[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： Qo>b*Ku;  
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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。 },uF4M.K  
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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。 {GvJZ!,RCg  
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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。
\TIT:1  
   }#3V+X  
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。 P)"noG_'i  

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在FRED中共有四种方法设计柱透镜： uMUBh 80,L  
FW.7'7G@n  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： vjLJinJ/  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; eJ,/:=QQ{  
'Jiw@t<o3`  
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。 MvuQz7M#d  
$Y;U[_l#  
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。 %W'v}p  
)S3\,S-.  
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）； $yN{-T"  
%) /s;Q,  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。  Fiv3 {.  

DP[IZC  
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)。 Gq+z/Be  
FO+Zue.RS  
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使用柱面透镜生成器 1Rq,
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s kvGU(G}  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： >q#rw  
 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。 <qtr   
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 ?fiIwF)  
 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 w2;eh]k  
  “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。 bW$,?8(  
 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。 oxC[F*mD  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： QFE:tBHe  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 =FlDb 5t{  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 i% w3/m  
 表面的半孔径大于它的半径。 w+C7BPV&  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 #[,IsEpDO1  
 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) # Nk;4
:[  
 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。 cIUHa  
 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 5rwu!Y;7*  
 边缘厚度小于0。 PZ2;v<  
@V(*65b2  
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。 aL*&r~`&e'  
B%
" d~5Y  
WeJl4wF  
脚本 t 4PK}>QW  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： 1G"z<v B  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 +Um( h-;  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 H0:E(}@  
a. 插入默认值 Bs13^^hu
 
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 !_"@^?,q  
3. 指定对话框的输入为变量。 H]P. x!I  
4. 创建第一个和第二个表面。 |)nZ^Cc  
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” ydFD!mO  
b. 计算边缘处的表面矢高 [6pD  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 'ZT^PV\  
c. 指定裁剪规格 "/)#O
~  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 _|iSF2f,X  
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。 V\t.3vT  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 yaD~1"GA'O  
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 ,
kF1
T,  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 N<|@ymi  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 5"^en# ?9  
6. 创建透镜边缘 rEv@YD   
a. 计算边缘总长度 x%}^hiO<q  
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) YbR!+ 0\g  
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”。 s2tey
m,uG  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 
Hv!U|L  
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。 Mc=$/ o  
i. 创建分段曲线 >,TUZ  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 j`oy`78O  
d. 指定裁剪规格 6
tXq:  
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) !i{aMxUP  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z ~Am,%"%\  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 4P'*umJi  
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。 ao%NK<Lt  
7. 完成！ 5pj22 s  
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脚本代码分析 4y)P
>c  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De >v:y?A,  
9}l33T4T  
实例 <d,b'<z s  
我们以库存号#86-030为例， &{ay=Mj  
)+l\w3^6  
材料：SCHOTT N-SF5; M1 :uJkO.  
中心厚度：6mm; mZk]l5Lc  
孔径：D=12.5mm; lH#u  
波长：587.6nm; d_CKP"TA  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) ?h.wK  
形状：S1凸面；S2平面 $@"l#vJPfc  
运行软件输入如下参数： EwuO&q  
MJOz.=CbhR  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： j2ve^F:Q  
fhar&\
;S  

牛逼，学习了