Optical Design Sandbox
在线光学方案搭建与仿真
选一颗激光二极管和一片准直镜，系统用真实非球面面型做快/慢轴光线追迹，自动找到最佳准直位置，给出光斑尺寸、残余发散和口径余量；线光源模式再加一片鲍威尔棱镜做扇面追迹。满意就一键转询价。
仿真结果 （扇面光线追迹 vs 公式）
线均匀度 8%
| 指标 | 结果 | 对照 / 说明 |
|---|---|---|
| 入射光斑 D · 慢轴 ∥ 2f·tanθ | Ø3.26 mm | 棱镜设计 Ø1 mm，比值 3.26×（0.8~1.2 为宜） |
| 实际扇角（50% 照度全角） | 68.8° | 棱镜标称 60°；1/e² 边缘光线 68.3° |
| 线长 L @ 500 mm · 追迹（50% 照度） | 685 mm | 公式 2·WD·tan(θ/2) = 577 mm |
| 线均匀度（线内中间 80%，min/max） | 8% | 该棱镜在设计光斑下 94% |
| 线宽 t @ 500 mm · 快轴 ⊥ | 0.356 mm | 准直状态 1.732 mm / 调焦到 WD 0.356 mm（几何像 ⊕ 衍射） |
| 线上平均功率密度 · P ÷ (L × t) | 0.7 W/cm² | P = 1.6 W，线功率 2.3 mW/mm |
| 棱镜设计参数（双曲柱面 + 平面） | α 71.8° | D-K9 / N-BK7 n=1.5253，R=0.284 mm，k=-1.524，CT≈5.1 mm |
| 发光点–准直镜距离 / 后截距 | 1.676 mm | 标称 EFL 3.1 mm，CT 3.21 mm |
- ⚠ 实际入射光斑是棱镜设计值的 3.26 倍，线两端偏亮（兔耳），应减小准直焦距或换更大设计光斑的棱镜。
说明：棱镜按「扇角 + 设计光斑」自动设计为圆锥系数 k<-1 的双曲柱面（Powell 面型），顶点半径 R 按平面目标上线照度最均匀优化，与厂家实际面型会有差异；扇面追迹为几何光学，光束按高斯分布加权，未含衍射与散斑；线宽沿用准直追迹，调焦线宽为几何像与衍射的平方和；棱镜材料折射率按 450 nm 取值。结果用于方案筛选与选型，批量前以实测为准。
线光源主要参数与公式
鲍威尔棱镜参数
- 设计入射光斑 D：棱镜圆角屋脊按这个 1/e² 光斑设计，常见 0.8 / 1.0 / 1.5 / 2.0 / 3.0 mm。实际光斑偏大 → 两端亮（兔耳）；偏小 → 中间亮呈高斯。
- 扇角 θ：由顶角 α 与折射率 n 决定，常见 10° ~ 110°。扇角随波长略变（n 随波长变）。
- 均匀度：一般按线长中间 80% 内的 min/max 评价，厂家典型 ≥ 80%。
公式
| 线长 | L = 2·WD·tan(θ/2) |
| 入射光斑（沿线轴） | D = 2·f·tan(Θ/2)，需 ≈ 棱镜设计值 |
| 线宽（准直状态） | t ≈ D⊥ + WD·w₀/f |
| 线宽（调焦到 WD） | t ≈ √[(w₀·WD/f)² + (2.44·λ·WD/D⊥)²] |
| 扇角（无圆角极限） | θ = 2·asin[n·sin(90°−α/2−r)]，sin r = cos(α/2)/n |
| 线上功率密度 | E = P / (L·t) |
Θ 为沿线轴的 LD 1/e² 发散全角，D⊥、w₀ 分别为垂直线方向的准直光斑直径和发光区尺寸，f 为准直镜焦距。
原理示意