本发明属于光学技术领域，具体涉及一种开放式隐身屋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(cn103207451b)“一种柱状电磁波隐身器件”和中国发明专利(cn103268014b)“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。上述特征使其难以构造开放式大尺度隐身装置。
技术实现要素：
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、操作方便的开放式隐身屋。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种开放式隐形屋，隐形屋的前侧壁为景象合成箱、后侧壁为景象分形箱、左侧壁为左折射箱、右侧壁为右折射箱，景象合成箱、景象分形箱、左折射箱、右折射箱的底部均设置有万向轮，景象合成箱的中垂面与景象分形箱的中垂面重合，左折射箱与右折射箱关于景象合成箱的中垂面对称，左折射箱的中垂面到景象合成箱和景象分形箱的距离相等，所述的景象合成箱的前侧壁板和后侧壁板为透明直板、左侧壁板和右侧壁板以及顶板和底板为不透光直板，景象合成箱内设置有v形开口朝后的第一v形透明板，第一v形透明板关于景象合成箱的中垂面对称且与后侧壁板和顶板及底板形成三角密封腔体，景象分形箱与景象合成箱的结构相同，景象分形箱内第二v形透明板与景象合成箱内第一v形透明板的v形开口朝向相同，所述的左折射箱前侧壁板和后侧壁板为透明直板、左侧壁板和右侧壁板以及顶板和底板为不透光直板，左折射箱内设有v形开口朝右的第三v形透明板，第三v形透明板关于左折射箱的中垂面对称且与右侧壁板和顶板及底板形成三角密封腔体，右折射箱与左折射箱的结构相同，右折射箱内第四v形透明板的v形开口与左折射箱内第三v形透明板的v形开口相对，第一v形透明板、第二v形透明板、第三v形透明板、第四v形透明板的结构和材质相同，左折射箱与右折射箱的三角密封腔体内注有透明液体，景象合成箱和景象分形箱内三角密封腔体之外的腔体内注有透明液体，左折射箱、右折射箱、景象合成箱、景象分形箱内透明的液位高度相同，景象合成箱与景象分形箱之间的距离l是右折射箱的前侧壁板与后侧壁板之间距离m的2～5倍，第三v形透明板的v形外表面所在平面、第四v形透明板的v形外表面所在平面、左折射箱1右侧壁板外表面所在平面、右折射箱左侧壁板外表面所在平面围成的空间为隐形屋的隐形空间a。
作为一种优选的技术方案，所述的透明直板和所述的第一v形透明板的材质为玻璃或有机玻璃。
作为一种优选的技术方案，所述的第一v形透明板的尖顶与该尖顶所对壁板之间的距离与第三v形透明板的尖顶与该尖顶所对壁板之间的距离相等。
作为一种优选的技术方案，第一v形透明板的尖顶与该尖顶所对壁板之间的距离h为10～20mm。
作为一种优选的技术方案，所述的第一v形透明板的顶角为90°，第一v形透明板中一肢侧板的长度是景象合成箱前侧壁板长度的5/9倍。
作为一种优选的技术方案，所述的景象合成箱、景象分形箱、左折射箱、右折射箱的高度相等。
作为一种优选的技术方案，所述的透明液体为水。
本发明还提供一种开放式隐形屋的隐形空间扩展方法，包括如下步骤：
(1)将左折射箱与右折射箱的三角密封腔体内注满水，景象合成箱和景象分形箱内三角密封腔体之外的腔体内注满水，移动景象分形箱，增大景象合成箱与景象分形箱之间的距离；
(2)同步移动左折射箱和右折射箱，使左折射箱与右折射箱关于景象合成箱的中垂面对称，左折射箱的中垂面到景象合成箱和景象分形箱的距离相等；
(3)调节左折射箱和右折射箱之间的距离，使透过景象合成箱和景象分形箱观察到的景象分形箱后侧壁板后的景物与直接看到的景象分形箱后面的景物大小相同，此时，左折射箱的第三v形透明板的v形外表面所在平面、左折射箱右侧壁板外表面所在平面、右折射箱的第四v形透明板的v形外表面所在平面、右折射箱左侧壁板外表面所在平面围成的隐形空间扩大完毕。
本发明的有益效果如下：
