CN114200550A - 一种三维物体隐形装置及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三维物体隐形装置及其设计方法，包括外层材料(1)、中层材料(2)、内层材料(3)和隐形区域(4)；基于光路全反射和多次折射原理，结合装置材料参数和结构参数设计，引导光束按设计路径传播，使得装置前方探测器只可探测到装置后界面背景的散射光而探测不到装置内物体的散射光，从而实现装置内物体隐形。此种装置及设计方法合理可行，结构简单，易于加工，可实现较大三维物体在可见光和红外波段的隐形。

Description

一种三维物体隐形装置及其设计方法
技术领域
本发明属于隐形装置技术领域，特别涉及一种三维物体隐形装置及其设计方法，此种设计装置及方法合理可行，结构简单，可实现较大三维物体在可见光和红外波段的隐形。
背景技术
隐形设计广泛应用于军事、民用领域。在军事领域，坦克、导弹发射车、作战部队等皆可采用三维隐形装置避开对方的人眼观察或红外探测，提高人员和武器装备的安全性。在民用方面，可见光波段的光学隐形可用于室内装饰，虚拟城市，影视制作等领域。
中国专利CN 203744840 U披露了一种光学隐身装置，所用隐身组件包括微处理单元、至少两个负责采集周边影像并与微处理单元电连接的微型摄像头、至少两个与所述微处理单元电连接的柔性屏幕，通过实时显示物体背面场景，达到隐身的效果，此种隐身装置主要是采用屏幕显示的方法对肉眼造成视觉混淆，而对物体探测器而言不具备隐身效果。
中国专利CN 106983189 A披露了一种基于多层纳米流体的二维环形可调控光学隐身斗篷，通过控制不同环层中纳米流体的纳米颗粒特性、流体的结构以及纳米颗粒的化学组成，可以使每层对应不同的介电常数和磁导率系数，获得光学隐身所需的二维介电常数和磁导率系数分布，进而使光线绕过斗篷区域后，光场恢复原来的分布，实现光学隐身功能，为处在光学隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界光线干扰，同时不影响外界光场分布，但此种隐形装置适用于微型二维隐形，不适用于宏观三维物体的隐形。
中国专利CN 106983190 A披露了一种基于多层石蜡复合相变材料的可调控二维光学隐身斗篷，通过控制不同环层中石蜡复合相变材料的固一液状态，可以使每层对应不同的介电常数和磁导率系数，获得光学隐身所需的二维介电常数和磁导率系数分布，进而使光线绕过斗篷区域后，光场恢复原来的分布，实现光学隐身功能，但此种隐形装置适用于微型二维隐形，不适用于宏观三维物体的隐形。
中国专利CN 106983188 A披露了一种基于多层石墨烯环层的可调控二维光学隐身斗篷，通过控制不同环层中石墨烯的费米能级分布，可以使每层对应不同的介电常数和磁导率系数，获得光学隐身所需的二维介电常数和磁导率系数分布，进而使光线绕过斗篷区域后，光场恢复原来的分布，实现光学隐身功能，但此种隐形装置适用于微型二维隐形，不适用于宏观三维物体的隐形。
专利US 10460713B2披露了一种针对声波隐形材料的设计方法，基于声波和电磁波传播模型间的联系，变换声波传播的数学模型，获得声波隐形材料设计模型。此种方法适用于微型物体的声波隐形，不适用于三维物体在可见光波段的隐形。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种三维物体隐形装置及其设计方法，结合装置材料参数和结构参数设计，引导光束按设计路径传播，使得装置前方探测器只可探测到装置后界面背景的散射光而探测不到装置内物体的散射光，从而实现装置内物体隐形。此种设计方法合理可行，结构简单，可实现较大三维物体在可见光和红外波段的隐形。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种三维物体隐形装置，包括外层材料、中层材料、内层材料和隐形区域；所述外层材料为内、外界面基础结构相同的多边棱柱结构，外界面与内界面的基础结构以中心轴旋转错开角度π/N设置，π＝180°，内、外界面基础结构为正多边棱柱结构，内、外界面旋转后，内、外界面的基础结构形成棱-面对应结构；外界面基础结构的一对相对侧面上开设有出光口，出光口为内折角结构，内折角结构的顶点位于隐形装置的对称面上；内界面的基础结构在对应外界面出光口的位置为棱边，该棱边两侧的棱边以面结构连接，并留有平行于该面结构的长条空气细缝；外层材料为透光材料；
