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    [分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

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    离线infotek
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2020-11-30
    简介 `mJ6K&t$<  
    XK@E;Rv  
    概念:由圆柱体玻璃的一部分截制而成,由一柱面和一平面组成,其中包括平-凹和平-凸透镜 rw JIx|(  
    v^*K:#<Q!  
    光学特性光线通过轴向子午线(图中的垂直方向)不会出现聚散度的改变。 qqY"*uJ'  
    Wt-GjxGi  
    光线通过屈光力子午线(图中的水平方向)会出现聚散度的改变。 ^k">A:E2  
       3bH'H*2  
    应用:柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上,或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面,使入射光线能够聚焦于某个维度,并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正,适合用于激光线生成或变形光束整形,以环化激光输出。 `dN@u@[\ks  
    K?1W!fY  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: x g  
    kxhWq:[c  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: _A9AEi'.  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; &n:.k}/P  
    >KhOz[Zg  
    `1fY)d^ZS  
    第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建:主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建,但这种方法比较繁琐。 GGs}i1m  
    p}~JgEE  
    第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜,并调整相应的参数。 i<Zc"v;  
    tg4pyW <  
    我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); m&&m,6``P  
    . 3T3E X|G  
    hhc,uJ">!  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 qu{&xjTH8  
    `+:`_4  
    本文我们主要讲述第四种方法,通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本,基于用户规格输入参数到基本对话框中,如下所示。使用该工具,和生成轴对称透镜大致相同的方式,可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径,以及指定弯曲轴(x或y)。 lq;P ch  
    DsCcK3 k  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    k,+0u/I  
    使用柱面透镜生成器 'I6i ,+D/q  
    y}ev ,j  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: {B*s{{[/'  
     表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 -gX1-,dE  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 <6 Uf.u`  
     只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 Bn&ze.F  
      “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 Txb#C[`  
     就如轴对称透镜一样,柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 ~V1E0qdAE  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: sS'm!7*(3  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 GH$pKB  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 !wh8'X*  
     表面的半孔径大于它的半径。 ~U&AI1t+J  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 @<EO`L)Z  
     表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) sWnLEw  
     当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 x7<K<k;s  
     这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析 u <v7;dF|s  
     边缘厚度小于0。 =$JET<(  
    60?%<oJ oH  
    注意到,当我们遇到这些警告情况时,透镜仍然被创建了,尽管这可能是非物理的。 Si;H0uPO  
    7n<::k\lb  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    FP4P|kl/9'  
    脚本 #BH*Z(  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: "'?>fe\qG  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 T'Dv.h  
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 v O_*yh1  
    a. 插入默认值 2.%ITB  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 uiR8,H9*M  
    3. 指定对话框的输入为变量。 CryBwm  
    4. 创建第一个和第二个表面。 U26}gT)  
    a. 如果没有弯曲,使用“平面”表面;如果有弯曲,使用“环形非球面” }a(dyr`S  
    b. 计算边缘处的表面矢高 v_GUNRs  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 <*cikXS  
    c. 指定裁剪规格 dhK~O.~m  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 )oPBa  
    ii. 如果sag小于0.1,设置z裁剪半孔径为0.1,否则设置为|sag|*(3/5),这比1/2稍大一些,因此表面可以正确的渲染。 hf&9uHN%7m  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 :P0mx   
    e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分,因此环形表面可以正确的渲染 z9Rp`z&`E  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 J)p l|I  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 l}K37f  
    6. 创建透镜边缘 d<P\&!R(  
    a. 计算边缘总长度 kc`Tdn  
    i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值,如果它是凹面) NU2;X (z[  
    ii. 注意到,由于表面只在一个方向弯曲,边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 O)r4?<Q  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 ds[|   
    c. 如果透镜孔径是矩形/方形,使用带有“列表柱面”的分段曲线作为准线。 rf{rpe$  
    i. 创建分段曲线 FXkM#}RgNm  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 ,.FxIl ]  
    d. 指定裁剪规格 xMG~N`r  
    i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面) FJ)$f?=Qd  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z $*=<Yw4  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 fVpMx4&F   
    e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分,因此边缘表面可以正确的渲染。 k~1?VQ+?M  
    7. 完成! aO4?m+  
    Qh\60f>0  
    脚本代码分析 6i3$CW  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De kc&U'&RgY  
    'm kLCS  
    实例 2`=7_v  
    我们以库存号#86-030为例, YS"=yye 3e  
    9CD_ os\h  
    材料:SCHOTT N-SF5; nZYBE030  
    中心厚度:6mm; </*6wpN  
    孔径:D=12.5mm; I9ep`X6Y  
    波长:587.6nm; 4@ai6,<  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) A^<jy=F&  
    形状:S1凸面;S2平面 U&p${IcEm  
    运行软件输入如下参数: 2g! +<YZ~  
    61'XgkacDS  
    =Jb>x#Y  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: H"WprHe  
    P\k# >}}  
    zIAD9mQex  
    QQ:2987619807
     
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    离线敬天帅
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    只看该作者 1楼 发表于: 2021-08-09
    牛逼,学习了