JP2014026524A - Simulation method and simulation program - Google Patents

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JP2014026524A JP2012167422A JP2012167422A JP2014026524A JP 2014026524 A JP2014026524 A JP 2014026524A JP 2012167422 A JP2012167422 A JP 2012167422A JP 2012167422 A JP2012167422 A JP 2012167422A JP 2014026524 A JP2014026524 A JP 2014026524A
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Saswatee Banerjee
シャッショティー バナジー
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Sumitomo Chemical Co Ltd
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Sumitomo Chemical Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simulation method and a simulation program, for more stably performing simulation by an FDTD (Finite Difference Time Domain) method.SOLUTION: In a simulation method in one embodiment, sizes and a time step unit of a cell 22 of an FDTD area 18 are set, and an electromagnetic field is calculated according to an FDTD method. Electromagnetic fields are calculated by using first and second equations for electromagnetic field analysis with respect to an object model 22A and a medium model 22B of an analysis model 20, and the first equation for electromagnetic field analysis is derived by incorporating a recursive convolution method in the Maxwell equations. When lengths of first to third sides of a cell at least in the object model are denoted by Δs, Δs, and Δs, and the time step unit is denoted by Δt, Δs, Δs, Δsand Δt are set based on a stabilization condition: Δt/Δs≤0.354/v, where j=1,2,3, and v is the light velocity in vacuum.

Description

本発明は、FDTD法を利用したシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムに関する。   The present invention relates to a simulation method and a simulation program using the FDTD method.

所定物体が媒質に囲まれた系の中を進行する電磁波の挙動を、コンピュータを用いて算出する電磁波のシミュレーション方法は、以下のような種々の設計に有用である。
・拡散板やカラーフィルターなどのディスプレイ用部材の設計
・高周波回路、レーダー及びアンテナなどのエレクトロニクス部材の設計
・インキ、塗料、プラスチック、及び、染色などの着色工業における材料の設計
・リモートセンシングや気象科学や医療の分野での各種測定装置の設計
・LEDデバイス、特に、ナノ微粒子又はナノ構造を含むLEDデバイスの設計に必要とされる、LEDの光取出し効率の計算
・太陽電池における光―電気変換効率の改善のための設計
An electromagnetic wave simulation method that uses a computer to calculate the behavior of an electromagnetic wave traveling through a system in which a predetermined object is surrounded by a medium is useful for the following various designs.
・ Design of display materials such as diffusers and color filters ・ Design of electronic components such as high-frequency circuits, radars and antennas ・ Design of materials in the color industry such as ink, paint, plastic and dyeing ・ Remote sensing and meteorological science Design of various measuring devices in the field of medicine and medicine ・ Calculation of LED light extraction efficiency required for designing LED devices, especially LED devices containing nanoparticles or nanostructures ・ Light-electric conversion efficiency in solar cells Design for improvement

電磁波のシミュレーションにおいては、2次元平面内のシミュレーションよりも、実際の電磁波の進行に近い3次元空間内のシミュレーションが求められている。そこで、物体が媒質に囲まれた系の中で、電磁波が進行する仮想空間内に格子状のセルを設定し、FDTD(Finite Difference Time Domain)法を用いて計算を行う電磁波のシミュレーション方法が提案されている(特許文献1参照。)。FDTD法は、上記仮想空間であるFDTD領域を複数のセルに分割して、マクスウェル方程式内の空間および時間微分を有限差分によって近似することでマクスウェル方程式を直接解くものである。   In the simulation of electromagnetic waves, a simulation in a three-dimensional space that is closer to the progress of actual electromagnetic waves is required than in a simulation in a two-dimensional plane. Therefore, an electromagnetic wave simulation method is proposed in which a lattice cell is set in a virtual space in which an electromagnetic wave travels in a system surrounded by a medium, and calculation is performed using the FDTD (Finite Difference Time Domain) method. (See Patent Document 1). In the FDTD method, the FDTD region, which is the virtual space, is divided into a plurality of cells, and the Maxwell equation is directly solved by approximating the space and time differentiation in the Maxwell equation by a finite difference.

しかしながら、系の中の物体が金属を含む場合、物体の誘電率の実部が、負になるので、FDTD法の計算において場の更新が進むにつれて、すなわち、時間ステップの更新が進むにつれて、計算が発散する傾向にある。   However, if the object in the system contains metal, the real part of the dielectric constant of the object will be negative, so as the field update proceeds in the FDTD calculation, ie as the time step update proceeds Tend to diverge.

このような発散を抑制するために、例えば、デバイ(Debye)、ドルーデ(Drude)、またはローレンツ(Lorentz)など、誘電率についての様々な解析的モデルが、周波数領域畳込みを使用することによって、FDTDに組み込むことができる。このような畳込みを利用した方法は、帰納的畳込み(Recursive Convolution)法(以下、単にRC法ともいう)として知られている。   To suppress such divergence, various analytical models for permittivity, such as Debye, Drude, or Lorentz, use frequency domain convolution, for example, Can be incorporated into FDTD. Such a method using convolution is known as a recursive convolution method (hereinafter also simply referred to as RC method).

特開2010−204859号公報JP 2010-204859 A

このような帰納的畳込み法を利用しても、空間的離散化の値等の条件設定によっては、シミュレーションが不安定になる傾向にあった。   Even if such an inductive convolution method is used, the simulation tends to become unstable depending on the setting of conditions such as a spatial discretization value.

