CN102436022B - 一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件 - Google Patents

一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件。它是由四个透明的各向异性介质单元围成的带空腔的壳体，各向异性介质单元为横截面呈等腰梯形的柱体，每个各向异性介质单元的横截面的每个腰所在的侧面与同其相邻的各向异性介质单元的横截面的对应腰所在的侧面贴合在一起；所有各向异性介质单元的横截面的下底边所在的侧面围成壳体的外壁，所有各向异性介质单元的横截面的上底边所在的侧面围成壳体的内壁，壳体的空腔用以放置欲被隐身的物体。光线通过本发明器件时，通过各向异性介质控制光线的传播方向，使其绕过中间的空腔，并使出射光线的方向与原入射光线的方向相同，从而具有四个方向的隐身效果，且适用于整个可见光波段。

Description

一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件
技术领域
本发明涉及一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件，属于可见光隐身领域。
背景技术
隐身一直是人类长期以来的一种理想，但是隐身技术长久以来一直没有实现。现有的隐形技术主要是在微波段，在物体表面涂抹能吸收雷达波的材料，防止目标被雷达发现，从而实现隐形，然而这种技术不是真正的隐身，而且在可见光波段，物体仍然是可见的。在光波段，现有的隐身技术主要还是军事迷彩等，然而，这也只是一种伪装而不是真正的从视线中消失。有一种隐身装置，通过摄像头和显示屏，将一侧的物体拍下后显示在另一侧，但它的效果受图像的质量影响，而且需要额外的能量，装置也比较复杂。还有一种方式，通过光纤，将光线从一侧引导到另一侧，从而绕过中间的物体，但这样的装置对光纤的工艺要求较高，而且只能实现一个方向上的隐身。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件。
各向异性介质是指电磁参数在各个方向上不同的物质，本发明利用各向异性介质的这一特殊性质，将它应用于隐身技术。本发明以异向介质作为构造整个光波段隐身器件的材料，通过光学变换法，并进行适当的简化，选取合适的异向介质电磁参数，从而得到构造简单、易于实现、性能稳定、具有四个方向隐身效果、适用于整个可见光波段的隐身器件。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明光波段隐身器件是由四个透明的各向异性介质单元围成的带空腔的壳体，所述各向异性介质单元为横截面呈等腰梯形的柱体，每个各向异性介质单元的横截面的每个腰所在的侧面与同其相邻的各向异性介质单元的横截面的对应腰所在的侧面贴合在一起。所有各向异性介质单元的横截面的下底边所在的侧面围成所述壳体的外壁，所有各向异性介质单元的横截面的上底边所在的侧面围成所述壳体的内壁，所述壳体的空腔用以放置欲被隐身的物体。
进一步地，本发明所述各向异性介质单元为电各向异性介质和/或磁各向异性介质。
进一步地，若所述各向异性介质单元为电各向异性介质，则本发明所述光波段隐身器件用于对TM(磁场方向垂直于各向异性介质单元的横截面)极化的光线的隐身；若所述各向异性介质单元为磁各向异性介质，则本发明所述光波段隐身器件用于对TE(电场方向垂直于各向异性介质单元的横截面)极化的光线的隐身；若所述各向异性介质单元同时为电各向异性介质和磁各向异性介质时，则所述光波段隐身器件用于对全极化方向的光线的隐身。
进一步地，本发明所述各向异性介质单元以双折射率物质为材料。
进一步地，本发明所述各向异性介质单元的光轴方向根据所用的双折射率物质对于寻常光的折射率no和非寻常光的折射率ne确定，当no＞ne时，所述各向异性介质单元的光轴方向与其横截面的下底边和上底边垂直，当no＜ne时，各向异性介质单元的光轴方向与其横截面的下底边和上底边平行。
进一步地，本发明所述光波段隐身器件浸没于透明的折射率匹配液中，当no＞ne时，所述折射率匹配液的折射率
Figure BDA0000123864460000021
且各向异性介质单元的横截面的下底边与上底边之比
Figure BDA0000123864460000031
当no＜ne时，所述折射率匹配液的折射率
Figure BDA0000123864460000032
且各向异性介质单元的横截面的下底边与上底边之比
Figure BDA0000123864460000033
进一步地，本发明所述各向异性介质单元的横截面的腰与下底边的夹角为45°。
本发明的有益效果是：
本发明以各向异性介质作为构造光波段隐身器件的材料，光线通过该器件时，利用各向异性介质控制光线的传播方向，使光线绕过器件中心用于放置欲被隐身物体的空腔，并使出射光线方向与原入射光线传播的方向相同，从而起到隐身的效果。本发明通过各向异性介质单元围成整个光波段隐身器件，构造简单；不需要外加能量，也不需要较高的工艺，易于实现，性能稳定；而且本发明光波段隐身器件具有四个方向隐身效果，适用于整个可见光波段。
附图说明
图1是本发明光波段隐身器件的各向异性介质单元示意图；
图2是本发明光波段隐身器件的整体结构示意图；
图3是理论计算的光线通过本发明所述光波段隐身器件时的轨迹图；
图中，
1.各向异性介质单元的上底面；
2.各向异性介质单元的下底面；
3.各向异性介质单元的呈等腰梯形的横截面的一个腰所在的侧面；
4.各向异性介质单元的呈等腰梯形的横截面的另一个腰所在的侧面；
5.各向异性介质单元的呈等腰梯形的横截面的下底边所在的侧面；
6.各向异性介质单元的呈等腰梯形的横截面的上底边所在的侧面；
7.光波段隐身器件的空腔；
