JP2006153810A - Optical characteristics-analyzing system for optical equipment - Google Patents

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Tomoko Ito
知子 伊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical characteristics-analyzing system for quickly verifying influence to optical characteristics due to water absorption of each component composing an optical system, by finding the material characteristics necessary for optical characteristics analysis of an optical component in a short time. <P>SOLUTION: The optical characteristics-analyzing system at least comprises a diffusion constant acquisition means 1 for calculating a diffusion constant of a component material composing the optical system, for which the diffusion constant is unknown, an optical system model generating means 2 for generating a numerical analysis model necessary for numerical analysis by a finite element method, and an optical characteristics-calculating means 3 for calculating the optical characteristics. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光学部品を有する機器の光学特性を解析するシステムに関する。   The present invention relates to a system for analyzing optical characteristics of an apparatus having optical components.

光学機器の設計においては、光学機器の設置環境等が光学特性に及ぼす影響を考慮する必要がある。特に、光学機器に備わる光学系がプラスチックス部品を含む場合には、ガラス部品と比較して相対的にプラスチックス部品の吸水性が高いことから、高湿度環境下においてプラスチックス部品の光学特性が吸水によってどの様に変化するかを設計段階で検証する必要がある。   In designing optical equipment, it is necessary to consider the influence of the installation environment of the optical equipment on the optical characteristics. In particular, when the optical system of an optical device includes plastic parts, the plastic parts have higher water absorption than glass parts, so the optical characteristics of the plastic parts are high in a high humidity environment. It is necessary to verify at the design stage how it changes due to water absorption.

そのため、近年の光学機器の設計においては、数値解析により求めた光学系への吸水の影響を考慮して光学特性を算出し、光学系設計案の光学特性が設計仕様を満たすか否かを検証した上で、最適な機械的および光学的な設計パラメータを決定している。   Therefore, in recent optical equipment design, the optical characteristics are calculated in consideration of the water absorption effect on the optical system obtained by numerical analysis, and it is verified whether the optical characteristics of the optical system design plan meet the design specifications. After that, the optimum mechanical and optical design parameters are determined.

特許文献1には、吸水により樹脂製光学素子の特性が経時変化する様子をシミュレートする光学特性解析システムについて開示されている。
特開2004−012249号公報
Patent Document 1 discloses an optical characteristic analysis system that simulates changes in characteristics of resin optical elements over time due to water absorption.
JP 2004-012249 A

近年、光学機器製品の開発期間の短縮が要求されているため、数値解析的手法を用いて試作前に設計案の光学特性を検証し、設計の後戻りをなくすことによって開発期間の短縮を実現することが望まれている。   In recent years, there has been a demand for shortening the development period of optical equipment products, so the numerical characteristics can be used to verify the optical characteristics of the design proposal before prototyping. It is hoped that.

しかしながら、従来の光学特性解析システムにおいては、有限要素法解析等の解析手法に用いる解析モデルに必要となる材料特性を実測しなければならないため、測定用試験片や測定治具の製作および材料特性の測定自体に時間を要し、開発期間の短縮を難しくしているという問題があった。   However, in the conventional optical property analysis system, the material properties necessary for the analysis model used for the analysis method such as the finite element method analysis must be measured. The measurement itself took time, and it was difficult to shorten the development period.

特に、光学系を構成するプラスチックス部品への吸水の影響を検証するためには、材料特性として各プラスチックス材料に対する水の拡散定数を必要とし、拡散が遅い材料では一回の拡散定数の測定に一ケ月以上を要する場合がある。   In particular, in order to verify the effect of water absorption on the plastic parts that make up the optical system, it is necessary to have a water diffusion constant for each plastics material as a material property. May take more than a month.

また、拡散定数には温度依存性があるため、複数の温度で拡散定数の測定を行なう必要がある。このように、限られた開発期間内では拡散定数を実測するための十分な時間を取ることができないため、現状では数値解析による設計案の検証を十分かつ迅速に行なうことが困難となっている。   Further, since the diffusion constant has temperature dependence, it is necessary to measure the diffusion constant at a plurality of temperatures. As described above, since it is not possible to take sufficient time to actually measure the diffusion constant within the limited development period, it is difficult to verify the design plan by numerical analysis sufficiently and quickly at present. .

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、光学部品を有する機器の光学特性を解析するために必要となる材料特性を短期間で求め、光学系を構成する各部品の吸水による光学特性への影響を迅速に検証できる光学特性解析システムを提供することである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a problem to be solved is to obtain material characteristics necessary for analyzing optical characteristics of a device having an optical component in a short period of time, and an optical system. It is an object to provide an optical characteristic analysis system capable of quickly verifying the influence of water absorption on each part constituting the optical characteristic on water.

上記課題を解決するために、本発明に係る光学機器の光学特性解析システムは、拡散定数が未知である光学系を構成する部品材料に対して、任意の直方体領域に配置した前記部品材料の分子及び水分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となる安定配置を記憶する安定配置記憶手段から安定配置データを読出し、該安定配置から所定時間の前記水分子の運動を分子動力学法により解析して得る前記水分子の変位量から拡散定数を算出して拡散定数記憶手段に記憶する拡散定数取得手段と、前記光学系をメッシュ分割して有限要素法による数値解析に必要な数値解析モデルを生成し、数値解析モデル記憶手段に記憶する光学系モデル生成手段と、前記拡散定数と前記数値解析モデルとを用いて所定の湿度環境下での前記光学系の吸水分布を算出して得る屈折率分布と、前記吸水分布により生じる前記光学系の変位量を算出して得る変形後の光学面形状と、から光学特性を算出する光学特性算出手段と、を少なくとも備える。   In order to solve the above-described problem, an optical characteristic analysis system for an optical device according to the present invention provides a molecule of the component material arranged in an arbitrary rectangular parallelepiped region with respect to the component material constituting the optical system whose diffusion constant is unknown. And stable configuration data is read from a stable configuration storage means for storing a stable configuration in which the potential energy between atoms constituting the water molecule is substantially constant, and the motion of the water molecule for a predetermined time is read from the stable configuration by a molecular dynamics method. Diffusion constant acquisition means for calculating a diffusion constant from the displacement amount of the water molecule obtained by analysis and storing it in a diffusion constant storage means, and a numerical analysis model necessary for numerical analysis by the finite element method by dividing the optical system into meshes And the optical system model generation means for storing in the numerical analysis model storage means, the optical under a predetermined humidity environment using the diffusion constant and the numerical analysis model An optical property calculation means for calculating an optical property from a refractive index distribution obtained by calculating a water absorption distribution of the optical system, and a deformed optical surface shape obtained by calculating a displacement amount of the optical system caused by the water absorption distribution. At least.

本発明によると、拡散定数取得手段によって、拡散定数が未知である光学系を構成する部品材料の拡散定数を正確に決定することができるので、この拡散定数を用いて算出される吸水分布も正確に求めることが可能となり、更に、この吸水分布から吸水で生じる光学系の変位量、すなわち、変形後の光学面形状も正確に求めることが可能となる効果を奏する。   According to the present invention, the diffusion constant obtaining means can accurately determine the diffusion constant of the component material constituting the optical system whose diffusion constant is unknown, so the water absorption distribution calculated using this diffusion constant is also accurate. Further, it is possible to obtain the displacement amount of the optical system caused by water absorption, that is, the shape of the optical surface after deformation, from the water absorption distribution.

また、光学系を実測した場合に考えられる測定環境や試験片のバラツキの影響を受けることなく、前記屈折率分布及び前記光学面形状から、吸水で生じる光学面の変形の影響に基づく光学特性の変化を正確に把握することが可能となる。   Moreover, the optical characteristics based on the influence of the deformation of the optical surface caused by water absorption can be obtained from the refractive index distribution and the optical surface shape without being affected by the measurement environment considered when the optical system is actually measured and the variation of the test piece. It becomes possible to grasp changes accurately.

