[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： \@NnL\t u  
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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。 \Z/0i|  
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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。
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h5E<wyd96.  
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。 1OK~*=/4  
   i94)DWZ^  
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。 8Sf}z@~]  
,I f9w$(z  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： R|O^7o  
cn_KHz=  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： J<iiA:&J  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; |' kC9H[>  
Jj1lAg0  
第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建：主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建，但这种方法比较繁琐。 RL"hAUs_1  
G>2: WQ/  
第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜，并调整相应的参数。 `g}en%5b\  
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我们以Edmund为例（下图为货号68168 ：12.5mm Diameter x 25mm FL Uncoated, UV PCX Cylinder Lens示意图）； ^S(["6OJ(  
6,p;8I  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 eGrxS;NY  
U4y ?z  
本文我们主要讲述第四种方法，通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本，基于用户规格输入参数到基本对话框中，如下所示。使用该工具，和生成轴对称透镜大致相同的方式，可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径，以及指定弯曲轴(x或y)。 ^12}#
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u9}LvQh_6,  
c=:A/z{  
使用柱面透镜生成器 i"M$hXO  
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T<,vR  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： 2s`~<EF N  
 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。 iS8yJRy  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 KJ6:ZTbW  
 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 G"prq&  
  “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。 3q(]Dg;v  
 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。 qzE -y-9@  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： vau#?U".}>  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 IqjH  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 Et
"B8@'P  
 表面的半孔径大于它的半径。 3%V VG~[  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。
YjeHNPf  
 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) upF^k%<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。 `SESj)W(y  
 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 IlP@a[:_  
 边缘厚度小于0。 X;p4/ *U  
HNL;s5gq  
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。 jE, oEt O;  
kD4J{\  
~VO?PfxZ  
脚本 l*4_  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： [-x]%  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 k3B]u.Lo  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 ^sZ,(sc{G  
a. 插入默认值 gl"1;C  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 8` f=Eh  
3. 指定对话框的输入为变量。 (Z};(Hn  
4. 创建第一个和第二个表面。 JdA3O{mT)  
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” \}})U#   
b. 计算边缘处的表面矢高 Ru^j~Cj5  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 @D&}ZV=J  
c. 指定裁剪规格 iN@+,]Yjl  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 w}QU;rl8q  
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。 f{u3RCfX~2  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 !T8h+3I  
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 km#Rh^  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 :k.C|V!W  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 }Dc?Emb  
6. 创建透镜边缘 `!iVMTp  
a. 计算边缘总长度 O'<cEv'B*  
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) M8' GbF=1  
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”。 #1` lJ  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 _0]{kB.$_  
c. 如果透镜孔径是矩形/方形，使用带有“列表柱面”的分段曲线作为准线。 Sg}]5Mn`  
i. 创建分段曲线 B<uUf)t  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 =^A/&[&31  
d. 指定裁剪规格 }CXL\,;  
i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面) 75t5:>"[  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z  d365{  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 YF<;s^&@u  
e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分，因此边缘表面可以正确的渲染。 ,~,{$\p   
7. 完成！ J+6bp0RIh  
2OJ=Xb1  
脚本代码分析 7IH^5r  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De 8'X:}O/  
j?rq%rQd  
实例 XT 'v7  
我们以库存号#86-030为例， {:r8X  
9&uWj'%ia  
材料：SCHOTT N-SF5; n9Xssl0  
中心厚度：6mm; w-.=u3  
孔径：D=12.5mm; 4chSo.= 4V  
波长：587.6nm; b!Z-HL6  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) ;/phZ$l  
形状：S1凸面；S2平面 tag~SG`ov  
运行软件输入如下参数： w\z6-qa  
0au\X$)Q  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： qc-4;m o  
\f7Aj>  

牛逼，学习了