[分享]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： `;&=m, W'  
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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。 k_1oj[O  
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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。 ;MjOs&1f0K  
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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。 %`:+A?zL  
   e{d$OzT) V  
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。 {1W
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在FRED中共有四种方法设计柱透镜： 2|LkCu)~,"  
&r V  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： 2LH.If  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; K|-RAjE  
If(IG]>`D  
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。 _95`w9  
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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。 )UG<KcdI  
)L:p.E  
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）； !:Clzlg  
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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。 W=T,hOyh<W  
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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)。 .(2ui~ed  
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dzZ75  
使用柱面透镜生成器 Se %"C&  
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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： t@\op}Z-M  
 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。 l@ W?qw  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 3F6=/  
 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 Vtr5<:eEx  
  “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。 \@HsMV2+zN  
 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。 #q%V|Ajq  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： ..hD_k  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 @fxDe[J:  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 BTu_$5F  
 表面的半孔径大于它的半径。 Cn>RUGoUsI  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 KnuQ
5\y  
 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径，但是大于0.975*半径) THbV],RhJ  
 当圆环表面创建时，当使用定义好的曲面细分设置，如果边缘延伸超过0.975*半径时，圆环表面将不会正确的渲染。提高曲面细分数将会改善渲染效果。 O}IRM|r"  
 这一问题只会影响到视觉表示，而不会影响光线追迹和分析  9>k-";  
 边缘厚度小于0。 9xm'0 '  
Gv3AJ'NL  
注意到，当我们遇到这些警告情况时，透镜仍然被创建了，尽管这可能是非物理的。 c={bunnz#  
.;xt{kK  
H(TY.  
脚本 9G@ J#vsqr  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： B:Xmc,|,  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 CUR70[pB)  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 "2'pS<|  
a. 插入默认值 ^ |^Q(  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 41[1_p(  
3. 指定对话框的输入为变量。 \Y{^Q7!>:8  
4. 创建第一个和第二个表面。 j%qBNoT~  
a. 如果没有弯曲，使用“平面”表面；如果有弯曲，使用“环形非球面” ,9C~%c0Pw  
b. 计算边缘处的表面矢高 RvPC7,vh  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 Tl9;KE|  
c. 指定裁剪规格 [*k25N  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 eBmBD"$   
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。 oe
8six
Z[  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 ?<iinx   
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 `;9
Z?]}`  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 m*d {pX  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 DhAQ|SdCf  
6. 创建透镜边缘 cq=ker zQ  
a. 计算边缘总长度
b5MCOW1+  
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)  jx3J$5  
ii. 注意到，由于表面只在一个方向弯曲，边缘表面一定延伸了整个透镜“长度”。 XRMYR97  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 m;S!E-W  
c. 如果透镜孔径是矩形/方形，使用带有“列表柱面”的分段曲线作为准线。 o-))R| ~z  
i. 创建分段曲线 KL8G2"Z  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 _i=431Z40  
d. 指定裁剪规格 3Vu_-.ID  
i. (边缘宽度)/2的z-裁剪中心+(表面1矢高的绝对值，如果它是凹面) 6i6m*=h  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z %q~
YJ*\  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 I,*zZNvRi  
e. 在x, y和z方向以0.05的步长进行曲面细分，因此边缘表面可以正确的渲染。 fq@r6\TI  
7. 完成！ J 8z|ua  
]5V=kNui  
脚本代码分析 X#bK.WN$  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De 7wivu*0  
|4J ;s7us  
实例 /E/Z0<l7  
我们以库存号#86-030为例， rjFIK`_w  
k$kOp *X  
材料：SCHOTT N-SF5; &tNnW  
中心厚度：6mm; H{}Nr 4  
孔径：D=12.5mm; U?bQBHIC  
波长：587.6nm; -x~4@~  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) q X"Pg  
形状：S1凸面；S2平面 `b11,lg  
运行软件输入如下参数： SBf8Ipe  
9J*M~gKbz  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： 'n>v}__&|  
M$jU-;hRH  

牛逼，学习了