[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： O*03PF^  
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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。 :"P hkR  
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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。 };m7FO  
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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。 !)/iRw9re  
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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。 c =N]! ,MO  
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在FRED中共有四种方法设计柱透镜： DV[ Jbl:)  
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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： sIRrEea  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; :.S41S   
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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。 12d}#G<q-  
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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。 JNFT6T)T15  
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2j=Q_dw  
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）； # 5f|1O  
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在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 R'9@A\7#  
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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)。 I4<{
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使用柱面透镜生成器 bmO__1  
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对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： ~f=6?5.wa  
 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。 YoF\MT]W  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 <Id1:  
 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 YZBzv2'\x  
  “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。 Xrj(,
|  
 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。 @r/Id
{pCI  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： ?|">),  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 [^U;  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 _ 7BF+*T  
 表面的半孔径大于它的半径。 6t_ 3%{  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 Lf; ta  
 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) 2%5^Fi  
 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。 KO-Zz&2f  
 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 Zc4(tf9  
 边缘厚度小于0。 8sR  
Pu$kj"|q*[  
注意到，当我们遇到这些警告情况时，透镜仍然被创建了，尽管这可能是非物理的。 Th~3mf #  
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*X=@yB*aK  
脚本 Y|m_qB^_  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： IYf
V~+P  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 #}/cM2m  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 Q$?7)yyu+  
a. 插入默认值 &h7smZO5
j  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 0+K`pS'  
3. 指定对话框的输入为变量。 #JL&]Z+X6  
4. 创建第一个和第二个表面。 mh A~eJ  
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” hF{x')(#l  
b. 计算边缘处的表面矢高 `P^u:  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 vs\'1^*D  
c. 指定裁剪规格 4;BW  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 L,C? gd@"  
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。 Tn4W\?R  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 VM-qVd-  
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 'A@q
g^e:`  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 A~6%,q@^jh  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 HF&h  
6. 创建透镜边缘 U{T[*s  
a. 计算边缘总长度 f$1Gu  
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) qs6Nb'JvQR  
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”。 0kU3my]  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 OwG6i|q  
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。 4ss&'h  
i. 创建分段曲线 yxaT7Oqh%  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 n9]IBIthe  
d. 指定裁剪规格 J 6(~>g  
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) 2YL`3cgfb  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z DAjG*K{  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 wXr>p)mP  
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。 M|/oFV  
7. 完成！ TqS2!/jp  
"bD+/\ z  
脚本代码分析 "%{,T  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De Mam8\  
4t&gW  
实例 ^y&q5p jj  
我们以库存号#86-030为例， t2=a(N-/,  

Dh
 hG$  
材料：SCHOTT N-SF5; ;Ay>+M2O  
中心厚度：6mm; G;2R]H#p  
孔径：D=12.5mm; y=[gQJ6~r  
波长：587.6nm; J+{Ou rWt  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) ]YCPyc:  
形状：S1凸面；S2平面 `%$8cZ-kr  
运行软件输入如下参数： \bU`  
tlDYk  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： ~c9>Nr9|`  
A5sf  

牛逼，学习了