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

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