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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 :&MiO3#+  
    @z.!Dby  
    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 (WC<XKf  
    "P~>AXcq  
    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。 y5I7pbe  
    _"=~aMXC.)  
    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。 R.@GLx_zpQ  
       _4+1c5Q!  
    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。 A|^?.uIM  
    +7w>ujeeJA  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: = j -  
    _>.%X45xi  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: FB""^IC?W  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; `{%*DHa  
    &IPT$=u  
    EHOdst  
    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。 O1A*-G:X  
    Oqyh{q%]  
    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。 _B2t|uQ  
    8}&cE#@  
    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); +x`tvo  
    =g ]C9'I3  
    m(Oup=\%b}  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 !u"Hf7/  
    ^VQiq7 xm  
    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)。 u4Sa4o  
    ()iJvf>@  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    J0`?g6aY  
    使用柱面透镜生成器 GC~::m~  
    =o {`vv  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: "3K0 wR5  
     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。 F~ :5/-zs  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 <NUZPX29  
     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 A /MOY@%G  
      “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。 (L\tp> E-  
     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。 0o#lB^e;l  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: r=vE0;7  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 I^o^@C  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 NQb?&.C   
     表面的半孔径大于它的半径。 9X-DR  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 _T1e##Sq,  
     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) w v1R ]3}  
     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。 ,PB?pp8C}  
     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 ]2<g"zo0  
     边缘厚度小于0。 ,{%[/#~6  
    7M4iBk4I  
    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。 "/q6E  
    %Z.!Bm:  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    >+1bTt/-F  
    脚本 h0GXN\xI  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: V{8mx70  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 Uc/%4Gx   
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 |i|O9^*%  
    a. 插入默认值 !({[^[!  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 ^Tl|v'   
    3. 指定对话框的输入为变量。 @+xQj.jNC  
    4. 创建第一个和第二个表面。 v>,XJ7P  
    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” g}f@8;TY  
    b. 计算边缘处的表面矢高 Q<M>+U;t  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 se?nx7~  
    c. 指定裁剪规格 Mqna0"IYx*  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 %rf<YZ.\  
    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。 ~ >6(@~6  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 (h E^<jNR  
    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 RW3&]l=  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 U+\\#5$  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 9Gy1T3y5"  
    6. 创建透镜边缘 rT x]%{  
    a. 计算边缘总长度 T3bBc  
    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) LE Y$St  
    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”。 5y.kOe4vH  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 ZN. #g_  
    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。 1vX97n<}  
    i. 创建分段曲线 AH;h#dT  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 ?@tp1?)  
    d. 指定裁剪规格 rK"x92P0  
    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) 1"i/*}M  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z O5E\#*<K  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 Z5v\[i@H!  
    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。 xw`Pq6  
    7. 完成! 6L8wsz CW  
    yAaMYF@  
    脚本代码分析 g$uj<"^  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De E-CZk_K9  
    e~xN[Q\0]  
    实例 w?Y;pc}1B  
    我们以库存号#86-030为例, L_Z>*s&  
    ]5wc8Kh"  
    材料:SCHOTT N-SF5; t}+P|$[  
    中心厚度:6mm; d7A vx  
    孔径:D=12.5mm; ?m0|>[j  
    波长:587.6nm; NU O9,  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) sZ_+6+ :  
    形状:S1凸面;S2平面 EP,lT.u3  
    运行软件输入如下参数: Db@$'  
    |BN^5m qP6  
    .O@T#0&=_  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: mqQN*.8*  
    (*F/^4p!$  
    bs/Vn'CE  
    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