万花筒

万花筒用光和镜子创造魔法。它可能被认为是儿童的玩具（或适合所有年龄段的玩具），但它也是一种简单的光学设备，为设计师和制版师提供技术应用。希腊词是名字的来源；它来自 kalos, eidos, 和 skopios 分别表示美、形、景。

背景

万花筒的主体有两个主要部分，观察管（一端带有目镜）和管另一端的物体盒或外壳。物体盒是一个薄而扁平的盒子，由两个玻璃圆盘和一条环绕边缘并固定圆盘和封闭物体的带子制成。这些物体是有色玻璃、珠子、金属丝或其他反光材料的碎片。

物体盒的外圆盘被磨光，因此它可以漫射入射光；也就是说，它就像一个屏幕。观察管一端有玻璃目镜；它可以是普通玻璃或具有放大特性的光学透镜。在管内，三条反射镜连成一个三角形；镜子的角度也会影响万花筒的视野。通常，它们的角度为 45° 或 60°。当物体盒被转动或轻敲时，里面的玻璃或物体会自由移动和翻滚。当观察者通过目镜向光源看去时，镜子会从翻滚的物体中产生对称的顺序，并根据镜子的角度将它们乘以六、八或更多次。

万花筒的一种变体——长焦镜——用另一个镜头代替了物体盒，使观看者可以看到远处的物体并以倍数形式观看。还有其他变体使用更多的镜子。两个镜子具有产生居中图案的优点；多个镜子多次分割和复制图像。万花筒是无限有趣的，因为图案和组合是无穷无尽的，除非被拍照，否则不是永久性的。

历史

尽管古希腊人，包括数学家托勒密，都曾考虑过将多个镜子相邻接的效果，但万花筒是一个人的创造。大卫布鲁斯特 (1781-1868) 出生于苏格兰，在爱丁堡大学接受教育成为一名部长。然而，大学学习让他接触到了科学的奇迹，于是他放弃了教堂，转而研究光的特性。他成为光偏振（光的线性和平面特性）、使用金属反射光和光吸收的专家。由于他的科学发现，布鲁斯特于 1815 年被选为皇家学会（英国领先的科学组织）的院士，并于 1831 年被封为爵士。

布鲁斯特于 1816 年发明了万花筒并获得了专利。他在一篇 174 页的科学论文中描述了万花筒的结构和操作，标题为 万花筒论文。 在他的论文中，布鲁斯特计算出万花筒物体盒中的 24 块玻璃碎片可以产生超过 1.4 x 1033 的转瞬即逝的视图。他还描述了基于光属性的万花筒最有效的颜色组合。在 1840 年代，他在创建立体镜时使用两个镜头产生三维效果。他还是英国人为灯塔采用的平面菲涅耳透镜的主要倡导者，并因保护船只免受海难而挽救了数千人的生命。布鲁斯特曾在爱丁堡大学和苏格兰圣安德鲁斯大学任教，是大英百科全书的第一批编辑之一 并出版了许多书籍和科学论文。

万花筒于 1816 年发明后，在西欧越来越受欢迎，并于 1870 年首次出现在美国。它成为儿童最喜欢的玩具，也成为成人在客厅游戏中观看立体照片等娱乐活动和玩字谜。除了布鲁斯特的原作之外，最著名的万花筒是波士顿的查尔斯·G·布什制造的。 Bush 万花筒由带状黑色硬纸板、 黄铜 的观察管构成 轮子转动物体盒，和一个木架。正是这些物品使布什的版本独一无二（今天也是宝贵的收藏品）。他使用了 35 个不同颜色和形状的物体，但其中一些充满了含有气泡的液体。即使观察者保持物体外壳静止，气泡也会在液体中移动。 Bush 获得了填充液体物体（安瓿）的专利，以及他在不完全拆开盒子的情况下添加和减去物体的方法，以及支架和其他万花筒配件的专利。

作为设计师的工具，万花筒产生一系列颜色和图案，用于制作地毯、彩色玻璃、珠宝、建筑图案、墙纸、编织挂毯和画家的创意。万花筒在 20 世纪初逐渐淡出人们的视线，但在 1970 年代后期，当古董万花筒的新款式和收藏特性激发了新一代人的好奇心时，它又复活了。 1873 年布什的万花筒，里面装满液体的物品，售价 2.00 美元；二十一世纪早期的收藏家愿意支付超过 1,000 美元。

