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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~vEandm  
    M K, $#  
    概念:由圆柱体玻璃的一部分截制而成,由一柱面和一平面组成,其中包括平-凹和平-凸透镜 Ve\P,.  
    LKu ,H  
    光学特性光线通过轴向子午线(图中的垂直方向)不会出现聚散度的改变。 p(S {k]ZL@  
    hE}y/A[  
    光线通过屈光力子午线(图中的水平方向)会出现聚散度的改变。 "$N 4S9U  
       >twog}%  
    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。 ?bl9e&/!  
     uE3xzF  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: *^.OqbO[U  
    _qq>-{-Ym  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: -v?)E S  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; lX%e  
    ?F@X>zR2  
    R ;3!?`  
    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。 M0"}>`1lJ  
    @d6N[?3;  
    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。 aUEnQ%YU"  
    9c=`Q5  
    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); 4F?O5&329i  
    ]d50J@W c  
    f&`yiy_  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 e^Glgaf  
    D 13bQ&\B-  
    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)。 rb<9/z5-  
    1F94e)M)"  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    84M*)cKR~  
    使用柱面透镜生成器 R'p- 4  
    td\'BV  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: QF9$SCmv  
     表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 |bv7N@?e  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 u eV,p?Wo  
     只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 gatxvR7H  
      “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 wTPHc:2  
     就如轴对称透镜一样,柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 %2EHYBQjN  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: 1c}LX.9K  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 t Ai?Bjo  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 J2Z? }5>  
     表面的半孔径大于它的半径。 =z +iI;  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 u1_NC;  
     表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) q;H5S<]/  
     当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 C'xWRSDO  
     这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析 s!\G i5b  
     边缘厚度小于0。 "y$s`n4Mj  
    JzuP A I  
    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。 k|[86<&[  
    yh"48@L'D  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    7DCu#Y[  
    脚本 W,sPg\G 3  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: 4dI =  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 C+X- Cp  
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 &(,-:"{pNR  
    a. 插入默认值 I=}pT50~9  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 y`p(}X`>  
    3. 指定对话框的输入为变量。 f l*O)r  
    4. 创建第一个和第二个表面。 F@Cxjz  
    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” 73>Hzpv0  
    b. 计算边缘处的表面矢高 &1,{.:@e  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 V( SRw  
    c. 指定裁剪规格  o C#W  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 P~7p~ke  
    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。 <-Q0s%mNj,  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 OIdoe0JR:O  
    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 jv'q :uA^  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 '"fZGz?  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 OysO55i  
    6. 创建透镜边缘 cux<7#6af  
    a. 计算边缘总长度 1n|K   
    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) ?emYLw  
    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”。 R?H[{A X  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 cy!;;bB  
    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。 t6a$ZN;  
    i. 创建分段曲线 `} :~,E  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 F=r`'\JV[  
    d. 指定裁剪规格 h\PybSW4s  
    i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面) RqRyZ*n  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z /eNDv(g)M  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 4&+lc*  
    e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分,因此边缘表面可以正确的渲染。 M"|({+9eG  
    7. 完成! a7wc>@9Q,  
    ])iw|`@dJ  
    脚本代码分析 ^A' Bghy  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De )w'GnUqWz  
    Ul%D}(,  
    实例 ~sbn"OS +  
    我们以库存号#86-030为例, 19 <Lgr  
    [3fmhc  
    材料:SCHOTT N-SF5; LQ3J$N  
    中心厚度:6mm; o`<ps$ yT  
    孔径:D=12.5mm; NG?-dkD  
    波长:587.6nm; $|pD}  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) tB==v{t  
    形状:S1凸面;S2平面 Xgyi}~AoaU  
    运行软件输入如下参数: SWPb=[WEz  
    G+zIh}9  
    't <hhjPqY  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: Yo;Mexo!  
    rugR>&mea  
     
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