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柱面透镜的设计
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infotek
2023-04-20 08:28
柱面透镜的设计
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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。
V^fSrW]
7|4hs:4mD
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。
a)J3=Z-
,4W|e!
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。
7L~LpB
0I_A$Z,x
应用
:柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上,或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面,使入射光线能够聚焦于某个维度,并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正,适合用于激光线生成或变形光束整形,以环化激光输出。
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c4QegN
在FRED中共有四种方法设计柱透镜:
G{$(t\>8
pW ]+a0j
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具:
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在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens;
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KWtLrZ(j
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。
[U+6Tj,
O%? TxzX;
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。
l{oAqTN
/3|uU
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);
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hnWo.5;$
在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。
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Y"qKe,
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)。
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图1.柱面透镜生成器对话框
Eq$Q%'5*ua
ly`p)6#R=
使用柱面透镜生成器
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XE8~R5
对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下:
r,}U-S.w
表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。
4T#B7wVoM
厚度是介于轴上两表面的中心厚度。
|lH~nU.*
只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项
b;$ -s \%
“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。
ECHl9; +
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。
s@C KZ`
如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告:
{ ?p55o
相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。
Z9-HQ5>
通常不建议两个元件具有完全相同的名字。
zTi%j$o
表面的半孔径大于它的半径。
e*5TZ7.
在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。
qc^u%
表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径)
Oi{X \Y
当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。
L \0nO i
这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析
=L_L/"*rel
边缘厚度小于0。
sO7$b@"u.
@ yJ/!9?^
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。
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图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
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GRpS^%8i@
脚本
I"awvUP]a[
柱面透镜生成器的脚本结构如下:
I#(D.\P
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。
`jY*0{
2. 用于各种用户输入显示对话框。
M$O}roOa
a. 插入默认值
p)}iUU2N
b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本
`_{'qqRhe
3. 指定对话框的输入为变量。
AHsp:0Ma#
4. 创建第一个和第二个表面。
G=4Da~<ij
a. 如果没有弯曲,使用“平面”表面;如果有弯曲,使用“环形非球面”
3UeG>5R
b. 计算边缘处的表面矢高
"B`yk/GM]
i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0
G'c!82;,?
c. 指定裁剪规格
w <zO
i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处
xR5jy|2JJ
ii. 如果sag小于0.1,设置z裁剪半孔径为0.1,否则设置为|sag|*(3/5),这比1/2稍大一些,因此表面可以正确的渲染。
2^ 'X
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性
X$,#OR
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
/7Z0|Zw]
f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面
[~$Ji&Dd
5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。
@+A`n21,O
6. 创建透镜边缘
z,XM|-"#<K
a. 计算边缘总长度
S9X~<!]
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值,如果它是凹面)
%XGwQB$zk8
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”。
F?2(U\k#
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。
fd >t9.
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。
b;\qF&T
i. 创建分段曲线
>O[# 661
ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面
2d+IROA
d. 指定裁剪规格
kQlXcR
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)
k)\Yl`4au
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z
}x% ;y]S
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘
RW 23lRA6
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。
LL Oe
7. 完成!
k!E`Xeob
TL@_m^SM
脚本代码分析
R{S{N2+p(
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De
Q1V 4bmM
j6Acd~y\2
实例
c0ET]
我们以库存号#86-030为例,
-)@DH;[tb
w#_xV =
材料:SCHOTT N-SF5;
Gad!}dz
中心厚度:6mm;
?b, eZ+t
孔径:D=12.5mm;
:pQZ)bF
波长:587.6nm;
NwM =
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0)
M`HXUA4
形状:S1凸面;S2平面
Vea>T^
运行软件输入如下参数:
hBDPz1<
H@2JL.(k
>L#&L?#
并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下:
Mvoi
B&|F9Z6D
R(@7$
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