國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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浮空投影

如何讓影像漂浮在空中呢?

器材:手機或平板電腦、透明膠片(厚度0.25mm)、美工刀、膠帶

操作步驟與現象:

這個實驗是版主在YouTube看到的影片,利用手機或平板電腦,可以將影像投影浮在空中。如圖一,手機下載的影片,可以播放出上下左右共四個影像的動態影片。放上一個立體梯形的透明片(如圖二),就可以看到浮在空中的動態影像了。將燈光關掉或是在暗室中(如圖三),動態影像就更為清楚了!

 

製作過程:

本實驗主要在於立體梯形(如圖二)的製作,網路上的介紹都是以壓克力板或是光碟片空盒製作四片等腰梯形,之後再將四片透明片黏合。製作過程比較繁雜,而且壓克力或塑膠片很不容易切割。

版主的改良是:(1)不使用壓克力或光碟片空盒的塑膠片,而使用厚度0.25mm的透明膠片製作(文具店有售),以剪刀或美工刀即可輕鬆剪裁。(2)設計如圖四的圖形,不必分別製作四片透明片,簡化黏貼程序。製作過程與方法如下:

1.點選圖四下載製作圖,影印後以膠帶黏貼在厚0.25mm的透明膠片後面,如圖五,再以剪刀或美工刀依圖形輪廓剪下,切割時請注意避免劃傷手,同時不要在透明片表面上留下割痕或汙損。

註:配合手機或平板電腦的螢幕大小,下載製作圖後,影印時必須放大(或縮小)。放大倍率是:螢幕寬度/圖四等腰梯形的底邊。

2.如圖六,以美工刀的刀背在剪裁好的透明片上,沿著虛線輕輕劃出刻痕(注意不要太用力),總計要劃三條割痕。

3.如圖七,將虛線割痕的二邊往上摺(注意:割痕要在上方),三條割痕都摺好後,就成為立體梯形。

4.完成後,用一小段膠帶黏貼立體梯形還沒有接合的一邊(如圖八),就完成了製作。

5.最後檢查立體梯形每一個面與角度是否對稱平均,並調整之。

使用時,將手機或平板放置於桌面螢幕朝上,將立體梯形開口小的那面朝下,對準影片中的交叉點,並保持周圍低光源即可欣賞浮空投影囉!

至於影片的取得,網路上有很多浮空投影的影片可以下載或播放(有些手機只能播放,不能下載),以「Vyome 3D Hologram」為關鍵字搜尋即可。

 

觀看實驗與製作影片(25.6M)

原理:

浮空投影的影像,並非3D立體影像,而是影片的前後左右四個影像,分別反射到立體梯形的四個面的投影結果。換言之,立體梯形四個面看到的,分別對應到影片的前後左右四個影像,並沒有合成為一個3D立體影像。

投影的原理如圖九所示,螢幕影像(淡黃色星星)的光線入射到梯形的透明膠片後,經過反射進入觀察者的眼睛(反射角等於入射角),眼睛所看到的影像就會成像在紅色星星的位置。

另一面,觀察者所看到的影像位置,和透明膠片與螢幕的角度有關,例如圖十的角度分別為30度(藍色)、45度(紅色)、60度(綠色),則看到的影像位置,以45度(紅色)為最高,而30度(藍色)與60度(綠色)的影像高度則相同。換言之,透明膠片與螢幕的角度由30度、45度到60度時,影像的高度是先上升後下降。

 

不同角度之實驗影片(8.9M) 

為了看到高度適當的影像,就必須注意立體梯形的尺寸。如圖十一的上底(y)、下底(x)以及高(h),不同的比例就決定了影像的高度。角度θ為45度可以使影像的高度最高,更方便觀察。經過計算,當θ為45度,y - x=1.41•h(1.41為根號2近似值)。因此當x=1cm時,y=1+1.414•h。換言之,x=1cm時,y、h的長度可分別為1.0cm、2.414cm;或6.0cm、3.54cm等等。換算時,將y設定為螢幕的寬度,影像才不會超出立體梯形的範圍。為了方便,請讀者下載圖四再影印放大(或縮小)即可。

叮嚀的話:

1.文具店賣的透明膠片,有不同厚度,注意要購買厚度0.25mm的膠片。而以美工刀刀背劃摺痕時(圖六),如果刻痕太深,會一摺就斷,所以要注意劃刻痕時不能過於用力。

2.從網路下載的影片,影片中央位置(方塊區域)的大小,不是完全都一樣,但是基本上都可以使用。如果覺得有需要調整,則製作時將圖四的中央區域(小的五角形)縮小或放大即可(註:不是影印縮小放大),例如將圖四往中心點的線段續延伸,即可縮小中央的區域。

3.網路上有些影片設計為倒立觀看(手機放在上方),增加趣味性,例如右圖。

4.本實驗的科學概念適合國中以上,但是國小中高年級學生,應可勝任本實驗立體梯形的製作。在教學上的建議如下:(1)取一平面鏡,擺放在手機螢幕上,如圖九、圖十,

觀察不同角度形成的影像位置有何差異?教學上可採用POE程序,讓學生先預測(P)與提出理由之後,再進行觀察(O)與解釋(E)。(2)高中以上學生,可進行不同角度的立體梯形設計,例如θ為60度時,圖十一等腰梯形的x, y, h應分別為幾公分?(y設定為自己手機的螢幕寬度)。(3)問題思考:如果以不透明但是具備反射光線功能的物體(例如一般的鏡子),製作成立體梯形,也可以觀察到浮空投影的影像嗎?是否有差別?(答:還是可以觀察到同樣的影像,甚至更為清楚!但是由於不易切割,製作上困難度較高)

參考資料:

1.國立清華大學科普實驗室網站:3D浮空投影DIYhttp://gensci.phys.nthu.edu.tw/images/ppt/3dprojection.pdf

2.戴明鳳及其科普團隊(2015)。光學DIY探究教學—以魔法光學DIY引導探究光學現象和其諸多妙用。科學研習,54(8), 17-27。

3.YouTube影片

(1) Turn your Smartphone into a 3D Hologramhttps://www.youtube.com/watch?v=7YWTtCsvgvg

(2) How To Make 3D Hologram Projector - No Glasseshttps://www.youtube.com/watch?v=9t0cOYvOy4M