一种提高日晷晷影清晰度与精确度的方法及其装置和应用

技术领域

本发明涉及领域，尤其涉及一种提高日晷晷影清晰度与精确度的方法及其装置和应用。

背景技术

日晷是人类利用日影测时的伟大发明。它主要由具有特定方位和形状的晷表和晷面组成，阳光经过晷表形成的阴影(晷影)投射在带有时间刻度的晷面上，从晷影在时间刻度线上的位置读出时刻。由于视太阳不是点光源而是具有一定视角(约0.5度)的面光源，阳光经过晷表的遮挡后会形成本影区、半影区和伪本影区。本影区阳光被晷表完全遮挡，如果晷面置于本影区，晷影呈黑色。晷面置于伪本影区，有部分阳光被晷表遮挡，晷面呈灰黑色。晷面置于半影区，也有部分阳光被遮挡，晷影呈灰白色，且从里到外，晷影越模糊，晷面距离晷表越远，晷影越宽大模糊。在距离晷表近的地方，本影区比半影区大得多，晷影黑色部分比灰色部分大，晷影显得比较清晰，但在距离晷表较远的地方，半影区比本影区大，灰色部分比黑色部分更大，晷影就变模糊了，当晷影到晷表的距离超过本影区进入伪本影区时，黑色部分消失，只有灰黑色的晷影，且距离越远，晷影变得越宽大越模糊，甚至虚淡朦胧，无法辨别。难以判断宽大而模糊的晷影在时间刻度上的确切位置，也就无法准确读数，这是长期以来困扰人们的问题。

例如，印度斋浦尔(Jaipur)著名的天文台，据说有着世界上最大的日晷，其中有一座赤道环式日晷，晷表与晷面间距离14.9m，晷面上时间刻度刻画的精度达到两秒。在一定的距离上观察，时刻的显示似乎十分精确。但当人们接近时间刻度尺近距离观察时，会发现其模糊的阴影达几十毫米宽。要想通过模糊而宽大的阴影来判读准确的时刻是不可能的，即使时间刻度尺的精度达到2s对提高日晷的精确度也毫无意义。

为了提高精确度，克服测影困难问题，我国元代著名科学家郭守敬利用小孔成像的原理，发明了带有针孔装置的“景符”。阳光通过“景符”叶片上的针孔，把四丈高台上晷表横梁的像呈现在水平晷面(圭)的刻度上，根据晷面上的精密刻度，成功地测量出冬至日正午晷影长度的精确数值，大大提高了测量的精确度并得到精确的回归年长度值(岁实)，由此成功编制了“授时历”。但由于“景符”的叶片针孔很小，通过针孔的太阳光能有限，小孔所成的像只有米粒般大小，其中的晷表的黑线像细小而暗淡，不够明亮，可视范围小，且晷影移动速度快，确定细黑线晷影位置时还必须另外判定是否处于正午时刻并立刻记录，观测要求高，难度大。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种提高日晷晷影清晰度与精确度的方法及其装置和应用，让日晷晷影通过刻有狭缝的寻影卡，使原本宽大模糊的日晷晷影变得细黑、清晰，易于识别与判读；提高了日晷计时的清晰度与精确度，解决了测影技术中长期困扰人们因晷影模糊，无法准确测量的难题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高日晷晷影清晰度与精确度的装置，包括寻影卡，所述寻影卡上设有狭缝，所述狭缝呈一字形或十字形。

所述寻影卡的狭缝上端边缘呈箭头形设置。

所述狭缝的宽度为0.5～0.8mm。

所述寻影卡为两面白色的不透明卡片。

本发明还包括寻影卡活动支架，所述寻影卡活动支架包括支架本体、铁质长臂支架、磁铁、铁质L形支架、及支架本体肩部的两个U形挂片；所述支架本体呈弧形设置，所述铁质长臂支架的一端与支架本体的中心连接，铁质长臂支架的另一端与铁质L形支架通过磁铁连接；所述U形挂片的宽度与日晷的环形晷面宽度相同，U形挂片的一边固定在支架本体上，另一边扣在赤道环式日晷的环形晷面上；其中，所述寻影卡通过磁体固定于铁质L形支架上。

一种提高日晷晷影清晰度与精确度的方法，如下：

将寻影卡置于晷表本影区后的伪本影区里，寻影卡的一面正对阳光，让寻影卡的狭缝处于晷表的模糊晷影中并与之平行，寻影卡后的晷面会出现中间带有一条细黑线的白色亮条，细黑线就是圆柱形晷表通过狭缝所成的晷影像，此时，细黑线的晷影像、狭缝中线、晷杆中轴线以及视太阳的竖向直径均处于同一个平面内，细黑线的位置就是晷表中轴线的投影位置，也是视太阳竖向直径在晷面上的投影位置，根据细黑线在时间刻度尺上所处的位置就可以准确读出时间的刻度值。