また、上記課題を解決するために、本発明は、拡散定数が未知である光学系を構成する部品材料に対して、任意の直方体領域に配置した前記部品材料の分子及び水分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となる安定配置から、所定時間の前記水分子の運動を分子動力学法解析により追跡して得る前記水分子の変位量から拡散定数を算出する拡散定数取得処理ステップと、前記光学系をメッシュ分割して有限要素法による数値解析に必要な数値解析モデルを生成する光学系モデル生成処理ステップと、該数値解析モデル及び前記拡散定数を用いて所定の湿度環境下での前記光学系の吸水分布を算出して得る屈折率分布と、前記吸水分布により生じる前記光学系の変位量を算出して得る変形後の光学面形状と、から光学特性を算出する光学特性算出処理ステップと、を少なくとも情報処理装置に実行させる光学機器の光学特性解析方法であってもよい。   In order to solve the above-mentioned problem, the present invention relates to a component material constituting an optical system whose diffusion constant is unknown, and atoms constituting the molecules of the component material and water molecules arranged in an arbitrary rectangular parallelepiped region. A diffusion constant acquisition processing step for calculating a diffusion constant from a displacement amount of the water molecule obtained by tracking the movement of the water molecule for a predetermined time by molecular dynamics analysis from a stable arrangement in which the potential energy between the two is substantially constant; An optical system model generation processing step for generating a numerical analysis model necessary for numerical analysis by a finite element method by dividing the optical system into meshes, and using the numerical analysis model and the diffusion constant under a predetermined humidity environment Optical characteristics are obtained from a refractive index distribution obtained by calculating a water absorption distribution of the optical system and a deformed optical surface shape obtained by calculating a displacement amount of the optical system caused by the water absorption distribution. An optical characteristic calculation processing step of leaving, may be an optical characterization method of the optical device to be executed by at least the information processing apparatus.

以上のように、本発明によると、光学部品を有する機器の光学特性を解析するために必要となる材料特性を短期間で求め、光学系を構成する各部品の吸水による光学特性への影響を迅速に検証できる光学特性解析システムを提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, material characteristics necessary for analyzing optical characteristics of a device having optical components are obtained in a short period of time, and the influence of water absorption of each component constituting the optical system on the optical characteristics is determined. It is possible to provide an optical characteristic analysis system that can be quickly verified.

以下、本発明の実施形態について図1から図6に基づいて説明する。
図1は、本実施例に係る光学特性解析システムの原理図を示している。
同図に示す光学特性解析システムは、拡散定数が未知である光学系を構成する部品材料の拡散定数を算出する拡散定数取得手段1と、有限要素法による数値解析に必要な数値解析モデルを生成する光学系モデル生成手段2と、光学特性を算出する光学特性算出手段3と、安定配置データ等を記憶する情報記憶手段4と、を少なくとも備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
FIG. 1 shows a principle diagram of an optical characteristic analysis system according to the present embodiment.
The optical characteristic analysis system shown in the figure generates a diffusion constant acquisition means 1 for calculating a diffusion constant of a component material constituting an optical system whose diffusion constant is unknown, and a numerical analysis model necessary for numerical analysis by a finite element method. Optical system model generation means 2 for performing the calculation, optical characteristic calculation means 3 for calculating the optical characteristics, and information storage means 4 for storing stable arrangement data and the like.

拡散定数取得手段1は、光学系を構成する部品材料の拡散定数を算出するために、部品材料の安定配置(第1の安定配置)を算出する第1の分子配置算出手段5と、第1の安定配置に水分子を配置した場合の安定配置(第2の安定配置)を算出する第2の分子配置算出手段6と、第2の安定配置を基準とした所定時間経過後の水分子の変位から拡散定数を算出する拡散定数算出手段7と、を少なくとも備えている。   The diffusion constant obtaining unit 1 includes a first molecular arrangement calculating unit 5 that calculates a stable arrangement (first stable arrangement) of the component material in order to calculate a diffusion constant of the component material constituting the optical system; A second molecular arrangement calculating means 6 for calculating a stable arrangement (second stable arrangement) when water molecules are arranged in the stable arrangement of the water molecule, and a water molecule after a predetermined time with respect to the second stable arrangement. And a diffusion constant calculating means 7 for calculating a diffusion constant from the displacement.

第1の分子配置算出手段5は、光学系を構成する部品材料の安定状態(第1の配置)を得るための手段であり、第2の分子配置算出手段6は、第1の安定配置に水分子を配置した場合の安定状態(第2の安定配置)を得るための手段である。   The first molecular arrangement calculating means 5 is means for obtaining a stable state (first arrangement) of the component materials constituting the optical system, and the second molecular arrangement calculating means 6 is used for the first stable arrangement. This is means for obtaining a stable state (second stable arrangement) when water molecules are arranged.

第1の分子配置算出手段5は、光学系を構成する部品材料について、任意の直方体領域(直方体セル)を設定し、更に、この領域に乱数を用いて部品材料の分子の向きを決定する。そして、所定温度において部品材料の分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となるまで、分子動力学法により分子の運動を解析して第1の安定配置を求め、安定配置記憶手段8に記憶する。   The first molecular arrangement calculation means 5 sets an arbitrary rectangular parallelepiped region (cuboid cell) for the component material constituting the optical system, and further determines the orientation of the molecule of the component material using a random number in this region. Then, until the potential energy between the atoms constituting the molecules of the component material becomes substantially constant at a predetermined temperature, the movement of the molecules is analyzed by the molecular dynamics method to obtain the first stable arrangement, and the stable arrangement storage means 8 is stored. Remember.

第2の分子配置算出手段6は、安定配置記憶手段8から読み出した部品材料の第1の安定配置に乱数を用いて水分子を配置し、所定温度において水分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となるまで、分子動力学法により分子の運動を解析して第2の安定配置を求め、安定配置記憶手段8に記憶する。   The second molecular arrangement calculating means 6 arranges water molecules using random numbers in the first stable arrangement of the component material read from the stable arrangement storage means 8, and the potential energy between atoms constituting the water molecules at a predetermined temperature. The molecular motion is analyzed by the molecular dynamics method until a second stable configuration is obtained and stored in the stable configuration storage means 8 until.

拡散定数算出手段7は、第2の安定配置から所定時間の水分子の運動を分子動力学法により解析し、第2の安定配置からの水分子の変位量を算出する。そして、算出した水分子の変位量の二乗和の平均値を所定時間で除算して拡散定数を求め、拡散定数記憶手段9に記憶する。   The diffusion constant calculating means 7 analyzes the movement of water molecules for a predetermined time from the second stable arrangement by the molecular dynamics method, and calculates the displacement amount of the water molecules from the second stable arrangement. Then, the average value of the square sums of the calculated displacement amounts of water molecules is divided by a predetermined time to obtain a diffusion constant, which is stored in the diffusion constant storage means 9.

光学系モデル生成手段2は、光学系の3次元形状データを生成してメッシュ分割し、有限要素法による解析に必要な有限要素法解析モデルを生成して数値解析モデル記憶手段10に記憶する。   The optical system model generation means 2 generates the three-dimensional shape data of the optical system, divides the mesh, generates a finite element method analysis model necessary for analysis by the finite element method, and stores it in the numerical analysis model storage means 10.

