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infotek 2023-04-20 08:28

柱面透镜的设计

_Id'56N]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。
c#OxI*,+/  
_{*} )&!M  
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。 h3MdQlJ&  
L AQ@y-K3  
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。
MP%#)O6  
   BIx*t9wA  
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。 k<9,Ypa  
m eF7[>!U  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜: W5|{A])N  
X|of87  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: 9 [eiN  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; D;,p?]mgO~  
>F$9&s&  
V+gZjuN$  
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^QEctXU  
` H'G"V  
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。 6#Vl3o(E|  
)UR$VL  
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); #VQZ"7nI@  
*p{p.%Qs:  
49qa  
在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 j+jC J<  
R?wZ\y Ks}  
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)。 pH'Tx>  
图1.柱面透镜生成器对话框
MK#   
-laH^<jm5  
使用柱面透镜生成器 $(1t~u<17  
;}B=g/C  
对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: q!z?Tn#!jd  
 表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 1mFH7A($  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 4H8r[  
 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 <J8c dB!e  
  “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。 %NLd"SV  
 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。 H1N@E}>|  
 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: *l7 `C)  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 &8VH m?h  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 %JeND XbI4  
 表面的半孔径大于它的半径。 lxn/97rA  
 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 [}L?EM  
 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) xF_u:}7`  
 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。 c)EYX o  
 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 49 FP&NgK  
 边缘厚度小于0。 $WYt`U;*lj  
<"Y>|X  
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。 dsIbr"m  
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
8:Hh;nl  
`^#Rwn#  
脚本 ^gVQ6=z%  
柱面透镜生成器的脚本结构如下: b:(+d"S  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 7w73,r/D8A  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 $1=7^v[U  
a. 插入默认值 +Xg:*b9So  
b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 .-$3I|}X=  
3. 指定对话框的输入为变量。 Sct  
4. 创建第一个和第二个表面。 b^R:q7ea  
a. 如果没有弯曲,使用“平面”表面;如果有弯曲,使用“环形非球面” Q<>u) %92@  
b. 计算边缘处的表面矢高 7(/yyZQnZ  
i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 dV$[O`F* b  
c. 指定裁剪规格 *)[fGxz \  
i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 SU%O\ 4Ty  
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。 5Sl"1HL  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 Gs#9'3_U5  
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 \Fjasz5E'  
f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 :[a*I6/^  
5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 aG1Fj[,  
6. 创建透镜边缘 J>X@g;  
a. 计算边缘总长度 R&1>\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) WrP+n  
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”。 c:Czu  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 :V(C+bm *  
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。 33%hZ`/>  
i. 创建分段曲线 #8jiz+1 _  
ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 Lginps[la  
d. 指定裁剪规格 E+y_te^+b  
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) Q`i@['?p  
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z 1 F:bExQ  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 6$#,$aO  
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。 #~Xj=M%  
7. 完成! P)VQAM  
Ee5YW/9]  
脚本代码分析 pg5W`4-F  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De ~{DJ,(N"n  
e# Y{YtE  
实例 h]@'M1D%  
我们以库存号#86-030为例, C32*RNG?U  
HnPy";{  
材料:SCHOTT N-SF5; AXcmN  
中心厚度:6mm; . LAB8bg  
孔径:D=12.5mm; '(iPI  
波长:587.6nm; ](I||JJa9f  
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) 8Z}%,G*n  
形状:S1凸面;S2平面
M_0f{  
运行软件输入如下参数: -75mgOj.#  
m +A4aQ9  
h[! @8  
并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: ~ !ei]UP  
v$ \<L|  
"} :CM_  

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