[技术]柱面透镜的设计 [复制链接]

简介： 4PO%qO  
\4\\575zp'  
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+h9bI/Sf  

qSpa4W[  
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。 LRCS)UBY(.  
MuFU?3ovG*  
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。 -_{C+Y
_  
   c5=v
`hv  
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。 Cdt,//xrz  
T4Ho
Sei  
在FRED中共有四种方法设计柱透镜： VJ6>3  
9a
F..  
第一种方法是使用FRED里面自带的基元元件快速创建工具： s!j(nUd/  
在FRED菜单中选择Create/Element Primitive/Cylinder lens; +QXYU8bYZ  
H4y1Hpa,  
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。 j;AzkReb  
<PfPh~  
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。 w371.84
 
l|ZzG4
]+l  
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）； pzt Zb  
e&H<lT  
在Edmund网站找到该透镜，并可以查看具体的加工参数。 XY+au
nLf  
N}l]Ilm$34  
本文我们主要讲述第四种方法，通过脚本方式创建整个模型。包含了一个可以产生柱面透镜的脚本，基于用户规格输入参数到基本对话框中，如下所示。使用该工具，和生成轴对称透镜大致相同的方式，可创建柱面透镜。柱面透镜生成器可指定以圆形/椭圆和方形/矩形孔径，以及指定弯曲轴(x或y)。 Ghq'k:K,  
+3o)L?:g  
!7ZfT?&  
使用柱面透镜生成器 Ltic_cjYd?  
];b!*Z  
对话框输入的参数一目了然，但是有几个事项阐明如下： t7!>5e)C}  
 表面的参数可以输入为半径或曲率，在这两种情况下，0值应该用于平坦的平面表面。 ktw!T{  
 厚度是介于轴上两表面的中心厚度。 F'5d\v  
 只有存在于FRED文件“材料”文件夹中的材料才能作为基质和浸润材料可选项 7>2j=Y_Kp  
  “弯曲轴”指的是沿着弯曲表面的轴。举个例子，如果y被选为弯曲轴，光线就会集中在y方向，但是不会在x方向。 j3rv2W\  
 就如轴对称透镜一样，柱面透镜被分配了一个“透射”涂层和“透射镜面”光线追迹属性。 :S+U}Sm[  
 如果遇到了任何以下的情况，输出窗口会出现警告： V&,<,iNN  
 相同名字的元件已经存在于几何文件夹中。 L>5!3b=b  
 通常不建议两个元件具有完全相同的名字。 M;p q2$  
 表面的半孔径大于它的半径。 %B {D  
 在这种情况下，表面的创建取决于它的半径。 ZTBFV/{  
 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) @rK>yPhf  
 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。 7ck0S+N'b  
 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 ,[ J'!NC1  
 边缘厚度小于0。 q| =q:4_L  
~gi( 1<#  
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。 '9p5
UC  
&W!d}, ;  
<k-@R!K~JC  
脚本 li_pM!dWU_  
柱面透镜生成器的脚本结构如下： $NGtxZp  
1. 在“材料”文件夹中生成一系列材料。 l LD)i J1  
2. 用于各种用户输入显示对话框。 ?;KJ (@Va  
a. 插入默认值 SVs~
,  
b. 如果点击“取消”按钮，结束脚本 =iK6/ y`  
3. 指定对话框的输入为变量。 VrGb;L'[  
4. 创建第一个和第二个表面。 FUqhSW  
a. 如果没有弯曲，使用“平面”表面；如果有弯曲，使用“环形非球面” 0Li'a{n2  
b. 计算边缘处的表面矢高 dpGQ0EzH^  
i. 如果孔径规格延伸超过半径，设置为0 ?9r,Y;,
H  
c. 指定裁剪规格 3~3(G[w  
i. 中心z-裁剪，设置为sag/2处 &v9PT!R~  
ii. 如果sag小于0.1，设置z裁剪半孔径为0.1，否则设置为|sag|*(3/5)，这比1/2稍大一些，因此表面可以正确的渲染。 a@=36gx)  
d. 设置材料、涂层以及光线追迹属性  0[!gk]p  
e. 在x, y和z方向以0.15的步长进行曲面细分，因此环形表面可以正确的渲染 i8[Y{a*  
f. 根据透镜厚度值，移动第二个表面 Hj4w i|  
5. 计算边缘厚度，如果小于0，输出警告。 Ye=7Y57Nr  
6. 创建透镜边缘 d$pf[DJQo  
a. 计算边缘总长度 _~S^#ut+  
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) .Mco
W7|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”。 zc,9Qfn  
b. 如果透镜孔径是圆形/椭圆形，使用“柱面”表面。 'ZZWH  
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。 q(ET)xCeD  
i. 创建分段曲线 )|^<woli,  
ii. 使用分段曲线作为准线，创建列表柱面 >->xhlL*  
d. 指定裁剪规格 b}U&bFl  
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) 8.%a"sxr  
ii. 如果表面1是凹面，透镜边缘延伸到了-z -IsdU7}  
iii. 使用两个透镜表面来裁剪边缘 |8U7C\S[  
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。 ie)1h  
7. 完成！ pS@VLXZP  
dR, NC-*  
脚本代码分析 o`1V  
http://pan.baidu.com/s/1hrsD8De L+ETMk0  
UE`4$^qs  
实例 l0_E9qh-i  
我们以库存号#86-030为例， NF)\">Ye  
&{4Mo,x  
材料：SCHOTT N-SF5; A&lgiR*ObT  
中心厚度：6mm; 09;'z  
孔径：D=12.5mm; F-7b`cF9[r  
波长：587.6nm; K#C56k q&  
半径：S1=6.727, S2=infinity(曲率为0) iN/!k.ybW}  
形状：S1凸面；S2平面 6p]R)K>wS  
运行软件输入如下参数： 8YLZ)k'  
aU8Ti8A>  
并创建合适的光源和探测器，3D显示效果如下： U W)&Eky  
b%jG?HSu