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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 f >.^7.is  
    ,,!P-kK$  
    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 8 /%{xB^  
    s/.P/g%tA>  
    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。 @v#,SF{  
    684|Uuf7  
    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。 *AP"[W  
       684d&\(s  
    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。 Bgn%d4W;G  
    )ki Gk}2  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: c& I  
    ;>L8&m)R5  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: ;rF[y7\  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; ]-9w'K d  
    vK[%c A"  
    \7%#4@;?  
    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。 R}cNhZC  
    }Z{FPW.QK  
    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。 8\^A;5  
    $wi4cHh  
    我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); rwVp}H G  
    }i,r{Y]s]  
    JXMH7  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 EZN!3y| m  
    % 1$#fxR  
    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)。 7~F~'V  
    Sb> &m  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    IRwtM'%0  
    使用柱面透镜生成器 BjagG/ sX  
    0Sz[u\w  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: fIl!{pv[  
     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。 \1LfDlQk)  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 EEnl'  
     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 9^ZtbmUf  
      “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。 k@un}}0r  
     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。 w]yVNB  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: S<-nlBs.  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 7KX27.~F  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 M;,$ )>P  
     表面的半孔径大于它的半径。 XL^05  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 PCHspe9!y  
     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) Y)DX   
     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。 S,nELV~!  
     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  5QLK  
     边缘厚度小于0。 gK9d `5  
    5K2K'ZkI  
    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。 tV`=o$`  
    J-Tiwl  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    e1LIk1`p  
    脚本 _1&Ar4:  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: xE w\'tH  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 4|E^ #C  
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 -PAEJn5$O  
    a. 插入默认值 R-j*fO}  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 Jp_#pV*}:  
    3. 指定对话框的输入为变量。 >>,G3/Zd*  
    4. 创建第一个和第二个表面。 GaG>0 x   
    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” 4minzrKM\  
    b. 计算边缘处的表面矢高 8ZVQM7O  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 0Zi+x#&d  
    c. 指定裁剪规格 T"W<l4i-  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 h7!O K  
    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。 1QG q;6\  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 5C9b*]-#  
    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 =I546($  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 kuy?n-1g  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 f4b9o[,s2e  
    6. 创建透镜边缘 v={{ $=/t  
    a. 计算边缘总长度 1wKXOy=v0  
    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) L|T?,^  
    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”。 R-S<7Q3E0=  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 hc[ K VLpS  
    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。 Qk:Lo*!  
    i. 创建分段曲线 [jzsB:;XB&  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 GQn:lu3j:  
    d. 指定裁剪规格 PY.K_(D  
    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) dHXe2rTE;&  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z >ep<W<b  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 MhD'  
    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。 ,UMr_ e{|  
    7. 完成! w3(|A> s3  
    hr fF1 >A  
    脚本代码分析 %-540V{q  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De #f2k*8"eAF  
    j)mU`b_  
    实例 jU j\<aW  
    我们以库存号#86-030为例, lD0-S0i  
    )}`z<)3jP  
    材料:SCHOTT N-SF5; Ig `q[o  
    中心厚度:6mm; dZ`Y>wH_  
    孔径:D=12.5mm; OuTV74  
    波长:587.6nm; p2Ep(0w,R5  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) ~R w1  
    形状:S1凸面;S2平面 E+@Q u "W  
    运行软件输入如下参数: Xb%q9Z  
    T>& q8'lD  
    cERIj0~  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: z3tx]Ade  
    6DHK&<=D8  
    SH{@yS[c!  
    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