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2020-11-30 10:13 |
柱面透镜的设计
简介: %6@)fRw =D0d+b6 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。 Z1
)1s zQ:nL*X'Z" 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。 H(K!{k 2hNl_P~z1u 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。 $X;OK >QJDO ]~V 应用:柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上,或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面,使入射光线能够聚焦于某个维度,并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正,适合用于激光线生成或变形光束整形,以环化激光输出。 .9Oj+:n HfH+U& 在FRED中共有四种方法设计柱透镜: 4y}z+4 6oQ7u90z* 第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: /L2ZI1v 在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; z-K};l9y IAkQR0fcN
!XjZt 第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建:主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建,但这种方法比较繁琐。 ?s>_^xfD q]f7D\ M 第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜,并调整相应的参数。 ?r(vXq\ SJ22 我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); `K0.6i [p mpD.x5jm<
FTEC=j$ln 在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 *;Q#UH -">Tvi4 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)。 ?>ZrdfTwz, f%_$RdU
图1.柱面透镜生成器对话框 4e\w C 使用柱面透镜生成器 _}j> WxD$k3U 对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: jxW/"Q 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。 ?$;&DoE 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 m,hqq%qz 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 Xo(W\Pes “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。 $l.8 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。 }Gb^%1%M 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告:
n}b/9 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 ;j;U9-oh 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 $=>:pQbBVX 表面的半孔径大于它的半径。 QHje} 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 H/W&a2R^P 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) [`h,Ti!m< 当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 -$%~EY} 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 yTbtS- 边缘厚度小于0。 [Z'4YXS ;>>:7rdYt 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。 j&.JAQ*2; .'+JA:3R
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径 V^D1:9i 脚本 v{lDEF@2^N 柱面透镜生成器的脚本结构如下: *2pE39 1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 JKp@fQT * 2. 用于各种用户输入显示对话框。 # 6?2 2Os a. 插入默认值 N/0Q`cQ- b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 [KO\!u|?YS 3. 指定对话框的输入为变量。 +&X>ul 4. 创建第一个和第二个表面。 P:'y}a- 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” Tnf&32IA b. 计算边缘处的表面矢高 WpI5C,3Z!l i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 tx3p,
X c. 指定裁剪规格 9p02K@wkD i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 W^:g_ 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。 A}pe>ja d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 9<!??'@f 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 {[H#lX 4 f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 { iLr$89 5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 u4=ulgi 6. 创建透镜边缘 -Vg0J6x a. 计算边缘总长度 ^=cXL i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值,如果它是凹面) /oM&29 jy ii. 注意到,由于表面只在一个方向弯曲,边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 {;UBW7{ b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 .d)H2X c. 如果透镜孔径是矩形/方形,使用带有“列表柱面”的分段曲线作为准线。 WIwGw %_~ i. 创建分段曲线 [.G~5%974 ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 lQ.3_{"s d. 指定裁剪规格 [nsTO5G$u 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) aJNsJIY+ ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z xdsF! Zb iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 ^&c|z35F 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。 a5g1.6hF 7. 完成! ^dhtc%
W> !Nhq)i 脚本代码分析 | qf8y http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De 8=sMmpB 7u }<P%W~ 实例 rlDJHR6 我们以库存号#86-030为例, {-5b[m(
+qF,XJ2 材料:SCHOTT N-SF5; xaSiG 中心厚度:6mm; [;INVUwG^ 孔径:D=12.5mm; @)@hzXQ 波长:587.6nm; l>>,~ 半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) '-X913eG! 形状:S1凸面;S2平面 KI<Vvcm 运行软件输入如下参数: V:4($ hRN>]e,!
;V~~lcD&Y` 并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: iuq%Q\0@w 2!bE|
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QQ:2987619807
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