光学特性算出手段3は、拡散定数記憶手段9から読み出した拡散定数と数値解析モデル記憶手段10から読み出した有限要素法解析モデルとを用いて有限要素法により解析を行ない、所定時間経過後の部品材料の吸水分布を算出して屈折率分布を得る。更に、この吸水分布に基づいて吸水によって生じる部品材料の変位量を計算して光学面形状を得る。そして、屈折率分布と光学面形状とから光学系の光学特性を算出する。   The optical characteristic calculation means 3 performs analysis by the finite element method using the diffusion constant read from the diffusion constant storage means 9 and the finite element method analysis model read from the numerical analysis model storage means 10, and the component after a predetermined time has passed. The refractive index distribution is obtained by calculating the water absorption distribution of the material. Furthermore, based on this water absorption distribution, the displacement amount of the part material caused by water absorption is calculated to obtain the optical surface shape. Then, the optical characteristics of the optical system are calculated from the refractive index distribution and the optical surface shape.

ここで、本実施例で使用する解析手法、すなわち、分子動力学法や有限要素法による解析手法は、一般的に用いられる手法である。したがって、本実施例での詳細な説明は省略する。   Here, the analysis method used in this embodiment, that is, the analysis method based on the molecular dynamics method or the finite element method is a generally used method. Therefore, detailed description in this embodiment is omitted.

また、本実施例に係る光学特性解析システムは、一般的な情報処理装置によって実現される。すなわち、数値解析等を行なうためのCPUと、数値解析に必要なデータを記憶する揮発性メモリと、データを入力するための入力装置と、データを出力するための出力装置と、プログラムやデータを記録するための外部記録装置と、を少なくとも備えた情報処理装置(以下の説明では、単に「解析装置」という)によって実現される。   Moreover, the optical characteristic analysis system according to the present embodiment is realized by a general information processing apparatus. That is, a CPU for performing numerical analysis, a volatile memory for storing data necessary for numerical analysis, an input device for inputting data, an output device for outputting data, a program and data This is realized by an information processing apparatus (in the following description, simply referred to as “analysis apparatus”) including at least an external recording apparatus for recording.

したがって、同図に示した拡散定数取得手段1、光学系モデル生成手段2、および光学特性算出手段3は主として解析装置に備わるCPUに所定の処理を記述したプログラムを実行させることによって実現することが可能である。   Therefore, the diffusion constant acquisition unit 1, the optical system model generation unit 2, and the optical characteristic calculation unit 3 shown in the figure can be realized mainly by causing a CPU provided in the analysis apparatus to execute a program describing a predetermined process. Is possible.

また、情報記憶手段4は、解析装置に備わる揮発性メモリ(例えば、RAM、以下では単に「メモリ」という)や外部記憶装置(例えば、磁気ディスク)によって実現することが可能である。   The information storage unit 4 can be realized by a volatile memory (for example, RAM, hereinafter simply referred to as “memory”) or an external storage device (for example, a magnetic disk) provided in the analysis apparatus.

なお、以下に説明する本実施例に係る光学特性解析システムの処理の主体はCPUであるが、説明を簡単にするために拡散定数取得手段1、光学系モデル生成手段2、及び光学特性算出手段3を処理の主体として説明する。   Note that the main subject of the processing of the optical characteristic analysis system according to the present embodiment described below is the CPU, but in order to simplify the explanation, the diffusion constant acquisition means 1, the optical system model generation means 2, and the optical characteristic calculation means. 3 will be described as the processing subject.

図2は、本実施例に係る光学特性解析システムの処理を示すフローチャートである。
同図に示す光学特性解析システムの処理は、光学系を構成する部品材料の拡散定数を算出する拡散定数取得処理S10と、光学系の解析モデルを生成する光学系モデル生成処理S20と、拡散定数取得処理S10で得た拡散定数と光学系モデル生成処理S20で得た解析モデルとから光学特性を算出する光学系特性算出処理S30と、で構成されている。
FIG. 2 is a flowchart illustrating processing of the optical characteristic analysis system according to the present embodiment.
The processing of the optical characteristic analysis system shown in the figure includes a diffusion constant acquisition process S10 for calculating the diffusion constant of the component material constituting the optical system, an optical system model generation process S20 for generating an analysis model of the optical system, and a diffusion constant. An optical system characteristic calculation process S30 for calculating optical characteristics from the diffusion constant obtained in the acquisition process S10 and the analysis model obtained in the optical system model generation process S20.

なお、本実施例に係る拡散定数取得処理S10は、光学系を構成する部品材料としてプラスチックス材料を使用した場合について説明するが、これに限定する趣旨ではない。
まず、拡散定数取得処理S10のステップS11において、光学特性解析システムのオペレータは、解析装置に備わる入力手段から、計算領域となる直方体領域(直方体セル)を任意に設定し、その中に初期配置として乱数に従って向きを指定した拡散対象物であるプラスチックス材料の分子を配置し、プラスチックス分子間について運動方程式等の関係式(以下、「分子動力学解析モデル」という)を設定する。
In addition, although the diffusion constant acquisition process S10 which concerns on a present Example demonstrates the case where a plastics material is used as a component material which comprises an optical system, it is not the meaning limited to this.
First, in step S11 of the diffusion constant acquisition process S10, the operator of the optical characteristic analysis system arbitrarily sets a rectangular parallelepiped region (cuboid cell) to be a calculation region from the input means provided in the analyzer, and the initial arrangement is set therein. The plastics material molecules that are the objects of diffusion whose orientation is specified according to random numbers are arranged, and relational expressions such as equations of motion (hereinafter referred to as “molecular dynamics analysis model”) are set between the plastics molecules.

図3には、本実施例で使用する基本直方体セル(直方体セル)の例を示している。同図に示す基本直方体セル20は、各辺の長さをそれぞれLx、Ly、Lzとし、この直方体セルにN個のプラスチックス材料の分子を配置している。なお、本実施例では直方体セルを使用しているが、立方体セル(すなわち、Lx=Ly=Lzのセル)を使用してもよい。   FIG. 3 shows an example of a basic cuboid cell (cuboid cell) used in the present embodiment. In the basic rectangular parallelepiped cell 20 shown in the figure, the lengths of the respective sides are set to Lx, Ly, and Lz, respectively, and N plastics molecules are arranged in the rectangular parallelepiped cell. In this embodiment, a rectangular parallelepiped cell is used, but a cubic cell (that is, a cell of Lx = Ly = Lz) may be used.

したがって、任意のプラスチックス分子iについての重心座標(Xi,Yi,Zi)は、下記の式で与えることができる。   Therefore, the barycentric coordinates (Xi, Yi, Zi) for any plastic molecule i can be given by the following equation.

更に、各プラスチックス分子のX軸周りの回転角α、Y軸周りの回転角β、およびZ軸周りの回転角γをそれぞれ乱数により決定すれば、各プラスチックス分子の向きを下記の式で与えることができる。   Furthermore, if the rotation angle α around the X axis, the rotation angle β around the Y axis, and the rotation angle γ around the Z axis of each plastics molecule are determined by random numbers, the orientation of each plastics molecule can be expressed by the following equation: Can be given.

そして、分子動力学法解析の計算条件として、拡散定数を算出すべき温度T、直方体領域の各面への周期境界条件、及びプラスチックス分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーを設定する。   Then, as calculation conditions for molecular dynamics analysis, a temperature T at which a diffusion constant is to be calculated, a periodic boundary condition for each surface of the rectangular parallelepiped region, and potential energy between atoms constituting the plastics molecule are set.

