一種利用各向異性介質構造的圓柱狀光波段全景成像鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種利用各向異性介質構造的圓柱狀光波段全景成像鏡頭。它是由透明的各向異性介質構成的帶空腔的圓柱狀殼體。鏡頭內部空腔在任意高度的橫截面都為桃形，空腔為預留給觀察者的區(qū)域，存在于該區(qū)域內的物體不會影響最終的成像質量。來自周圍任意角度、射向鏡頭中心的光線，在通過本鏡頭時，由于各向異性介質的引導，最終都能到達觀察者可視角度的范圍內。因此，本鏡頭能夠保證觀察者在無需轉動頭部的前提下，觀察到其周圍全景。本發(fā)明能將觀察者周圍360°的景象壓縮到人眼的可視角度120°范圍內，因此相比于真實的景象，通過本鏡頭所成景象會在觀察者的水平方向上壓縮至原來的三分之一。
【專利說明】
一種利用各向異性介質構造的圓柱狀光波段全景成像鏡頭
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用各向異性介質構造的圓柱狀光波段全景成像鏡頭，屬于可見 光全景成像領域。
【背景技術】
[0002] 隨著信息技術的發(fā)展，人們對圖像的需求量越來越大?，F(xiàn)階段獲取全景圖像主要 通過多臺相機獨立拍攝，再對多張相片進行拼接。這種技術一般依賴復雜的電子設備，以及 精準的算法才能實現(xiàn)有效的拼接。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用各向異性介質構造的圓柱狀光波段全景成像鏡 頭。
[0004] 各向異性介質是指電磁參數(shù)在各個方向上不同的物質，本發(fā)明利用各向異性介質 的這一特殊性質，將它應用于成像技術。本發(fā)明通過光學變換法，得到實現(xiàn)全景成像功能所 需的電磁參數(shù)，以透明的各向異性介質作為構造整個光波段成像鏡頭的材料，從而得到構 造簡單、性能穩(wěn)定、適用于整個可見光波段、具有全景成像性能并且能將全景壓縮在觀察者 可視角度內的新型成像鏡頭。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案是：
[0006] 利用各向異性介質構造的圓柱狀光波段全景成像鏡頭是帶柱狀空腔的圓柱殼體， 任意高度位置的橫截面形狀相同，圓柱殼體由透明的各向異性介質構成，柱狀空腔是給觀 察者觀察的預留空間。
[0007] 所述全景成像鏡頭的橫截面是半徑為RQ的圓形，柱狀空腔的任一橫截面的兩條邊 界在極坐標系下的表達式為：
[0009] 式中，r表示該空腔邊界上任意一點到其所在橫截面圓心的距離，rG[0，RQ];點A (> =〇，01(> = 〇))與點8(> = 1?()，01(> = 1?()))為空腔在任意橫截面的兩條邊界的交點，點八為 該橫截面的圓心。0jP02表示圓心與空腔邊界上的點所組成的向量』的弧度差，
[0010] 進一步地，所述各向異性介質具有各向異性的相對介電常數(shù)和相對磁導率。
[0011] 進一步地，所述全景成像鏡頭的任一橫截面內，其各向異性介質的相對介電常數(shù)； 和相對磁導率在極坐標下隨平面的分布情況由以下公式給出：
[0013]
>相對介電常數(shù)^和相對磁導率^在數(shù)值上相同，Ro表示該 全景成像鏡頭橫截面的半徑;r表示全景成像鏡頭上各個點到其所在平面圓心的距離；0表 示圓心與該橫截面內某點的連線所成向量到哀^方向的弧度差。