本发明所述隐形屋的前侧壁为景象合成箱、后侧壁为景象分形箱、左侧壁为左折射箱、右侧壁为右折射箱，左折射箱的第三v形透明板的v形外表面所在平面、右折射箱的第四v形透明板的v形外表面所在平面、左折射箱右侧壁板外表面所在平面、右折射箱左侧壁板外表面所在平面围成的空间为隐形屋的隐形空间，不需增大景象合成箱、景象分形箱、左折射箱与右折射箱的尺寸，通过同步增大景象合成箱、景象分形箱、左折射箱与右折射箱相互间的距离，就可扩展隐身装置中的隐形空间，将物体通过左折射箱与右折射箱与景象合成箱和景象分形箱之间的间隙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是本发明的主视图。
图2是图1的俯视图。
图3是实施例2的光路示意图。
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。
在图1、2中，本实施例的开放式隐形屋由左折射箱1、景象合成箱2、右折射箱3、景象分形箱4、第一v形透明板5、第四v形透明板6、第二v形透明板7、第三v形透明板8连接构成。为了对本发明进一步理解，定义观察方向为景象合成箱2的前侧。
隐形屋的前侧壁为景象合成箱2、后侧壁为景象分形箱4、左侧壁为左折射箱1、右侧壁为右折射箱3，景象合成箱2、景象分形箱4、左折射箱1、右折射箱3的底部均安装有万向轮9，景象合成箱2、景象分形箱4、左折射箱1、右折射箱3的高度相等，景象合成箱2的中垂面与景象分形箱4的中垂面重合，左折射箱1与右折射箱3关于景象合成箱2的中垂面对称，左折射箱1的中垂面到景象合成箱2和景象分形箱4的距离相等，景象合成箱2的前侧壁板和后侧壁板为透明直板、左侧壁板和右侧壁板以及顶板和底板为不透光直板，景象合成箱2内安装有v形开口朝后的第一v形透明板5，第一v形透明板5的尖顶与前侧壁直板之间的距离h为15mm，第一v形透明板5的顶角为90°，第一v形透明板5中一肢侧板的长度是景象合成箱2前侧壁板长度的5/9倍，第一v形透明板5关于景象合成箱2的中垂面对称且与后侧壁板和顶板及底板形成三角密封腔体，景象分形箱4与景象合成箱2的结构相同，景象分形箱4内第二v形透明板7的v形开口与景象合成箱2内第一v形透明板5的v形开口朝向相同，左折射箱1前侧壁板和后侧壁板为透明直板、左侧壁板和右侧壁板以及顶板和底板为不透光直板，左折射箱1内安装有v形开口朝右的第三v形透明板8，第三v形透明板8的尖顶与左侧壁直板之间的距离h为15mm，第三v形透明板8关于左折射箱1的中垂面对称且与右侧壁板和顶板及底板形成三角密封腔体，右折射箱3与左折射箱1的结构相同，右折射箱3内第四v形透明板6的v形开口与左折射箱1内第三v形透明板8的v形开口相对，第二v形透明板7、第三v形透明板8、第四v形透明板6与第一v形透明板5的结构相同，第一v形透明板5～第四v形透明板6和透明直板的材质为玻璃，也可以是有机玻璃，左折射箱1与右折射箱3的三角密封腔体内注有水，景象合成箱2和景象分形箱4内三角密封腔体之外的腔体内注有水，左折射箱1、右折射箱3、景象合成箱2、景象分形箱4内水位高度相同，景象合成箱2与景象分形箱4之间的距离l是右折射箱3的前侧壁板与后侧壁板之间距离m的2倍，第三v形透明板8的v形外表面所在平面、第四v形透明板6的v形外表面所在平面、左折射箱1右侧壁板外表面所在平面、右折射箱3左侧壁板外表面所在平面围成的空间为隐形屋的隐形空间a。
实施例2
在图3中，景象合成箱2内安装有v形开口朝后的第一v形透明板5，第一v形透明板5的尖顶与前侧壁直板之间的距离h为15mm，第一v形透明板5的顶角为90°，第一v形透明板5中一肢侧板的长度是景象合成箱2前侧壁板长度的5/9倍，第一v形透明板5关于景象合成箱2的中垂面对称且与前后侧壁板和顶板及底板形成三角密封腔体，景象分形箱4与景象合成箱2的结构相同，景象分形箱4内第二v形透明板7与景象合成箱2内第一v形透明板5的v形开口朝向相同，左折射箱1内安装有v形开口朝右的第三v形透明板8，右折射箱3内第四v形透明板6的v形开口与左折射箱1内第三v形透明板8的v形开口相对，第二v形透明板7～第四v形透明板6与第一v形透明板5的结构相同，景象合成箱2与景象分形箱4之间的距离l是右折射箱3的前侧壁板与后侧壁板之间距离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。
实施例3
