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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 *8A  
    "S]0  
    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 !?jrf] A@  
    Dj?> <@  
    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。 F{e@W([  
    3*XNV  
    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。 D/gw .XYL  
       C==hox7b  
    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。 cl3K<'D  
    %IA\pSE  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: ?zMHP#i  
    7aRi5  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: O:R*rJ  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; Et_bH%0  
    PdFKs+Z`  
     _"yh.N&  
    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。 ;8&3 dm]  
    2zA4vZkbcw  
    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。 ?!:ha;n  
    ^)S;xb9  
    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); M/'sl;  
    r,3DTBe  
    HRCT }  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 W\,s:6iqz  
    1=c\Rr9]  
    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)。 9L?.m&  
    Fyx|z'4b  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    M)+H{5bt  
    使用柱面透镜生成器 9&2O 9Nz6  
    ]cWUZ{puRB  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: VcYrK4  
     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。 4[r0G+  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 xrz,\eTb  
     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 t9`.bx8  
      “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。 dq6m>;`  
     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。 3S@7]Pg  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: 6<SAa#@ey  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 xh,qNnGGi  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 CyFrb`%  
     表面的半孔径大于它的半径。 ,4e:I.b  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 "Yv_B3p   
     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) IqHV)A  
     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。 ZY55|eE  
     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 Gr'  CtO  
     边缘厚度小于0。 :{v#'U/^  
    D,*3w'X!K  
    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。 85$m[+md  
    `pa!~|p  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    L.2^`mZs  
    脚本 .t-4o<7 3  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: Oc#syfO  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 !u[9a;Sa#  
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 $y&E(J  
    a. 插入默认值 +F` S>U  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 ;-lXU0}&  
    3. 指定对话框的输入为变量。 Wx}8T[A}  
    4. 创建第一个和第二个表面。 z"L/G  
    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” Oh`69 k  
    b. 计算边缘处的表面矢高 \)N9aV  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 Qh3YJ=X&  
    c. 指定裁剪规格 gQg"j)  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 K~{$oD7!  
    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。 ?0?#U0(;u  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 M61xPq8y5  
    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 Su7?;Oh/yI  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 bKY7/w<dP  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 X,_2FJv  
    6. 创建透镜边缘  .-c4wm}  
    a. 计算边缘总长度 x%m%_2%Z  
    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) H3 ^},.  
    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”。 /QWvW=F2<  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 0/MtYIYk  
    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。 ["93~[[^  
    i. 创建分段曲线 VcO0sa f`  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 - q1?? u  
    d. 指定裁剪规格 k8[n+^  
    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) R6.hA_ih  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z '&tG?gb&  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 +H-6eP  
    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。 jyUjlYAAv`  
    7. 完成! r&JgLC(   
    m)t;9J5  
    脚本代码分析 +>{2*\cZ5}  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De XB^'K2  
    z6=Z\P+  
    实例 gnOt+W8  
    我们以库存号#86-030为例, nbD*x|  
    6:[dj*KGmT  
    材料:SCHOTT N-SF5; Lv;^My  
    中心厚度:6mm; :'-/NtV)o?  
    孔径:D=12.5mm; 'Ym9;~(@R  
    波长:587.6nm; D9=KXo^  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) @s;;O\  
    形状:S1凸面;S2平面 q460iL7yF}  
    运行软件输入如下参数: x.!V^HQSN  
    {0wIR_dGX  
    O|{d[eX  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: g0=z&2Q[_)  
    5h=}j  
     
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