原材料

可用于制作万花筒的材料类型几乎与其镜子产生的图像一样无穷无尽。观察管可由纸、纸板、塑料、亚克力、木材、有机玻璃、黄铜、铜、纯银和其他金属和材料制成。包含眼孔的端盖由与观察管兼容的材料制成。物镜盒的眼孔或窥视孔和两个面通常由塑料或玻璃制成。盒子里的物品可以是岩石或矿物碎片、宝石、珠子、玻璃或塑料安瓿（填充或未填充）、贝壳、玻璃碎片、金属碎片、小饰品或这些的任意组合。可以根据颜色的相似性或多样性来选择对象。在管内，镜子对于形成图像至关重要。胶带将它们固定在一起，以及某种填充物或填充物，例如报纸、 棉花、 或泡沫聚苯乙烯可以防止镜子在管子内部发出嘎嘎声。胶带也可用于将端盖和物体盒固定到位。可以制作其他连接器或紧固材料、附件和装饰，以匹配万花筒的外观。

设计

万花筒的设计者选择尺寸、外壳材料、镜子的方向、物体外壳或旋转轮的类型以及塑造视图的物体。所有这些选择都会影响万花筒的价格（生产和购买）以及设计师试图创建的图像类型。微型万花筒可以挂在钥匙链上，供人一样高的人使用。箱子可以用简单的材料制造，比如纸、塑料和木头；多种金属可供选择，从黄铜到纯银和镀金款式。如果万花筒的一端是一个旋转的轮子，那么这个轮子可能由宝石、彩色玻璃、玛瑙薄片和其他矿物和岩石等制成。物品盒可能装满水晶、嵌有丝线的玻璃（拉蒂奇诺玻璃）、小玩意、宝石、贝壳、玻璃碎片或充满液体的胶囊（安瓿）。万花筒还可以使用自然光以外的光源或滤光器。电子内窥镜、油悬内窥镜、偏光内窥镜和投影仪内窥镜是示例。

设计师可能有个人风格、他们喜欢使用的材料、他们想要创建的特定类型的图像或视图，或者与取悦客户相关的目标。有些是理想的礼物，有些是收藏家的独特创作。同样，许多问题和想法可能会激励万花筒设计师。国际知名设计师 Carolyn Bennett 用亚克力制作万花筒。她的观察管通常是方形或矩形的，从外面看起来像有趣的雕塑，内部也产生了华丽的图像。为了降低成本，她使用了塑料和其他材料的库存尺寸，但设计总是反映环境或收藏家或设计师的性格，而不是制造的容易程度。她大约一半的设计是为了适应包括博物馆和公司在内的客户的颜色和预算；她为商店所做的设计符合她艺术家的眼光，同时考虑了工程方面和可施工性。

万花筒已经生成了一个词汇来描述它们的光调节能力、材料和结构。双色玻璃会根据光线照射的角度产生不同的颜色。闪光玻璃是一种由两种颜色制成的镜子，一种颜色覆盖另一种颜色。油悬浮镜在物体外壳中包含油以及漂浮在油中的玻璃或其他材料。坍塌的玻璃被加热直到它弯曲；一些设计的物件盒中装有倒塌的玻璃片。热玻璃是将废玻璃加热直至熔化然后上漆。望远镜（望远镜和万花筒的组合）用另一个镜头代替了物体外壳，因此通过望远镜看到的树或鸟会被多次反射。这些术语和许多其他术语表征了万花筒中可用的多样性。

制造过程

本节介绍的万花筒为简单版，很多资料没有详细列举。正如以上部分所表明的，崭露头角的万花筒设计师的选择几乎没有限制。而且，虽然有些万花筒（尤其是玩具）是批量生产的，但万花筒的“制造”是有创意和艺术的。