所述中层材料为两块结构相同的透光材料，其外界面与外层材料的内界面贴合，其内界面与外界面平行，其余上下两侧面位于空气细缝的边界处，与外层材料的内界面之间形成空气细缝；中层材料的折射率小于外层材料和内层材料的折射率n1，外层材料和内层材料的材料相同；
所述内层材料的两相对外界面与两侧中层材料的内界面贴合，其余上下两外界面位于空气细缝的边界，与外层材料的内界面之间形成空气细缝，中部开有隐形区域；中层材料和外层材料的折射率之差满足：①光线经中层材料进入外层材料后能够在外层材料的外界面上发生全反射；②背景光线自非出光口区域进入装置，在装置内多次折射后能够绕过中间隐形区域，并按原定路径继续传播。
第二方面，一种三维物体隐形装置的设计方法，包括如下步骤：
加工外层材料，外层材料为内、外界面基础结构相同的多边棱柱结构，外界面与内界面的基础结构以中心轴旋转错开角度π/N设置，π＝180°，内、外界面基础结构为正多边棱柱结构，内、外界面旋转后，内、外界面的基础结构形成棱-面对应结构；外界面基础结构的一对相对侧面上加工内折角结构以形成出光口，内折角结构的顶点位于隐形装置的对称面上；内界面的基础结构在对应外界面出光口的位置为棱边，该棱边两侧的棱边以面结构连接，并通过对该面结构进行切削，形成平行于该面结构的长条空气细缝；外层材料为透光材料；
加工中层材料，中层材料为两块结构相同的透光材料，使其外界面与外层材料的内界面贴合，其内界面与外界面平行，其余上下两侧面位于空气细缝的边界处，与外层材料的内界面之间形成空气细缝；中层材料的折射率小于外层材料和内层材料的折射率n1，外层材料和内层材料的材料相同；
加工内层材料，使内层材料的两相对外界面与两侧中层材料的内界面贴合，其余上下两外界面位于空气细缝的边界，与外层材料的内界面之间形成空气细缝；在内层材料的中部加工隐形区域；中层材料和外层材料的折射率之差满足：①光线经中层材料进入外层材料后能够在外层材料的外界面上发生全反射；②背景光线自非出光口区域进入装置，在装置内多次折射后能够绕过中间隐形区域，并按原定路径继续传播。
根据本发明提供的一种三维物体隐形装置及其设计方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种三维物体隐形装置及其设计方法，采用多边棱柱式结构，且由两种材料加工隐形装置，结构简单，易于加工，可用于较大三维物体的隐形；
(2)本发明提供的一种三维物体隐形装置及其设计方法，基于光路传播原理，结合材料参数和结构参数设计，不仅实现了对隐形区域内物体散射光的传播路径引导，也兼顾了装置背景散射光的传播路径引导，可实现物体对于肉眼和红外探测器的隐形。
附图说明
图1为本发明提供的一种三维物体隐形装置的结构示意图；
图2为隐形区域内物体散射光的传播光路图；
图3为隐形区域内物体散射光的光线传播仿真图；
图4为界面背景散射光的传播光路图；
图5为界面背景散射光在不同位置处的光线传播仿真图；
图6为界面背景散射光在不同位置处的光线传播仿真图。
附图标号说明
1-外层材料；2-中层材料；3-内层材料；4-隐形区域；5-空气细缝；6-出光口；7-界面背景；8-探测器。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种三维物体隐形装置，包括外层材料1、中层材料2、内层材料3和隐形区域4；
所述外层材料1为内、外界面基础结构相同的多边棱柱结构，外界面与内界面的基础结构以中心轴旋转错开角度π/N设置(π＝180°)，内、外界面基础结构为正多边棱柱结构(如正六棱柱、正八棱柱)，内、外界面旋转后，内、外界面的基础结构形成棱-面对应结构；外界面基础结构的一对相对侧面上开设有出光口6，出光口6为内折角结构，内折角结构的顶点位于隐形装置的对称面上；内界面的基础结构在对应外界面出光口6的位置为棱边，该棱边两侧的棱边以面结构连接，并留有平行于该面结构的长条空气细缝5，如图1所示，棱边两侧的棱边以面结构连接后，正八边棱柱基础结构变为六边棱柱结构；外层材料1为透光材料；