例えば、直方体領域の各面への周期境界条件には、図4に示すアルゴリズムを与える。
すなわち、基本直方体セル20内の時刻tに状態aであるプラスチックス分子が、時刻Δt後に基本直方体セル20の境界を越えて隣接する直方体セル内において状態bとなった場合には、同直方体セル内の状態bに対応する基本直方体セル20内の状態cとしてプラスチックス分子を取り扱う。
For example, the algorithm shown in FIG. 4 is given to the periodic boundary condition for each surface of the rectangular parallelepiped region.
That is, when the plastic molecule in the state a in the basic cuboid cell 20 at the time t becomes the state b in the adjacent cuboid cell beyond the boundary of the basic cuboid cell 20 after the time Δt, the cuboid cell The plastic molecule is handled as the state c in the basic rectangular parallelepiped cell 20 corresponding to the state b in the inside.

したがって、直方体セルの各面への周期境界条件は、下記の式で与えることができる。   Therefore, the periodic boundary condition for each surface of the rectangular parallelepiped cell can be given by the following equation.

このように、直方体セルの各面に周期境界条件を設定することにより、直方体セルの境界部の影響をなくすことができる。
また、プラスチックス分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーφは、原子間の距離をr、エネルギーパラメータをε、長さパラメータをσとして下記のLenard−Jonesポテンシャル型の経験的なポテンシャル関数式で与えることができる。
Thus, by setting the periodic boundary condition on each surface of the rectangular parallelepiped cell, the influence of the boundary portion of the rectangular parallelepiped cell can be eliminated.
Further, the potential energy φ between atoms constituting the plastics molecule is given by the following Lennard-Jones potential type empirical potential function equation where r is the distance between atoms, ε is the energy parameter, and σ is the length parameter. be able to.

ここで、プラスチックス材料が非晶質体であることを考慮すると、結晶構造を形成する分子よりも計算領域である直方体セルを大きく取る必要があるので、直方体セルの大きさは非晶質体構造を表すために十分な大きさを持つものとする。   Here, considering that the plastics material is an amorphous body, the size of the rectangular parallelepiped cell needs to be larger than that of the molecule forming the crystal structure. It shall be large enough to represent the structure.

直方体セル内に配置するプラスチックス分子については規則的に配置することも可能であるが、分子動力学法解析において初期配置の依存性を小さくするためには、乱数に従ってプラスチックス分子の向きを決定する方が望ましい。   Plastics molecules placed in a rectangular parallelepiped cell can be placed regularly, but in order to reduce the dependence of the initial placement in molecular dynamics analysis, the orientation of plastics molecules is determined according to random numbers. Is preferable.

また、プラスチックス分子の個数は、プラスチックス材料の密度と直方体体積から算出される質量に相当する数とし、これらのプラスチックス分子の安定構造は、既にX線結晶
構造解析等の実験的手法や、分子力学法および分子軌道法等の解析的手法により決定されているものとする。
The number of plastics molecules is the number corresponding to the mass calculated from the density of the plastics material and the volume of the rectangular parallelepiped, and the stable structure of these plastics molecules has already been obtained through experimental methods such as X-ray crystal structure analysis. It is determined by an analytical method such as a molecular mechanics method and a molecular orbital method.

更に、分子動力学法解析中はプラスチックス分子内部の変形の自由度を与えず、プラスチックス分子を剛体として扱うこととする。
本実施例では、原子間のポテンシャルエネルギーを算出するために式(4)に示したLenard−Jonesポテンシャル型の経験的なポテンシャル関数を使用しているが、これに限定する趣旨ではなく、例えば、分子軌道法等を用いることでより正確に原子間のポテンシャルエネルギーを算出してもよい。
Furthermore, during the molecular dynamics analysis, the plastics molecule is treated as a rigid body without giving freedom of deformation inside the plastics molecule.
In the present embodiment, the empirical potential function of the Lennard-Jones potential type shown in the equation (4) is used to calculate the potential energy between atoms. However, the present invention is not limited to this. For example, The potential energy between atoms may be calculated more accurately by using a molecular orbital method or the like.

ステップS11において、オペレータによって以上の設定がなされると、拡散定数取得手段1は、情報記憶手段4に分子動力学法解析モデルを記憶すると共に、解析装置に備わる図示しない外部記憶装置等に予め記憶されたプログラム群から、設定に応じた解析アルゴリズムが記載されているプログラムをメモリにロードして処理をステップS12に移行する。   When the above settings are made by the operator in step S11, the diffusion constant acquisition means 1 stores the molecular dynamics analysis model in the information storage means 4 and also stores it in advance in an external storage device (not shown) provided in the analysis apparatus. From the set of programs, a program in which an analysis algorithm corresponding to the setting is written is loaded into the memory, and the process proceeds to step S12.

ステップS12において、拡散定数取得手段1は、拡散定数を算出すべき温度Tにおけるプラスチックス分子の運動を分子動力学法によって解析し、一定時間間隔毎にプラスチックス分子の位置を算出する。すなわち、拡散定数取得手段1は、ステップS11で与えられた分子動力学解析モデルを式(1)〜(3)の条件の下で計算してプラスチックス分子の位置を算出する。   In step S12, the diffusion constant acquisition unit 1 analyzes the motion of the plastics molecule at the temperature T at which the diffusion constant is to be calculated by the molecular dynamics method, and calculates the position of the plastics molecule at regular time intervals. That is, the diffusion constant obtaining unit 1 calculates the position of the plastics molecule by calculating the molecular dynamics analysis model given in step S11 under the conditions of the equations (1) to (3).

同時に、拡散定数取得手段1は、式(4)から直方体セル内のポテンシャルエネルギーを逐次算出して監視する。そして、ポテンシャルエネルギーφが十分減少してほぼ一定値となるまで計算を継続し、プラスチックス分子の安定配置(第1の安定位置)を求める。   At the same time, the diffusion constant acquisition means 1 sequentially calculates and monitors the potential energy in the rectangular parallelepiped cell from the equation (4). Then, the calculation is continued until the potential energy φ is sufficiently reduced to become a substantially constant value, and the stable arrangement (first stable position) of the plastics molecule is obtained.

ここで、例えば、任意の時間tにおけるポテンシャルエネルギーφ(t)からΔt経過後のポテンシャルエネルギーの変位量Δφ(t+Δt)が1%以下の場合に、ポテンシャルエネルギーがほぼ一定と判断すればよい。   Here, for example, when the displacement amount Δφ (t + Δt) of potential energy after the lapse of Δt from the potential energy φ (t) at an arbitrary time t is 1% or less, the potential energy may be determined to be substantially constant.

プラスチックス分子の安定配置が算出されると、拡散定数取得手段1は、処理をステップS13に移行し、直方体セル内のプラスチックス分子と分子の間の空間に水分子を乱数に従って配置する。   When the stable arrangement of the plastics molecules is calculated, the diffusion constant obtaining unit 1 moves the process to step S13 and arranges the water molecules in the space between the plastics molecules in the rectangular parallelepiped cell according to random numbers.

そして、ステップS12と同様に、分子動力学法解析により、温度Tにおける水分子を追加配置した直方体セル内の水分子の運動を追跡し、直方体セル内のポテンシャルエネルギーがほぼ一定値となる水分子の安定配置(第2の安定位置)を求める。   Similar to step S12, the molecular dynamics analysis tracks the movement of water molecules in a rectangular parallelepiped cell additionally arranged with water molecules at temperature T, and the water molecules whose potential energy in the rectangular parallelepiped cell becomes a substantially constant value. Is determined (second stable position).

この場合も、拡散対象物分子配置算出処理S12と同様に、例えば、任意の時間tにおけるポテンシャルエネルギーφ(t)からΔt経過後のポテンシャルエネルギーの変位量Δφ(t+Δt)が1%以下の場合に、ポテンシャルエネルギーがほぼ一定と判断すればよい。   Also in this case, in the same manner as the diffusion target molecule arrangement calculation process S12, for example, when the displacement amount Δφ (t + Δt) of the potential energy after the lapse of Δt from the potential energy φ (t) at an arbitrary time t is 1% or less. It can be determined that the potential energy is almost constant.