• 1 管子的内径决定了要插入的镜子的尺寸。选择或制作管子，在一张纸上画出内圆。使用罗盘将圆平分并将其细分为六个相等的部分，以测量和规划由三个镜子组成的系统，形成一个等边三角形（边长相等且内角均为 60°的三角形）。通过将圆的六个细分中的每隔一个点连接起来，可以绘制三个镜子的轮廓并测量镜子的宽度。每个镜子的宽度减去大约 0.13-0.25 英寸（0.32-0.64 厘米），以考虑到镜子的厚度。三个部分用于创建清晰的图像，尽管制造商可以选择许多其他配置。镜子的长度等于管子的长度减去管子末端的空间用于物室。对于基本的手持万花筒，应该允许 0.5 升（1.27-2.54 厘米）的量级。
• 2 万花筒制造商可以切割自己的镜子或让它们在玻璃店切割。通常选择表面镀银的第一面镜。接下来，将镜子用胶带粘在一起以安装在观察管内。这是通过用一只手模仿管子并将另一只手自由地用胶带固定在一起来完成的。镜子对齐，因此一个镜子的边缘位于相邻镜子的表面或面上，而相邻镜子的边缘又位于第三个镜子的面上。如果镜子是边对边连接而不是边对面连接，图像会倾斜。将三个镜子固定在一起，胶带以螺旋形缠绕在外面。
• 3 带眼孔的端盖是通过从与形成管的材料匹配或兼容的材料上切割出与观察管的外径一样大的圆制成的。从端盖上切下一个同心的小圆圈，然后用胶带或胶水粘住一块塑料，将其固定在端盖内侧的开口上。这个洞可以不加盖，但是一个透明的覆盖物是一个很好的安全预防措施，可以防止盒子或管子内部的任何物体落入观察者的眼睛。丙烯酸、聚酯薄膜、醋酸酯或光学透镜可用于窥视孔。然后可以小心地将端盖粘在或用胶带粘在管子的末端；在更精细的设计中，它们被正式制成可以拧上或专门安装到管上的配件。
• 4 现在观察端关闭，制造商将组装好的镜子组滑入管中。如果镜子的三角形发出嘎嘎声 镜子的不同角度通过万花筒产生不同的视图。在管中，将其取出，然后将纸、织物或其他保护材料包裹在镜子的外侧，直到它们牢固贴合为止。可以将塑料泡沫塑料“爆米花”或纸片压在镜子旁边以固定它们，但它们很可能偏离中心，这又会使图像倾斜。将反射镜推入邻接端盖并在管的另一端为对象盒留出空间。
• 5 以前制作的管内径图，现在用来制作物体盒两端的塑料件。切出一圈透明塑料并将其插入管中以贴合镜子的末端；它必须安装在垂直于管壁的位置。这块塑料和管子开口端之间的距离就是腔体的厚度。测量此厚度后，制造商会切割一块纸板，其宽度与腔室厚度一样宽，长度与管子的内圆周一样长。制造商通过在手指之间工作来软化纸板，以便它可以缠绕在管子的内部。应先测试是否贴合，然后取出，粘好，贴在管子上。这个硬纸板将物体盒的内部塑料端固定到位，它还可以消除塑料片中的任何间隙，使它们无法被看到。然后切割外塑料圈。这也可以由透明塑料制成，或者可以用砂纸打磨以使表面半透明。如果它保持清晰或透明，外部世界的一部分将通过对象外壳显示出来。半透明饰面会模糊入射光（及其图像），因此内珠是焦点对象。
• 6 万花筒制造商现在可以开始将珠子或其他材料添加到物体盒中。正如上面的描述所暗示的，几乎任何彩色物品都可以被选为对象。制造商将珠子或物体添加到表壳中，并通过观察端窥视以检查色彩平衡。 When the right combination of objects is selected, the frosted end circle is taped or glued in place.对于这个简单的万花筒，物体外壳相对于观察管没有扭曲。相反，整个管被旋转以改变图像。

副产品/废物

万花筒制作几乎不会产生浪费。制造的版本是按照严格的规格制造的，因此管子和镜子都是按照这些标准切割的。如果某些材料（特别是塑料）有缺陷并回收利用，它们可以重新研磨。用于物品盒的珠子和物品会出现一些浪费。像 C. Bennett Scopes, Inc. 这样的公司将备用珠子带到学校用于艺术项目。万花筒工厂的大部分废物来自同样可回收的包装盒。

质量控制

员工的安全是一个关键问题。如果使用塑料或丙烯酸树脂，则需要使用丙烯酸溶剂，并且必须根据联邦机构职业健康与安全管理局 (OSHA) 和环境保护局 (EPA) 的规定为每个工人提供足够的通风。其他安全问题涉及设备机械；带锯可特别用于切割原型零件，而噪音较大且用于密封液体腔室的声波焊机则在箱式绝缘体内操作。塑料和镜子的长度都有锋利的边缘，处理它们时需要小心。

还检查了有关镜子和镜头质量的规定。镜片必须牢固安装，以确保任何物体都不会落入眼睛。镜子中的碎屑或裂缝也必须用新材料更换。还检查对象框以确保任何安瓿都没有泄漏。

未来

在 1970 年代初期，万花筒经历了兴趣的重生，然后在接下来的 30 年里出现了更小的高峰和低谷。在 21 世纪，万花筒似乎作为一种艺术形式、潜在的礼物和所有年龄段儿童的好奇对象而受到广泛关注。布鲁斯特协会举办的会议是衡量万花筒健康状况的极好方法；超过 30 家商店，包括日本和瑞士在内的国家，以及数百家制造商和爱好者每年会面，以支持 David Brewster 爵士的发明和交流思想。与其他爱好者和爱好者一样，协会成员坚信万花筒中可能有无限变化，他们称之为“眼睛的糖果”。