そこで、本発明は、FDTD法によるシミュレーションをより安定して実施可能なシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムを提供すること目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a simulation method and a simulation program capable of more stably performing a simulation by the FDTD method.

本発明の一側面に係るシミュレーション方法は、誘電率の実部が正である媒質内に誘電率の実部が0以下であり虚部が正の値である物体が配置された解析対象物に電磁波が照射された場合の電磁界を、FDTD法に従って3次元的に解析するためのシミュレーション方法である。このシミュレーション方法では、解析対象物の解析モデルを配置するFDTD領域であって、複数のセルから構成されるFDTD領域のセルの大きさ及びFDTD法において電磁界を更新するための時間ステップ単位を、コンピュータによって設定する解析条件設定工程と、解析モデルに電磁波が入射した場合の電磁界を、FDTD法に従ってコンピュータにより算出する解析工程と、を備える。上記解析工程において、解析モデルのうち物体に対応する物体モデルに対しては、マクスウェル方程式から導かれる第1の電磁界解析用の式を用いて電磁界をコンピュータにより算出し、解析モデルのうち媒質に対応する媒質モデルに対しては、マクスウェル方程式から導かれる第2の電磁界解析用の式を用いて電磁界をコンピュータによる算出する。第1の電磁界解析用の式は、マクスウェル方程式に帰納的畳込み法を組み込むことによって導かれており、真空における光速をvとし、少なくとも物体モデル内のセルが有する互いに直交する第1〜第3の辺の長さをそれぞれΔs、Δs及びΔsとし、時間ステップ単位をΔtとしたとき、FDTD領域設定工程において、Δs、Δs、Δs及びΔtは、以下の安定化条件を示す式(1)に基づいて設定される。
ただし、j=1,2,3
The simulation method according to one aspect of the present invention is applied to an analysis object in which an object having a real part of a dielectric constant of 0 or less and a positive value of an imaginary part is arranged in a medium having a positive real part of the dielectric constant. This is a simulation method for three-dimensionally analyzing an electromagnetic field when an electromagnetic wave is irradiated according to the FDTD method. In this simulation method, an FDTD region in which an analysis model of an analysis object is arranged, the cell size of the FDTD region composed of a plurality of cells, and a time step unit for updating an electromagnetic field in the FDTD method, An analysis condition setting step set by a computer, and an analysis step of calculating an electromagnetic field when electromagnetic waves are incident on the analysis model by a computer according to the FDTD method. In the analysis step, for the object model corresponding to the object in the analysis model, the electromagnetic field is calculated by a computer using the first electromagnetic field analysis formula derived from the Maxwell equation, and the medium is included in the analysis model. For the medium model corresponding to, the electromagnetic field is calculated by a computer using the second electromagnetic field analysis formula derived from the Maxwell equation. The first electromagnetic field analysis equation is derived by incorporating an inductive convolution method into the Maxwell equation, where the light velocity in vacuum is v, and at least the first to first orthogonal cells included in the object model are orthogonal to each other. 3 sides of the length of each Delta] s 1, and Delta] s 2 and Delta] s 3, when the step unit was Δt time, the FDTD region setting step, Δs 1, Δs 2, Δs 3 and Δt the following stabilization conditions It is set based on the formula (1) indicating
However, j = 1, 2, 3

この方法では、式(1)で表される安定化条件に基づいて、少なくとも物体モデルのセルのサイズであるΔs、Δs、Δs、及び時間ステップ単位Δtが設定される。その結果、シミュレーションを安定して実施可能である。 In this method, at least Δs 1 , Δs 2 , Δs 3 , which are cell sizes of the object model, and a time step unit Δt are set based on the stabilization condition expressed by Expression (1). As a result, the simulation can be stably performed.

一実施形態において、上記電磁波は単色の電磁波であり得る。   In one embodiment, the electromagnetic wave may be a monochromatic electromagnetic wave.

一実施形態において、物体及び媒質における誘電率の実部及び虚部の値には、実測値又は実測値を補間して得られる補間値が使用されてもよい。   In one embodiment, an actual value or an interpolated value obtained by interpolating the actual value may be used as the real part and imaginary part values of the dielectric constant in the object and the medium.

このように実測値又は補間値を利用することで、より正確にシミュレーションを実施することが可能である。   In this way, it is possible to carry out the simulation more accurately by using the actual measurement value or the interpolation value.

一実施形態において、上記物体の材料は、金、銀、アルミニウム及び銅のうちの少なくとも一つであり得る。   In one embodiment, the material of the object may be at least one of gold, silver, aluminum and copper.

本発明の他の側面は、コンピュータに、本発明の一側面に係る上記シミュレーション方法を実行させるためのシミュレーションプログラムに係る。   Another aspect of the present invention relates to a simulation program for causing a computer to execute the simulation method according to one aspect of the present invention.

本発明によれば、FDTD法に従ってシミュレーションを安定して実施することができる。   According to the present invention, simulation can be stably performed according to the FDTD method.

本発明に係るシミュレーション方法の一実施形態を適用する解析対象物の模式図である。It is a schematic diagram of the analysis target to which one embodiment of the simulation method according to the present invention is applied. 図1に示した解析対象物に対応する解析モデルを配置するFDTD領域の模式図である。It is a schematic diagram of the FDTD area | region which arrange | positions the analysis model corresponding to the analysis target object shown in FIG. 図2に示したセルの拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of the cell shown in FIG. 2. 本発明に係るシミュレーション方法の一実施形態を適用するための解析装置のブロック図である。It is a block diagram of the analysis device for applying one embodiment of the simulation method concerning the present invention. 本発明に係るシミュレーション方法の一実施形態のフローチャートである。It is a flowchart of one Embodiment of the simulation method which concerns on this invention. 補間値と、最適化されたパラメータを使用したドルーデの分散式によって算出された値との比較を示す図面である。It is a figure which shows the comparison with the value calculated by the dispersion | distribution formula of Drude using the optimized parameter and the interpolation value. シミュレーションの一例の結果を示す図面である。It is drawing which shows the result of an example of simulation.

