[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： e;1n!_l\  
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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。 7X\azL  
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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。 6\MH2&L<  
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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。 |P{K\;-  
   ';g]!XsY)  
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。 V2< 4~J2:9  
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在FRED中共有四种方法设计柱透镜： (DzV3/+p^  
Tk[`kmb  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： s bf\;_!  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; >heFdKq1  
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M|Hk3d  
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。 qA4w*{JN  
$vlc@]~d`&  
第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜，并调整相应的参数。 h{s- e.  
,uEi*s>  
我们以Edmund为例（下图为货号68168 ：12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图）； %
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&Fr  
x.Sq2rw]V  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 ET;=o+\d  
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本文我们主要讲述第四种方法，通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本，基于用户规格输入参数到基本对话框中，如下所示。使用该工具，和生成轴对称透镜大致相同的方式，可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径，以及指定弯曲轴(x或y)。 2
yY
q/J  
pNY+E5  
=c{/ Z  
使用柱面透镜生成器 }R.<\  
7O3\  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： giU6f!%  
 表面的参数可以输入为半径或曲率，在这两种情况下，0值应该用于平坦的平面表面。 "xS?#^a  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 /\=syl  
 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 Zj )Bd*a  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子，如果y被选为弯曲轴，光线就会集中在y方向，但是不会在x方向。 %]/O0#E3Kz  
 就如轴对称透镜一样，柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 /b*VFA/75  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： *ujn+0)[  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 9v_B$F$_T  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 iV8j(HV  
 表面的半孔径大于它的半径。 7<W7pXDp  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 joa|5v'  
 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径，但是大于0.975*半径) ,z6&k  
 当圆环表面创建时，当使用定义好的曲面细分设置，如果边缘延伸超过0.975*半径时，圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 1b)^5U ;  
 这一问题只会影响到视觉表示，而不会影响光线追迹和分析 Z-(Vfp
4  
 边缘厚度小于0。 7r=BGoA2E  
\ "193CW!  
注意到，当我们遇到这些警告情况时，透镜仍然被创建了，尽管这可能是非物理的。 !oTF2Q+C  
\IZfp=On  
Eeemy*U  
脚本 @+LZSd+I  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： tlo"tl_]  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 h(aF>a\Z  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 v1h*/#  
a. 插入默认值 !o.l:Mr  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 psb$rbu7[  
3. 指定对话框的输入为变量。 ]d]tQPEU  
4. 创建第一个和第二个表面。 86J7%;^Xa  
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” `&2AN%Xz  
b. 计算边缘处的表面矢高 /6_>d$  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 ^:Vwblv(  
c. 指定裁剪规格 FuEgI8+b  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 w{$t:l)2,  
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。 ;IX3w:Aw  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 tA?P$5?-*  
e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分，因此环形表面可以正确的渲染 B|#*I[4`w@  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 Z_&6<1,H  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 vJg|}]h>L  
6. 创建透镜边缘 D4?qw$"  
a. 计算边缘总长度 C!N&uNp@s  
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) =k]Rz
eI  
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”。 Rg! [ic !  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 Z{/0P  
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。 *Q bPz4,"  
i. 创建分段曲线 zItf>j7|Z  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 T9enyYt%  
d. 指定裁剪规格 1=C>S2q  
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) = E'\  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z U[5  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 ;hsgi|Cy-  
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。  :~JgB  
7. 完成！ {Z<4  
&E.ckWf  
脚本代码分析 U#v??Sl
 
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De lUXxpv1m  
GJW>8*&&(  
实例 9H5S@w[je  
我们以库存号#86-030为例， hz8Y2Ew  
/I~iUND"G  
材料：SCHOTT N-SF5; )cc:Z7p  
中心厚度：6mm; l%h0x*?$  
孔径：D=12.5mm; 8/Z  
波长：587.6nm; 2T!pFcc  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) o@[yF<  
形状：S1凸面；S2平面 m_~!Lj[u.  
运行软件输入如下参数： Y4,~s64e  
(xffU%C^  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： mjUln8Jc  
j["b*X`8G  

牛逼，学习了