[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： mEmgr(W  
e:l7 w3?O  
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。 KV8O
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`_()|;!y  
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。 "!Qi$ ]  
j.!5&^;u4  
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。 \kZ@2.pN  
   j#~ S"t  
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。 2KlVj]!7  
+B[XTn,Cru  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： U3jnH  
d]USk&8  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： u9{SG^  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; C|V5@O?;&  
mBxMDnh  
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。 Wf3{z D~  
#qu;{I#W3  
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。 YSzC's[  
Fh/psd  
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）； |!81M|H  
8=@f lK  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 PWeWz(]0Z4  
O=vD6@QI  
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)。 d}aMdIF!e  
{e$@i  
bXvriQ.UH  
使用柱面透镜生成器 ay =B<|!  
~|[i64V<^  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： iSX HMp4V  
 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。 ]Q
,&7D Ah  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 R|k:8v{V=  
 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 SQ*%d.1  
  “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。 H
h%"  
 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。 ahdwoB  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： Lf:#koaC  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 2Jky,YLcb  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 pHowioFx  
 表面的半孔径大于它的半径。 G)?j(El  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 :]4s;q:m  
 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) /oZvm  
 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。 g##<d(e!}  
 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 JC`;hY  
 边缘厚度小于0。 KSJ+3_7]k  
lD'^6
 
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。 xi=0kO  
(/^?$~m"  
A#{I-*D[  
脚本 :fDzMD  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： fu{v(^  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 jd2 p
~W  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 belBdxa{"  
a. 插入默认值 Q@|"xKa  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 7Le-f  
3. 指定对话框的输入为变量。 d04gmc&*  
4. 创建第一个和第二个表面。 Xgl %2'  
a. 如果没有弯曲，使用“平面”表面；如果有弯曲，使用“环形非球面” P)LQ=b}V#;  
b. 计算边缘处的表面矢高 qW*k|;S  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 &> _aY
#  
c. 指定裁剪规格 A k~|r#@  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 qY!LzKM0  
ii. 如果sag小于0.1，设置z裁剪半孔径为0.1，否则设置为|sag|*(3/5)，这比1/2稍大一些，因此表面可以正确的渲染。 ;dtA-EfOZ  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 ]<ay_w;  
e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分，因此环形表面可以正确的渲染 3UF^Ff<wo  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 3sRI7g  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 z8r?C  
6. 创建透镜边缘 xXnSo0`LF  
a. 计算边缘总长度 _j4K  
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值，如果它是凹面) 9':Hh'  
ii. 注意到，由于表面只在一个方向弯曲，边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 `9k\~D=D~  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 GY5JPl  
c. 如果透镜孔径是矩形/方形，使用带有“列表柱面”的分段曲线作为准线。 @+_pj.D  
i. 创建分段曲线 F&#I[]#  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 a^^OI|?  
d. 指定裁剪规格 dQFUQ  
i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面) zsj]WP6j  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z :^qUr`)  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 ?=1i:h  
e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分，因此边缘表面可以正确的渲染。 i+Mg[x$.  
7. 完成！ *=]UWM~]  
1vAJ(O{-  
脚本代码分析 9.,IqnP  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De "rc QS H  
RQu[FZT,  
实例 0+)1KU)I  
我们以库存号#86-030为例， -O r\  
oA:`=f%\  
材料：SCHOTT N-SF5; ]dV$H  
中心厚度：6mm; &LG|YvMY6  
孔径：D=12.5mm; ' QjJ^3A  
波长：587.6nm; n 4cos  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) ~0o>B$xJ  
形状：S1凸面；S2平面 56u_viZ=8  
运行软件输入如下参数： sHV?njZd  
ay`R jT  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： jK%Lewq  
|N3#of(  

牛逼，学习了