[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： T3G/v)ufd  
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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。 K#l  -?  
Y|m_qB^_  
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。 y/X:=d6"  
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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。 Q$?7)yyu+  
   uG=t?C6  
应用：柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上，或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面，使入射光线能够聚焦于某个维度，并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正，适合用于激光线生成或变形光束整形，以环化激光输出。 s`Yu"s 8}4  
agU%z:M{  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： 0NCOz(L/  
L876$  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： L9{mYA]q  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; U^[cYT
G  
<OR.q  
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。 j}rgO
z.  
Q? <-`7  
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。 lBlSNDs  
'w`SBYQ5  
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）； VM-qVd-  
lL:KaQ0E  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 c!\.[2n  
N{1.gS  
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)。 MB
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DO7-=74=  
*F\T}k7  
使用柱面透镜生成器 xb4Pt`x)rS  
b4Ricm  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： Ci]'G>F@"  
 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。 =7 Jy  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 B;xZ%M]  
 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 gHQPhe#n  
  “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。 c=b+g+*xd  
 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。 rnnX|}J  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： 2wB.S_4"-<  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 D ?Nd;[  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 8g<Q5(  
 表面的半孔径大于它的半径。 X|X4L(i  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。
EX[B/YH  
 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) ~hS3*\^~M  
 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。 B3y?.  
 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 =E&b=  
 边缘厚度小于0。 F;
IP3tD  
=LlLE<X"%x  
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。 CTl(_g  
TRF]i/Bs  
Ap11b|v  
脚本 <e;jWK  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： EfFz7j&X  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 Gx.P
]O3  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 f"vk# 3  
a. 插入默认值 gzVtxDh  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 WHp97S'd  
3. 指定对话框的输入为变量。 Ee{`Y0  
4. 创建第一个和第二个表面。 D,c!#(v cK  
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” 9 0X?1  
b. 计算边缘处的表面矢高 qOW#Q:T  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 "Owct(9  
c. 指定裁剪规格 k) "ao2iXL  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 cb+l"FI7  
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。 Z
+NF(d  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 t2"@Ps&1|  
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 [-4KY4R  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 -M6L.gi)oJ  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 E[S? b=^  
6. 创建透镜边缘 ):3MYSqX  
a. 计算边缘总长度 A'GlCp  
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) 92ZWU2"  
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”。 w'A tf  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 :d.1;st  
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。 gdl| ^*tc  
i. 创建分段曲线 O]t\B*%}  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 M~als3  
d. 指定裁剪规格 Q8;#_HE  
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) gc##V]OD  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z ZI,j?i6\  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 tmp6hB  
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。 eI^gV'UK  
7. 完成！ &M[MEO`t8  
?KCivf  
脚本代码分析 R<|ejw  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De lK*jhW?3:  
hd5$yU5JQ  
实例 !n eo\  
我们以库存号#86-030为例， A#(`9  
L x.jrF|&  
材料：SCHOTT N-SF5; \b$<J.3  
中心厚度：6mm; -^Xy%  
孔径：D=12.5mm; %%&e"&7HE  
波长：587.6nm; 1SUzzlRx  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) p;0 PxL=  
形状：S1凸面；S2平面 +oZH?N4yaM  
运行软件输入如下参数： JdiP>KXV  
C`NmZ
wL  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： ^LVk5l)\>g  
r2nBWA3  

牛逼，学习了