一种提高日晷晷影清晰度与精确度的方法，如下：

将十字形寻影卡用于十字形晷表晷影的成像，确定视太阳中心投影位置：十字形寻影卡不仅单独显示竖向或横向晷表中轴线的投影的位置，也能同时显示竖向和横向晷表中轴线的投影线交点的位置，即视太阳中心投影位置。

本发明提高日晷晷影清晰度与精确度的装置的应用：用于大型赤道环式日晷的读数。

本发明提高日晷晷影清晰度与精确度的装置的应用：用于测定地理南北方向。

本发明提高日晷晷影清晰度与精确度的装置的应用：用于测定冬至日正午晷表影长。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

任何日晷(尤其是大型日晷)晷表的晷影都是模糊的，用模糊的晷影去指示精确的时间是很困难的。对小型日晷来说，晷表短，晷影短，晷面小，在精确度要求不高(例如只要求时辰、小时)的情况下，读数并不困难。为了提高日晷计时的精确度，就要制造大型日晷、增加晷表高度从而增加晷影长度，减少测量的相对误差。但是晷影越长，晷影末端越模糊，越难读数，这是一对难以克服的矛盾。所以一般日晷(特别是大型日晷)的读数只能是粗略的估读，不可能很准确。本发明采用狭缝成像的方法，创制了结构简单的寻影卡，通过它能得到黑白对比较强、大小可控、精确度高的清晰晷影，效果明显，彻底解决了测影技术中长期困扰人们的晷影模糊、判读困难的问题。

本发发明中，寻影卡的竖向狭缝能确定视太阳竖向直径的投影位置，同理，寻影卡的水平狭缝也能确定视太阳水平直径的投影位置。因此正交的狭缝得到的两条正交的晷影细黑线的交点，就是十字形晷表中轴线交点的投影，也是视太阳中心的投影。

附图说明

图1为本发明寻影卡的结构示意图；

图2为寻影卡活动支架的结构示意图；

图3为寻影卡狭缝成像的原理图；

图4为寻影卡狭缝成像图；

图5为用于测定地理南北方向的示意图；

图6为用于测定冬至日正午晷表影长的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

1、寻影卡

本实施例选择平整、不易变形、两面白色、厚约0.5mm的不透明卡片，在卡片上刻出宽0.5～0.8mm的长约5cm的直狭缝，这就是一字形寻影卡，如图1中a)所示；

另一种是十字形寻影卡，如图1中b)所示；在卡片上刻十字形正交的狭缝，竖向狭缝长约6cm左右，横向狭缝长约4cm左右，十字形寻影卡用于十字形晷表晷影的成像，它不仅能单独显示竖向或横向晷表中轴线的投影的位置(且互不干扰)，也能同时显示竖向和横向晷表中轴线的投影线交点的位置，即用十字形寻影卡确定视太阳中心投影位置；

将寻影卡狭缝的上端边缘切成箭头形，就是带箭头寻影卡，如图1中c)所示；；箭头能鲜明地指示晷影在刻度尺上位置并防止晷影与刻度线重叠，提高晷影位置的可读性。

寻影卡的取材容易，制作简单，用任何其他材料和方法只要在卡片上做出狭缝即可。例如用两片0.5mm厚的美工刀的刀刃，横向切出约15mm的狭缝后，平行排列间隔0.5mm到1mm左右，刀刃前方自然形成一个带狭缝的箭头，刀刃后部再用薄卡片粘贴固定，在卡的两面都喷上白漆(用来显示晷影位置，便于操作)，也可以在卡片上(或侧面)固定一小块磁铁，用来将寻影卡吸在铁质活动支架上，这种方法的优点是由于刀片坚硬、刀刃笔直锋利，因此狭缝开口薄而直，成像效果好。

2、寻影卡活动支架

手持寻影卡就可以进行本发明方法操作。为了提高观测过程寻影卡固定和移动的稳定性，便于观测、拍照和记录，由此设计寻影卡活动支架。众所周知，地球是边自转边绕太阳公转的，视太阳除了在周日平行圈做周日视运动(时角发生变化)外，还在做周年视运动，因此视太阳的赤纬也随日期和季节发生变化，日晷晷影的方向、位置也会跟随变化，寻影卡的空间位置就必须跟随变化，以确保日晷的晷影能稳定地在晷面的时间刻度尺上移动以便读数。

如图2所示，寻影卡活动支架由支架本体、铁质长臂支架、小磁铁、铁质L形支架、及本体肩部的两个U形挂片组成。U形挂片宽度与日晷的环形晷面宽度相同。寻影卡通过小磁体固定在铁质L形支架上，铁质L形支架通过磁体固定在铁质长臂支架上。

