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infotek 2023-04-20 08:28

柱面透镜的设计

yQ[u3tI  
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。
;~/4d-  
-:]@HD:  
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。 E`)Qs[?Gk  
t[2i$%NVM  
光线通过屈光力子午线(图中的水平方向)会出现聚散度的改变。
7rIlTrG  
   Z"tQp Jg  
应用:柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上,或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面,使入射光线能够聚焦于某个维度,并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正,适合用于激光线生成或变形光束整形,以环化激光输出。 mk=#\>  
(@Zcx9  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜: sh6(z?KP  
T]71lRY5  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具: #x~_`>mDN  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; A&N*F"q  
~B_ D@gV|  
Q!$IQJ]|Y  
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。  aZgNPw  
_A-V@%3  
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。 ;.s: X  
( u f5\}x  
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); kxo.v|)8  
v*r9j8  
r~oSP^e'  
在Edmund网站找到该透镜,并可以查看具体的加工参数。 cyMs(21  
z5EVG  
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)。 ( V4G<-jG  
图1.柱面透镜生成器对话框
o}~3JBn T  
\_ -DyD#3  
使用柱面透镜生成器 hTw}X.<4  
Jz$ >k$!UD  
对话框输入的参数一目了然,但是有几个事项阐明如下: RWikJ   
 表面的参数可以输入为半径或曲率,在这两种情况下,0值应该用于平坦的平面表面。 |s|/]aD}o  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 K-4tdC3  
 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 ]u=Ca#!'  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子,如果y被选为弯曲轴,光线就会集中在y方向,但是不会在x方向。 dS$ji#+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。 ./.=Rw  
 如果遇到了任何以下的情况,输出窗口会出现警告: ZQ[~*)  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 g1qi\axm  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 7) 0q--B  
 表面的半孔径大于它的半径。 AgsR-"uh  
 在这种情况下,表面的创建取决于它的半径。 A&l7d0Z^j5  
 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) Wz{%"o  
 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。 bp%S62Dj  
 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 t w!.%_1^  
 边缘厚度小于0。 C*G/_`?9  
:bv|Ah  
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。 #!d]PH746  
图2 两个柱面透镜,分别具有圆形和方形的孔径
qLRE}$P  
b *9-}g:  
脚本 O+FBQiv  
柱面透镜生成器的脚本结构如下: a: IwA9!L  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 XRa#2 1pQ  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 ]) n0MF)p  
a. 插入默认值 oKiD8':  
b. 如果点击“取消”按钮,结束脚本 #=x+ [d+  
3. 指定对话框的输入为变量。 xt))]aH  
4. 创建第一个和第二个表面。 xBWx+My  
a. 如果没有弯曲,使用“平面”表面;如果有弯曲,使用“环形非球面” BWEv1' v  
b. 计算边缘处的表面矢高 8.2`~'V  
i. 如果孔径规格延伸超过半径,设置为0 g)cY\`&W8  
c. 指定裁剪规格 :c<*%*e  
i. 中心z-裁剪,设置为sag/2处 KZ3B~#oQ  
ii. 如果sag小于0.1,设置z裁剪半孔径为0.1,否则设置为|sag|*(3/5),这比1/2稍大一些,因此表面可以正确的渲染。  tgW kX  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 czS7-Hh@  
e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分,因此环形表面可以正确的渲染 +2y&B,L_Wh  
f. 根据透镜厚度值,移动第二个表面 GZ"/k<~0  
5. 计算边缘厚度,如果小于0,输出警告。 @g\;` #l  
6. 创建透镜边缘 8^T2^gs  
a. 计算边缘总长度 gvo?([j-m  
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值,如果它是凹面) -fPT}v  
ii. 注意到,由于表面只在一个方向弯曲,边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 ai^t= s  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形,使用“柱面”表面。 LE| <O  
c. 如果透镜孔径是矩形/方形,使用带有“列表柱面”的分段曲线作为准线。 ' =}pxyg  
i. 创建分段曲线 yjd(UWE  
ii. 使用分段曲线作为准线,创建列表柱面  ~me\  
d. 指定裁剪规格 ucM.Ro=@  
i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值,如果它是凹面) `EVg'?pl  
ii. 如果表面1是凹面,透镜边缘延伸到了-z B_tQeM  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 +!xu{2!  
e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分,因此边缘表面可以正确的渲染。 kF2Qv.5!  
7. 完成! ['t8C  
2_N/wR#=&  
脚本代码分析 qp@m&GH  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De hiIya WU  
mR,O0O}&  
实例 sW'6} ^Q  
我们以库存号#86-030为例, <S{7Ro  
AZBC P  
材料:SCHOTT N-SF5; 0V7 _n  
中心厚度:6mm; '$*[SauAG  
孔径:D=12.5mm; 19&)Yd1  
波长:587.6nm; f| =# q  
半径:S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) F-tFet  
形状:S1凸面;S2平面
RxMoD.kx  
运行软件输入如下参数: ZR6&AiL(Bj  
[%? hCc  
Pv[ykrm/  
并创建合适的光源和探测器,3D显示效果如下: VH<e))5C  
-U:2H7  
?cJA^W  

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