以下、図面を参照して本発明に係るシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムの実施形態について説明する。図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率等は、説明のものと必ずしも一致していない。   Hereinafter, embodiments of a simulation method and a simulation program according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are given to the same elements, and duplicate descriptions are omitted. The dimensional ratios and the like in the drawings do not necessarily match those described.

本発明に係るシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムは、誘電率の実部が正である媒質中に、誘電率の実部が0以下である物体を解析対象物に電磁波が入射した場合における電磁界を、FDTD法(Finite Difference Time Domain Method)に従って3次元的に解析するためのものである。上記物体の例は、金属微粒子や、複数の金属微粒子が連結された部材が例示され得る。上記媒質の例は、樹脂などの誘電体、空気及び真空を含み得る。以下の説明では、特に断らない限り、媒質中の物体は、金属微粒子であり、媒質は誘電体である。本発明は、例えば、金属微粒子などが拡散剤として利用された光学シートの設計などに適用され得る。   The simulation method and the simulation program according to the present invention provide an electromagnetic field in a case where an electromagnetic wave is incident on an object to be analyzed in an object having a real part of permittivity of 0 or less in a medium having a positive real part of permittivity. This is for three-dimensional analysis according to the FDTD method (Finite Difference Time Domain Method). Examples of the object may include metal fine particles and a member in which a plurality of metal fine particles are connected. Examples of the medium may include a dielectric such as a resin, air, and vacuum. In the following description, unless otherwise specified, the object in the medium is a metal fine particle, and the medium is a dielectric. The present invention can be applied to, for example, the design of an optical sheet in which metal fine particles are used as a diffusing agent.

図1は、一実施形態に係る解析対象物の一例を示す模式図である。解析対象物10は、金属微粒子12と、その金属微粒子12周囲において光を伝搬させるための伝搬媒質14とから構成され得る。金属微粒子12の一例は、金属から構成されるナノ微粒子である。金属微粒子12は、例えば、銀、金、アルミニウム及び銅のうち少なくとも一つから構成され得る。誘電体としての伝搬媒質14の例は、樹脂である。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an analysis object according to an embodiment. The analysis object 10 can be composed of metal fine particles 12 and a propagation medium 14 for propagating light around the metal fine particles 12. An example of the metal fine particle 12 is a nano fine particle composed of a metal. The metal fine particles 12 may be made of at least one of silver, gold, aluminum, and copper, for example. An example of the propagation medium 14 as a dielectric is resin.

本実施形態に係るシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムは、図1に示したような解析対象物10に単色の光(以下、入射光とも称す)16が入射した場合における電磁界をFDTD法(Finite Difference Time Domain Method)に従って解析するためのものである。入射光16の波長λは、紫外線領域、可視光領域、近赤外光領域のうちの範囲から選択され得る。波長λは、好ましくは、300nm〜900nmの範囲から選択され、より好ましくは、300nm〜700nmの範囲から選択される。   The simulation method and the simulation program according to the present embodiment use the FDTD method (Finite Difference Time) to calculate the electromagnetic field when monochromatic light (hereinafter also referred to as incident light) 16 is incident on the analysis target 10 as shown in FIG. For analysis according to Domain Method). The wavelength λ of the incident light 16 can be selected from the range of the ultraviolet region, the visible light region, and the near infrared light region. The wavelength λ is preferably selected from the range of 300 nm to 900 nm, more preferably from the range of 300 nm to 700 nm.

FDTD法について説明する。FDTD法では、コンピュータで設定する仮想空間としてのFDTD領域18内に、解析対象物10に対応する解析モデル20を配置する。図2は、解析モデルを示す模式図である。解析モデル20において、金属微粒子12に対応する金属微粒子モデルを金属微粒子モデル20Aと称し、媒質14に対応する媒質モデルを媒質モデル20Bと称する。図2では、金属微粒子モデル20Aを明確に示すために破線で示している。図2では、金属微粒子モデル20Aの外形を曲線で表しているが、後述するように、FDTD領域18は空間的に離散化される。従って、金属微粒子モデル20Aの外形形状は、微細な直線(或いはセルの辺)の組み合わせで表される。このような物体の表現方法は、階段近似(staircace approximation)として知られている。空間の離散化が微細になれば、物体の境界面はより実際の曲線に近づく。そのため、後述するセル(又はグリッド)を用いて物体を表現する際の正確性を確保するためには、微細な空間離散化が好ましい。図2において、解析モデル20の配置領域の大きさと、FDTD領域18の大きさとは一致している。   The FDTD method will be described. In the FDTD method, an analysis model 20 corresponding to the analysis object 10 is arranged in an FDTD area 18 as a virtual space set by a computer. FIG. 2 is a schematic diagram showing an analysis model. In the analysis model 20, a metal fine particle model corresponding to the metal fine particle 12 is referred to as a metal fine particle model 20A, and a medium model corresponding to the medium 14 is referred to as a medium model 20B. In FIG. 2, the metal fine particle model 20 </ b> A is shown by a broken line in order to clearly show it. In FIG. 2, the outer shape of the metal fine particle model 20 </ b> A is represented by a curve, but the FDTD region 18 is spatially discretized as described later. Therefore, the outer shape of the metal fine particle model 20A is represented by a combination of fine straight lines (or cell sides). Such an object representation method is known as staircace approximation. If the discretization of the space becomes finer, the boundary surface of the object becomes closer to an actual curve. For this reason, in order to ensure accuracy when an object is expressed using cells (or grids) described later, fine spatial discretization is preferable. In FIG. 2, the size of the arrangement region of the analysis model 20 and the size of the FDTD region 18 are the same.

