CN106054286B - 一种利用各向异性介质构造的圆柱状光波段全景成像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用各向异性介质构造的圆柱状光波段全景成像镜头。它是由透明的各向异性介质构成的带空腔的圆柱状壳体。镜头内部空腔在任意高度的横截面都为桃形，空腔为预留给观察者的区域，存在于该区域内的物体不会影响最终的成像质量。来自周围任意角度、射向镜头中心的光线，在通过本镜头时，由于各向异性介质的引导，最终都能到达观察者可视角度的范围内。因此，本镜头能够保证观察者在无需转动头部的前提下，观察到其周围全景。本发明能将观察者周围360°的景象压缩到人眼的可视角度120°范围内，因此相比于真实的景象，通过本镜头所成景象会在观察者的水平方向上压缩至原来的三分之一。

Description

一种利用各向异性介质构造的圆柱状光波段全景成像镜头

技术领域

本发明涉及一种利用各向异性介质构造的圆柱状光波段全景成像镜头，属于可见光全景成像领域。

背景技术

随着信息技术的发展，人们对图像的需求量越来越大。现阶段获取全景图像主要通过多台相机独立拍摄，再对多张相片进行拼接。这种技术一般依赖复杂的电子设备，以及精准的算法才能实现有效的拼接。

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圆柱状光波段全景成像镜头。

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，将它应用于成像技术。本发明通过光学变换法，得到实现全景成像功能所需的电磁参数，以透明的各向异性介质作为构造整个光波段成像镜头的材料，从而得到构造简单、性能稳定、适用于整个可见光波段、具有全景成像性能并且能将全景压缩在观察者可视角度内的新型成像镜头。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

利用各向异性介质构造的圆柱状光波段全景成像镜头是带柱状空腔的圆柱壳体，任意高度位置的横截面形状相同，圆柱壳体由透明的各向异性介质构成，柱状空腔是给观察者观察的预留空间。

所述全景成像镜头的横截面是半径为R₀的圆形，柱状空腔的任一横截面的两条边界在极坐标系下的表达式为：

式中，r表示该空腔边界上任意一点到其所在横截面圆心的距离，r∈[0,R₀]；点A(r＝0,θ₁(r＝0))与点B(r＝R₀,θ₁(r＝R₀))为空腔在任意横截面的两条边界的交点，点A为该横截面的圆心。θ₁和θ₂表示圆心与空腔边界上的点所组成的向量与的弧度差，

进一步地，所述各向异性介质具有各向异性的相对介电常数和相对磁导率。

进一步地，所述全景成像镜头的任一横截面内，其各向异性介质的相对介电常数和相对磁导率在极坐标下随平面的分布情况由以下公式给出：

其中：相对介电常数和相对磁导率在数值上相同，R₀表示该全景成像镜头横截面的半径；r表示全景成像镜头上各个点到其所在平面圆心的距离；θ表示圆心与该横截面内某点的连线所成向量到方向的弧度差。

进一步地，本发明所述镜头的基本功能为，若观察者的观察方向为方向，则从各个方向射向镜头中心的光线，在透明各向异性介质的引导下，都会进入观察者的可视角度范围内。

本发明的有益效果是：

本发明以各向异性介质作为构造全景成像镜头的材料，光线通过该镜头时，利用各向异性介质控制光线的传播方向，使来自观察者周围的光线最终都能从观察者的可视角度范围内射入眼中，从而帮助观察者在不转动头部的前提下就可获得其周围360°的景象。本发明通过各向异性介质构成整个光波段全景成像镜头，构造简单；不需要外加能量驱动工作，性能稳定，适用于整个可见光波段，具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明光波段全景成像镜头的整体结构示意图；

图2是理论计算的光线进入本发明所述光波段全景成像时的轨迹。

具体实施方式

图1所示为本发明圆柱状光波段全景成像镜头的整体结构示意图，它是一个圆柱状透明壳体，包含上底面1、下底面2和侧面3，构成圆柱状光波段全景成像镜头的材料为透明的各向异性介质，圆柱状光波段全景成像镜头内设有空腔4，圆柱状光波段全景成像镜头任意高度位置的横截面形状相同。

所述全景成像镜头的横截面是半径为R₀的圆形，柱状空腔的任一横截面的两条边界在极坐标系下的表达式为：

式中，r表示该空腔边界上任意一点到其所在横截面圆心的距离，r∈[0,R₀]；点A(r＝0,θ₁(r＝0))与点B(r＝R₀,θ₁(r＝R₀))为空腔在任意横截面的两条边界的交点，点A为该横截面的圆心。θ₁和θ₂表示圆心与空腔边界上的点所组成的向量与的弧度差，

众所周知，光是一种电磁波，当光线进入各向异性介质时，可以通过控制各向异性介质的电磁参数，进而控制光的传播轨迹。通过设计光在本发明所述全景成像镜头内的传播轨迹，依照该轨迹对光在该镜头内的传播空间进行变换，并结合变换光学的方法，能够得到制造该镜头所需的电磁参数，利用符合该参数的各向异性介质制造出的全景成像镜头，能够使光线按照最初设计的轨迹在镜头中传播。

