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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 R\,qL-Br  
    && E)  
    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 h$rk]UM/Q  
    mZ}C)&,m2  
    光学特性光线通过轴向子午线(图中的垂直方向)不会出现聚散度的改变。 ~k780  
    lko k2  
    光线通过屈光力子午线(图中的水平方向)会出现聚散度的改变。 muKCCWy#  
       rhA>;9\  
    应用:柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上,或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面,使入射光线能够聚焦于某个维度,并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正,适合用于激光线生成或变形光束整形,以环化激光输出。 @86?!0bt  
    _"c:Z!L  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: ;}E$>]*Yn  
    YB3?Ftgw  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: El4SL'E@  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; .[8g6:>  
    N(= \S:  
    w^wh|'u^_@  
    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。 `}|$eF&  
    5;Q9Z1 `  
    第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜,并调整相应的参数。 NB?y/v  
    }N%uQP#I  
    我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); Rg6/6/ IN  
    ~e#QAaXD#5  
    ~Op~~ m  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 /w2jlu}yt  
    zaMKwv}BR  
    本文我们主要讲述第四种方法,通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本,基于用户规格输入参数到基本对话框中,如下所示。使用该工具,和生成轴对称透镜大致相同的方式,可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径,以及指定弯曲轴(x或y)。 hz*H,E!>  
    GBo'=  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    R"V^%z;8o  
    使用柱面透镜生成器 wH N5H  
    ]iE) 8X  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: p~NFiZ,  
     表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 rugR>&mea  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 @w{"6xc%a  
     只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 8KyF0r?  
      “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 n>aH7  
     就如轴对称透镜一样,柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 Os"T,`F2s  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: D ~LU3#n  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 ? fmW'vs  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 8xQjJ  
     表面的半孔径大于它的半径。 mqk tM6  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 \YrvH  
     表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) mdy+ >e <  
     当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 4VrL@c @  
     这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析 3?:?dy(3z  
     边缘厚度小于0。 :]+p#l  
    OXIy0].b  
    注意到,当我们遇到这些警告情况时,透镜仍然被创建了,尽管这可能是非物理的。 MMS#Ci=Lj  
    Egr'IbB  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    yi@mf$A|  
    脚本 TU}. /b@F  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: 1./iF>*A  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 Q3|I.I e  
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 p4M7BK:nf  
    a. 插入默认值 Z|IFT1K  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 @1^:V-=  
    3. 指定对话框的输入为变量。 hsZ}FLStJ  
    4. 创建第一个和第二个表面。 4oywP^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” gi5Ffvs$  
    b. 计算边缘处的表面矢高 V H2/  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 f$p7L.d<  
    c. 指定裁剪规格 VaLl$w  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 3P[u>xE  
    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。 7$j O3J  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 i8H!4l  
    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 Aa`'g0wmc  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 &RbT&  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 2z615?2_U  
    6. 创建透镜边缘 8@J5tFJ&%  
    a. 计算边缘总长度 ![CF >:e  
    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) \(a!U,]LM  
    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”。 Y:'#jY*V  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 |cd=7[B  
    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。 6> Ca O  
    i. 创建分段曲线 9o|#R&0  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 BLQD=?Q  
    d. 指定裁剪规格 ;gmfWHB<  
    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) CKgbb4;<m[  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z vhj^R5=  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 k=8LhO  
    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。 ;$>wuc'L  
    7. 完成! l<YCX[%E  
    Z5%TpAu[  
    脚本代码分析 J0a#QvX!  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De r]'Q5l4j6"  
    X"pp l7o  
    实例 v'W`\MKY)  
    我们以库存号#86-030为例, W99Hq1W;r  
    ]53'\TH  
    材料:SCHOTT N-SF5; 2*1FW v  
    中心厚度:6mm; /'g"Ys?3  
    孔径:D=12.5mm; KXTx{R  
    波长:587.6nm; z~+gche>  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) sg!* %*XQ  
    形状:S1凸面;S2平面 8`S6BkfC|  
    运行软件输入如下参数: 8 y+Nl&"V  
    Vj{}cL"MR  
    6q]`??g.  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: baL-~`(T  
    m"RE[dQ  
     
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