FDTD法は、式(2a)及び式(2b)に示すマクスウェル方程式内の空間および時間微分を有限差分によって近似することでマクスウェル方程式を直接解く方法である。
rは、FDTD領域18において設定した原点からの位置ベクトルである。μは透磁率である。本実施形態の解析対象物10において、透磁率μは、通常、定数である。Eは電界ベクトル、Hは磁界ベクトルである。「∇」は、x、y及びzをx軸方向、y軸方向及びz軸方向の単位ベクトルとしたとき、x(∂/∂x)+y(∂/∂y)+z(∂/∂z)で定義されるベクトル微分演算子である。「×」は、回転演算子であり、いわゆる外積を表す。
The FDTD method is a method of directly solving the Maxwell equation by approximating the space and time derivatives in the Maxwell equation shown in the equations (2a) and (2b) by a finite difference.
r is a position vector from the origin set in the FDTD area 18. μ is the magnetic permeability. In the analysis object 10 of this embodiment, the magnetic permeability μ is usually a constant. E is an electric field vector and H is a magnetic field vector. “∇” means x u (∂ / ∂x) + y u (∂ / ∂y) + z u , where x u , yu and z u are unit vectors in the x-axis direction, y-axis direction and z-axis direction. It is a vector differential operator defined by (∂ / ∂z). “×” is a rotation operator and represents a so-called outer product.

式(2b)中のDは電束密度ベクトルであり、周波数領域において、Dは次式で与えられる。
式(3)中のε(r,ω)は誘電率である。
D in the equation (2b) is an electric flux density vector, and D is given by the following equation in the frequency domain.
In equation (3), ε (r, ω) is a dielectric constant.

マクスウェル方程式を空間的及び時間的な有限差分で近似して解くために、FDTD法では、FDTD領域18を、図2に示したように、複数のセル22に分割する。セル22の個数は、解析モデル20の大きさ、計算時間及び計算に要するメモリの容量などに応じて設定すればよい。FDTD領域18を構成する各セル22の形状の例は立方体である。従って、セル22において、互いに直交するx軸方向の辺(第1の辺)、y軸方向の辺(第2の辺)及びz軸方向の辺(第3の辺)の長さをそれぞれΔx(=Δs)、Δy(=Δs)及びΔz(=Δs)としたとき、Δx=Δy=Δzである。以下の説明では、立方体のセル22の一辺の長さをΔsとする。この場合、Δx=Δy=Δz=Δsである。 In order to approximate and solve the Maxwell equation with spatial and temporal finite differences, the FDTD method divides the FDTD region 18 into a plurality of cells 22 as shown in FIG. The number of cells 22 may be set according to the size of the analysis model 20, the calculation time, the memory capacity required for the calculation, and the like. An example of the shape of each cell 22 constituting the FDTD region 18 is a cube. Accordingly, in the cell 22, the lengths of the x-axis direction side (first side), the y-axis direction side (second side), and the z-axis direction side (third side) that are orthogonal to each other are respectively expressed by Δx. When (= Δs 1 ), Δy (= Δs 2 ), and Δz (= Δs 3 ), Δx = Δy = Δz. In the following description, the length of one side of the cubic cell 22 is Δs. In this case, Δx = Δy = Δz = Δs.

図3は、図2に示したセル22の拡大図である。図3において、白抜き矢印は電界を示し、黒色矢印は磁界を示す。図3に示すように、セル22を構成する各辺の中心で電界強度が計算され、セル22を構成する面の中心で磁界強度が計算される。   FIG. 3 is an enlarged view of the cell 22 shown in FIG. In FIG. 3, a white arrow indicates an electric field, and a black arrow indicates a magnetic field. As shown in FIG. 3, the electric field strength is calculated at the center of each side constituting the cell 22, and the magnetic field strength is calculated at the center of the surface constituting the cell 22.

次に、電界及び磁界を計算するための式について、金属微粒子モデル20Aに対する計算式と、媒質モデル20Bに対する計算式とに分けて説明する。以下の説明において、誘電率をεとする。誘電率εの複素数表示は、実部をε及び虚部をεとした場合、ε=ε−iεである。まず、金属微粒子モデル20Aに対する計算式について説明する。 Next, formulas for calculating the electric field and the magnetic field will be described separately for calculation formulas for the metal fine particle model 20A and calculation formulas for the medium model 20B. In the following description, the dielectric constant is assumed to be ε. Complex number of the dielectric constant epsilon, when the real part epsilon r and the imaginary part was epsilon i, is ε = ε r -iε i. First, calculation formulas for the metal fine particle model 20A will be described.

