(4)和透明胶片(5)所组成。
2.根据权利要求1所述的万花筒，其特征是三个平面镜互成60°，构成正三棱柱体。
专利摘要本实用新型是关于一种奇妙的万花筒，它是由镜筒、球体透镜、三个平面镜、固紧带和透明胶片所组成。利用了透镜和平面镜的光学原理，可以看到五颜六色、立体感强、稳定性好并且具有重复性的图案。它将开拓人们的视野，不仅是一种科学玩具，也是图案设计师的得力助手。
文档编号G02B27/08GK2043368SQ88221150
公开日1989年8月23日 申请日期1988年12月21日 优先权日1988年12月21日
发明者王立林, 张伟 申请人:王立林