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infotek 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。 $X;OK  
   >QJDO ]~V  
应用:柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上,或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面,使入射光线能够聚焦于某个维度,并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正,适合用于激光线生成或变形光束整形,以环化激光输出。 .9Oj+:n  
HfH+U&  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜: 4 y}z+4  
6oQ7u90z*  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: /L2ZI1v  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; z-K};l9y  
IAkQR0fcN  
!XjZt  
第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建:主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建,但这种方法比较繁琐。 ?s>_^xfD  
q]f7D\ M  
第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜,并调整相应的参数。 ?r(vXq\  
SJ22  
我们以Edmund为例(下图为货号68168 :12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图); `K0.6i [p  
mpD.x5jm<  
FTEC=j$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%_$RdU  
图1.柱面透镜生成器对话框
4e\wC  
使用柱面透镜生成器 _}j>  
WxD$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^D 1:9i  
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&32 IA  
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 ^=cX L  
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$u  
i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面) aJNsJIY+  
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z xdsF! Zb  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 ^&c|z35F  
e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分,因此边缘表面可以正确的渲染。 a5g1.6hF  
7. 完成! ^dhtc% W>  
!Nhq)i  
脚本代码分析 | qf8y  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De 8=sMmpB 7u  
}<P%W~  
实例 rlDJHR6  
我们以库存号#86-030为例, {-5 b[m(  
+qF,XJ2  
材料:SCHOTT N-SF5; xaSiG  
中心厚度:6mm; [;INVUwG^  
孔径:D=12.5mm; @)@hzXQ  
波长:587.6nm; l>>, ~  
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) '-X913eG!  
形状:S1凸面;S2平面 KI<Vvc m  
运行软件输入如下参数: V :4($  
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|  
w`0r`\#V/  
QQ:2987619807
敬天帅 2021-08-09 14:07
牛逼,学习了
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