8.光波段隐身器件的其中一个各向异性介质单元；
9.光波段隐身器件的其中一个各向异性介质单元；
10.光波段隐身器件的其中一个各向异性介质单元；
3a.各向异性介质单元8的一个侧面；
4a.各向异性介质单元8的另一个侧面；
3b.各向异性介质单元9的一个侧面；
4b.各向异性介质单元9的另一个侧面；
3c.各向异性介质单元10的一个侧面；
4c.各向异性介质单元10的另一个侧面；
11.折射率匹配液所在区域；
12.折射率匹配液与各向异性介质单元的交界面；
13.相邻两个各向异性介质单元的结合面；
14.各向异性介质单元与折射率匹配液的交界面；
15a.其中一束入射的光线的轨迹；
15b.光线发生第一次折射后的轨迹；
15c.光线发生第二次折射后的轨迹；
15d.光线发生第三次折射后的轨迹。
具体实施方式
图1所示为构成本发明光波段隐身器件的各向异性介质单元，该各向异性介质单元为横截面呈等腰梯形的柱体。图2示出的是本发明光波段隐身器件的整体结构示意图，它是由四个各向异性介质单元构成，即每个各向异性介质单元的呈等腰梯形的横截面的每个腰所在的侧面与同其相邻的各向异性介质单元的呈等腰梯形的横截面的对应腰所在的侧面贴合在一起。具体地说，如图2所示，将各向异性介质单元8的侧面3a与相邻的各向异性介质单元9的侧面4b贴合在一起，将各向异性介质单元8的另一个侧面4a与同其相邻的各向异性介质单元10的侧面3c贴合在一起，以此类推，从而形成一个由四个各向异性介质单元的相邻侧面依次相接而围成的正方形柱状结构的壳体，该壳体即为本发明的光波段隐身器件。从而，所有各向异性介质单元的呈等腰梯形的横截面的下底边所在的侧面5围成本发明光波段隐身器件的外壁，所有各向异性介质单元的呈等腰梯形的横截面的上底边所在的侧面6围成本发明光波段隐身器件的内壁，而由内壁所围成的空腔7则用来放置欲被隐身的物体。
众所周知，当光线入射到两个不同物体的交界面时，会发生折射，折射的方向跟光线入射的角度有关，也与两个物体的折射率有关，具体遵循斯奈尔定律。普通物体的折射率在各个方向上都相同；而各向异性介质由于其电磁参数在各个方向上的不同，故各向异性介质的折射率在各个方向上也不相同，其光线的折射轨迹与普通物体的光线的折射轨迹完全不同。利用各向异性介质这一特殊的性质，可以用来控制光线折射的轨迹，达到普通材料没法达到的效果。
本发明的光波段隐身器件在工作时，需要将光波段隐身器件浸没于折射率匹配液中，从而调整光线穿过构成光波段隐身器件的各向异性介质单元时的折射角度。折射率匹配液的折射率由各向异性介质的电磁参数通过计算得出。
本发明光波段隐身器件的具体电磁参数与结构参数设置如下：各向异性介质单元选用双折射率物质为材料，各向异性介质单元的横截面为等腰梯形，等腰梯形的腰与下底边的夹角为45°。双折射率物质对于寻常光的折射率为no，双折射率物质对于非寻常光的折射率为ne，当no＞ne时，各向异性介质单元的光轴方向与其横截面的下底边与上底边垂直，折射率匹配液的折射率根据公式
Figure BDA0000123864460000061
来确定，各向异性介质单元的横截面的下底边与上底边之比
Figure BDA0000123864460000062
当no＜ne时，各向异性介质单元的光轴方向与其横截面的下底边与上底边平行，折射率匹配液的折射率根据公式
Figure BDA0000123864460000063
来确定，各向异性介质单元的横截面的下底边与上底边之比
Figure BDA0000123864460000064
图3为理论计算的光线通过本发明光波段隐身器件时的轨迹图(俯视)。图3所示的实施例中，该正方形光波段隐身器件浸没于折射率匹配液中；其中，各向异性介质单元选用双折射晶体方解石为原料，方解石为电各向异性介质，其折射率为no＝1.66，ne＝1.49，各向异性介质单元的光轴方向与其横截面的下底边和上底边垂直，折射率匹配液的折射率选取为n1＝1.568，各向异性介质单元的横截面的下底边与上底边之比为10。
以下以如图3为示例来说明本发明光波段隐身器件的工作原理。如图3所示，本发明光波段隐身器件在工作时，一束TM(磁场方向垂直于各向异性介质单元的横截面)极化的光线15a从左边水平向光波段隐身器件方向入射。当光线15a从折射率匹配液所在区域11入射到该光波段隐身器件的外壁时(以下以折射率匹配液与各向异性介质单元的交界面12为例进行说明)，根据斯奈尔定律，光线的波矢在交界面12的切线方向上相等，因此光线15a向上偏移至光线15b所在的位置。当光线15b经过交界面13(即相邻两个各向异性介质单元的结合面)时，由于各个各向异性介质单元的光轴方向不同，根据斯奈尔定律，光线15b再度向下发生偏移至光线15c所在的位置，当光线15c经过下一个交界面14(折射率匹配液与各向异性介质单元的交界面)时，根据斯奈尔定律，光线15c发生折射，折射后的光线15d的方向与入射光线15a的传播方向相同。如图3所示，光线15a和其它光线沿其光路依次经过相应的各向异性介质单元，进行四次折射，由此绕过中间的空腔7，从而使得空腔7内的被隐身物体不可见，起到隐身的效果。
对于本发明光波段隐身器件而言，若各向异性介质单元为电各向异性介质，则本发明光波段隐身器件用于对TM(磁场方向垂直于各向异性介质单元的横截面)极化的光线的隐身；若各向异性介质单元为磁各向异性介质，则本发明光波段隐身器件用于对TE(电场方向垂直于各向异性介质单元的横截面)极化的光线的隐身；若各向异性介质单元同时具备电各向异性介质和磁各向异性介质的特性时，则本发明光波段隐身器件用于对全极化方向的光线的隐身。
虽然图3中只画出了光线从左边水平入射时的情况，但光线可以从与任意相邻两个各向异性介质单元的结合面相平行的方向向光波段隐身器件入射，且具有同样的效果，因此，如图3所示的实施例能实现在四个方向上隐身的效果。

