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2020-11-30 10:13 |
柱面透镜的设计
简介: x8S7oO7 35E _W>n 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。 h%}/Cmx[ 79`AM
X[b 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。 ]E\n9X-{ <B9C*M"4% 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。 CC#;c1t H,Z;=N_ 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。 9E>xIJ@J2T sZx/Ee 在FRED中共有四种方法设计柱透镜: {} 3${ \"X!2 第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: gw,UQbnu 在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; s2Mb[#:a" :<}=e@/~|
*:ZDd 第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建:主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建,但这种方法比较繁琐。 tmQH|'>> T6 '`l?H`; 第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜,并调整相应的参数。 N[s}qmPha a)wJT`xu 我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); =EHUR' zT!drq: x
|&RU/ a 在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 rg^'S1x| "rx-_uK* 本文我们主要讲述第四种方法,通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本,基于用户规格输入参数到基本对话框中,如下所示。使用该工具,和生成轴对称透镜大致相同的方式,可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径,以及指定弯曲轴(x或y)。 3AU;>D ^5 7=;R& mqC
图1.柱面透镜生成器对话框 HZ'_r cv 使用柱面透镜生成器 L*YynF Vh_P/C+ 对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: z6*X%6,8 表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 Wf|Q$MHos 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 B} lvr-c# 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 OCNQvF~ “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。 8fl`r~bqZ 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。 LDPUD' 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: 59h)-^! 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 jPUwSIP 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 &5yVxL: 表面的半孔径大于它的半径。 )h7<?@wv& 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 vSEuk}pk 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) jYk&/@`Ly 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。 |olA9mp|] 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 <0Xf9a8> 边缘厚度小于0。 5>[u ` 1q7|OWFT 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。 [CQ+p!QZ 'Gj3:-xqL
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径 MN\HDKN 脚本 GPN]9 柱面透镜生成器的脚本结构如下: I>W=x'PkLn 1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 pH9VTM.* 2. 用于各种用户输入显示对话框。 LRL,m_gt a. 插入默认值 hgPa6Kd b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 pR=@S>!| 3. 指定对话框的输入为变量。 ].-1v5 4. 创建第一个和第二个表面。 IxY|>5z 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” !|^|,"A) b. 计算边缘处的表面矢高 UtoT i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 `dq,>HdW c. 指定裁剪规格 %)1y AdG
8 i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 ~%<X0s| 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。 i@*{27t d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 xi~?>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 (A9Fhun f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 *4\:8 5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 ~vm%6CABM 6. 创建透镜边缘 )_YX DU a. 计算边缘总长度 0"<H;7K#W 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) j#!IuH\] 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”。 c"f-3kFv b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 5_GYrR2 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/{51j i. 创建分段曲线 DX#Nf""Pw ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 0CnOL!3.I d. 指定裁剪规格 , qMzWa 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) +}Dw3;W}m ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z *#,7d"6W5 iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 R@1 xt@? 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。 s}vAS~~2L3 7. 完成! .s?L^Z^ &*M!lxDN 脚本代码分析 T<n http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De X_q\S g ,0M_Bk" 实例 6AAz 我们以库存号#86-030为例, V'z1 9}rS(/@
} 材料:SCHOTT N-SF5; X-bcQ@Oj 中心厚度:6mm; LBw1g<& 孔径:D=12.5mm; (nQ^ 波长:587.6nm; KI"#f$2& 半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) Snj'y,p[ 形状:S1凸面;S2平面 5'OrHk;u 运行软件输入如下参数: g|o,uD y8]B:_iU9
lU8l}Ndz" 并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: \"7*{L: \j$&DCv
Hus)c3Ty7
QQ:2987619807
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