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infotek 2023-04-20 08:28

柱面透镜的设计

/GO((v+J  
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。
]vuxeu[cu,  
7H)tF&  
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。 ?btX&:j2P  
,!^g8zO  
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。
bWZ oGFT  
   :4>LtfA  
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。 Wt=%.Y( x  
"/x/]Qx2  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜: m:g%5' qDZ  
'h> l_A  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: yn2k!2]&T<  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; o{7w&Pgs2  
t?p>L*  
B~3qEdoK5`  
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。 TrVQ]9;jWk  
km}E&ao  
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。 ai)?RF  
V'AZs;  
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); /b{Ufo3v  
I^O`#SA(  
?YM0VB,y  
在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 UFE~6"t(  
Tt{ft?H71  
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)。 ks8xxY  
图1.柱面透镜生成器对话框
} d7o-  
U6M&7 l8  
使用柱面透镜生成器 } ejc  
L ~$&+g  
对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: D|8h^*Ya  
 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。 wHErF #xo  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 $t>ow~Xi  
 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 EkP(] F  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 B 3eNvUFZg  
 就如轴对称透镜一样,柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 -:V2Dsr6;  
 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: oX-h7;SD  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 lW@i,1  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 4hV~ ir  
 表面的半孔径大于它的半径。 KkZo|\V  
 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 q%FXox~b  
 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径,但是大于0.975*半径) BeM|1pe.  
 当圆环表面创建时,当使用定义好的曲面细分设置,如果边缘延伸超过0.975*半径时,圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 ?tYc2R9x6"  
 这一问题只会影响到视觉表示,而不会影响光线追迹和分析 -\~x^5K  
 边缘厚度小于0。 T(bFn?  
O:X|/g0Y  
注意到,当我们遇到这些警告情况时,透镜仍然被创建了,尽管这可能是非物理的。 Il#9t?/  
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
YwF\  
@,TCg1@QJ  
脚本 cK2Us+h  
柱面透镜生成器的脚本结构如下: H{*R(S<I  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 >c@1UEwkm  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 p:qj.ukw  
a. 插入默认值 9/50+2F  
b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 a~;`&Uj  
3. 指定对话框的输入为变量。 xW'(]Z7_  
4. 创建第一个和第二个表面。 J_ `\}55n  
a. 如果没有弯曲,使用“平面”表面;如果有弯曲,使用“环形非球面” O0> ^?dsL  
b. 计算边缘处的表面矢高 %D*yXNsY  
i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 %-[U;pJe;  
c. 指定裁剪规格 rKWkT"  
i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 z,=k F I  
ii. 如果sag小于0.1,设置z裁剪半孔径为0.1,否则设置为|sag|*(3/5),这比1/2稍大一些,因此表面可以正确的渲染。 9@z"~H  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 .cm$*>LW:x  
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 J9/}ZD^  
f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 G |vG5$Nf  
5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 . vQCX1V(  
6. 创建透镜边缘 FG5t\!dt<  
a. 计算边缘总长度 626 !6E;T  
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值,如果它是凹面) !`#xFRHe  
ii. 注意到,由于表面只在一个方向弯曲,边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 HWT^u$a"  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 ~m.@{Do0p  
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。 DU-&bm  
i. 创建分段曲线 ]Syr{|  
ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 v}\Nx[}  
d. 指定裁剪规格 xA2 "i2k9  
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) TwXqk>J  
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z 4&([<gyR<  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 S-k:+4  
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。 QGQ> shIeZ  
7. 完成! S&YC"  
r+%}XS%;h  
脚本代码分析 ]J7.d$7T  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De |\MgE.N  
P>3 ;M'KsO  
实例 qA6;Q$  
我们以库存号#86-030为例, m|w-}s,  
Q)s[ls  
材料:SCHOTT N-SF5; 11(:#4Y,  
中心厚度:6mm; qE&R.I!o  
孔径:D=12.5mm; 3@/\j^U  
波长:587.6nm; 9vZD?6D,n  
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) L^0s  
形状:S1凸面;S2平面
/ `Glf|  
运行软件输入如下参数: <r'l5|er  
.v{ok,&  
d}t7bgk'j  
并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: e$3{URg  
a.yCd/  
_c 4kj  

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