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infotek 2020-11-30 10:13

柱面透镜的设计

简介 ,/6:bc:W  
&}0wzcMg  
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。 2 dD<]  
AC:s4iacC  
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。 OgN1{vRFx  
PdH`_/6  
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。 M`P]cX)x  
   0BB @E(*  
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。 8I\eromG  
1m`tqlFU9  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜: g!p_c  
-;)SER3Wq4  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: p/1}>F|i  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens;  g1wI/  
@'r`(o3z!Z  
NhK(HTsvK  
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。 3y=<w|4F  
Flujwh@rg  
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。 [du>ff  
X;6r $   
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); te*Y]-&I|/  
q 9brpbg_  
5Ue^>8-  
在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 3.<6;?  
+Bq}>  
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)。 :gD0EqV  
@yn^6cE  
图1.柱面透镜生成器对话框
9U<)_E<y  
使用柱面透镜生成器 lDJd#U'V  
*[xNp[4EU  
对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: }1]!#yMfq  
 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。 C*s0r;  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 +:"6`um|  
 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 A-7wkZ.H  
  “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。 ,-7/]h,l  
 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。 a4jnu:e  
 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: +/3 Z  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 < k+fKl  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 loC5o|Wh  
 表面的半孔径大于它的半径。 1&% d  
 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 $uUb$8 Bu  
 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) B) *#g  
 当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 q3x;_y^  
 这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析 StyB"1y  
 边缘厚度小于0。 fa4951_  
CFBUQMl >  
注意到,当我们遇到这些警告情况时,透镜仍然被创建了,尽管这可能是非物理的。 (]}x[F9l  
}+dM1O  
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
7/&C;"  
脚本 g^z5fFLg/8  
柱面透镜生成器的脚本结构如下: DYAwQ"i;6  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。  &6\r  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 vz yNc'  
a. 插入默认值 z[5Y Z~}*  
b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 17 i<4f#  
3. 指定对话框的输入为变量。 EFRZ% Y  
4. 创建第一个和第二个表面。 0r0\b*r  
a. 如果没有弯曲,使用“平面”表面;如果有弯曲,使用“环形非球面” 4aalhy<j  
b. 计算边缘处的表面矢高 Ho)t=qn  
i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 [>$\s=` h  
c. 指定裁剪规格 E?Qz/*'zv  
i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 d^Zo35X  
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。 o5=)~D{/G3  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 ~jp!"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 "$~}'`(]  
f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 ;/?Z<[B  
5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 qXrt0s[  
6. 创建透镜边缘 ,#E3,bu6_4  
a. 计算边缘总长度 bl" (<TM  
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) $ ] W[y=  
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”。 `q f\3JT\  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 a%Z4_ToLZ  
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。 `W"a! ,s2  
i. 创建分段曲线 K-2o9No?j`  
ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 OX)#F'Sl}  
d. 指定裁剪规格 &TP:yA[  
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) %w'/n>]j  
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z 4i_spF-3  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 2 ?Pt Z  
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。 l~]hGLviJE  
7. 完成! wO^$!zB W  
}zkL[qu;  
脚本代码分析 MekT?KPQ{L  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De aW0u8Dz  
,] ~u:Y}  
实例 l-<3{!  
我们以库存号#86-030为例, j>$=SMc  
TJHN/Z/  
材料:SCHOTT N-SF5; x[vpoB+c  
中心厚度:6mm; |MTpU@`p5  
孔径:D=12.5mm; F^.om2V|9  
波长:587.6nm; F5FNhuC  
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) V*6l6-y~Ih  
形状:S1凸面;S2平面 W<\kf4Y  
运行软件输入如下参数: bK ?1MiXb  
t[]['Iosd  
GXT]K>LA  
并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: D ?Nd; [  
E:08%4O  
0n4g $JK7  
QQ:2987619807
敬天帅 2021-08-09 14:07
牛逼,学习了
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