寻影卡通过磁体与铁质L形支架连接，可以上下、左右、前后移动，调节寻影卡的空间位置，就可以调整晷影细黑线粗细，并能使寻影卡的箭头对准时间刻度尺的下方，便于准确读数。U形挂片的一边固定在支架本体上，另一边扣在赤道环式日晷的环形晷面上。整个寻影卡活动支架可以在晷面上左右灵活移动。

3、寻影卡狭缝成像过程与特点

参见图3～4，让圆柱形直晷表、寻影卡狭缝、日晷的晷面相互平行，并垂直于入射的太阳光线。将寻影卡置于晷表本影区后的伪本影区里，卡的白色一面正对阳光，让寻影卡的狭缝处于晷表的模糊晷影中并与之平行。寻影卡后的晷面(光屏)会出现中间带有一条细黑线的白色亮条，细黑线就是圆柱形晷表通过狭缝所成的晷影像。

有时细黑线与白色亮条不平行或弯曲，是由于寻影卡的狭缝没有处于晷表的晷影中并与之平行，调整狭缝位置即可解决。一般情况下，细黑线并不刚好位于白色亮条正中，这时只要左右稍许移动寻影卡，细黑线也会跟着左右移动(细黑线移动的方向总是与寻影卡移动的方向相同的，且细黑线移动的速率比白色亮线移动的速率大)，直到细黑线旁的两个白边一样宽时，细黑线晷影、狭缝中线、晷杆中轴线以及视太阳的竖向直径均处于同一个平面内，显然，细黑线的位置就是晷表中轴线的投影位置，也是视太阳竖向直径在晷面上的投影位置。根据细黑线在时间刻度尺上所处的位置就可以准确读出时间的刻度值。

实验证明，即使晷表、狭缝、晷面与太阳入射光线不垂直，例如经典的赤道式日晷或地平式日晷，(它们的晷表与晷面垂直，但入射光线与晷表、晷面斜交)，最终实验结果是一样的，因为当晷影细黑线旁的两个白边一样宽时，它们也都处于同一个平面内。

当十字形晷表的平面与阳光斜交时，原本正交的十字形晷表形成的晷影也可能是斜交的，只要调整寻影卡的卡面与十字形晷表的平面平行，寻影卡原本正交的狭缝形成的细黑线晷影也同样是斜交的，其交点是十字形晷表两条中轴线交点的投影，也是视太阳中心的投影。

如果前后移动寻影卡，缝屏之间的距离较远(像距较大)，黑线较粗而模糊；如果缝屏之间的距离较近(像距较小)，黑线较细而清晰，就可以通过改变寻影卡和晷面间的距离(相距)大小来调整晷影黑线的粗细，满足不同观测者的需求，当缝屏之间的距离更小时，黑线变太细而消失，就只剩下一条白色亮线了。

寻影卡成像的特点与小孔成像不一样，小孔成像的物、像关系是中心对称的，上下左右都是颠倒的，而狭缝成像的物、像关系是平面对称的，左右颠倒而上下不变的。

4、用于大型赤道环式日晷的读数

为了验证寻影卡的使用功能，制作一个较大型的验证赤道环式日晷，晷杆倾角24.5度指向天北极并与晷面平行，时间刻度面(晷面)始终在赤道环上并与晷表平行。为了便于制作日晷晷面的时间刻度，让时间刻度与国际单位制的长度单位尽量契合，选择时间刻度尺的标度值1min/1cm(即6s/1mm)，晷表与晷面的距离即日晷的半径R＝720cm/π＝229cm。晷表选用直径6mm、长1m的铝棒，使用一字形带箭头寻影卡，寻影卡距离晷面约25～30cm可调，寻影卡活动支架移动灵活，细黑线晷影与时间刻度对齐准确明显。没有使用寻影卡时，晷表模糊晷影的宽度大约30mm，读数困难，估读的偶然误差太大。使用寻影卡后，晷影清晰，计时准确，效果鲜明。

赤道环式日晷半径2.29m，由于地球的自转，黑细线晷影以1cmy/min的速率不停地从西向东移动，拍照时，晷影不停移动，因此应该多拍照，从中选择黑细线交居中的值进行行分析。2022年七月十一日上午进行行验证实测，结果如下表1：

表1

由表1可知，照片中记载的标准时时间间隔与时间刻度的时间间隔十分接近，相差0～0.2之间，数据表格误差很小。可见实验证明符合要求。

5、用于测定地理南北方向

(1)用“真太阳正午测影法”来确定南北方向，即真太阳过当地子午线的一瞬间(即地方真太阳中午12h)，记录太阳照射在垂直于地面的直杆或重锤线产生的影子方向，即为南北方向或当地子午线的方向。这种方法存在晷影模糊、误差较大的问题，使用一字形寻影卡就能解决问题。

