[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： b.2aHu( 3  
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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。 kKaE=H-x  
Kfbb)?  
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。 -$pzl,^ h  
lEH
65;Nh*  
光线通过屈光力子午线（图中的水平方向）会出现聚散度的改变。 66g9l9wm(  
   9g9HlB&Ze  
应用：柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上，或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面，使入射光线能够聚焦于某个维度，并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正，适合用于激光线生成或变形光束整形，以环化激光输出。 S3q&rqarC%  
\T4v|Pw\  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： OV1_|##LC  
-R|,9o^  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： 5dx$HE&b)  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; I:=S0&%)  
M1k{t%M+S  
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。 4X!/hI=jq  
4GkWRu1  
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。 {j{u6i  
)1]ZtU  
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）； %"q9:{m  
VpE*(i$  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 h1j!IG  
,1y@Z 5wy  
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)。 216R
iSr*  
8V~k5#&Ow  
8EZ$g<}  
使用柱面透镜生成器 x) ,eI'mf  
57'*
w]4f  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： G~F b  
 表面的参数可以输入为半径或曲率，在这两种情况下，0值应该用于平坦的平面表面。 Sgeh %f  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 [zH:1Zhl&  
 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 piJu+tUy  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子，如果y被选为弯曲轴，光线就会集中在y方向，但是不会在x方向。 r)Ma3FL0;  
 就如轴对称透镜一样，柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 G0CW}e@)  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： ^ sOQi6pL  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 *l"T$H   
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 '*Z1tDFS  
 表面的半孔径大于它的半径。 cutuDZ  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 LGq'WU31:)  
 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) I5X|(0es  
 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。 2bv=N4ly  
 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 U&g@.,Y#  
 边缘厚度小于0。 )%`c_FL@N=  
+vw\y  
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。 uFX#`^r`  
{dhXIs  
=Z{O<xw'  
脚本 ?1*cO:O  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： Q{O+  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 /74QMx?  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 ;(b9#b.  
a. 插入默认值 1gE
 [v  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 zUt'QH7E.  
3. 指定对话框的输入为变量。 y;4OY  
4. 创建第一个和第二个表面。 6,^>mNm  
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” Wjo[ENHM  
b. 计算边缘处的表面矢高 ntu5{L'8  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 )1Y{Q Y}l  
c. 指定裁剪规格 %@<8<6&q  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 yjO1 Ol  
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。 |O{m2Fi  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 5^}\4.eXo  
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 [xK3F+  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 lz/8  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 ,dv+p&Tz2  
6. 创建透镜边缘 h!M  
a. 计算边缘总长度 T"(&b~m2b4  
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) 3RigzT3  
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”。 aFl;BhM  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 L\37xJo  
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。 '<gI8W</  
i. 创建分段曲线 k)i3   
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 kq?Ms|h  
d. 指定裁剪规格 ^dI424  
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) L,HhbTRca  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z n|6Ic,:[  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 ; 8_{e3s  
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。 rbul8(1h  
7. 完成！ mWv3!i;G<s  
g6yB6vk  
脚本代码分析 ?Lx24*5%  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De 0^v`T%|fTX  
# ncRb  
实例 imVo<Je7z(  
我们以库存号#86-030为例， \9.bt:k@OT  
3(``#7  
材料：SCHOTT N-SF5; 8mCxn@yV  
中心厚度：6mm; AL[KpY  
孔径：D=12.5mm; H(H<z,$}T  
波长：587.6nm; +*\u :n  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) 7( #:GD  
形状：S1凸面；S2平面 '%>=ZhO  
运行软件输入如下参数： .L+6 $8m  
Z/G ev"p  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： J;S (>c  
*}Xf!"I#]N  

牛逼，学习了