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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 M\Uc;:) H  
    .v #0cQX+.  
    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:,3OLL*  
    *'s2 K  
    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。 MQ9M%>  
    UijuJ(Tle  
    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。 3I U$  
       5H'b4Cyi`  
    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。 #cp$ltY  
    :uT fhr  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: >"sKfiM)b  
    G +nY}c  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: \K_!d]I {  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; lvz:UWo  
    v:J.d5  
    %b>y  
    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。 mk[d7Yt{O  
    ',J%Mv>Yf  
    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。 eHnei F  
    =B o4yN  
    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); QX.F1T 2e?  
    Be14$7r  
    J<5vs3[9  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 PTI'N%W  
    P :7l#/x_  
    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)。 4Ow Vt&  
    z hR_qW+  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    <-oRhi4  
    使用柱面透镜生成器 *\~kjZ 3  
    -fSKJo#}|  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: *{;A\sL  
     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。 6q  xUT  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 (PT?h>|St  
     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 w_z^5\u0  
      “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。 "]\":T  
     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。 @R-~zOv  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: 1o6J9kCq^3  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 o7 -h'b-  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 NM.f0{:cj  
     表面的半孔径大于它的半径。 g9lg  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 n]ppO U|[  
     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) ^)0{42!]  
     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。 e,j? _p  
     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 xz+`]Q  
     边缘厚度小于0。 3sg)]3jm2  
    KAZkVL  
    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。 @9kk f{?  
    $85o%siS'  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    iDkWW  
    脚本 [2j (\vC!  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: * SON>BSF  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 Q]?J%P.  
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 &LxzAL,3!  
    a. 插入默认值 $b 71  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 Xde=}9  
    3. 指定对话框的输入为变量。 K/.hJ  
    4. 创建第一个和第二个表面。 MIyLQ  
    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” iN9!?Ov_  
    b. 计算边缘处的表面矢高 *ej o6>  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 7Hkf7\JY  
    c. 指定裁剪规格 "}x70q'>S  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 Ef*.}gcU  
    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。 #y9K-}u  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 me`$5Z`  
    e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分,因此环形表面可以正确的渲染 Y  X{  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 m"m;(T{ v  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 R\Ynn^w  
    6. 创建透镜边缘 }Yl8Q>t  
    a. 计算边缘总长度 ZwrYs s  
    i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值,如果它是凹面) [N$_@[  
    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”。 9kg>)ty@  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 ,c %gwzU  
    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。 ZxeE6&#M^w  
    i. 创建分段曲线 FCB/FtI0  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 c"&!=@  
    d. 指定裁剪规格 kd4*Zab  
    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}C}\1  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z ^d $e^cU  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 7Hlh (k  
    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。 K[;,/:Y  
    7. 完成! 3\l9Sf=M|  
    3LnyQ  
    脚本代码分析 y?4=u,{C  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De wU3ica&[   
    Zu73x#pI  
    实例 BL^Hj  
    我们以库存号#86-030为例, )PNH| h  
    =xWW+w!r  
    材料:SCHOTT N-SF5; @:&dOqQ  
    中心厚度:6mm; O*Pe [T5x'  
    孔径:D=12.5mm; ;}9Ws6#XQs  
    波长:587.6nm; cZF;f{t  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) ]x{H  
    形状:S1凸面;S2平面 &MLhCekY  
    运行软件输入如下参数: (eIxU&o'  
    E1Aa2  
    Jj!tRZT  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: soK_l|z:J  
    L#MxB|fcr  
     
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