例如2022年3月21日，在厦门(118.11E，24.5N)某地测量该地正南北方向。先查天文年历或其他有关资料例如厦门地区时差曲线，可得厦门2022年3月21日真太阳中午12h对应北京时为12h14m55s。

参见图5，在两个支架间设有悬挂线，在悬挂线的水平面上悬挂一个长约2m、直径3mm左右的笔直的不锈钢棒作为重锤杆，相当于竖直晷表，使一字形寻影卡的狭缝处于靠近悬点重垂线模糊的阴影中，水平面上就会出现远端重垂杆的晷影。查手机就可以得到精确的北京时，3月21日北京时12时14分55秒瞬间，对应的就是真太阳正午12时。此时，调整一字形寻影卡的位置直到晷影细黑线旁的两个白边宽度相等时，重锤杆在水平面上的细黑线晷影就在当地子午线上，立即标注远端细黑线某点的位置，该点和重垂杆垂点的连线就是当地子午线。

(2)太阳等高度法测定南北方向

在水平地面上选择A点，在A点垂直于地面竖起一根长约1m直杆，在某一天的上午某时刻太阳在某一地平高度时，立杆的影长为AB，杆子顶端的影子为影端B。到了下午太阳在同样地平高度时立杆的影长为AC，杆子顶端的影子为影端C，AC等于AB(B点和C点位于以A点为圆心的同心圆上)。做∠BAC的平分线AN，AN的方向即为正南北方向，这个方法即为太阳等高度法测定南北方向。同样，这种方法立杆端点的晷影B、C很模糊，精确度不高。可以应用十字形寻影卡解决杆端晷影模糊问题，在杆的顶端设置一个十字形晷表，水平晷杆指向东西方向，让十字形寻影卡卡面平行于十字形晷表平面，将寻影卡十字形狭缝置于十字形晷表的晷影中，仔细调整寻影卡位置，当横竖两条细黑线旁的白边都等宽时，平面上两条相交晷影细黑线的交点即为十字形晷表中心的投影位置B、C(也是视太阳中心的投影的位置)，同样做∠BAC的平分线AN,AN的方向即为准确的正南北方向(即当地子午线方向)。

6、用于测定冬至日正午晷表影长

对于十字形晷表，十字形寻影卡正交的狭缝得到的两条正交的晷影细黑线的交点，就是十字形晷表中轴线交点的投影，也是视太阳中心的投影。利用这点，可以使测定冬至日正午晷表影长，做得更精确。如图6，寻找北面开阔的二十几米高的楼房天台边，向北倾斜地设置十字形晷表，直径10cm，长宽各1m左右，竖向晷表向北倾角48度，水平晷表指向东西方向，并在十字形晷表的交点处悬挂重垂线，确定地面垂点位置并测量十字形晷表中心高度，确定过垂点的子午线，在冬至日正午时刻前就开始观测。使十字形寻影卡面向太阳，当寻影卡的十字形狭缝处于十字形晷表的模糊阴影中时，晷面(圭表)上会出现带有十字形白色亮条的阴影，上下左右移动寻影卡狭缝的位置，晷面上正交的白色亮条中就会出现细黑线，当横竖两条细黑线旁的白边宽度都相等时，两条正交细黑线的位置q就是十字形晷表的投影位置(也是视太阳中心的投影位置)。由于冬至日前后太阳的赤纬变化很小，可以先上下调节寻影卡的位置，先让水平白色亮条的细黑线居中，然后反复上下左右移动寻影卡，使竖向细黑线也居中，当竖向白色亮条中的细黑线与子午线重合时(此时恰好为正午时刻)立即标注水平细黑线在子午线上的位置，测量该点到垂点的距离，就是准确的十字形晷表中心投影长。本应用的优点是：提高了晷表高度(是4丈高台的两倍以上)减少了相对误差，使用十字形寻影卡能更精确地确定视太阳中心的投影位置提高了精确度，狭缝所成正交细黑线晷影比小孔成像的晷影更清晰鲜明，竖向细黑线与子午线重合时即为正午时刻，不必另外确定正午时刻，简化了实验步骤。

本发明中，如果要观察晷表遮挡太阳的情况，必须通过巴德膜观察，以确保用眼安全

本发明大大增加了通过寻影卡成像的光能，得到了十分清晰的晷影像，并提供一种狭缝成像的方法：把刻有狭缝的寻影卡置于圆柱形晷表的伪本影区的晷影中并使狭缝平行晷表，寻影卡后的晷面上会形成一条带有细黑线的白色亮线，细黑线就是晷影经狭缝所成的像，调整寻影卡的位置，直到细黑线两边的白色亮线等宽时，晷影细黑线的位置就是晷表中轴线的投影位置，也是视太阳直径的投影位置。