在柱坐标系下，S'(r',θ',z')表示空间变换之前的坐标系，S(r,θ,z)表示在本发明所述全景成像镜头的作用下，光路传播空间变换之后的坐标系，r'、θ'、z'和r、θ、z分别表示空间变换前、后任意横截面上的点到该横截面圆心的距离、任意横截面的圆心跟相同横截面上任意一点的连线所组成的向量与方向的弧度差、镜头中任意一点与该镜头下底面的高度差。S'(r',θ',z')与S(r,θ,z)的空间变换关系为：根据该变换关系，光线从镜头外部向镜头内圆心方向以θ'弧度入射，当光线接触到镜头侧面3时，r'＝R₀，此时r＝R₀，θ＝θ'，因此光线在镜头边界处保持连续；当光线在镜头内部传播，r'逐步减小到0，r也逐步减小到0，此时θ逐步接近当r'＝0时，r＝0，由于空间变换之前，观察者周围光线的入射弧度范围θ'∈[-π,π]，经过空间变换之后，光线射入人眼的入射弧度范围与常人的视角宽度弧度，即120°正好相同。因此，该镜头基本能够保证观察者能够在不转动头部的前提下看到周围360°的景象。依照上述空间变换，结合变换光学的方法，就可以计算出各向异性介质的相对介电常数和相对磁导率在空间中的分布情况。由于经过该变换之后空间中会产生一块不需要使用各向异性介质填充的区域，这块区域中的物体不会影响镜头最终的成像效果，因此将它设计为可以容纳观察者的空腔。

图2为理论计算的光线通过本发明光波段全景成像镜头时的轨迹图(俯视)。图2所示的实施例中，该光波段全景成像镜头平放在地面上，四周围都是空气5；其中，所述全景成像镜头的各向异性介质任一横截面的相对介电常数和相对磁导率在极坐标下随平面的分布情况由以下公式给出：

式中：相对介电常数和相对磁导率在数值上相同，R₀表示该全景成像镜头横截面的半径；r表示全景成像镜头上各个点到其所在平面圆心的距离；θ表示圆心与该横截面内某点的连线所成向量到方向的弧度差。

以下以如图2为示例来说明本发明光波段全景成像镜头的工作原理。如图2所示，本发明光波段全景成像镜头在工作时，光线从各个方向朝光波段全景成像镜头的圆心A射入。A，B分别是组成空腔的两条边界8a，8b在任一横截面的两个交点。观察者在空腔中朝图2的方向观察。当入射角度θ'为弧度的光线6a从外部进入该光波段全景成像镜头的侧面3时，在所设计各向异性介质电磁参数作用下，进入镜头后的光线6b将会依照相应的规律逐步改变传播方向，并最终聚焦于圆心A，射入圆心A时的入射角度θ为弧度。当入射角度θ'为弧度的光线7a从外部进入该光波段全景成像镜头的侧面3时，在所设计各向异性介质电磁参数作用下，进入镜头后的光线7b将会依照相应的规律逐步改变传播方向，并最终聚焦于圆心A，射入圆心A时的入射角度θ为弧度。类似的，对于其他射向观察者的光线，都能够在本镜头的引导下逐步改变传播方向，最终射入观察者可视角度范围内。由于来自所有方向的光线最终都会从的入射范围聚焦于圆心A，因此观察者需要站在空腔内，朝方向观察，就可以看到周围全景。

Claims (3)

1.一种利用各向异性介质构造的圆柱状光波段全景成像镜头，其特征是：所述全景成像镜头是带柱状空腔的圆柱壳体，任意高度位置的横截面形状相同，圆柱壳体由透明的各向异性介质构成；

所述全景成像镜头的横截面是半径为R₀的圆形，柱状空腔的任一横截面的两条边界在极坐标系下的表达式分别为：

式中，r表示该边界上任意一点到其所在横截面圆心的距离，r∈[0,R₀]；点A(r＝0,θ₁(r＝0))与点B(r＝R₀,θ₁(r＝R₀))为空腔在任意横截面的两条边界的交点，点A为该横截面的圆心；θ₁和θ₂表示圆心与空腔边界上的点所组成的向量与的弧度差，

2.根据权利要求1所述的一种利用各向异性介质构造的圆柱状光波段全景成像镜头，其特征是：所述各向异性介质具有各向异性的相对介电常数和相对磁导率。

3.根据权利要求1所述的一种利用各向异性介质构造的圆柱状光波段全景成像镜头，其特征是：所述全景成像镜头的任一横截面内，其各向异性介质的相对介电常数和相对磁导率在极坐标下随平面的分布情况由以下公式给出：

式中：相对介电常数和相对磁导率在数值上相同，R₀表示该全景成像镜头任一横截面的半径；r表示全景成像镜头上各个点到其所在横截面圆心的距离；θ表示圆心与该横截面内某点的连线所组成的向量到方向的弧度差。