[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： `hl8j\HV<}  
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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。 V&h{a8xa$  
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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。 =*5< w  
O"GuVC}B  
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。 gkM Q=;Nn  
   3'7]jj  
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。 V0<g$,W=  
%/4_|.8u  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： qs%UJ0tR  
@DNwzdP  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： ]#\De73K  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; +8|9&v`  
)H>?K0I  
第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建：主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建，但这种方法比较繁琐。 I7#^'/  
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第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜，并调整相应的参数。 HU/2P`DGP  
9/`3=r@  
我们以Edmund为例（下图为货号68168 ：12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图）； Q!!u=}GYK  
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在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 %g~&$oZmq  
2 :4o`o  
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)。 BM{*5Lf  
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使用柱面透镜生成器 ;Dbx5-t  
I+F>^4_d  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： N^M6*,F,J  
 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。 NM9,AG  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 44s 9\  
 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 N4z[=b>  
  “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。 +w7U7" xQ  
 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。 qW4DW4  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告：  LJ;&02w@  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 TNckyP75u  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 PJ4/E  
 表面的半孔径大于它的半径。 cs7^#/3<  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 (?g+.]Dt,  
 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) pN)x,<M
)  
 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。 ^<Gxip  
 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 E=CAWj\  
 边缘厚度小于0。 rT=C/SKP  
~]#-S20  
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。 o>nw~_ H\  
~1E!Co  
>kxRsiKV  
脚本 +$#<gp"  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： 4:S]n19nq  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 Dkb`_HI  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 |5%T)  
a. 插入默认值 :4-,Ru1C"  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 iqdU?&.;  
3. 指定对话框的输入为变量。 KO7
&
dM  
4. 创建第一个和第二个表面。 l$pz:m]Id  
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” M]p-<R\  
b. 计算边缘处的表面矢高 -b{<VrZ  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 j{r@>g;3  
c. 指定裁剪规格 dt@c,McN|Q  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 343d`FRa}  
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。 'tw
]jMD  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 _tX=xAO9  
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 S<NK!89  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 8C8S)
;  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 [520!JhZY  
6. 创建透镜边缘 $/C1s"C@O  
a. 计算边缘总长度 KUYwc@si\  
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值，如果它是凹面) * 30K}&T  
ii. 注意到，由于表面只在一个方向弯曲，边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 ~G@YA8}  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 !L9OJ1F  
c. 如果透镜孔径是矩形/方形，使用带有“列表柱面”的分段曲线作为准线。 7@>/O)>(AS  
i. 创建分段曲线 &K60n6q{aQ  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 RG'76?z  
d. 指定裁剪规格 -$
o0P'Vx  
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) 0&|0l>wy.  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z ws5Ue4g|  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 ~`QoBZ.O&  
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。 Uzzm2OS`  
7. 完成！ O 1z0dHa  
Wj^e)2%  
脚本代码分析 ;j/$%lC  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De v.Q#<@B^:  
[,Go*r  
实例 )h]#:,pm  
我们以库存号#86-030为例， [z2UfHpt~  
/m"/#; ^l  
材料：SCHOTT N-SF5; LZe)_9$  
中心厚度：6mm; |A'I!Jm  
孔径：D=12.5mm; i m;6$3  
波长：587.6nm; f; |fS~  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) N5=BjXSAg  
形状：S1凸面；S2平面 D1xGUz2r  
运行软件输入如下参数： (8h4\utA  
X n!mdR  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： dn- [Gnde  
Y\-xX:n.\  

牛逼，学习了