[0014] 進一步地，本發(fā)明所述鏡頭的基本功能為，若觀察者的觀察方向為M方向，則從 各個方向射向鏡頭中心的光線，在透明各向異性介質的引導下，都會進入觀察者的可視角 度范圍內。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：
[0016] 本發(fā)明以各向異性介質作為構造全景成像鏡頭的材料，光線通過該鏡頭時，利用 各向異性介質控制光線的傳播方向，使來自觀察者周圍的光線最終都能從觀察者的可視角 度范圍內射入眼中，從而幫助觀察者在不轉動頭部的前提下就可獲得其周圍360°的景象。 本發(fā)明通過各向異性介質構成整個光波段全景成像鏡頭，構造簡單;不需要外加能量驅動 工作，性能穩(wěn)定，適用于整個可見光波段，具有很強的實用性。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明光波段全景成像鏡頭的整體結構示意圖；
[0018] 圖2是理論計算的光線進入本發(fā)明所述光波段全景成像時的軌跡。
【具體實施方式】
[0019] 圖1所示為本發(fā)明圓柱狀光波段全景成像鏡頭的整體結構示意圖，它是一個圓柱 狀透明殼體，包含上底面1、下底面2和側面3,構成圓柱狀光波段全景成像鏡頭的材料為透 明的各向異性介質，圓柱狀光波段全景成像鏡頭內設有空腔4,圓柱狀光波段全景成像鏡頭 任意高度位置的橫截面形狀相同。
[0020] 所述全景成像鏡頭的橫截面是半徑為R〇的圓形，柱狀空腔的任一橫截面的兩條邊 界在極坐標系下的表達式為：
[0022] 式中，r表示該空腔邊界上任意一點到其所在橫截面圓心的距離，rG[0，RQ];點A (> =〇，01(> = 〇))與點8(> = 1?()，01(> = 1?()))為空腔在任意橫截面的兩條邊界的交點，點八為 該橫截面的圓心。0jP02表示圓心與空腔邊界上的點所組成的向量與的弧度差，
[0023] 眾所周知，光是一種電磁波，當光線進入各向異性介質時，可以通過控制各向異性 介質的電磁參數(shù)，進而控制光的傳播軌跡。通過設計光在本發(fā)明所述全景成像鏡頭內的傳 播軌跡，依照該軌跡對光在該鏡頭內的傳播空間進行變換，并結合變換光學的方法，能夠得 到制造該鏡頭所需的電磁參數(shù)，利用符合該參數(shù)的各向異性介質制造出的全景成像鏡頭， 能夠使光線按照最初設計的軌跡在鏡頭中傳播。
[0024] 在柱坐標系下，S '（r '，0 '，z '）表示空間變換之前的坐標系，S(r，0，z)表示在本發(fā) 明所述全景成像鏡頭的作用下，光路傳播空間變換之后的坐標系，r'、0'、z'和r、0、z分別表 示空間變換前、后任意橫截面上的點到該橫截面圓心的距離、任意橫截面的圓心跟相同橫 截面上任意一點的連線所組成的向量與]方向的弧度差、鏡頭中任意一點與該鏡頭下底 面的高度差。3'&'，0'，2'）與5(^0，2)的空間變換關系為
，根據(jù)該變換 關系，光線從鏡頭外部向鏡頭內圓心方向以9 '弧度入射，當光線接觸到鏡頭側面3時，r'= Ro，此時r = R〇，0 = 0 '，因此光線在鏡頭邊界處保持連續(xù)；當光線在鏡頭內部傳播，r '逐步減 小到〇，r也逐步減小到0,此時0逐步接近
；由于空間變換之 前，觀察者周圍光線的入射弧度范圍9' G [-31,31]，經(jīng)過空間變換之后，光線射入人眼的入射
，與常人的視角寬度
'弧度，即120°正好相同。因此，該鏡頭基本能 夠保證觀察者能夠在不轉動頭部的前提下看到周圍360°的景象。依照上述空間變換，結合 變換光學的方法，就可以計算出各向異性介質的相對介電常數(shù)和相對磁導率在空間中的分 布情況。由于經(jīng)過該變換之后空間中會產(chǎn)生一塊不需要使用各向異性介質填充的區(qū)域，這 塊區(qū)域中的物體不會影響鏡頭最終的成像效果，因此將它設計為可以容納觀察者的空腔。