所述中层材料2为两块结构相同的透光材料，其外界面与外层材料1的内界面贴合，其内界面与外界面平行，其余上下两侧面位于空气细缝5的边界处，与外层材料1的内界面之间形成空气细缝5；中层材料2的厚度c由中层材料2的折射率n2和隐形区域4的高度e决定；中层材料2的折射率小于外层材料1和内层材料3的折射率n1，外层材料1和内层材料3的材料相同；
所述内层材料3的两相对外界面与两侧中层材料2的内界面贴合，其余上下两外界面位于空气细缝5的边界，与外层材料1的内界面之间形成空气细缝5，中部开有隐形区域4，隐形区域4的宽度f取决于其高度e和外层材料1的内界面尺寸；
所述隐形区域4内物体的散射光近似为沿径向发散的点光源，如图2和图3所示，光线在隐形装置内层材料3内界面折射后为近似垂直于外层材料1的内界面传播的平行光束，内层材料3起到散射光的准直作用，光线经中层材料2后进入外层材料1，并依次在外层材料1的外界面和内界面上发生全反射，通过全反射光路设计改变光束传播方向，使其从装置两侧所设计的出光口6出射，从而避开装置前方的探测器8；中层材料2和外层材料1的折射率之差满足光线经中层材料2进入外层材料1后能够在外层材料1的外界面上发生全反射；
所述装置后界面背景7处的散射光近似为平行光，如图4～图6所示，通过在装置内多次折射，绕过中间隐形区域4，在装置外层材料1前方界面出射并按原定路径传播至前方探测器8，使得探测器8可探测到装置后界面背景7的散射光而探测不到装置内物体的散射光，从而实现装置内物体隐形；中层材料2和外层材料1的折射率之差还满足背景光线自非出光口区域进入装置，在装置内多次折射后能够绕过中间隐形区域4，并按原定路径继续传播。
在一种优选的实施方式中，所述空气细缝5的长度与外层材料1基础结构上对应侧面的宽度相同。
在一种优选的实施方式中，所述的一种三维物体隐形装置，基于光路全反射和多次折射原理，结合装置材料参数和结构参数设计，引导光束按设计路径传播，隐形装置所需考虑的材料参数和结构参数如下：
Figure BDA0003273535280000061
Figure BDA0003273535280000071
其中e、f为隐形区域的高度和宽度，为已知量；N为隐形装置外层材料的基础结构的棱数，当基于正八边棱柱设计时，N＝8；n0为隐形区域处的折射率，即空气折射率，取n0＝1。
所述的一种三维物体隐形装置，采用以下公式确定隐形装置外层材料1和内层材料3的折射率n1：
n1·sinθ1≥1
其中，θ1为隐形物体散射光经隐形装置偏折后入射至装置外界面处的入射角，由于棱柱内、外界面以中心轴旋转错开π/N，因此θ1＝π/N＝22.5°。计算得到n1>2.613，优选取n1＝2.62。
隐形装置外层材料的基础结构为正八边棱柱时，N＝8，在已知隐形区域尺寸e、f的条件下，为保证隐形区域内物体的散射光可通过多次全反射最终在两侧出光口出射，同时装置后界面背景的散射光经过多次折射绕过隐形区域后沿原传播方向继续传播，可通过以下公式计算n2、a、b、c、d：
Figure BDA0003273535280000072
Figure BDA0003273535280000073
Figure BDA0003273535280000081
Figure BDA0003273535280000082
Figure BDA0003273535280000083
当e＝15、f＝18时，计算得n2＝1.41、a＝100、b＝54、c＝15、d＝5.5。
通过以下公式计算隐形装置出光口的底角角度α：
α＝π/2N，其中，N＝8，计算得α＝11.25°。
根据本发明的第二方面，提供了一种三维物体隐形装置的设计方法，包括如下步骤：
加工外层材料1，外层材料1为内、外界面基础结构相同的多边棱柱结构，外界面与内界面的基础结构以中心轴旋转错开角度π/N设置(π＝180°)，内、外界面基础结构为正多边棱柱结构，内、外界面旋转后，内、外界面的基础结构形成棱-面对应结构；外界面基础结构的一对相对侧面上加工内折角结构以形成出光口6，内折角结构的顶点位于隐形装置的对称面上；内界面的基础结构在对应外界面出光口6的位置为棱边，该棱边两侧的棱边以面结构连接，并通过对该面结构进行切削，形成平行于该面结构的长条空气细缝5；外层材料1为透光材料；
