[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： \4 +HNy3  
&T ^bv*P  
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。 ]l3Y=Cl  
C1qlB8(Wh>  
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。  @k#xr  
gKmF#Z"\  
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。 h0A
%KL  
   \/nSRAk  
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。 H(O|y2  
'Q=(1a11  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： Ls3r( Tf  
d+5v[x~'  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： (/9erfuJ  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; _EP~PW#J  
E8t{[N6d  
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)'&+HamI  
bb+iUV|Do  
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。 aWP9i&  
@3U=kO(^+\  
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）； CL?=j| Ea  
RMid}BRE  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 ttt4h  
P?jI:'u!R.  
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)。 F}@]Lq+  
W@%g_V}C*  
j0n.+CO-{  
使用柱面透镜生成器 A!uiM*"W  
IJ:JH=8  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： O*n@!ye  
 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。 +CXq41g"c  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 *Uf>Xr&  
 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 |@f\[v9`  
  “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。 g:6`1C  
 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。 {h.j6  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： :o~]d  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 7xO~v23oe  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 V?jWp$  
 表面的半孔径大于它的半径。 ;<%th  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 u_8Z^T  
 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) g&8-X?^Q  
 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。 WA*1
_  
 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 (B?ZUXM,  
 边缘厚度小于0。 `_]UlI_h  
,Vof<,x0  
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。 ~\
<L74BB  
,,Ivey!kL  
m,}GP^<1i  
脚本 u%=2g'+)_  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： Qv]rj]%  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 Jc`tOp5  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 K*p3#iB  
a. 插入默认值 glBS|b$\:  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 GNHWbC6_m  
3. 指定对话框的输入为变量。 J: I@kM  
4. 创建第一个和第二个表面。 SO<9?uk.  
a. 如果没有弯曲，使用“平面”表面；如果有弯曲，使用“环形非球面” UA*Kuad  
b. 计算边缘处的表面矢高 SDk^fTV8x  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 "{2niBx  
c. 指定裁剪规格 Blj<|\igc  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 %J9+`uSl  
ii. 如果sag小于0.1，设置z裁剪半孔径为0.1，否则设置为|sag|*(3/5)，这比1/2稍大一些，因此表面可以正确的渲染。 "3_GFq  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 7mtg  
e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分，因此环形表面可以正确的渲染 R D?
52\  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 O]j<$GG!  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 [h8macx  
6. 创建透镜边缘 JBLh4c3  
a. 计算边缘总长度 +c__U Qx  
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) hf7[<I,jov  
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”。 x,fL656t  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 b&AeIU}&  
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。 9w=[}<E  
i. 创建分段曲线 7")~JBH  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 IA`Lp3Z  
d. 指定裁剪规格 |=V~CQ]  
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) ToD_9i }6  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z %'S
[f  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 upZf&4 I8  
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。 ,/!^ZS*  
7. 完成！ p\.IP2+c  
c: (nlYZ  
脚本代码分析 \m:('^\6o  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De >gz8,&  
r@ !  
实例 0]^gT'  
我们以库存号#86-030为例， J@#rOOu  
}02(Y!Gh  
材料：SCHOTT N-SF5; s=556  
中心厚度：6mm; W! J@30  
孔径：D=12.5mm; /!`xqG#  
波长：587.6nm; I~;H'7|e  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) =1<v1s|)q  
形状：S1凸面；S2平面 5du xW>D  
运行软件输入如下参数： Q{yjIy/b  
Yb1Q6[!  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： \0&F'V  
k+Z2)j"  

牛逼，学习了