[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： :&MiO3#+  
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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。 (WC<XKf  
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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。 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  
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在FRED中共有四种方法设计柱透镜： = j -  
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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  
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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  

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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  
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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  
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使用柱面透镜生成器 GC~::m~  
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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。 "/q6
E  
%Z.!Bm:  
>+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) LEY$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@$'  
|BN^5mqP6  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： mqQN*.8*  
(*F/^4p!$  

牛逼，学习了