[0025] 圖2為理論計算的光線通過本發(fā)明光波段全景成像鏡頭時的軌跡圖（俯視）。圖2所 示的實施例中，該光波段全景成像鏡頭平放在地面上，四周圍都是空氣5;其中，所述全景成 像鏡頭的各向異性介質任一橫截面的相對介電常數(shù)$和相對磁導率5在極坐標下隨平面的 分布情況由以下公式給出：
[0027]
，相對介電常數(shù)和相對磁導率丨在數(shù)值上相同，Ro表不該 全景成像鏡頭橫截面的半徑;r表示全景成像鏡頭上各個點到其所在平面圓心的距離；0表 示圓心與該橫截面內某點的連線所成向量到;方向的弧度差。
[0028] 以下以如圖2為示例來說明本發(fā)明光波段全景成像鏡頭的工作原理。如圖2所示， 本發(fā)明光波段全景成像鏡頭在工作時，光線從各個方向朝光波段全景成像鏡頭的圓心A射 入。A，B分別是組成空腔的兩條邊界8a，8b在任一橫截面的兩個交點。觀察者在空腔中朝圖2 的g方向觀察。當入射角度9 '為
弧度的光線6a從外部進入該光波段全景成像鏡頭的 側面3時，在所設計各向異性介質電磁參數(shù)作用下，進入鏡頭后的光線6b將會依照相應的規(guī) 律逐步改變傳播方向，并最終聚焦于圓心A，射入圓心A時的入射角度0為
弧度。當入射角 度9'為
?弧度的光線7a從外部進入該光波段全景成像鏡頭的側面3時，在所設計各向 異性介質電磁參數(shù)作用下，進入鏡頭后的光線7b將會依照相應的規(guī)律逐步改變傳播方向， 并最終聚焦于圓心A，射入圓心A時的入射角度0為
弧度。類似的，對于其他射向觀察 者的光線，都能夠在本鏡頭的引導下逐步改變傳播方向，最終射入觀察者可視角度范圍內。 由于來自所有方向的光線最終都會從
入射范圍聚焦于圓心A，因此觀察者需要 站在空腔內，朝豆冗方向觀察，就可以看到周圍全景。
【主權項】
1. 一種利用各向異性介質構造的圓柱狀光波段全景成像鏡頭，其特征是:所述全景成 像鏡頭是帶柱狀空腔的圓柱殼體，任意高度位置的橫截面形狀相同，圓柱殼體由透明的各 向異性介質構成； 所述全景成像鏡頭的橫截面是半徑為Ro的圓形，柱狀空腔的任一橫截面的兩條邊界在 極坐標系下的表達式分別為：式中，r表示該邊界上任意一點到其所在橫截面圓心的距離，rG [〇，R〇];點A(r = 〇，0i(r = 〇))與點8(> = 1?()，01(> = 1?()))為空腔在任意橫截面的兩條邊界的交點，點八為該橫截面的 圓心；0 i和0 2表示圓心與空腔邊界上的點所組成的向量與g的弧度差，2. 根據(jù)權利要求1所述的一種利用各向異性介質構造的光波段圓柱狀全景成像鏡頭， 其特征是:所述各向異性介質具有各向異性的相對介電常數(shù)和相對磁導率。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種利用各向異性介質構造的圓柱狀光波段全景成像鏡頭， 其特征是:所述全景成像鏡頭的任一橫截面內，其各向異性介質的相對介電常數(shù)I和相對磁 導率^在極坐標下隨平面的分布情況由以下公式給出：.相對介電常數(shù)I和相對磁導率^在數(shù)值上相同，R〇表示該全景 成像鏡頭任一橫截面的半徑;r表示全景成像鏡頭上各個點到其所在橫截面圓心的距離；0 表示圓心與該橫截面內某點的連線所組成的向量到M方向的弧度差。
【文檔編號】G02B1/00GK106054286SQ201610563279
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】鄧旸旸, 王華萍, 鄭斌
【申請人】浙江大學