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infotek 2021-11-26 09:32

柱面透镜的设计

简介: BD;T>M  
(aC=,5N  
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。 Otx>S' 5  
%'_:#!9  
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。 /; /:>c  
.-![ ra  
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。 db8vm4  
   (n~fe-?}8  
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。 qV idtSb  
/W-ges  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜: rQGInzYp  
M!mw6';k  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: r&B0 -7r  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; 4c{j9mh  
t 4zUj%F  
+boL?Ix+  
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。  f+ !J1  
hmOGteAf-  
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。 'J-a2oiM(  
Z<^EZX3N  
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); zLJmHb{(  
o _l_Yi  
`q* p-Ju'  
在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 Ii5U) "  
U1Fo #L  
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)。 z^.dYb7<  
`''y,{Fs  
图1.柱面透镜生成器对话框
ti6X=@ P:  
使用柱面透镜生成器 [>pBz3fn,  
mD ZA\P_  
对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: hY%} x5ntU  
 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。 (~{Y}n]s  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 k'N``.  
 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 J?X{NARt  
  “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。 p=A, yGDV  
 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。 cN?/YkW?]  
 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: j<~T:Tk  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 D}X6I#U'/  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 sR83e|4I  
 表面的半孔径大于它的半径。 H lM7^3(&  
 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 E@xrn+L>-  
 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) }N(gP_?n  
 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。 f(blqO.@l  
 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 $oM>?h_ =  
 边缘厚度小于0。 p%sizn  
<fDT/  
注意到,当我们遇到这些警告情况时,透镜仍然被创建了,尽管这可能是非物理的。 dR< d7  
EK[J!~  
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
vk X+{n  
脚本 P7,g^:$  
柱面透镜生成器的脚本结构如下: ::#[lw  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 Dt(D5A  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 Ug546Bz  
a. 插入默认值 +^esL9RG:  
b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 JrLh=0i9  
3. 指定对话框的输入为变量。 y9R%%i  
4. 创建第一个和第二个表面。 ,.V<rDwN&  
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” #|(>UM\  
b. 计算边缘处的表面矢高 P*7G?  
i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 !vJ$$o6#  
c. 指定裁剪规格 |?{V-L  
i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 Ly^bP>2i  
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。 oOvQA W8`  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 0x5Ax=ut  
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@q9UlfB-  
f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 ,lvG5B\0  
5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 +"BJjxG  
6. 创建透镜边缘 8UgogNR\  
a. 计算边缘总长度 ||wi4T P  
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) Nj2l>[L;  
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”。 Z:N;>.3i  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 <dD!_S6@,  
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。 <&) hg:  
i. 创建分段曲线 -2[4 @  
ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 9@ fSO<  
d. 指定裁剪规格 ]ilLed  
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) 1Hr1Ir<KR  
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z 1|xe'w{  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 `Ji WS  
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。 p o)lN[v  
7. 完成! 'fb\t,  
T!y 9v5  
脚本代码分析 U_PH#e  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De < B]qqqP  
4XER 7c  
实例 kw2yb   
我们以库存号#86-030为例, 5m0lk|`  
2 G*uv+=  
材料:SCHOTT N-SF5; [Z:P{yr  
中心厚度:6mm; 0ElEaH1z  
孔径:D=12.5mm; 7* Y*_cH5  
波长:587.6nm; p~8O6h@J  
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) GeY!f/yQ<  
形状:S1凸面;S2平面 gU|:Y&lFZg  
运行软件输入如下参数: Q[NoFZ V!  
 \SQ4yc  
ZpOME@9,  
并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: S g1[p#U  
.4"BN<9  
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