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    [技术]柱面透镜的设计 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2021-11-26
    简介 tSran  
    N]udZhkn  
    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 SDt)|s  
    jU.z{(s  
    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。 w$8Su:g=  
    t>"UenJt-  
    光线通过屈光力子午线(图中的水平方向)会出现聚散度的改变。 ]=!wMn**  
       ej,j1iB  
    应用:柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上,或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面,使入射光线能够聚焦于某个维度,并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正,适合用于激光线生成或变形光束整形,以环化激光输出。 `ECT8  
    i#]}k  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: ui%B|b&&  
    k=!lPIx  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: FFX-kS  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; `,a6su (?  
    o~<Xc  
     "TE F  
    第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建:主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建,但这种方法比较繁琐。 l*~O;do  
    4Bg"b/kF  
    第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜,并调整相应的参数。 /}A"F[5  
    MIma:N_c  
    我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); `Cq&;-u  
    EZnXS"z  
    =f0qih5.4  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 -!i1xR (;h  
    #$W02L8  
    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)。 yTJ Eo\g/@  
    ZD!?mR+-  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    -#@l`kt  
    使用柱面透镜生成器 c"D%c(:4|  
    :Y wb  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: h|~I'M]*  
     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。 `|kW%L4  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 E,IeW {6s  
     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 `%S 35x9  
      “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。 3 UUOB.  
     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。 NzS(, F  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: ]M3V]m  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 D!7-(3R  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 >s dT=6v  
     表面的半孔径大于它的半径。 Gbj^oo  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 bmCp:6  
     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{F{7X$^  
     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。 <c'0-=  
     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 $[f-{B{>*  
     边缘厚度小于0。 j-]`;&L  
    ri.}G  
    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。  T.d1?  
    )LC"rSNx%  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    _43'W{%  
    脚本 '#<4oW\]  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: Xz,fjKUnN  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 s#Ayl]8r  
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 w?#s)z4}g  
    a. 插入默认值 wWkMvs  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 a gk w)#  
    3. 指定对话框的输入为变量。 ' % d-  
    4. 创建第一个和第二个表面。 t;HM  
    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” [D%(Y ~2  
    b. 计算边缘处的表面矢高 E P3Vz8^  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 [L m  
    c. 指定裁剪规格 [&(~{#}M:  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 S:(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。 0RZ[]:(  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 L;GkG! g  
    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 UaCfXTG  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 B6kc9XG  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 { )g $  
    6. 创建透镜边缘 0u) m9eg  
    a. 计算边缘总长度 %6.WGuO  
    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) ?lca#@f(  
    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”。 {gz-w|7  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 n58yR -"  
    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。 I+{2DY/}  
    i. 创建分段曲线 V O\g"Yc  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 [$X^r<|P@  
    d. 指定裁剪规格 3 \}>nE  
    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) Q Yg V[\&  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z X $2f)3  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 < k?pnBI_  
    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。 ~pT1,1  
    7. 完成! 6gs0Vm  
    5,R4:y ?cK  
    脚本代码分析 ${)oi:K@:  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De xp?YM35  
    F|jl=i  
    实例 \483S]_-z{  
    我们以库存号#86-030为例, 5OCt Q4u  
    72CHyl`|l  
    材料:SCHOTT N-SF5; ds2%i  
    中心厚度:6mm; /\{emE\]  
    孔径:D=12.5mm; *Z$W"JP  
    波长:587.6nm; '%X29B5  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) esiU._:u  
    形状:S1凸面;S2平面 sW-0G$,|  
    运行软件输入如下参数: }Y^o("c(  
    I_m3|VCa|t  
    ;f~fGsH}e'  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: uPq@6,+  
    ppo0DC\>  
     
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