在本实施中，景象合成箱2内安装有v形开口朝后的第一v形透明板5，第一v形透明板5的尖顶与前侧壁直板之间的距离h为20mm，第一v形透明板5的顶角为90°，第一v形透明板5中一肢侧板的长度是景象合成箱2前侧壁板长度的5/9倍，第一v形透明板5关于景象合成箱2的中垂面对称且与前后侧壁板和顶板及底板形成三角密封腔体，景象分形箱4与景象合成箱2的结构相同，景象分形箱4内第二v形透明板7与景象合成箱2内第一v形透明板5的v形开口朝向相同，左折射箱1内安装有v形开口朝右的第三v形透明板8，右折射箱3内第四v形透明板6的v形开口与左折射箱1内第三v形透明板8的v形开口相对，第二v形透明板7～第四v形透明板6与第一v形透明板5的结构相同，景象合成箱2与景象分形箱4之间的距离l是右折射箱3的前侧壁板与后侧壁板之间距离m的5倍。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
本发明的开放式隐形屋的隐形空间扩展方法，包括如下步骤：
(1)将左折射箱1与右折射箱3的三角密封腔体内注满水，景象合成箱2和景象分形箱4内三角密封腔体之外的腔体内注满水，移动景象分形箱4，使景象合成箱2与景象分形箱4之间的距离l是右折射箱3的前侧壁板与后侧壁板之间距离m的2倍；
(2)在景象合成箱2正前方距景象合成箱2前侧壁板2～8m处，透过景象合成箱2和景象分形箱4观察景象分形箱4后侧壁板后的景物，同时同步移动左折射箱1和右折射箱3，调节左折射箱1和右折射箱3之间的距离，使透过景象合成箱2和景象分形箱4观察到的景象分形箱4后侧壁外的景物与直接看到的景物大小相同，此时，第三v形透明板8的v形外表面所在平面、第四v形透明板6的v形外表面所在平面、左折射箱1右侧壁板外表面所在平面、右折射箱3左侧壁板外表面所在平面围成的空间为隐形空间a，如图2，透过景象合成箱2的前侧壁板，观察放置在隐形空间a中的物体不可见，能观察到景象分形箱4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，使景象合成箱2与景象分形箱4之间的距离l是右折射箱3的前侧壁板与后侧壁板之间距离m的3倍，将左折射箱1与右折射箱3朝景象分形箱4方向同步平行移动，使左折射箱1的中垂面到景象合成箱2和景象分形箱4的距离相等，左折射箱1与右折射箱3关于景象合成箱2的中垂面对称，同步增大左折射箱1与右折射箱3之间的距离，使透过景象合成箱2和景象分形箱4观察到的景象分形箱4后侧壁外的景物与直接看到的景物大小相同，此时，第三v形透明板8的v形外表面所在平面、第四v形透明板6的v形外表面所在平面、左折射箱1右侧壁板外表面所在平面、右折射箱3左侧壁板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，以景象分形箱4的中垂面为分界线，垂直入射到景象分形箱4后侧壁板上的平行光中位于景象分形箱4中垂面左侧的平行光，透过景像分形箱4后向左折射，由景像分形箱4的前侧壁的左半部射出，位于景象分形箱4中垂面右侧的平行光，透过景像分形箱4后向右折射，由景像分形箱4的前侧壁的有半部射出，，即通过景象分形箱4将一幅景像分成两副小的画面，由景象分形箱4前侧壁的左半部出射的向左折射的光到达左折射箱1的后侧壁板进入左折射箱1到达第三v形透明板8的后侧板折射进入三角密封腔体，折射光中平行于左折射箱1右侧壁板的光，折射穿过第三v形透明板8由左折射箱1的前侧壁板出射，入射到景象合成箱2的第一v形透明板5的左侧板上；由景象分形箱4前侧壁的右半部出射的向右折射的光到达右折射箱3的后侧壁板进入右折射箱3到达第四v形透明板6的后侧板折射进入三角密封腔体，折射光中平行于右折射箱3左侧壁板的光，折射穿过第四v形透明板6由右折射箱3的前侧壁板出射，入射到景象合成箱2的第一v形透明板5的右侧板上；到达景象合成箱2内第一v形透明板5左侧板和右侧板的光又折射成为垂直于景象合成箱2前侧壁板的平行光射出，即通过景象合成箱2将景象分形箱4分开的景物画面又合成为一副画，也就是透过景象合成箱2能看到景象分形箱4后侧壁板外的景物。由于透过景象分形箱4从景象合成箱2出射的平行光绕过了第三v形透明板8的v形外表面所在平面、第四v形透明板6的v形外表面所在平面、左折射箱1右侧壁板外表面所在平面、右折射箱3左侧壁板外表面所在平面围成的隐形区域a，如图2、3所示，因此放置在该空间的物体对透过景象合成箱2和景象分形箱4观察景象分形箱4后侧壁板外的景物并不产生遮挡，同时，景象合成箱2的折射作用，使得在景象合成箱2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。