[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： U+W8)7bc  
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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。 oY{*X6:6<  
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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。 <ioX|.7ZX  
4VK5TWg  
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。 Q)v8hNyUmA  
   0FXM4YcrJO  
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。 UZV)A}  
*rWE.4=&  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： g?`w)O7v  
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第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： ,L`qV  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; D}:D,s8UP  
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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。 _ TUw
0:&  
0<e7!M=U1  
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。 4*'NpqC(_  
z\fk?Tj<ro  
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）； l_DPlY  
]J~5{srq:  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 p<Zf,F}  
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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)。 7%JXVP}A  
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`OduBUI]]  
使用柱面透镜生成器
B} &C h  
+1e*>jE  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： S!rUdxO  
 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。 T `N(=T^*  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 X~lOFH;}q  
 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 u6I# D _  
  “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。 XfB;^y=u8  
 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*F  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告：
Y8Mo.v  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 <{e0i  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 0ro)e~_@*  
 表面的半孔径大于它的半径。 d`^j\b>5(  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 7GKeqv  
 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) hd+JKh!u  
 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。 -6#i~a]  
 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 OS,-dG(  
 边缘厚度小于0。 #~(@Ka.eA0  
5C/u`{4]Hg  
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。 >4bOM@[]  
!1|f,9C  
&u$l2hSS  
脚本 G>cTqD6gT  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： 'tF<7\!  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 xOP\ +(  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 I#9A\.pO  
a. 插入默认值 z^~fVl  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 Z3 &8(vw  
3. 指定对话框的输入为变量。 D7 A{*Tm  
4. 创建第一个和第二个表面。 P%.9g  
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” vw3%u+Z&  
b. 计算边缘处的表面矢高 )07M8o!^l  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 #uKHw2N  
c. 指定裁剪规格 Ro?yCy:L'  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 "x&H*"  
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。 S tn[M|
 
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 `Q}.9s_ri  
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 c~@I1M  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 +STT(bMn  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 8&H1w9NrX_  
6. 创建透镜边缘 iQ~cG[6  
a. 计算边缘总长度 G| ^tqI  
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) ("wPkm^  
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”。 jUdW o}/  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 CfA F.H  
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。 0W#.$X5  
i. 创建分段曲线 R~)c(jj5  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 UIbVtJ  
d. 指定裁剪规格 p}N'>+@=  
i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面) W>'R<IY4#N  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z ai#0Zg
O  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 vP?"MG  
e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分，因此边缘表面可以正确的渲染。 +n1}({7m  
7. 完成！ 4TUe*F@ ML  
;<MHDmD  
脚本代码分析 l{vi{9n)  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De =OTwP  
e$ E=n  
实例 P !6r`d  
我们以库存号#86-030为例， ,c}Q;eYc3  
liPUK#  
材料：SCHOTT N-SF5; 8%I4jL<  
中心厚度：6mm; r's4-\  
孔径：D=12.5mm; $:F]O$A  
波长：587.6nm; T3Qa[>+\  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) >lN{FJ  
形状：S1凸面；S2平面 P7<~S8)Y  
运行软件输入如下参数： !)KX?i[Q  
M
{_
`X  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： <c^m
|v  
L)4TW6IUk  

牛逼，学习了