tilted

zemax说明

一Zemax中实现倾斜的物和像平面可以采用

Tilted类型的面，

其中

x

、y

分别为面和x、y轴的夹角。这两个角

度在面属性中可以设置，表示为xtangent和y

tangent。

二coordinatebreak类型的面

安排了一些面之后，接下来如果希望在新的坐标

系下安排面，那么需要进行坐标转换，为了实现

坐标转换，可以采用coordinatebreak类型的

面，coordinatebreak类型的面有6个参数x-decenter,

y-decenter,tiltaboutx,tiltabouty,tiltaboutz，order。x-decenter,y-decenter为新的坐

标原点相对旧的坐标系的位移，tiltaboutx,tiltabouty,tiltaboutz，新的坐标原点相对

旧的坐标系的各个轴的旋转角度，所有角度是按照右手螺旋规则定的，大拇指指向坐标

系的相应轴正方向。当order=0时，坐标转换的顺序为x-decenter,y-decenter,tiltabout

z，tiltaboutx,tiltabouty。当order不为0时，坐标转换的顺序为tiltaboutx,tiltabout

y,tiltaboutz，x-decenter,y-decenter。

coordinatebreak类型的面是虚拟的，因此不能

定义玻璃，仍然采用前面的玻璃类型，Zemax

也不会画出这个面。coordinatebreak类型的面

不能作为反射面(mirror)。

一下为一个简单的例子，图中透镜2相对x轴透

镜1沿x轴旋转45度，显然这个角度按右手螺旋规则

是正的。且坐标旋转是在透镜1之后100unit处开始的，旋转之后马上开始放置透镜2。

三面的倾斜与位移（tilt/decenter）

为了完成面的旋转也可以采用Tilt设置，见说明

书52页。面的倾斜与位移（tilt/decenter）设置

是为了在光纤到达这个面之前或之后实现坐标

系的转换。面的倾斜与位移可以看成是一个

coordinatebreak面紧接着一个实际的面再接着

一个coordinatebreak面。面的倾斜与位移的好

处就是在棱镜数据中省掉了虚拟面--coordinate

break面的设置。

设置界面如下。

位移的量及旋转的角度的规定同coordinate

break面的规定。在光线到达之前的decenter/tilt

的顺序为x-decenter,y-decenter,tiltaboutx,tilt

abouty，tiltaboutz。当然也可以先tilt后

decenter，即tiltaboutx,tiltabouty，tiltaboutz，

x-decenter,y-decenter。

在光线到达之后的decenter/tilt的顺序与上

面的规定一样。在光线到达之后的decenter/tilt

方式有多种选择。1）Explicitly，单独设置

decenter/tilt值。2）Pickupthissurface，直接

采用在光线到达之前的设置值，即afterSurface

的设置值与BeforeSurface的设置值相同。通常

用于设置foldmirror，使光路做90度转弯。3）

reverthissurface，采用与光线到达之前的设

置值相反的设置值，即afterSurface的设置值为

BeforeSurface的设置值的负值。是的坐标系又

恢复到原来的样子。4）Pickupsurface1，采用

前一个面的BeforeSurface的设置值。5）Rever

surface1，采用前一个面的BeforeSurface的设

置值的负值。4、5设置方式用于实现一系列面

的decenter/tilt。

一个面采用afterSurface的设置与Before

Surface设置之后，它的thickness是在变换之后

的新坐标中度量的，其后的面将在变换之后的新

坐标中放置。

4渐变折射率面

渐变折射率面有10中之多。并不是所有的

面后面都可以跟Gradient类型的面，如果一个

面之后不能跟Gradient类型的面，Zemax会提

示一个错误。

Gradient1.

折射率分布为2

02r

nnnr，其中，222rxy。共

有三个设置参数

0

n、

2r

n、t。

其中t为最大步进值，它决定了光纤追迹的

速度和精度。确定一个合适的值的步骤如下。先

设定一个较大的值，观察点列图，记下RMSspot

size值。再将t设为原来的一半，观察点列图，

考察RMSspotsize值，如果RMSspotsize值只

减小很少的比例，说明新的t值是合适的；否则

可以继续减小t。过小的t值在降低光线追迹的

速度时也不一定能够提高精度。OPD追迹的收

敛速度一般比光线追迹的速度慢，所以在做

OPD追迹计算时最好按照上面的方法重新检验

t值是否合适。在设计的过程中应经常检查一下

t值是否合适。

Gradient6.

