[技术]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： _ds;:*N+qA  
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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。 1rS8+!9C  
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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。 tLxeq?Oo]  
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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。 M[+#*f.T}  
  
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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。 !iq|sXs  
&po!X )  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： Pf/8tXs}  
1w,34*-}  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： IT)3Et@Y  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; 1J72*`4OK  
I~6 o<HO  
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。 C,A/29R,s  
B,&QI&k`~  
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。 a4gX@&it_k  
?20R\ ]U  
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）； }'faf{W  
`23][V  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 nM
Z)x-  
}%-iJ\  
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)。 =R~zD4{"  
,QpFVlPU  
nI&p.i6  
使用柱面透镜生成器 5@-H8*  
u>G9r#~`k  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： =Xg/[J%  
 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。 h5pfmN\-5  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 ,Si{]y  
 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 hF$qH^-c*A  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子，如果y被选为弯曲轴，光线就会集中在y方向，但是不会在x方向。 N>,`TsUwW  
 就如轴对称透镜一样，柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 pkae9
1  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： Lr5{c5M  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 W&:0J  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 0?(uqjD:  
 表面的半孔径大于它的半径。 oP9 y@U  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 dq`{fqGl  
 表面的半孔径十分接近于它的半径(即小于半径，但是大于0.975*半径) |q8N$m  
 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。 ]@ke_' "  
 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)dE7$H  
 边缘厚度小于0。 \D(3~y>  
UAT\ .  
注意到，当我们遇到这些警告情况时，透镜仍然被创建了，尽管这可能是非物理的。 {wsJ1v8!  
 oC*a;o  
|Tc4a4jS  
脚本 Q$:Q6/5.  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： aK95&Jyw&  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 w$AR  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 xVbRCu#Z  
a. 插入默认值 'vZIAnB8  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 1}c'UEr%)  
3. 指定对话框的输入为变量。 5lJL[{  
4. 创建第一个和第二个表面。 ~59lkr8  
a. 如果没有弯曲，使用“平面”表面；如果有弯曲，使用“环形非球面” Um6}h@>  
b. 计算边缘处的表面矢高 'QxJU$  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 GCq4{_B\Q  
c. 指定裁剪规格 X-_VuM_p  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 VQ|{Q}  
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。 8cG`We8l&  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性 m7g*zu2#  
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 MTZCI}  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 LUId<We  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 `6J7c;:  
6. 创建透镜边缘 `D |/g;  
a. 计算边缘总长度 b<~-s sL7a  
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) ^@O7d1&y  
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”。 {yWL|:#K  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 *bf 5A9  
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。 GRbbU#/=G  
i. 创建分段曲线 vN\[2r%S  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 3CjixXaA$  
d. 指定裁剪规格 RuIBOo\XL7  
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) ~M-L+X
Zl(  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z 9N'fU),I  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 )Yy5u'}  
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。 2#R$-*;#  
7. 完成！ 6>rz=yAM_  
n}IGxum8`  
脚本代码分析 EI6kBRMo  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De BJWlx*U]  
; Z7!BU  
实例 ~Yi4?B<  
我们以库存号#86-030为例， 8]^|&"i.\d  
gM>?w{!LBx  
材料：SCHOTT N-SF5; *>:phs~r{  
中心厚度：6mm; P@ew' JL%  
孔径：D=12.5mm; $V!.z%Vgf  
波长：587.6nm; t-KicLr  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) SfC* ZM}
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形状：S1凸面；S2平面 \WFcb\..  
运行软件输入如下参数： x4c|/}\)*  
2SC-c `9)  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： g:)iEw>a  
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