加工中层材料2，中层材料2为两块结构相同的透光材料，使其外界面与外层材料1的内界面贴合，其内界面与外界面平行，其余上下两侧面位于空气细缝5的边界处，与外层材料1的内界面之间形成空气细缝5；中层材料2的折射率小于外层材料1和内层材料3的折射率n1，外层材料1和内层材料3的材料相同；
加工内层材料3，使内层材料3的两相对外界面与两侧中层材料2的内界面贴合，其余上下两外界面位于空气细缝5的边界，与外层材料1的内界面之间形成空气细缝5；在内层材料3的中部加工隐形区域4；
隐形区域4内物体的散射光近似为沿径向发散的点光源，光线在隐形装置内层材料3内界面折射后为近似垂直于外层材料1的内界面传播的平行光束，内层材料3起到散射光的准直作用，光线经中层材料2后进入外层材料1，并依次在外层材料1的外界面和内界面上发生全反射，通过全反射光路设计改变光束传播方向，使其从装置两侧所设计的出光口6出射，从而避开装置前方的探测器8；中层材料2和外层材料1的折射率之差满足光线经中层材料2进入外层材料1后能够在外层材料1的外界面发生全反射；同时，中层材料2和外层材料1的折射率之差还满足背景光线自非出光口区域进入装置，在装置内多次折射后能够绕过中间隐形区域4，并按原定路径继续传播。
在一种优选的实施方式中，设计所述空气细缝5的长度与外层材料1基础结构上对应侧面的宽度相同。
在一种优选的实施方式中，采用以下公式确定隐形装置外层材料1和内层材料3的折射率n1：
n1·sinθ1≥1
其中，θ1为隐形物体散射光经隐形装置偏折后入射至装置外界面处的入射角，由于棱柱内、外界面以中心轴旋转错开π/N，因此θ1＝π/N＝22.5°。确定n1>2.613，优选取n1＝2.62。
在一种优选的实施方式中，隐形装置外层材料的基础结构为正八边棱柱时，N＝8，通过以下公式确定n2、a、b、c、d：
Figure BDA0003273535280000091
Figure BDA0003273535280000092
Figure BDA0003273535280000093
Figure BDA0003273535280000101
Figure BDA0003273535280000102
当e＝15、f＝18时，得到n2＝1.41、a＝100、b＝54、c＝15、d＝5.5。
通过以下公式计算装置出光口的底角角度α：
α＝π/2N，其中，N＝8，计算得α＝11.25°。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种三维物体隐形装置，其特征在于，包括外层材料(1)、中层材料(2)、内层材料(3)和隐形区域(4)；所述外层材料(1)为内、外界面基础结构相同的多边棱柱结构，外界面与内界面的基础结构以中心轴旋转错开角度π/N设置，π＝180°，内、外界面基础结构为正多边棱柱结构，内、外界面旋转后，内、外界面的基础结构形成棱-面对应结构；外界面基础结构的一对相对侧面上开设有出光口(6)，出光口(6)为内折角结构，内折角结构的顶点位于隐形装置的对称面上；内界面的基础结构在对应外界面出光口(6)的位置为棱边，该棱边两侧的棱边以面结构连接，并留有平行于该面结构的长条空气细缝(5)；外层材料(1)为透光材料；
所述中层材料(2)为两块结构相同的透光材料，其外界面与外层材料(1)的内界面贴合，其内界面与外界面平行，其余上下两侧面位于空气细缝(5)的边界处，与外层材料(1)的内界面之间形成空气细缝(5)；中层材料(2)的折射率小于外层材料(1)和内层材料(3)的折射率n1，外层材料(1)和内层材料(3)的材料相同；
所述内层材料(3)的两相对外界面与两侧中层材料(2)的内界面贴合，其余上下两外界面位于空气细缝(5)的边界，与外层材料(1)的内界面之间形成空气细缝(5)，中部开有隐形区域(4)；中层材料(2)和外层材料(1)的折射率之差满足：①光线经中层材料(2)进入外层材料(1)后能够在外层材料(1)的外界面上发生全反射；②背景光线自非出光口区域进入装置，在装置内多次折射后能够绕过中间隐形区域(4)，并按原定路径继续传播。
2.根据权利要求1所述的三维物体隐形装置，其特征在于，所述空气细缝(5)的长度与外层材料(1)基础结构上对应侧面的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的三维物体隐形装置，其特征在于，所述隐形装置外层材料(1)和内层材料(3)的折射率n1满足：
