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如何为光学创建复杂的透镜结构结构

作者斯图尔特·巴恩斯（Stuart Barnes）

2018年5月7日

“射线光学”扩展扩展comsolMultiphysics®软件软件功能功能功能功能功能功能引入射线追踪仿真仿真。了该模块模块模块模块模块模块模块在在环境中再是难题创建几何模型是仿真第一步。本本本文文以以以以以以以透镜透镜透镜

定义复杂系统的光学指标

petzval透镜透镜的之一示例示例透镜透镜透镜透镜透镜透镜。下图展示展示展示了了了了焦距焦距焦距焦距焦距为为为为为为为为为为为为为为F/2.4的多元系统。

petzval透镜示意图。
petzval透镜透镜透镜。。

下表给出这摄影机镜头光学指标（与参考文献1一致）。。两个和一一透镜组成射线射线射线折射折射折射折射穿过八八个不同不同的表面表面。图片还还还显示显示显示了另外另外

表面索引	单元数量	名称	（毫米）	厚度mm）	（毫米）	材料
0	不适用	物体	∞	∞	不适用	不适用
1	1	透镜1	99.56266	13.00000	28.478	S-BK7
2	2	透镜2	-86.84002	4.00000	26.276	S-BASF12
3	不适用	不适用	-1187.63858	40.00000	22.020	不适用
4	3	光阑	∞	40.00000	16.631	不适用
5	4	透镜3	57.47191	12.00000	20.543	S-SK2
6	5	透镜4	-54.61865	3.00000	20.074	S-SF5
7	不适用	不适用	-614.68633	46.82210	16.492	不适用
8	6	透镜5	-38.17110	2.00000	17.297	S-SF5
9	不适用	不适用	∞	1.87179	18.940	不适用
10	不适用	图像	∞	不适用	17.904	不适用

comsol Multiphysics及及附加的的的模块模块模块模块之前之前之前之前之前，我们我们之前之前之前需要需要需要创建创建模型的几何几何结构。在章节

创建petzval透镜透镜的模型模型

在comsol多物理学中中创建结构结构结构有种一种方法使用体素体素体素体素

comsolMultiphysics®各种透镜几何选项截图截图。。。。。。。。。。

（（（（（（））以及以及以及分割运算。。。）

发现发现发现发现说，不同透镜步骤相同，但是的的的的表面曲率半径半径各不相同。为了为了避免连续连续连续多多多次次建立建立相同的几何零件。这些参数序列，能够序列序列体素一样调用。通过零件实例节点来透镜在节点中，相关中中输入均均取。。。

示例展示个用户自定义的几何零此例中，此例例中中例例透镜

用户自几何零件的示例。

““射线”提供一组预件件件件件件件件零零拥有光学光学仿真最最常用常用的的的形状形状形状形状形状形状形状形状形状形状形状，包括包括常用最最最最最仿真仿真仿真仿真仿真仿真仿真仿真仿真仿真光学模块“的”零件库”。

使用“射线光学”的“零件库”

“射线”已经创建了种二三维零。个更高级的案例是三维普通球面透镜（（（））。。零件可用于形式的透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜的的的的的的的表面表面表面表面的的的的任意任意实际上实际上实际上实际上实际上实际上实际上实际上双高斯透镜。下图中展示了圆形平面环零件零件方便我们创建光阑定义定义图像平面。

“射线”的“零件库”中：三维：三维三维球面透镜（（（图图图图图图和和和平面平面。。。。。）

“射线”提供的“零件库”中中的件包含一个多个个变量。这些为了以各种的方式相同的基本零件，为，为，为三维普通球面透镜指定不同通光或通光孔径分数。其他指定或边缘边缘厚度厚度厚度厚度厚度厚度厚度厚度厚度厚度厚度厚度厚度边缘边缘边缘生成生成生成各各种种。。我们还还还可以有效有效有效焦距焦距

将光学指标加载到到comsolMultiphysics®中

petzval透镜几何基本。接着，我们接着接着接着个个个三维普通球面透镜的实例实例的光学中中参数也就曲率半径半径中心中心（（模型节点，从而中中如此一来来，以后如此一，以后调整光学光学

petzval透镜的指标参数窗口。。
petzval透镜模型光学指标。。

现在从“零件库”中中了两个件（（三维普通球面透镜和圆形平面环（零），现在现在插入透镜透镜透镜透镜（（（（的第一单元。定义的光学用作用作用作用作用作用作零件实例节点的参数。个透镜透镜参数都都拥有一个的的名称名称（（比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如比如，，，，，，，，，，，，，，，，表达式字段中也加载包含每透镜单元的表达式的文本文本文件，从而文件文件文件文件

透镜几何的个单元设置窗口截图。
PETZVAL透镜几何的第一个单元单元透镜透镜透镜透镜。。。。。。。。。。。

需要注意是，除了允许表面孔径外，，三维普通球面透镜件还指定每表面表面的直径和整个透镜透镜这些功能功能功能使得使得我们我们我们可以可以构建出与计划计划计划制造制造的的的几何几何结构非常非常匹配的的的的的。。。。。上的与效应的高保真。。

接下来，如，插入，插入，插入三维普通球面透镜的个，它的是定义定义定义定义。。面之间距离因此，，三维普通球面透镜零件定义包含定位每透镜透镜的入射和出射工作平面平面。。之后1的出射面透镜透镜的之间的距离例例例中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中。。。。。。。由由由由此此了了双双双合透镜合透镜合透镜合透镜合透镜合透镜合透镜

petzval透镜几何的个单元。。。
petzval透镜模型结构的第二个单元（透镜透镜。。。。。。。。。。

多：petzval透镜透镜追踪追踪追踪

petzval透镜的图像添加添加添加添加定义定义了透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜几何几何几何模型中中中为了起起起起起起见见见见见见见见见见见几何几何几何几何几何几何几何几何几何几何几何几何几何几何几何几何透镜透镜几何几何几何几何（（（）如下孔径孔径孔径孔径孔径杂光如下如下如下可以看到看到看到看到看到看到看到物理量，比如透镜中结构位移位移，借结构结构简化双向耦合多物理场的

完整petzval透镜透镜模型的网格单元。。。
petzval透镜几何，图片图片显示表面。。。