電磁界計算のための時間ステップ単位をΔtと表し、n(nは0以上の整数)を時間ステップ数とする。この場合、ある時刻tはt=nΔtである。時刻tにおける電界ベクトル及び磁界ベクトルをE及びHと表す。 A time step unit for electromagnetic field calculation is expressed as Δt, and n (n is an integer of 0 or more) is the number of time steps. In this case, a certain time t is t = nΔt. The electric field vector and the magnetic field vector at time t is expressed as E n and H n.

電磁波の伝搬はFDTD法を利用して実時間で計算されるので、式(3)で表される電束密度ベクトルを時間領域において取り扱う必要がある。時間領域における電束密度ベクトルDは、式(3)の両辺でフーリエ変換をとり、畳込み定理を適用することによって次式で表される。
式(4)において、ε(t)=F{ε(ω)}であり、Fはフーリエ変換を表す。
Since the propagation of electromagnetic waves is calculated in real time using the FDTD method, it is necessary to handle the electric flux density vector represented by Equation (3) in the time domain. The electric flux density vector D in the time domain is expressed by the following equation by performing Fourier transform on both sides of the equation (3) and applying the convolution theorem.
In Expression (4), ε (t) = F {ε (ω)}, and F represents a Fourier transform.

誘電率ε(ω)が角周波数ωのある特殊な関数で表されるとき、式(4)の畳込み積分は帰納的に計算可能である。これは帰納的畳込み法(RC法)として知られている。   When the dielectric constant ε (ω) is expressed by a special function having an angular frequency ω, the convolution integral of the equation (4) can be calculated recursively. This is known as an inductive convolution method (RC method).

本実施形態では、金属微粒子12の誘電率ε(ω)を表す関数として、ドルーデの一次近似式(ドルーデの分散式)を採用する。この場合、誘電率ε(ω)は式(5)のように表される。
式(5)において、ωはプラズマ周波数、νは衝突周波数である。εは、周波数が無限大のときの誘電率であり、1に等しい。χ(ω)は電気比感受率である。
In the present embodiment, a Drude primary approximation formula (Drude dispersion formula) is adopted as a function representing the dielectric constant ε (ω) of the metal fine particles 12. In this case, the dielectric constant ε (ω) is expressed as Equation (5).
In equation (5), ω p is the plasma frequency and ν c is the collision frequency. epsilon is the dielectric constant when the frequency is infinite, equal to 1. χ (ω) is an electrical specific susceptibility.

χ(ω)をフーリエ変換したもの、すなわち、F{χ(ω)}をχ(t)と表した場合、χ(t)は次式で表される。
U(t)は、時間の単位ステップ関数であって、t=0の場合、U(t)=0であり、t>0の場合、U(t)=1である。
When χ (ω) is Fourier transformed, that is, F {χ (ω)} is expressed as χ (t), χ (t) is expressed by the following equation.
U (t) is a unit step function of time. When t = 0, U (t) = 0, and when t> 0, U (t) = 1.

離散化された時間領域中の時刻t=nΔt(nは0以上の整数)において、区間[mΔt,(m+1)Δt](mは0以上n以下の整数)にわたって電界ベクトルEを定数ベクトルとして、式(4)の畳込み積分を評価した場合、次式が得られる。
式(7)中において、εは、真空の誘電率である。
At time t = nΔt (n is an integer of 0 or more) in the discretized time domain, the electric field vector E is a constant vector over a section [mΔt, (m + 1) Δt] (m is an integer of 0 to n), When the convolution integral of Formula (4) is evaluated, the following formula is obtained.
In Equation (7), ε 0 is the dielectric constant of vacuum.

式(7)は、以下のように書き表すことができる。
Ψは、累積変数ベクトルであり下記式(9)が成り立つ。
Equation (7) can be written as:
Ψ is a cumulative variable vector, and the following formula (9) is established.

式(9)は、以下の式(10)のように表される。
この式(10)において、
である。式(11)より、
が成立する。式(12)において、
である。式(12)において、Ψ=0とすると共に、Ψ=Eχとする。
Expression (9) is expressed as the following Expression (10).
In this formula (10),
It is. From equation (11)
Is established. In equation (12),
It is. In Equation (12), Ψ 0 = 0 and Ψ 1 = E 1 χ 0 .

式(10)〜式(13b)より、累積変数Ψに関する以下の帰納的関係式が得られる。
From the equations (10) to (13b), the following inductive relational expression regarding the cumulative variable Ψ is obtained.

式(14)は、χ=0とすると共に、n≦0においてΨを0とすることによって解かれ得る。 Equation (14) can be solved by setting χ 0 = 0 and setting ψ to 0 when n ≦ 0.

FDTD法において、式(2a)及び式(2b)は、中心差分法を利用して解かれる。式(2a)中の一次時間導関数を近似するために、二次精度有限差分表現を利用したとき、式(2a)は、次式のように表される。
In the FDTD method, equations (2a) and (2b) are solved using the central difference method. When a second-order precision finite difference expression is used to approximate the first-order time derivative in equation (2a), equation (2a) is expressed as:

磁界ベクトルHの更新方程式は、式(2a)に等価な差分形式の方程式から導かれて、以下のように表される。
式(16)中において、dはベクトル差分演算子である。dは下記式で定義される。
、d及びdは、一次微分である∂/∂x、∂/∂y及び∂/∂zの二次精度有限差分近似である。任意の関数をf(x,y,z)で表したとき、df(x,y,z)、df(x,y,z)及びdf(x,y,z)は、式(18a)〜式(18c)で与えられる。
The update equation of the magnetic field vector H is derived from an equation in a differential format equivalent to the equation (2a) and is expressed as follows.
In Expression (16), d is a vector difference operator. d is defined by the following formula.
d x, d y and d z are first derivative ∂ / ∂x, a secondary accuracy finite difference approximation of ∂ / ∂y and ∂ / ∂z. When an arbitrary function is expressed by f (x, y, z), d x f (x, y, z), dy f (x, y, z), and d z f (x, y, z) are , Are given by equations (18a) to (18c).

