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infotek 2023-04-20 08:28

柱面透镜的设计

=tKb7:KU  
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。
33M10 1X{6  
}akF=/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。 "f Ni3 <x]  
7;8#iS/  
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。
R v/=bY  
   ;8~tt I  
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。 7)i6L'r  
R7 WGc[  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜: ![ce=9@t<  
 CJ~gE"  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: 38gHM9T xh  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; F?!X<N{  
Iq[ d5)M4  
dsUt[z1w5  
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。 M[= #%U3*N  
?BEO(;'  
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。 -~|E(ys  
'QP~uK  
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); ru5T0w";V  
ev LZ<|  
7`G FtX}  
在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 h{Zd, 9H  
}#Q?\  
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)。  {ch+G~oS  
图1.柱面透镜生成器对话框
6+iZJgwAy  
n a3st*3V_  
使用柱面透镜生成器 a9sbB0q-K@  
FRR`<do5$,  
对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: K]Rb~+a<  
 表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 Q2 S!}A  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 ^h5h kIx0  
 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 b-"kclK  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 ^rX5C2}G\D  
 就如轴对称透镜一样,柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 Q$B\)9`v[  
 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: "c2{n,  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 "Ei' FM  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 i uGly~  
 表面的半孔径大于它的半径。 d,:3;:CR  
 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 r/e} DYL&  
 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) 5_yu4{@;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。 z"PU`v  
 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 ^*@D%U  
 边缘厚度小于0。 9N*!C{VW  
j +u3VP  
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。 ySP%i6!au  
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
./r#\X)dc  
l(j._j~p  
脚本 *_,: &Ur  
柱面透镜生成器的脚本结构如下: P6 ~& ,a  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 ~ ~U,  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 0V!@*Z  
a. 插入默认值 6jpfo'uB$  
b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 #BOLq`9 f  
3. 指定对话框的输入为变量。 y=k!>Y|E  
4. 创建第一个和第二个表面。 e'MLLC [  
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” 4Mr)~f rc  
b. 计算边缘处的表面矢高 YX,xC-37y  
i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 8v12<ktR`  
c. 指定裁剪规格 in>.Tax*  
i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 k>W}9^ cK  
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。 Cz)/Bq  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 FS^ie|8{D-  
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 KpF/g[m  
f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 NB)$l2<d  
5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 gg+!e#-X  
6. 创建透镜边缘 r(i!".Z  
a. 计算边缘总长度 ZD`p$:pT  
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) t}m"rMbt  
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”。 _fmOTz G  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 me`|i-   
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。 9|5>?'CqP  
i. 创建分段曲线 227 Z6#CF!  
ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面 /vrjg)fer  
d. 指定裁剪规格 XMi)PXs$  
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) yh{Wuz=T  
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z 5 cz6\A&  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 s{@3G8  
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。 bG&vCH;}%  
7. 完成! 5lYzgt-oP  
]<<+#Rg  
脚本代码分析 N3SB-E+  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De ^ygh[.e,  
gVU&Yl~/^  
实例 AiOz1Er  
我们以库存号#86-030为例, Y V#|qb  
C#@>osC  
材料:SCHOTT N-SF5; h$#zuqm  
中心厚度:6mm; OaCp3No  
孔径:D=12.5mm; NI)q<@ju  
波长:587.6nm; u .R   
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) /aX#j`PrH  
形状:S1凸面;S2平面
u(bPdf@kz  
运行软件输入如下参数: <rAWu\d;  
; w+<yW}EL  
0{zA6Xu  
并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: u8sK~1CPf  
ns;nle|m  
>^(Q4eU7!  

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