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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 XoxR5arj  
    "k6IV&0 3x  
    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 [b k&Nd[  
    LD~uI  
    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。 }N#>q.M  
    OJ_2z|f<  
    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。 CI~;B  
       ev: !,}]w  
    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。 P8,{k  
    /c$Ht  
    在FRED中共有四种方法设计柱透镜: #Z=)=  
    (15Yw9Mv  
    第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: L(1,W<kYg  
    在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; ?_Dnfa_  
    ]6VUqFO)  
    ,^+R%7mv  
    第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建:主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建,但这种方法比较繁琐。 iQ]c k-  
    );uZ4PNK/?  
    第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜,并调整相应的参数。 X+gz+V/  
    o4[2`mT  
    我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); s[B6%DI/5  
    DCt:EhC  
    ,@>rubUz  
    在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 wM4g1H%s  
    |phWK^   
    本文我们主要讲述第四种方法,通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本,基于用户规格输入参数到基本对话框中,如下所示。使用该工具,和生成轴对称透镜大致相同的方式,可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径,以及指定弯曲轴(x或y)。 rIFC#Jd/  
    DN 8pJa  
    图1.柱面透镜生成器对话框
    qnfRN'  
    使用柱面透镜生成器 kzVI:  
    9hs{uxwuEE  
    对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: W];6u  
     表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 5G ]#yb74  
     厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 {O&liU4  
     只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项  wpdEI(  
      “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 ? -F'0-t4%  
     就如轴对称透镜一样,柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。   [aS)<^  
     如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: =ci5&B?  
     相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 8(_g]u#B;  
     通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 '5,,XhP  
     表面的半孔径大于它的半径。 HToN+z%w3H  
     在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 W7[ S7kd  
     表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) /qq&'}TZP  
     当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 ,/b/O4`;y  
     这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析 i+x6aQ24  
     边缘厚度小于0。 +@)$l+kk9  
    ccRk4xR  
    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。 m',_k Y3  
    IM5^E#-g7  
    图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
    hYZ:" x  
    脚本 vlN. OQ  
    柱面透镜生成器的脚本结构如下: *-!ndbf  
    1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 zT-"kK  
    2. 用于各种用户输入显示对话框。 Cm}UWX  
    a. 插入默认值 P_lcX;O  
    b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 >(6\ C  
    3. 指定对话框的输入为变量。  ~M^7qO  
    4. 创建第一个和第二个表面。 Q fyERa\rb  
    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” KP7RrgOan&  
    b. 计算边缘处的表面矢高 -Us% g  
    i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 &?`&X=Q  
    c. 指定裁剪规格 IC-xCzR  
    i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处  ;yER V  
    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。 fh)`kZDk  
    d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 jp]geV54  
    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 z+D,:!yF  
    f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 2P=~3g*  
    5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 IIn\{*|mW  
    6. 创建透镜边缘 h%^kA@3F  
    a. 计算边缘总长度 I64:-P[\  
    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) k Z[yv  
    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”。 WI!z92qq[  
    b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 j6HbJ#]  
    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。 +,^M{^%  
    i. 创建分段曲线 r= | |sZs  
    ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 *Z2Q]?:{ i  
    d. 指定裁剪规格 f vM3.P  
    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) lKwT5ma7  
    ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z : RO:k|g  
    iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 1V3J:W#;  
    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。 Xl+a@Ggtq  
    7. 完成! _po 4(U&  
    >T^v4A  
    脚本代码分析 ZWW8Hr  
    http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De ZL@DD(S-/  
    =pOY+S|  
    实例 `oWjq6  
    我们以库存号#86-030为例, <_q/ +x]8  
    Q4 :r$ &  
    材料:SCHOTT N-SF5; vm^# aoDB  
    中心厚度:6mm; h GXD u;{  
    孔径:D=12.5mm; #=#$b_6*  
    波长:587.6nm; E d/O\v@  
    半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) y" -{6{3  
    形状:S1凸面;S2平面 WA\f`SRF  
    运行软件输入如下参数: uPv?Hq  
    jeFl+K'1  
    BvR3Oi@Wc  
    并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: |3@Pt>Ikl  
    3A}8?  
     
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