[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介：
_[p@V_my  
-Izc-W  
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。 HLYo+;j3|  
TM*<hC  
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。 G ]JWd  
|)pgUI2O[  
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。 R2B0?fu  
   jHx)q|2\  
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。 _VFL}<i  
D Kng.P  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： 5Vu@gRk_  
noSBwP|v*  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： ^hIKDc!.m  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; yq,%ey8  
O ]Stf7]%;  
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。 5;yVA  
+jrMvk"  
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。 'X]my  
qE)G;Y<,1  
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）； 6u-aV  
M hJ;)(  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 B>{\qj)%  
{S=gXIh(y  
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)。 }rbsarG@  
K26x,m]p  
fNZ:l=L3):  
使用柱面透镜生成器 "YQ%j+  
,Y_[+  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： =^D{ZZ
w{  
 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。 .0H!B#9  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 %. -nZC  
 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 O:86
*  
  “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。 7J$5dFV2  
 就如轴对称透镜一样，柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 o7#Mr`6H  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告：
|=U(8t  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 QnPgp(d<  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 @[] A&)B  
 表面的半孔径大于它的半径。 PdNxuy  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 f
8X/kz  
 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径，但是大于0.975*半径) eHy.<VX  
 当圆环表面创建时，当使用定义好的曲面细分设置，如果边缘延伸超过0.975*半径时，圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 M!E#T-)  
 这一问题只会影响到视觉表示，而不会影响光线追迹和分析 /naGn@m5u  
 边缘厚度小于0。 W;9Jah.  
2xJT!lN  
注意到，当我们遇到这些警告情况时，透镜仍然被创建了，尽管这可能是非物理的。 Hz] p]  
|Sf` Cs  
!&=%#i  
脚本 0
Fi&7%  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： ( O>oN~  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 H%:u9DlEK/  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 &ivPY  
a. 插入默认值 c?1:='MC  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 <0hJo=6a8  
3. 指定对话框的输入为变量。 GP/Gv  
4. 创建第一个和第二个表面。 9X2lH~C  
a. 如果没有弯曲，使用“平面”表面；如果有弯曲，使用“环形非球面” c6
NCy s  
b. 计算边缘处的表面矢高 *;I F^u1  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 WP-'gC6K=  
c. 指定裁剪规格 }:5>1FfX=  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处
}hjJt,m  
ii. 如果sag小于0.1，设置z裁剪半孔径为0.1，否则设置为|sag|*(3/5)，这比1/2稍大一些，因此表面可以正确的渲染。 Q, !b  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 Q(e3-a  
e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分，因此环形表面可以正确的渲染 yt-F2Z&  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 +^6v%z  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 8(Y=MW;g  
6. 创建透镜边缘 /`Wd+  
a. 计算边缘总长度 dGb]`*E  
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值，如果它是凹面) 6$JRV  
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”。 /rqaUC)A  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 =>7\s}QZ  
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。 XS'0fq
a  
i. 创建分段曲线 .C2.j[>  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 +yYv"J  
d. 指定裁剪规格 /N>bEr4w  
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) F ;m1I+;  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z W2a9P_  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 1K;i/  
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。 $]05?JY#  
7. 完成！ 5_mb+A n,  
r|WoM39bp  
脚本代码分析 %joIe w]V3  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De M!s@w
%0?'  
Odo"S;)  
实例 AjQ^ {P  
我们以库存号#86-030为例， AwKxt'()^  
I2!0,1Q  
材料：SCHOTT N-SF5; 5[Ryc[  
中心厚度：6mm; Bkn- OG  
孔径：D=12.5mm; ?CQ\94kO  
波长：587.6nm; ?6bk&"T?  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) @lau?@$ja  
形状：S1凸面；S2平面 FJN,er~T[  
运行软件输入如下参数： V^t5 Y+7  
U?6YY`A8  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： A;sdrA  
$o"PQ!z  

牛逼，学习了