，

其中波长的单位为纳米。

5BirefringentIn和BirefringentOut面

定义的是单轴晶体，含有一个光轴，正常折

射率方向(ordinary)，反常折射率方向

(extraordinary)。单轴晶体具有双折射性能，单

轴晶体的具体性能一般的光学教材上有详细的

讲解。名词，Calcite：方解石。参数定义包括如

下几个方面。

折射率的定义。Ordinary折射率

o

n的定义和

一般的面的玻璃类型的旋转一样，extraordinary

折射率

e

n的无需设计者输入，系统将自动在

Ordinary折射率玻璃的名称后加上-E，然后在

数据库中找到这一名称的玻璃。比如，

BirefringentIn的GlassCatelog里面输入的是

ADP（磷酸二氢铵），那么计算过程中Zemax软

件将在数据库里搜寻ADP-E玻璃，并将其折射

率作为

e

n。如果-E玻璃不存在，系统将报错。除

非计算非寻常光线，系统一般采用

o

n计算，如计

算EFL、EPD、F/#。

晶体的轴的方向。由parameter2，3，4定

义晶轴与x，y，z轴的夹角的余弦值。比如要定

义晶轴沿z轴，那么这三个参数为（1,0,0）。这

里的x，y，z轴是指BirefringentIn或

BirefringentOut面所处坐标系中的轴。

追迹哪些光线。这由parameter1定义。取

值0或2时，系统计算寻常光线(ordinary)；取

值1或3时，系统计算非寻常光线

(extraordinary)。系统不能同时计算ordinary和

extraordinary光线。为了方便计算ordinary和

extraordinary光线，可以设置

Multi-configurationlens。

相位旋转计算（pharotationcalculation）。

当考察偏振光时需要计算相位旋转。偏振光进入

晶体中会分成寻常光和非寻常光，他们之间成很

小的角度，随着传输距离的增加，这两束光之间

的距离会增大而分离开来。如果传输距离很短，

那么他们就不会分开太多，如果认为他们是重合

的，那么在输出端这两束光纤可以相干干涉并合

成为一束光线，偏振态会发生变化。

如果parameter1取值0或1，系统就不计

算相位旋转，即不计算偏振态的前述变化。系统

只计算ordinary和extraordinary光线中的一

个，另一个光线所占据的能量被抛弃。

如果parameter1取值2，系统计算ordinary

光线，同时计算extraordinary光线引入的相位

旋转。如果parameter1取值3，系统计算

extraordinary光线，同时计算ordinary光线引

入的相位旋转。这两种情况下，系统会计算偏振

态的变化。能量没有损失。

传输特性与双折射。光的传播方向与晶轴决

定的平面称为主平面。S方向偏振，垂直于主平

面的方向；P方向偏振，平行于主平面的方向。

（注：在教材中分别指D垂直于和平行于主平面

的方向）。S方向偏振的光无论沿什么方向传播，

永远是寻常波，经历的折射率为

o

n。P方向偏振

的光沿垂直于晶轴方向传播时，为寻常波，经历

的折射率为

e

n；沿非垂直于晶轴方向传播时，为

非寻常波，经历的折射率为有效折射率，表示为

22

22

1

cossineff

oe

n

nn







，

其中，为光的传播方向与晶轴的夹角。

当然，当沿平行于晶轴方向传播时，不需要

分S方向和P方向，可看成是是S方向的光，

为寻常波，经历的折射率为

o

n。

如果parameter1取值0，系统计算寻常光

线(ordinary)，此时只考虑S方向的偏振；如果

parameter1取值1，系统计算非寻常光线

(extraordinary)，此时只考虑P方向的偏振；如

果parameter1取值2，系统计算寻常光线

(ordinary)，此时S方向的偏振光分量的折射率

取

o

n，P方向的偏振光分量的折射率取eff

n，并按

照相位旋转计算的模式计算相位旋转及偏振态

变化；如果parameter1取值3，系统计算非寻

常光线(extraordinary)，此时S方向的偏振光分

量的折射率取

o

n，P方向的偏振光分量的折射率

取

eff

n，并按照相位旋转计算的模式计算相位旋转

及偏振态变化。

BirefringentIn面的参数定义：

parameter0定义光轴的显示长度，取值0

表示不显示，parameter5如果取0之外的值，

那么近轴光线不考虑非寻常折射率，大多时候

parameter5取0。

BirefringentOut面没有任何设置参数，

BirefringentIn和BirefringentOut面的形状参

数与标准面一样。BirefringentIn和Birefringent

Out面一般成对使用。

6Paraxial面。是一个平面，相当于一个理想的

透镜，通常用于汇聚平行光。所以Paraxial面通

常放置在光线被准直的面后面，这些散焦不汇聚

的光通过Paraxial面之后就汇聚了，并且将

Paraxial面的厚度设置为与它的focallength一

样。如果OPDmode=0，计算OPD不考虑像差。

7Toroidal，ToroidalGrating面

这两种面都是现在YZ平面内定义一条曲

线，然后围绕一条平行于Y轴与Z轴相交的轴

旋转，旋转半径为R，R为曲线顶点到旋转轴的

距离。R由Parameter1设定，如果Parameter1

设为0，Zemax就认为旋转半径为无穷大，结果

为一个沿X方向的柱面。

8Biconic面

Biconic面与ToroidalGrating面非常相似，

只不过是表达式里x分量，因此无需旋转轴，且

x、y分量的地位一样。

9Zemax中Sag的定义

和一般教材中的定义一致，指顶点（Vertex）

与面上边缘点到光轴的投影的距离，有正负之

分，符号定义同Radius。面上不同点的Sag不

同，可以这样认为，Sag指面上的点到位于Vertex

与光轴垂直的平面的距离。这里Vertex指面与

光轴的交点。

Zemax中的Edgethickness的定义与Sag相

关，详见说明书。