FDTD法で電磁界を3次元的に計算する場合、磁界ベクトルHは、x軸方向、y軸方向及びz軸方向にそれぞれ成分を有する。磁界ベクトルHの各成分の更新方程式は、式(16)、式(17)及び式(18a)〜式(18c)を考慮すれば、次のように表される。
When the electromagnetic field is three-dimensionally calculated by the FDTD method, the magnetic field vector H has components in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction, respectively. The update equation for each component of the magnetic field vector H is expressed as follows in consideration of the equations (16), (17), and (18a) to (18c).

次に、電界ベクトルEについて説明する。式(2b)中の一次時間導関数を近似するために、二次精度有限差分表現を利用したとき、式(2b)は、次式のように表される。
Next, the electric field vector E will be described. When a second-order precision finite difference expression is used to approximate the first-order time derivative in Equation (2b), Equation (2b) is expressed as:

電界ベクトルEの更新方程式は、式(2b)に等価な差分形式の方程式から導かれて、以下のように表される。
The update equation of the electric field vector E is derived from an equation in a differential format equivalent to the equation (2b) and is expressed as follows.

式(21)中のΨn+1−Ψは、式(14)により与えられる。式(21)中のdは、式(17)で定義される。df(x,y,z)、df(x,y,z)及びdf(x,y,z)は、式(22a)〜式(22c)で与えられる。
Ψ n + 1 −Ψ n in Expression (21) is given by Expression (14). D in Formula (21) is defined by Formula (17). d x f (x, y, z), d y f (x, y, z) and d z f (x, y, z) are given by Expression (22a) to Expression (22c).

磁界ベクトルHの場合と同様に、電界ベクトルEは、x軸方向、y軸方向及びz軸方向にそれぞれ成分を有する。電界ベクトルの各成分の更新方程式は、式(21)、式(17)及び式(22a)〜式(22c)を考慮すれば、次のように表される。
As in the case of the magnetic field vector H, the electric field vector E has components in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction, respectively. The update equation for each component of the electric field vector is expressed as follows in consideration of the equations (21), (17), and (22a) to (22c).

次に、媒質14に対する計算式について説明する。透磁率μが、正の値で定数である場合、磁界ベクトルHの更新方程式は、式(19a)、式(19b)及び式(19c)と同じである。   Next, calculation formulas for the medium 14 will be described. When the magnetic permeability μ is a positive value and a constant, the update equation of the magnetic field vector H is the same as the equations (19a), (19b), and (19c).

一方、誘電体内では、誘電率εの実部ε及び虚部εがいずれも正の値である。媒質モデルに対する電界ベクトルEの各成分の更新方程式は、累積変数Ψを用いずに、以下のように表される。
On the other hand, in the dielectric, both the real part ε r and the imaginary part ε i of the dielectric constant ε are positive values. The update equation of each component of the electric field vector E for the medium model is expressed as follows without using the cumulative variable Ψ.

式(24a)〜式(24c)内のaは、σを伝導率とした場合、(σΔt)/(2ε)=(εωΔt)/(2ε)で定義され得る。ただし、ε≧0であり、ε>εである。 A in equation (24a) ~ formula (24c), when the σ and conductivity can be defined by (σΔt) / (2ε r) = (ε i ωΔt) / (2ε r). However, ε i ≧ 0 and ε r > ε i .

[安定化条件]
次に、FDTD法の計算を発散させないための安定化条件について説明する。帰納的畳込み法を組み込んでいないアルゴリズムに対しては、すなわち、媒質モデル20Bに対しては、いわゆるクーラン条件に基づいて安定条件を算出すればよい。ただし、帰納的畳込み法を組み込んだアルゴリズムに対する安定化条件の方がより厳しい条件であるため、帰納的畳込み法を利用したアルゴリズムに対する安定化条件について説明する。
[Stabilization conditions]
Next, stabilization conditions for preventing the FDTD method from diverging will be described. For an algorithm that does not incorporate an inductive convolution method, that is, for the medium model 20B, a stable condition may be calculated based on a so-called Courant condition. However, since the stabilization condition for the algorithm incorporating the inductive convolution method is a stricter condition, the stabilization condition for the algorithm using the inductive convolution method will be described.

帰納的畳込み法を組み込んだFDTD法のアルゴリズムの安定化させるためには、式(14)におけるc及びcは、以下の条件を満たす必要がある。

及びcは、計算に使用する波長に対する金属微粒子の誘電率の値を用いて計算され得る。ここで、入射光16の波長λ(又は角周波数ω)に対応する金属微粒子12の誘電率ε(=ε−iε)に対して、プラズマ周波数ω及び衝突周波数νは、式(5)より、以下の式(26)及び式(27)で表される。
従って、式(13a)、式(13b)、式(26)及び式(27)より以下の式が成り立つ。
式(28a)及び式(28b)を考慮すれば、εが0より大きく、εが0以下である限り、cは、正であり1より小さい。すなわち、εが0より大きく、εが0以下である金属微粒子に対しては、(式25b)は成立する。更に、式(25a)を満たすように、ωΔtが選択され得る。
In order to stabilize the algorithm of the FDTD method incorporating the inductive convolution method, c 1 and c 2 in Equation (14) must satisfy the following conditions.

