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2020-11-30 10:13 |
柱面透镜的设计
简介: B4&K2;fg_ rXIFCt8J 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。 H3}eFl=i2 y ~PW_, 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。 bu2@~ )=k8W9i8b 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#US4&uT4A >V01%fLd 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。 Wl29xY}`{! J~e%EjN5e 在FRED中共有四种方法设计柱透镜: o+wG69 ?k 4|;DD 第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: M%3P@GRg 在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; vqeWt[W
v >~%EB?8
9Kpzj43 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。 Mnv2tnU] 'j#J1xwJ 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。 o 94]:$=~ pv}k=wqJ1 我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); 1xBg^ 51)Q&,Mo#
3iKy> 在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 I6.!0.G AZHZUd4 本文我们主要讲述第四种方法,通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本,基于用户规格输入参数到基本对话框中,如下所示。使用该工具,和生成轴对称透镜大致相同的方式,可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径,以及指定弯曲轴(x或y)。 San=E@3}v! G\;a_]Q
图1.柱面透镜生成器对话框 ?*nFz0cs^ 使用柱面透镜生成器 m|CB') Miw*L;u@W 对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: .{=|N8*py8 表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 CyWMr/' 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 TwaK>t96[ 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 -|FSdzvg “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 hoDE*>i 就如轴对称透镜一样,柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 4Y>J,c 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: 2omKP,9,2 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 2!Gb4V 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 O:I"<w 9_1 表面的半孔径大于它的半径。 J%
b`*?A 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 T,
z80m} 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) k^%Kw(/ 当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 J8;l G 这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析 )5j1;A:gr 边缘厚度小于0。 2VZdtz }JWLm.e 注意到,当我们遇到这些警告情况时,透镜仍然被创建了,尽管这可能是非物理的。 hi.`O+; |Y9mre.Y;
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径 Mx]![O.ye 脚本 e -yL 柱面透镜生成器的脚本结构如下: !Z}d^$ 1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 nF)XZB0F 2. 用于各种用户输入显示对话框。 AWG;G+ a. 插入默认值 YWK|AT-4 b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 89kxRH\IhG 3. 指定对话框的输入为变量。 p_g#iH!* 4. 创建第一个和第二个表面。 rYP72< 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” *Bm7>g6 b. 计算边缘处的表面矢高 wJr5[p*M i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 P\nz;}nv c. 指定裁剪规格 d'okXCG i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 5Xr<~xr 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。 6 o!*bWh d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 !4 =]@eFk 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 26D,(Y$* f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 ALO0yc 5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 ]E:K8E
6. 创建透镜边缘 ..=WG@>$+ a. 计算边缘总长度 *i)3q+%. 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-uvxD 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”。 #86=[*Dr b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 bZKlQ<sI 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。 ~rl,Hr3Zo i. 创建分段曲线 s{:l yp ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 F^/b!)4X d. 指定裁剪规格 ~w,c6Z 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) NU <K+k ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z ToXgl4:kd iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 A7c*qBt 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。 vhz[ H 7. 完成! v|K'M,E V0O6\)/. 脚本代码分析 %%c1@2G< http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De kHhxR;ymA7 [WXa]d5Y 实例 5nA
*'($j 我们以库存号#86-030为例, (=eJceE!
4Y/kf%]]A 材料:SCHOTT N-SF5; jY|fP!?[ 中心厚度:6mm; \v]esIP5R' 孔径:D=12.5mm; 5IJm_oy 波长:587.6nm; ,jc')#]9B 半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) U{[ g"_+~ 形状:S1凸面;S2平面 QrSF1y'd 运行软件输入如下参数: qZwqnH y~Ts9AE
/T\'&s3D+ 并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: 921m'WE 1.S?(1e"
eJ"je@vvrK
QQ:2987619807
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