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infotek 2020-11-30 10:13

柱面透镜的设计

简介 ^;@Q3~DpP%  
ljw(cUM  
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。 2LqJ.HH  
lUJ~_`D  
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。 2Sg^SZFH+o  
gfY1:0  
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。 uKL4cr@  
   U6/$CH<pe  
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。 n#Y=y#  
n B .?=eUa  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜: ,VdNP  
JsZLBq*lP  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: ;[,r./XmH  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; Pv#>j\OR&  
Z;qgB7-M  
J+o6*t2|  
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。 +IkL=/';#  
-Y=o  
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。 @7j$$  
QRL+-)DMc  
我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); c ?(X(FQ  
bnYd19>  
bAVlL&^@|  
在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 ]?3-;D.eG  
LeT OVgjA|  
本文我们主要讲述第四种方法,通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本,基于用户规格输入参数到基本对话框中,如下所示。使用该工具,和生成轴对称透镜大致相同的方式,可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径,以及指定弯曲轴(x或y)。 alV{| Vf[6  
ObyF~j}j  
图1.柱面透镜生成器对话框
d09qZj>  
使用柱面透镜生成器 $[1J[eY*  
5dXDL~/2p  
对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: @}+F4Xh,L  
 表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 px>g  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 L7rH=gZ&!]  
 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 c*c 8S~6  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 5%K(tRc|  
 就如轴对称透镜一样,柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 5xIOi(3`Q  
 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: *<"#1H/q  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 :5, k64'D  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 P'<D0   
 表面的半孔径大于它的半径。 hqwDlapTt  
 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 T}r}uw`  
 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) (BG wBL  
 当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 >)6d~  
 这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析 |J:kL3g  
 边缘厚度小于0。 @5:#J !  
yZyB.wT  
注意到,当我们遇到这些警告情况时,透镜仍然被创建了,尽管这可能是非物理的。 dZIruZ)x  
l/6$BP U`  
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
tYST&5Kh~  
脚本 55K(]%t  
柱面透镜生成器的脚本结构如下: c)B <d#  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 sOb=+u$$9  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 W%_Cda5,  
a. 插入默认值 h4geoC_W2  
b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 ^"!)p2=  
3. 指定对话框的输入为变量。 Dxp.b$0t  
4. 创建第一个和第二个表面。 <F6LC_  
a. 如果没有弯曲,使用“平面”表面;如果有弯曲,使用“环形非球面” 5ji#rIAhxh  
b. 计算边缘处的表面矢高 %XiF7<A &  
i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 Y'eE({)<K  
c. 指定裁剪规格 *DS>#x@3*i  
i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 mh" 9V5T  
ii. 如果sag小于0.1,设置z裁剪半孔径为0.1,否则设置为|sag|*(3/5),这比1/2稍大一些,因此表面可以正确的渲染。 C]GW u~QF  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 R Y ";SfYb  
e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分,因此环形表面可以正确的渲染 ^6i,PRScS  
f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 E*G {V j  
5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 Zy&?.d[z  
6. 创建透镜边缘 K1_#Jhz  
a. 计算边缘总长度 D\-D ~G]x  
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值,如果它是凹面) Uf\,U8UB  
ii. 注意到,由于表面只在一个方向弯曲,边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 (_Ky' .  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 1Q6~O2a  
c. 如果透镜孔径是矩形/方形,使用带有“列表柱面”的分段曲线作为准线。 nz_1Fu>g|  
i. 创建分段曲线 G/y;o3/[Z  
ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 u.9syr  
d. 指定裁剪规格 Qf.]Mw?Bm  
i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面) +V;@)-   
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z 3\E G  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 F*J@OY8i  
e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分,因此边缘表面可以正确的渲染。 9D,/SZ-v  
7. 完成! } 3JOC!;;  
G-Dc(QhU&  
脚本代码分析 s~n@|m9k  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De -4LckY=]1  
V8}jFib  
实例 (pT 7m  
我们以库存号#86-030为例, 2e| m3  
'H8;(Rw  
材料:SCHOTT N-SF5; y$`@QRW  
中心厚度:6mm; t*(buAx  
孔径:D=12.5mm; C|-QU  
波长:587.6nm; `g^bQ x  
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) DtglPo_(  
形状:S1凸面;S2平面 [I2vg<my  
运行软件输入如下参数: X6G2$|  
4"d'iY  
i>{.Y};  
并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: i(an]%'v  
2 i97  
b<8,'QgB  
QQ:2987619807
敬天帅 2021-08-09 14:07
牛逼,学习了
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