n1·sinθ1≥1
其中，θ1为隐形物体散射光经隐形装置偏折后入射至装置外界面处的入射角，θ1＝π/N，N为隐形装置外层材料的基础结构的棱数。
4.根据权利要求1所述的三维物体隐形装置，其特征在于，所述隐形装置外层材料的基础结构为正八边棱柱即N＝8时，中层材料的折射率n2、外层材料的外边界截面边长a、外层材料的内边界截面边长b、中层材料的厚度c、和内层材料的厚度d满足：
Figure FDA0003273535270000021
Figure FDA0003273535270000022
Figure FDA0003273535270000023
Figure FDA0003273535270000024
Figure FDA0003273535270000025
5.根据权利要求1所述的三维物体隐形装置，其特征在于，所述隐形装置出光口(6)的底角角度α：
α＝π/2N，
N为隐形装置外层材料(1)的基础结构的棱数。
6.一种三维物体隐形装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
加工外层材料(1)，外层材料(1)为内、外界面基础结构相同的多边棱柱结构，外界面与内界面的基础结构以中心轴旋转错开角度π/N设置，π＝180°，内、外界面基础结构为正多边棱柱结构，内、外界面旋转后，内、外界面的基础结构形成棱-面对应结构；外界面基础结构的一对相对侧面上加工内折角结构以形成出光口(6)，内折角结构的顶点位于隐形装置的对称面上；内界面的基础结构在对应外界面出光口(6)的位置为棱边，该棱边两侧的棱边以面结构连接，并通过对该面结构进行切削，形成平行于该面结构的长条空气细缝(5)；外层材料(1)为透光材料；
加工中层材料(2)，中层材料(2)为两块结构相同的透光材料，使其外界面与外层材料(1)的内界面贴合，其内界面与外界面平行，其余上下两侧面位于空气细缝(5)的边界处，与外层材料(1)的内界面之间形成空气细缝(5)；中层材料(2)的折射率小于外层材料(1)和内层材料(3)的折射率n1，外层材料(1)和内层材料(3)的材料相同；
加工内层材料(3)，使内层材料(3)的两相对外界面与两侧中层材料(2)的内界面贴合，其余上下两外界面位于空气细缝(5)的边界，与外层材料(1)的内界面之间形成空气细缝(5)；在内层材料(3)的中部加工隐形区域(4)；中层材料(2)和外层材料(1)的折射率之差满足：①光线经中层材料(2)进入外层材料(1)后能够在外层材料(1)的外界面上发生全反射；②背景光线自非出光口区域进入装置，在装置内多次折射后能够绕过中间隐形区域(4)，并按原定路径继续传播。
7.根据权利要求6所述的三维物体隐形装置的设计方法，其特征在于，设计所述空气细缝(5)的长度与外层材料(1)基础结构上对应侧面的宽度相同。
8.根据权利要求6所述的三维物体隐形装置的设计方法，其特征在于，采用以下公式确定隐形装置外层材料(1)和内层材料(3)的折射率n1：
n1·sinθ1≥1
其中，θ1为隐形物体散射光经隐形装置偏折后入射至装置外界面处的入射角，θ1＝π/N，N为隐形装置外层材料的基础结构的棱数。
9.根据权利要求6所述的三维物体隐形装置的设计方法，其特征在于，所述隐形装置外层材料的基础结构为正八边棱柱即N＝8时，设计中层材料的折射率n2、外层材料的外边界截面边长a、外层材料的内边界截面边长b、中层材料的厚度c、和内层材料的厚度d满足：
Figure FDA0003273535270000041
Figure FDA0003273535270000042
Figure FDA0003273535270000043
Figure FDA0003273535270000044
Figure FDA0003273535270000045
10.根据权利要求6所述的三维物体隐形装置的设计方法，其特征在于，设计隐形装置出光口(6)的底角角度α为：
α＝π/2N，
N为隐形装置外层材料(1)的基础结构的棱数。
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