ここで、水分子間に重なりが発生すると、分子動力学法解析中にポテンシャルエネルギー計算が発散する可能性があるため、分子間の重なりがないように配置することが望ましい。   Here, if an overlap occurs between water molecules, the potential energy calculation may diverge during the molecular dynamics method analysis. Therefore, it is desirable to arrange so that there is no overlap between molecules.

また、配置する水分子の個数については、プラスチックス材料の一般的な飽和吸水率を超えないことを目安として、直方体セル内のプラスチックス質量の0.05%程度に相当する数とする。   The number of water molecules to be arranged is a number corresponding to about 0.05% of the mass of the plastics in the rectangular parallelepiped cell, with a standard that the general saturated water absorption rate of the plastics material is not exceeded.

また、水分子の構造については、水分子が見かけ上分子内の内部回転がないことに基づいて剛体とし、計算上、プラスチックス分子と水分子との判別を容易にするために各水分子には番号付けをしておくとよい。   The structure of the water molecule is a rigid body based on the apparent absence of internal rotation in the molecule, and each water molecule is calculated to facilitate the distinction between plastics molecules and water molecules. Should be numbered.

更に、水分子を構成する原子間およびプラスチックス分子を構成する原子と水分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーの計算は、プラスチックス分子を構成する原子間と同様にLenard−Jonesポテンシャル型の経験的ポテンシャル関数で行なうものとする。   Furthermore, the calculation of the potential energy between the atoms composing the water molecule and between the atoms composing the plastics molecule and the atom composing the water molecule is similar to that between the atoms composing the plastics molecule. It is assumed to be performed by a static potential function.

以上の処理によって、基本直方体セル内におけるプラスチックス分子および水分子の安定位置(第2の安定位置)が算出されると、拡散定数取得手段1は、処理をステップS14に移行する。   When the stable positions (second stable positions) of the plastics molecule and the water molecule in the basic rectangular parallelepiped cell are calculated by the above process, the diffusion constant obtaining unit 1 moves the process to step S14.

ステップS14において、拡散定数取得手段1は、求めた水分子の安定配置を基準配置とし、この基準配置を起点として、再度温度Tの条件下で所定時間内の水分子の運動を解析し、水分子iの位置di(t)を逐次算出する。   In step S14, the diffusion constant obtaining unit 1 uses the obtained stable arrangement of water molecules as a reference arrangement, and again analyzes the movement of water molecules within a predetermined time under the condition of the temperature T, starting from this reference arrangement. The position di (t) of the molecule i is calculated sequentially.

そして、任意時間t経過後の水分子の配置を取り出して、水分子の番号付けに従って基準配置における各水分子iの位置di(0)からの変位量△di(t)=di(t)−di(0)を求める。   Then, the arrangement of water molecules after the elapse of an arbitrary time t is taken out, and the displacement amount Δdi (t) = di (t) − from the position di (0) of each water molecule i in the reference arrangement according to the numbering of the water molecules. Find di (0).

水分子の変位量を算出すると、拡散定数取得手段1は、処理をステップS15に移行し、ステップS14の水分子変位算出処理で求めた変位量Δdi(t)から変位二乗和の平均値を算出する。   When the displacement amount of the water molecule is calculated, the diffusion constant obtaining unit 1 moves the process to step S15, and calculates the average value of the sum of squared displacements from the displacement amount Δdi (t) obtained in the water molecule displacement calculation process of step S14. To do.

すなわち、ステップS14の処理によって求めた全水分子の変位量△di(t)の二乗を積算し、それらの平均値
That is, the squares of the displacement amounts Δdi (t) of all water molecules obtained by the process of step S14 are integrated, and the average value thereof is calculated.

を求める。そして、求めた平均二乗変位
Ask for. And the calculated mean square displacement

を、下記に示すアインシュタインの関係式に代入して拡散定数Dを算出する。 Is substituted into Einstein's relational expression shown below to calculate the diffusion constant D.

以上のように、拡散定数の数値解析的な算出は、拡散定数の温度依存性を把握したい全ての温度条件、及び光学系を構成する部品の中で拡散定数が未知である全ての部品に対して行なう。   As described above, the numerical calculation of the diffusion constant is performed for all temperature conditions for which the temperature dependence of the diffusion constant is to be grasped, and for all the components whose diffusion constant is unknown among the components that make up the optical system. To do.

そして、拡散定数取得処理S10で光学系を構成する全ての部品材料について拡散定数を算出後、拡散定数を光学系の全体モデル生成処理S20におけるステップS22(有限要素法解析モデル生成処理)にて引用することにより、吸水による各部品の変形と光学部品内部の屈折率変化を考慮した光学特性変化を求める。   Then, after calculating diffusion constants for all component materials constituting the optical system in the diffusion constant acquisition process S10, the diffusion constants are quoted in step S22 (finite element method analysis model generation process) in the overall model generation process S20 of the optical system. By doing so, the change in the optical characteristics in consideration of the deformation of each part due to water absorption and the change in the refractive index inside the optical part is obtained.

ステップS21において、光学系モデル生成手段2は、3次元形状モデラーの機能を使用して光学系を構成する部品材料および部品材料を保持する部品の3次元形状データを生成して情報記憶手段4に記憶する。   In step S21, the optical system model generation means 2 uses the function of the three-dimensional shape modeler to generate the three-dimensional shape data of the component materials constituting the optical system and the parts holding the component materials, and stores them in the information storage means 4. Remember.

なお、本実施例では光学系モデル生成手段2に3次元形状モデラーの機能を備える場合について説明するが、これに限定する趣旨ではなく、例えば、市販の3次元形状モデラー用ソフトウェアによって、予め光学系を構成する部品材料および部品材料を保持する部品の3次元形状データを生成して外部記憶装置等に記憶しておき、ステップS21では単に外部記憶装置等から3次元形状データを読み出して情報記憶手段4に格納するようにしてもよい。   In this embodiment, the case where the optical system model generating means 2 has the function of a three-dimensional shape modeler will be described. The three-dimensional shape data of the component material and the component holding the component material are generated and stored in an external storage device or the like, and in step S21, the three-dimensional shape data is simply read from the external storage device or the like, and information storage means 4 may be stored.

図5には、本実施例により生成される光学系の3次元形状データの例を示している。
同図に示す光学系は、凸状の光学面を備えるレンズ11〜13と、レンズ11〜13を支持するレンズ支持部品14と、から構成されている。
FIG. 5 shows an example of the three-dimensional shape data of the optical system generated by this embodiment.
The optical system shown in the figure is composed of lenses 11 to 13 having convex optical surfaces and a lens support component 14 for supporting the lenses 11 to 13.

ステップS21の処理によって3次元形状データが生成されると、光学系モデル生成手段2は、処理をステップS22に移行し、ステップS21の処理で生成した形状データを情報記憶手段4から読み出し、更に、吸水することによって生じる各部品の変形と光学部品内部の屈折率変化の計算に必要となる材料特性(例えば、拡散定数、弾性率、密度等)、光学系を構成する部品それぞれの保持状態を表す光学部品の保持条件、および光学系の吸水面を表す吸水条件を外部記憶装置等から読み出す。   When the three-dimensional shape data is generated by the process of step S21, the optical system model generation unit 2 moves the process to step S22, reads the shape data generated by the process of step S21 from the information storage unit 4, and further, Represents the material properties (for example, diffusion constant, elastic modulus, density, etc.) necessary to calculate the deformation of each part caused by water absorption and the refractive index change inside the optical part, and the holding state of each part constituting the optical system. The optical component holding condition and the water absorption condition representing the water absorption surface of the optical system are read from an external storage device or the like.