c 1 and c 2 can be calculated using the value of the dielectric constant of the metal microparticles for the wavelength used in the calculation. Here, with respect to the dielectric constant ε (= ε r −iε i ) of the metal fine particles 12 corresponding to the wavelength λ (or angular frequency ω) of the incident light 16, the plasma frequency ω p and the collision frequency ν c are expressed by the formula ( From 5), it is expressed by the following formula (26) and formula (27).
Therefore, the following expressions are established from the expressions (13a), (13b), (26), and (27).
Considering equations (28a) and (28b), c 2 is positive and less than 1 as long as ε i is greater than 0 and ε r is 0 or less. That is, (Equation 25b) holds for metal fine particles in which ε i is greater than 0 and ε r is 0 or less. Furthermore, ωΔt can be selected to satisfy equation (25a).

次に、金属微粒子モデル20Aに対して適用する式(23a)〜式(23c)を利用する場合の安定化条件について説明する   Next, a description will be given of stabilization conditions when using the equations (23a) to (23c) applied to the metal fine particle model 20A.

有限差分時間微分演算子をdとしたとき、式(21)及び式(14)は次のように表され得る。
ただし、dは、dΨn+1/2=Ψn+1−Ψで定義される演算子である。
When the finite difference time differential operator is d t , the equations (21) and (14) can be expressed as follows.
Here, d t is an operator defined by d t Ψ n + 1/2 = Ψ n + 1 −Ψ n .

式(29a)、(29b)及び式(19a)〜(19c)より、電磁界の更新方程式は、行列を利用すると以下の式に表される。
行列M及びNは、係数行列である。式(30)より、次式が得られる。
式(31)において、行列Iは、恒等行列である。行列M及びNの成分は、式(29a)、(29b)及び式(19a)〜(19c)を考慮すると以下のように得られる。
ここで、pは、(1/μ)(Δt/Δs)(d×)で表され、電界ベクトルEに作用する有限差分演算子である。pは、(1/ε)(Δt/Δs)(d×)で表され、磁界ベクトルHに作用する有限差分演算子である。
From equations (29a) and (29b) and equations (19a) to (19c), the electromagnetic field update equation is expressed by the following equation using a matrix.
The matrices M and N are coefficient matrices. From the equation (30), the following equation is obtained.
In Equation (31), the matrix I is an identity matrix. The components of the matrices M and N are obtained as follows when the equations (29a), (29b) and the equations (19a) to (19c) are considered.
Here, p E is represented by (1 / μ) (Δt / Δs) (d ×), a finite difference operator acting on the electric field vector E. p H is represented by (1 / ε 0 ) (Δt / Δs) (d ×), and is a finite difference operator acting on the magnetic field vector H.

ここで、行列Cを以下のように定義する。
式(33)を利用すると式(31)は、次式で表される。
及びq(j=1,2,3)を行列Cの固有ベクトル及び固有値として、線形システム理論を利用することによって、式(35)及び式(36)が得られる。
ただし、aは定数である。
Here, the matrix C is defined as follows.
When Expression (33) is used, Expression (31) is expressed by the following expression.
By using linear system theory with L j and q j (j = 1, 2, 3) as eigenvectors and eigenvalues of matrix C, equations (35) and (36) are obtained.
However, a j is a constant.

アルゴリズムの安定化のためには、|q|≦1であることが必要である。qは、行列Cの固有値である。固有値は、式(37)に示す固有方程式の解である。
式(37)においてベクトルQは、式(38)で定義される対角行列である。
式(37)より式(39)が成り立つ。
式(39)の解の一つは0である。式(39)の他の2つの解をq±として表すと、q±は、式(40)で与えられる。
アルゴリズムの安定化のためには、|q±|≦1であることが必要である。c及びcは共に1以下であるので、p≦2であれば、|q±|≦1となる。
In order to stabilize the algorithm, it is necessary that | q j | ≦ 1. q j is an eigenvalue of the matrix C. The eigenvalue is a solution of the eigen equation shown in Expression (37).
In Expression (37), the vector Q is a diagonal matrix defined by Expression (38).
Expression (39) is established from Expression (37).
One solution of equation (39) is zero. Expressing the other two solutions of Equation (39) as q ± , q ± is given by Equation (40).
In order to stabilize the algorithm, it is necessary that | q ± | ≦ 1. Since c 1 and c 2 are both 1 or less, if p E p H ≦ 2, then | q ± | ≦ 1.

ベクトル差分演算子pは、式(41)で与えられる。
従って、アルゴリズムの安定性のためには、式(42)が成立すればよい。
The vector difference operator p E p H is given by equation (41).
Therefore, for the stability of the algorithm, equation (42) may be established.

ここで、真空の光速(電磁波の速度)をv=1/(με1/2とすると、式(42)は式(43)で表される。
Here, when the light speed of the vacuum (the speed of the electromagnetic wave) is v = 1 / (με 0 ) 1/2 , Expression (42) is expressed by Expression (43).

演算子”d×d×”を調和ベクトル場Eに適用することによって演算子”d×d×”の最大値を評価する。調和ベクトル場Eは、式(44)で表される。
ただし、Eは、E=x0x+y0y+z0zで表されるベクトルである。x、y、及びzは、前述したように、それぞれx軸方向、y軸方向及びz軸方向の単位ベクトルである。式(44)中において、kは、波数ベクトルであり、rは、位置ベクトルである。
The maximum value of the operator “d × d ×” is evaluated by applying the operator “d × d ×” to the harmonic vector field E. The harmonic vector field E is expressed by the equation (44).
Here, E 0 is a vector represented by E 0 = x u E 0x + y u E 0y + z u E 0z . As described above, x u , yu , and z u are unit vectors in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction, respectively. In Equation (44), k is a wave vector and r is a position vector.

