[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： @,vSR
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c-F&4V  
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。 {H74`-C)W  
$6N.ykJ  
光学特性：光线通过轴向子午线（图中的垂直方向）不会出现聚散度的改变。 wpdT "  
/VQ<}S[k}-  
光线通过屈光力子午线（图中的水平方向）会出现聚散度的改变。 9viC3bj.o  
   ak zb<aT  
应用：柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上，或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面，使入射光线能够聚焦于某个维度，并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正，适合用于激光线生成或变形光束整形，以环化激光输出。 pFh2@O  
I5mS!m/X  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： tx.sUu6  
X%sc:V  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： ?(z3/"g]  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; G(>a LF  
;FUd.vg{  
第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建：主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建，但这种方法比较繁琐。 uB BE!w_  
XcXd7e  
第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜，并调整相应的参数。
(`&g  
qXW5_iX  
我们以Edmund为例（下图为货号68168 ：12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图）； c72/e7gV  
g?ft;kR6S  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 YA
O0>T<F  
J GdVSjNC  
本文我们主要讲述第四种方法，通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本，基于用户规格输入参数到基本对话框中，如下所示。使用该工具，和生成轴对称透镜大致相同的方式，可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径，以及指定弯曲轴(x或y)。 <}evOw2  
BmZd,}{  
d;z`xy(C  
使用柱面透镜生成器 OP@PB|  
Z`D#L[z$  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： ]du pU"VV  
 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。 lH[N*9G(  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 jm!G@k6TA  
 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 li'#< "R?'  
  “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。 F[lHG,g-  
 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。 +ad 2  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： I<$lpU_H  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 p8Pvctc  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 rei<{woX  
 表面的半孔径大于它的半径。 /2c?+04+  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 K
F.?b]  
 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) %!@Dop/<  
 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。 )gE:@3  
 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 hod|o1C&  
 边缘厚度小于0。 fgNEq  
GYBM]mW^ W  
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。 {_ocW@@  
)|:|.`H  
>o@WT kF]  
脚本 TR#5V@e.m  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： >q`G?9
d2  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 ZEB1()GB  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 7%X$6N-X  
a. 插入默认值 : "UBeo<Z  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 ^T^fowt=r  
3. 指定对话框的输入为变量。 P/27+5(|  
4. 创建第一个和第二个表面。 ]LD@I;(_  
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” C@K@TfK!M  
b. 计算边缘处的表面矢高 @r#>-p  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 2D "mq~V  
c. 指定裁剪规格 "kMpa]<c-6  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处
ce@(Ct  
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。 _9<Ko.GVq  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 )yjHABGJ  
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 hNQ,U{`;^  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 K]RkKMT,  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 L./
UgeZ  
6. 创建透镜边缘 MVV<&jho{^  
a. 计算边缘总长度 $Cte$jg{;  
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) 7[Y<5T]  
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”。 u ;I5n  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 &D/_@\ 0  
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。 TK'(\[E  
i. 创建分段曲线 vQA: \!  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 )4j#gHN\  
d. 指定裁剪规格 mI}'8.  
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)  pCv=rK@  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z $AoN,B>  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 k*M1m'1  
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。 %6 Bt%H  
7. 完成！ GMFp,Df  
9^`G `D
 
脚本代码分析 VaH#~!  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De ,rQznE1e  
e KET8v[  
实例 8He^j5  
我们以库存号#86-030为例， (ZDRjBth[  
&FGz53fd4  
材料：SCHOTT N-SF5; 7)~/`w)P  
中心厚度：6mm; NFsMc0{  
孔径：D=12.5mm; &AC-?R|Dp  
波长：587.6nm; an.)2*u  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) x2;92I{5C,  
形状：S1凸面；S2平面 `XQM)A  
运行软件输入如下参数： C%l~qf1n  
'R= r9_%  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： K" Y,K  
$KKrl  

牛逼，学习了