この時、拡散定数取得処理S10にて数値解析的に算出された拡散定数を引用し、各部品に対して設定する。更に、図6に示すように、後処理である光学系特性算出処理S30において十分な精度を確保できる細かさで部品全体をメッシュ分割し、有限要素法による数値解析に必要となる離散的なデータ(以下、「メッシュデータ」という)を生成して数値解析モデル記憶手段10に記憶する。   At this time, the diffusion constant calculated numerically in the diffusion constant acquisition process S10 is cited and set for each component. Further, as shown in FIG. 6, discrete data required for numerical analysis by the finite element method is performed by dividing the entire part into meshes with fineness that can ensure sufficient accuracy in post-processing optical system characteristic calculation processing S30. (Hereinafter referred to as “mesh data”) is generated and stored in the numerical analysis model storage means 10.

数値解析モデルが生成されると、光学系モデル生成手段2は、処理をステップS23に移行し、S22で生成した光学部品のメッシュデータを数値解析モデル記憶手段10から読出し、メッシュデータの中から光学面に属する節点だけを抽出し、各光学面に対して光軸方向をZ軸とするローカル座標系を設定する。   When the numerical analysis model is generated, the optical system model generation unit 2 shifts the processing to step S23, reads the mesh data of the optical component generated in S22 from the numerical analysis model storage unit 10, and optically analyzes the mesh data. Only the nodes belonging to the surface are extracted, and a local coordinate system having the optical axis direction as the Z axis is set for each optical surface.

更に、抽出した節点について光軸方向以外のX方向とY方向の座標値を予め用意された光学系の設計式に代入して設計面上に位置する正しいZ方向の座標値を計算し、設計式に従って算出した光軸方向の座標値によって光学面に属する節点の光軸方向の座標値を置き換えてメッシュデータを更新する。   Further, the coordinate values in the X direction and Y direction other than the optical axis direction for the extracted nodes are substituted into the design formula of the optical system prepared in advance to calculate the correct Z direction coordinate value located on the design surface. The mesh data is updated by replacing the coordinate value in the optical axis direction of the node belonging to the optical surface with the coordinate value in the optical axis direction calculated according to the equation.

例えば、図7には補正前の光学面(近似面)18と補正後の光学面(設計面)16を示しており、図6に示したレンズ11の光学面に属する節点(図7に示す破線で描かれた円)だけをメッシュデータから抽出し、抽出した節点15に対して光軸方向をZ軸とするローカル座標19を設定する(この時の節点15の座標を例えば(X0,Y0,Z0)とする)。   For example, FIG. 7 shows an optical surface (approximate surface) 18 before correction and an optical surface (design surface) 16 after correction, and nodes (shown in FIG. 7) belonging to the optical surface of the lens 11 shown in FIG. Only the circle drawn with a broken line is extracted from the mesh data, and local coordinates 19 with the optical axis direction as the Z axis are set for the extracted nodes 15 (the coordinates of the nodes 15 at this time are, for example, (X0, Y0). , Z0)).

そして、節点15のX座標値(=X0)とY座標値(=Y0)を予め用意された設計面16を表す設計式に代入してZ座標値を求め(この時のZ座標値を例えばZ1とする)、求めたZ座標値(=Z1)を節点15の新たなZ座標値とする(したがって、補正後の節点17の座標は(X0,Y0,Z1)に更新される)。   Then, an X coordinate value (= X0) and a Y coordinate value (= Y0) of the node 15 are substituted into a design formula representing the design surface 16 prepared in advance to obtain a Z coordinate value (the Z coordinate value at this time is, for example, The obtained Z coordinate value (= Z1) is set as a new Z coordinate value of the node 15 (therefore, the coordinate of the corrected node 17 is updated to (X0, Y0, Z1)).

以上の処理をメッシュデータから抽出した光学面に属する節点全てに行なうことによって、補正後の光学面16が設計面と一致するメッシュデータに補正される。
以上のステップS21からS23の処理によって光学系モデルが生成されると、解析装置は、処理をステップS31に移行する。
By performing the above processing on all the nodes belonging to the optical surface extracted from the mesh data, the corrected optical surface 16 is corrected to mesh data that matches the design surface.
When the optical system model is generated by the processes in steps S21 to S23, the analysis apparatus moves the process to step S31.

ステップS31において、光学特性算出手段3は、拡散定数取得処理S10によって取得した拡散定数D、光学系モデル生処理S20において生成された数値解析モデル、及び下記の拡散方程式を用い、光学系を構成する各部品に対して特定の湿度環境下での水の拡散を有限要素法により計算し、一定時間経過後の各部品内部の位置x=(Xi,Yi,Zi)における吸水分布ρ(t,x)を算出する。   In step S31, the optical characteristic calculation unit 3 configures an optical system using the diffusion constant D acquired in the diffusion constant acquisition process S10, the numerical analysis model generated in the optical system model raw process S20, and the following diffusion equation. The diffusion of water under a specific humidity environment for each part is calculated by the finite element method, and the water absorption distribution ρ (t, x at the position x = (Xi, Yi, Zi) inside each part after a certain time has elapsed. ) Is calculated.

ここで、ρ(t、x)は、時刻tの座標(Xi,Yi,Zi)における吸水量を表している。
吸水分布ρ(t,x)の算出が完了すると、光学特性算出手段3は、処理をステップS32に移行し、数値解析モデルを用いて、ステップS31で算出した吸水分布に基づいて生じる部品の変形量を有限要素法によって計算する。
Here, ρ (t, x) represents the water absorption amount at the coordinates (Xi, Yi, Zi) at time t.
When the calculation of the water absorption distribution ρ (t, x) is completed, the optical characteristic calculation unit 3 moves the process to step S32, and uses the numerical analysis model to deform the parts generated based on the water absorption distribution calculated in step S31. The quantity is calculated by the finite element method.

そして、得られた変形量の中から光学面に属する節点だけを抽出し、抽出した変形量を設計値と足し合わせて変形後の光学面の座標を算出する。
更に、図7と同様に、算出した変形後の光学面の座標について、光軸方向をZ座標とするローカル座標を設定し、最小自乗法を用いてステップS33の光学特性算出処理で使用可能な関数形式に光学面を変換して光学面形状を生成する。
Then, only the nodes belonging to the optical surface are extracted from the obtained deformation amount, and the coordinates of the deformed optical surface are calculated by adding the extracted deformation amount to the design value.
Further, as in FIG. 7, local coordinates having the optical axis direction as the Z coordinate are set for the calculated coordinates of the optical surface after deformation, and can be used in the optical characteristic calculation processing in step S33 using the least square method. An optical surface shape is generated by converting the optical surface into a functional form.

また、ステップS31で得られた吸水分布は、予め用意された吸水率と屈折率との相関を表す一次式等の関係式に従って屈折率分布に変換される。
更に、求めた屈折率分布の点列データは、ステップS33の光学特性算出処理で使用するために、屈折率分布を近似する関数形式に更に変換してもよい。
Further, the water absorption distribution obtained in step S31 is converted into a refractive index distribution in accordance with a relational expression such as a linear expression representing a correlation between a water absorption coefficient and a refractive index prepared in advance.
Further, the obtained point sequence data of the refractive index distribution may be further converted into a function format approximating the refractive index distribution for use in the optical characteristic calculation processing in step S33.

光学面形状と屈折率分布が生成されると、光学特性算出手段3は、処理をステップS33に移行し、ステップS32で算出した変形後の光学面形状を表現する関数で光学面の形状情報を置き換え、更に吸水によって変化した光学部品内部の屈折率分布も置き換える。そして、変形後の光学面形状および屈折率分布を表す関数から図8に示す光学特性を算出する。。   When the optical surface shape and the refractive index distribution are generated, the optical property calculating unit 3 moves the process to step S33, and uses the function expressing the deformed optical surface shape calculated in step S32 to obtain the optical surface shape information. In addition, the refractive index distribution inside the optical component changed by water absorption is also replaced. Then, the optical characteristics shown in FIG. 8 are calculated from the function representing the deformed optical surface shape and the refractive index distribution. .