Claims (4)

1.一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件，其特征是：它是由四个透明的各向异性介质单元围成的带空腔的壳体，所述各向异性介质单元为横截面呈等腰梯形的柱体，每个各向异性介质单元的横截面的每个腰所在的侧面与同其相邻的各向异性介质单元的横截面的对应腰所在的侧面贴合在一起；所有各向异性介质单元的横截面的下底边所在的侧面围成所述壳体的外壁，所有各向异性介质单元的横截面的上底边所在的侧面围成所述壳体的内壁，所述壳体的空腔用以放置欲被隐身的物体；
所述各向异性介质单元以双折射率物质为材料；当no>ne时，所述各向异性介质单元的光轴方向与其横截面的下底边和上底边垂直；当no<ne时，各向异性介质单元的光轴方向与其横截面的下底边和上底边平行；其中，no表示所述双折射率物质对于寻常光的折射率，ne表示所述双折射率物质对于非寻常光的折射率；
所述光波段隐身器件浸没于透明的折射率匹配液中，当no>ne时，所述折射率匹配液的折射率
Figure FDA00002539474900011
且各向异性介质单元的横截面的下底边与上底边之比
Figure FDA00002539474900012
当no<ne时，所述折射率匹配液的折射率
Figure FDA00002539474900013
且各向异性介质单元的横截面的下底边与上底边之比
Figure FDA00002539474900014
2.根据权利要求1所述的一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件，其特征是：所述各向异性介质单元为电各向异性介质和/或磁各向异性介质。
3.根据权利要求2所述的一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件，其特征是：若所述各向异性介质单元为电各向异性介质，则所述光波段隐身器件用于对TM极化的光线的隐身；若所述各向异性介质单元为磁各向异性介质，则所述光波段隐身器件用于对TE极化的光线的隐身；若所述各向异性介质单元同时为电各向异性介质和磁各向异性介质时，则所述光波段隐身器件用于对全极化方向的光线的隐身。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件，其特征是：所述各向异性介质单元的横截面的腰与下底边的夹角为45°。
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