[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： W= NX$=il  
w@2NXcmw  
概念：由圆柱体玻璃的一部分截制而成，由一柱面和一平面组成，其中包括平-凹和平-凸透镜。 xb[yy}>"L  
ww %c+O/  
光学特性：光线通过轴向子午线（图中的垂直方向）不会出现聚散度的改变。 Tg O]q4  
x3'ANw6E  
光线通过屈光力子午线（图中的水平方向）会出现聚散度的改变。 LT{g^g  
   #vK99S2  
应用：柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上，或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面，使入射光线能够聚焦于某个维度，并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正，适合用于激光线生成或变形光束整形，以环化激光输出。 U!+O+(  
y+BiaD!U  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： Z .`+IN(>E  
,hNs{-*  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： "xC$Ko _  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; `vt+VUNf  
$Rze[3  
第二种方法常用方法是使用软件自带的面型创建：主要的面型类型是XYToroidal Asphere、Toroidal Asphere,我们通过对每一面手动的输入参数来构建，但这种方法比较繁琐。 xM)P=y_!M+  
Wx/PD=Sf&  
第三种方法是在FRED厂商透镜目录库中导入或者从从光学设计软件中导入柱面透镜，并调整相应的参数。 |(x%J[n0+  
W{JR%Sq$  
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）； /tkV/  
71(ppsHk  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 pPsTgGai  
[D|Uwq  
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)。 # .&t'"u  
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FFwu$S6e  
使用柱面透镜生成器 F'<XB~&o  
%[*_-%  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： l-IA Q!d  
 表面的参数可以输入为半径或曲率，在这两种情况下，0值应该用于平坦的平面表面。 (Ms #)E  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 C.=%8|Zy  
 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 ,|+{C~Ojx  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子，如果y被选为弯曲轴，光线就会集中在y方向，但是不会在x方向。 hHEn  
 就如轴对称透镜一样，柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 sFk{Tv@Yz  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： <!W9EM  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 (8S+-k?  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 y\6C9%.  
 表面的半孔径大于它的半径。 Ktuv a3=>N  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 !=vsY]  
 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径，但是大于0.975*半径) 6a]Qg99\  
 当圆环表面创建时，当使用定义好的曲面细分设置，如果边缘延伸超过0.975*半径时，圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 j*VYUM@y1\  
 这一问题只会影响到视觉表示，而不会影响光线追迹和分析 L e
Up!  
 边缘厚度小于0。 o 8^!wGY  
5=<fJXf5y  
注意到，当我们遇到这些警告情况时，透镜仍然被创建了，尽管这可能是非物理的。 S2I{?y&K  
\ 511?ik  
jRk1Iu|7  
脚本 IQ#Kod;)  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： }i;!p Ue$  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 ]C_$zbmi  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 $f"Ce,f  
a. 插入默认值 r_^
]5C\  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 -k,}LJj
o  
3. 指定对话框的输入为变量。 wXeJjE%j:3  
4. 创建第一个和第二个表面。 XX1Iw {o9:  
a. 如果没有弯曲，使用“平面”表面；如果有弯曲，使用“环形非球面” g>?,,y6/w  
b. 计算边缘处的表面矢高 ac43d`wpK  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 8(6mH'^y  
c. 指定裁剪规格 %[?{H} y  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 A{eh$Ot%  
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。 zW95qxXg  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 Xs4G#QsAJ  
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 ui*CA^ Y
 
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 f,+ONV]5Tt  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 (j)>npOd9  
6. 创建透镜边缘 "aGpC{  
a. 计算边缘总长度 scEE$:  
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值，如果它是凹面) g3w-Le&T  
ii. 注意到，由于表面只在一个方向弯曲，边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 A@EUH  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 8{.:$T  
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。 B&lF! ]  
i. 创建分段曲线 y?s#pSX;N  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 N;av  
d. 指定裁剪规格 "OKsl2e  
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) y-7$HWn  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z ")qO#b4  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 {uO2m*JrI  
e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分，因此边缘表面可以正确的渲染。 ZnB|vfL?  
7. 完成！ 'q*/P&x5  
""F'Nzy  
脚本代码分析 0V#eC  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De L5>.ku=T  
X?]1/6rV  
实例 P-lE,X   
我们以库存号#86-030为例， z9*7fT  
"(y|iS$^T  
材料：SCHOTT N-SF5; }qdGS<{  
中心厚度：6mm; R$40cW3`  
孔径：D=12.5mm; L}U fd >*  
波长：587.6nm; .SSj=q4?  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) !*|`-woE  
形状：S1凸面；S2平面 @MGc
_"b  
运行软件输入如下参数： y>m=A41:g  
rsvGf7C  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： (A8X|Y  
(/l9@0Y.t  

牛逼，学习了