同図に示す光学特性は、図5に示したレンズの変調伝達関数(MTF:Modulation Transfer Function)である。同図に示すように、吸水の影響によって、フォーカス焦点位置(FOC)が中心位置よりずれることがわかる。   The optical characteristic shown in the figure is a modulation transfer function (MTF: Modulation Transfer Function) of the lens shown in FIG. As shown in the figure, it can be seen that the focus focal position (FOC) shifts from the center position due to the effect of water absorption.

吸水に伴って光学特性計算に必要となる屈折率分布以外の材料特性も変化する場合には、それらの材料特性情報も変化後の材料特性に置き換えて光学特性計算を行なえばよい。
なお、本実施の形態では、拡散定数取得処理S10においてプラスチックス分子を剛体として扱う例を示したが、これは分子動力学法解析における計算量を削減し拡散定数の算出を短期間に行なうためのものであるため、大規模計算に耐えうる解析装置が使用可能な場合には、この剛体条件を課さずにプラスチックス分子の安定構造の算出も分子動力学法解析に含めてもよい。
When material properties other than the refractive index distribution required for optical property calculation change with water absorption, the optical property calculation may be performed by replacing the material property information with the changed material property.
In the present embodiment, an example has been shown in which the plastics molecule is treated as a rigid body in the diffusion constant acquisition process S10. This is because the calculation amount in the molecular dynamics method analysis is reduced and the diffusion constant is calculated in a short time. Therefore, if an analysis apparatus that can withstand large-scale calculations can be used, the calculation of the stable structure of plastics molecules may be included in the molecular dynamics analysis without imposing this rigid body condition.

また、本実施の形態においては、プラスチックス分子の安定配置を求めた後に水分子の安定配置を求めたが、拡散定数取得処理S10のステップS12(散対象物分子配置算出処理)を省略し、S13(水分子変位算出処理)においてプラスチックス分子の配置を安定化させる計算を同時に行なってもよい。   Further, in the present embodiment, the stable arrangement of water molecules was obtained after obtaining the stable arrangement of plastics molecules, but step S12 of the diffusion constant acquisition process S10 (scattered object molecule arrangement calculation process) was omitted, In S13 (water molecule displacement calculation process), calculation for stabilizing the arrangement of the plastics molecules may be performed simultaneously.

以上に説明したように、本発明によれば、測定環境や試験片のばらつきの影響なく拡散定数を正確に決定し、吸水による光学系の変形を求めるために必要となる吸水分布を正確に求めることができるので、吸水で生じる光学面の変形の影響に基づく光学特性の変化を正確に把握することが可能となる。   As described above, according to the present invention, the diffusion constant is accurately determined without being affected by variations in the measurement environment and the test piece, and the water absorption distribution required for determining the deformation of the optical system due to water absorption is accurately determined. Therefore, it becomes possible to accurately grasp the change in optical characteristics based on the influence of the deformation of the optical surface caused by water absorption.

また、光学系を構成するプラスチックス部品の拡散定数を実測するよりも早く入手することができる。特に、拡散定数の温度依存性が線形的ではなく数多くの温度条件にて拡散定数を求めなければならない場合、または光学系を構成する部品点数が多く尚且つそれらの部品の拡散定数が未知の場合には、より大きな期間短縮効果を得ることができる。   Further, it can be obtained earlier than actually measuring the diffusion constant of the plastic parts constituting the optical system. In particular, when the temperature dependence of the diffusion constant is not linear and the diffusion constant must be obtained under many temperature conditions, or when the number of parts constituting the optical system is large and the diffusion constant of these parts is unknown In this case, a larger period shortening effect can be obtained.

更に、光学系を構成する部品材料の材料試験における試験環境や試験片のばらつきの影響を受けない正確な拡散定数を決定することができるため、光学特性の予測精度が向上する。   Furthermore, since it is possible to determine an accurate diffusion constant that is not affected by the test environment and the variation of the test piece in the material test of the component materials constituting the optical system, the prediction accuracy of the optical characteristics is improved.

したがって、例えば高湿度環境下での吸水によって生じる光学系を構成する部品材料の変形と部品材料内部の屈折率変化を考慮した光学特性を迅速かつ正確に把握できるようになり、新規材料を使用した光学系を試作無しで評価することも可能となるので、数多くの光学系の光学特性を比較検討して最適な光学系の機械的および光学的な設計パラメータを決定することができる。   Therefore, for example, it becomes possible to quickly and accurately grasp the optical characteristics considering the deformation of the component material constituting the optical system caused by water absorption in a high humidity environment and the refractive index change inside the component material, and a new material is used. Since it is possible to evaluate the optical system without making a prototype, it is possible to determine the optimum mechanical and optical design parameters of the optical system by comparing and examining the optical characteristics of many optical systems.

また、本実施の形態では、ポテンシャルエネルギー計算にポテンシャル関数を利用するため、分子動力学計算の計算時間を短縮することができ、短期間に拡散定数の算出を行なうことができる。   In this embodiment, since the potential function is used for the potential energy calculation, the calculation time of the molecular dynamics calculation can be shortened, and the diffusion constant can be calculated in a short time.

以上に説明した本実施例では、光学系の材料特性として各プラスチックス材料に対する水の拡散定数を算出しているが、拡散定数取得手段1と同様の考え方によって、例えば、弾性率や密度の取得手段を更に設けて弾性率や密度を算出し、算出した弾性率や密度を光学特性算出手段3で使用するようにしてもよい。   In the present embodiment described above, the water diffusion constant for each plastics material is calculated as the material characteristic of the optical system. However, for example, the elastic modulus and the density can be acquired by the same concept as the diffusion constant acquisition unit 1. Means may be further provided to calculate the elastic modulus and density, and the calculated elastic modulus and density may be used in the optical property calculating means 3.

本実施例に係る光学特性解析システムの原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the optical characteristic analysis system which concerns on a present Example. 本実施例に係る光学特性解析システムの処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the optical characteristic analysis system which concerns on a present Example. 本実施例で使用する基本直方体セルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the basic rectangular parallelepiped cell used in a present Example. 本実施例で使用する周期境界条件のアルゴリズムの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the algorithm of the periodic boundary condition used in a present Example. 本実施例に係る光学特性解析システムの解析対象である光学系の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the optical system which is the analysis object of the optical characteristic analysis system which concerns on a present Example. 図3に示した光学系をメッシュ分割した図である。It is the figure which divided the optical system shown in FIG. 3 into meshes. 本実施例に係る光学系の光学面形状の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the optical surface shape of the optical system which concerns on a present Example. 本実施例に係る光学特性解析システムによって得た光学特性を示す図である。It is a figure which shows the optical characteristic acquired by the optical characteristic analysis system which concerns on a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 ・・・ 拡散定数取得手段
2 ・・・ 光学系モデル生成手段
3 ・・・ 光学特性算出手段
4 ・・・ 情報記憶手段
5 ・・・ 第1の分子配置算出手段
6 ・・・ 第2の分子配置算出手段
7 ・・・ 拡散定数算出手段
8 ・・・ 安定配置記憶手段
9 ・・・ 拡散定数記憶手段
10 ・・・ 数値解析モデル記憶手段
11〜13・・・ レンズ
14 ・・・ レンズ支持部品
15 ・・・ 節点
16 ・・・ 補正後の光学面(設計面)
17 ・・・ 節点
18 ・・・ 補正前の光学面
19 ・・・ ローカル座標
20 ・・・ 基本直方体セル

