[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： YRZ\nun  
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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。 )O'LE&kQ|  
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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。 ,dC.|P' `  
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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。 _i_='dsyW/  
   C% -Tw]T$_  
应用：柱面镜一般用于将入射光线聚焦到线上，或改变图像的宽高比。柱面镜有一个柱面表面，使入射光线能够聚焦于某个维度，并拉伸图像。柱面镜的焦距可为负或正，适合用于激光线生成或变形光束整形，以环化激光输出。 5c- P lm%  
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在FRED中共有四种方法设计柱透镜： jY6GWsh:9  
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第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： }:
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在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; EN m%(G$  
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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。 !y_FbJ8KC  
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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。 W3:j Z:  
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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）； h<9vm[.  
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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。 i(~DhXz*T  
^4=#,K  
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)。 gvP-doA7W  
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使用柱面透镜生成器 kf@JEcKV  
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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： %ap(=^|5  
 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。 rrL.Y&DTK  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 e!6yxL*[@[  
 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 s|%R  
  “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。 UJO3Yn
 
 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。 bM?gAY]mB8  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： U["0B8  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 uV:R3#^  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 n/KO{:  
 表面的半孔径大于它的半径。 E#
!N8fQ  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 tW/k  
 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) tz;3  
 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。 l'I:0a 4T  
 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 >XtfT'  
 边缘厚度小于0。 q,Gymh;  
B[8bkFS>]  
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。 >/ay'EyY;>  
`W86]ut[  
Pd7\Q]of  
脚本 SK
C;@?  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： _}R9!R0O  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 >YI Vi4''  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 3\W/VBJJ  
a. 插入默认值 [9 MH"\  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 5W)ST&YPL*  
3. 指定对话框的输入为变量。 $udhTI#,  
4. 创建第一个和第二个表面。 aL1%BGlmZ<  
a. 如果没有弯曲，使用“平面”表面；如果有弯曲，使用“环形非球面” gqS9{K(f  
b. 计算边缘处的表面矢高 mx^Ga=: ?  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 w_{tS\  
c. 指定裁剪规格 ~| j eNT  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 tp`1S+'~j  
ii. 如果sag小于0.1，设置z裁剪半孔径为0.1，否则设置为|sag|*(3/5)，这比1/2稍大一些，因此表面可以正确的渲染。 I)mB]j  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 cWAw-E5  
e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分，因此环形表面可以正确的渲染 R;DU68R  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 =}Tm8b0  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 C8K2F5c5  
6. 创建透镜边缘 ^/BGOBK  
a. 计算边缘总长度 wPg/.N9H  
i. 中心厚度+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面)+(表面2矢高的绝对值，如果它是凹面) rZ?:$],U!  
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”。 M v6 ^('  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 +vkmS  
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。 !<M eWo  
i. 创建分段曲线 %jtUbBN  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 2 GR
I<M  
d. 指定裁剪规格 @HS*%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) Uxjc&o  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z f\_RW;y|m  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 ]s=|+tz\V  
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。 6:5K?Y
o  
7. 完成！ nL 5tHz:e  
c`<2&ke  
脚本代码分析 -'Z Gc8)  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De X%b1KG|#(  
O|H:  
实例 ?I=1T.  
我们以库存号#86-030为例， $e+sqgU  
+Kk1[fh-  
材料：SCHOTT N-SF5; f=^xU P  
中心厚度：6mm; LwB1~fF  
孔径：D=12.5mm; cK'g2S  
波长：587.6nm; j*>J1M3E  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) j4IVIj@$`  
形状：S1凸面；S2平面 rxyv+@~Nc  
运行软件输入如下参数： |<Ls;:5.  
Ic(qA{SM  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： Dck/Ea  
L3{(Bu  

牛逼，学习了