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Diffusion constant acquisition means 2 ... Optical system model production | generation means 3 ... Optical characteristic calculation means 4 ... Information storage means 5 ... 1st molecular arrangement | positioning calculation means 6 ... 2nd Molecular arrangement calculation means 7 ... Diffusion constant calculation means 8 ... Stable arrangement storage means 9 ... Diffusion constant storage means 10 ... Numerical analysis model storage means 11-13 ... Lens 14 ... Lens support Component 15 ... Node 16 ... Optical surface after correction (design surface)
17 ... Node 18 ... Optical surface 19 before correction 19 ... Local coordinates 20 ... Basic rectangular parallelepiped cell

Claims (4)

拡散定数が未知である光学系を構成する部品材料に対して、任意の直方体領域に配置した前記部品材料の分子及び水分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となる安定配置を記憶する安定配置記憶手段から安定配置データを読出し、該安定配置から所定時間の前記水分子の運動を分子動力学法により解析して得る前記水分子の変位量から拡散定数を算出して拡散定数記憶手段に記憶する拡散定数取得手段と、
前記光学系をメッシュ分割して有限要素法による数値解析に必要な数値解析モデルを生成し、数値解析モデル記憶手段に記憶する光学系モデル生成手段と、
前記拡散定数と前記数値解析モデルとを用いて所定の湿度環境下での前記光学系の吸水分布を算出して得る屈折率分布と、前記吸水分布により生じる前記光学系の変位量を算出して得る変形後の光学面形状と、から光学特性を算出する光学特性算出手段と、
を少なくとも備える光学機器の光学特性解析システム。
For a component material constituting an optical system whose diffusion constant is unknown, a stable arrangement in which the potential energy between atoms constituting the molecule of the component material and water molecules arranged in an arbitrary rectangular parallelepiped region is almost constant is stored. Diffusion constant storage means for calculating a diffusion constant from the amount of displacement of the water molecules obtained by reading stable arrangement data from the stable arrangement storage means and analyzing the movement of the water molecules for a predetermined time from the stable arrangement by a molecular dynamics method A diffusion constant acquisition means for storing
An optical system model generating means for dividing the optical system into meshes to generate a numerical analysis model necessary for numerical analysis by a finite element method, and storing the numerical analysis model in the numerical analysis model storage means;
A refractive index distribution obtained by calculating a water absorption distribution of the optical system under a predetermined humidity environment using the diffusion constant and the numerical analysis model, and a displacement amount of the optical system caused by the water absorption distribution are calculated. An optical property calculation means for calculating an optical property from the obtained optical surface shape after deformation;
An optical characteristic analysis system for an optical device comprising at least
前記拡散定数取得手段は、
前記直方体領域に配置した前記部品材料の分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となる第1の安定配置を分子動力学法によって算出して安定配置記憶手段に記憶する第1の分子配置算出手段と、
該第1の安定配置における前記直方体領域に配置した前記水分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となる第2の安定配置を分子動力学法によって算出して安定配置記憶手段に記憶する第2の分子配置算出手段と、
該第2の安定配置から所定時間の前記水分子の運動を分子動力学法により解析して前記水分子の変位量を算出し、該水分子の変位量の二乗和を前記所定時間で除算して拡散定数を算出し、該拡散定数を拡散定数記憶手段に記憶する拡散定数算出手段と、
を少なくとも備える請求項1に記載の光学機器の光学特性解析システム。
The diffusion constant acquisition means
A first molecular arrangement in which a first stable arrangement in which the potential energy between atoms constituting molecules of the component material arranged in the rectangular parallelepiped region is substantially constant is calculated by a molecular dynamics method and stored in a stable arrangement storage means. A calculation means;
A second stable configuration in which the potential energy between atoms constituting the water molecules arranged in the rectangular parallelepiped region in the first stable configuration is substantially constant is calculated by the molecular dynamics method and stored in the stable configuration storage means. A second molecular configuration calculating means;
The movement of the water molecule in a predetermined time from the second stable arrangement is analyzed by a molecular dynamics method to calculate the displacement amount of the water molecule, and the sum of squares of the displacement amount of the water molecule is divided by the predetermined time. A diffusion constant calculating means for calculating the diffusion constant and storing the diffusion constant in the diffusion constant storage means;
The optical characteristic analysis system for an optical instrument according to claim 1, comprising:
拡散定数が未知である光学系を構成する部品材料に対して、任意の直方体領域に配置した前記部品材料の分子及び水分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となる安定配置から、所定時間の前記水分子の運動を分子動力学法解析により追跡して得る前記水分子の変位量から拡散定数を算出する拡散定数取得処理ステップと、
前記光学系をメッシュ分割して有限要素法による数値解析に必要な数値解析モデルを生成する光学系モデル生成処理ステップと、
該数値解析モデル及び前記拡散定数を用いて所定の湿度環境下での前記光学系の吸水分布を算出して得る屈折率分布と、前記吸水分布により生じる前記光学系の変位量を算出して得る変形後の光学面形状と、から光学特性を算出する光学特性算出処理ステップと、
を少なくとも情報処理装置に実行させる光学機器の光学特性解析方法。
For a component material constituting an optical system whose diffusion constant is unknown, a stable arrangement in which the potential energy between the atoms constituting the molecule of the component material and the water molecule arranged in an arbitrary rectangular parallelepiped region is almost constant is predetermined. A diffusion constant acquisition processing step of calculating a diffusion constant from a displacement amount of the water molecule obtained by tracking the movement of the water molecule over time by molecular dynamics analysis;
Optical system model generation processing step for generating a numerical analysis model necessary for numerical analysis by a finite element method by dividing the optical system into meshes;
Using the numerical analysis model and the diffusion constant, the refractive index distribution obtained by calculating the water absorption distribution of the optical system under a predetermined humidity environment and the amount of displacement of the optical system caused by the water absorption distribution are calculated. An optical characteristic calculation processing step for calculating optical characteristics from the deformed optical surface shape;
An optical characteristic analysis method for an optical device that causes at least an information processing apparatus to execute the above.
前記拡散定数取得処理ステップは、
前記直方体領域に配置した前記部品材料の分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となる第1の安定配置を分子動力学法によって算出する第1の分子配置算出処理ステップと、
該第1の安定配置における前記直方体領域に配置した前記水分子を構成する原子間のポテンシャルエネルギーがほぼ一定となる第2の安定配置を分子動力学法によって算出する第2の分子配置算出処理ステップと、
該第2の安定配置から所定時間の前記水分子の運動を分子動力学法により解析して該水分子の変位量を算出し、該水分子の変位量の二乗和を前記所定時間で除算して拡散定数を算出する拡散定数算出処理ステップと、
を少なくとも備えることを特徴とする請求項3に記載の光学機器の光学特性解析方法。

The diffusion constant acquisition processing step includes
A first molecular arrangement calculation processing step of calculating a first stable arrangement by which a potential energy between atoms constituting the molecules of the component material arranged in the rectangular parallelepiped region is substantially constant by a molecular dynamics method;
A second molecular configuration calculation processing step of calculating a second stable configuration in which the potential energy between atoms constituting the water molecule arranged in the rectangular parallelepiped region in the first stable configuration is substantially constant by a molecular dynamics method. When,
The movement of the water molecule in a predetermined time from the second stable configuration is analyzed by a molecular dynamics method to calculate the displacement amount of the water molecule, and the sum of squares of the displacement amount of the water molecule is divided by the predetermined time. A diffusion constant calculation processing step for calculating a diffusion constant by
The method for analyzing an optical characteristic of an optical apparatus according to claim 3, comprising:

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