3次元において、d×E及びd×d×Eは、それぞれ式(45a)及び式(45b)で与えられる。
In three dimensions, d × E and d × d × E are given by Equation (45a) and Equation (45b), respectively.

一次の差分演算子の定義から次式が成り立つ。
式(46)中において、α及びβは独立した添え字である。α及びβは、それぞれx,y又はzである。
The following equation holds from the definition of the first-order difference operator.
In formula (46), α and β are independent subscripts. α and β are x, y, or z, respectively.

d×d×Eのx成分を(d×d×E)と表したとき、(d×d×E)は、次式で与えられる。
When the x component of d × d × E is represented as (d × d × E) x , (d × d × E) x is given by the following equation.

着目しているベクトル場におけるベクトルEの方向に対する極角及び方位角をθ及びφとすると、E0x、E0y及びE0zはそれぞれ式(48a)、式(48b)及び式(48c)で表される。
Assuming that the polar angle and azimuth angle with respect to the direction of the vector E 0 in the vector field of interest are θ and φ, E 0x , E 0y, and E 0z are respectively expressed by equations (48a), (48b), and (48c). expressed.

|sinθcosφ|≦1、|sinθsinφ|≦1及び|cosθ|≦1であると共に、|sin(kΔs/2)|≦1であることから、式(47)の右辺の最大値は16、すなわち、d×d×Eのx成分を(d×d×E)の最大値は16と評価され得る。同様に、d×d×Eのy成分及びz成分の最大値も16と評価され得る。 | sinθcosφ | ≦ 1, | sinθsinφ | ≦ 1 and | cosθ | ≦ 1 a with which, | sin (k m Δs / 2) | since it is ≦ 1, maximum value is 16 right-hand side of equation (47), That is, the x component of d × d × E is (d × d × E). The maximum value of x can be evaluated as 16. Similarly, the maximum value of the y component and the z component of d × d × E can be evaluated as 16.

従って、式(43)より、以下の式が成り立つ。
式(49)より、アルゴリズムの安定化のために、時間と空間の離散化の比の最大値は、0.354/v(ただし、vは真空の光速)であることがわかる。
Therefore, the following expression is established from Expression (43).
From equation (49), it can be seen that the maximum value of the ratio of discretization of time and space is 0.354 / v (where v is the speed of light in a vacuum) in order to stabilize the algorithm.

よって、金属微粒子モデル20Aに対して適用する式(23a)〜式(23c)を利用する場合は、式(49)を満たすようにΔt及びΔsを設定すればよい。前述したように、金属微粒子モデル20Aに対する安定化条件は、媒質モデル20B安定化条件の方がより厳しい。従って、式(23a)〜式(23c)に対する安定化条件を満たすように、Δt及びΔsを設定すれば媒質モデル20Bに対しても安定して計算可能である。   Therefore, when using the equations (23a) to (23c) applied to the metal fine particle model 20A, Δt and Δs may be set so as to satisfy the equation (49). As described above, the stabilization condition for the metal fine particle model 20A is more severe than that for the medium model 20B. Therefore, if Δt and Δs are set so as to satisfy the stabilization conditions for the expressions (23a) to (23c), the medium model 20B can be stably calculated.

次に、FDTD法において使用する誘電率の値について説明する。例示した金属微粒子モデル20Aに対する電界ベクトルE及び磁界ベクトルHの更新方程式(第1の電磁界解析用の式)では、式(13a)及び式(13b)中のプラズマ周波数ω及び衝突周波数νに金属微粒子12の誘電率εが含まれている。 Next, the dielectric constant value used in the FDTD method will be described. In the update equation (first equation for electromagnetic field analysis) of the electric field vector E and the magnetic field vector H for the exemplified metal fine particle model 20A, the plasma frequency ω p and the collision frequency ν c in the equations (13a) and (13b). Includes the dielectric constant ε of the metal fine particles 12.

より具体的には、入射光16の波長λ(又は振動数)に対応する金属微粒子12の誘電率ε(=ε−iε)に対して、プラズマ周波数ω及び衝突周波数νは、式(26)及び式(27)で表される。 More specifically, with respect to the dielectric constant ε (= ε r −iε i ) of the metal fine particles 12 corresponding to the wavelength λ (or frequency) of the incident light 16, the plasma frequency ω p and the collision frequency ν c are: It represents with Formula (26) and Formula (27).

媒質モデルに対する電界ベクトルE及び磁界ベクトルHの更新方程式(第2の電磁界解析用の式)では、式(24a)〜(24c)中の“a”に媒質14の誘電率εの実部ε及び虚部εが含まれる。 In the update equation (second electromagnetic field analysis equation) of the electric field vector E and the magnetic field vector H for the medium model, the real part ε of the dielectric constant ε of the medium 14 is represented by “a” in the equations (24a) to (24c). r and imaginary part ε i are included.

本実施形態では、このような誘電率εの実部ε及び虚部εの値として実測値又はそれら実測値を補間して得られる値(以下、補間値と称す)を使用する。本実施形態において、実測値とは、光学特性など一覧として掲載されている書籍記載のデータ値など公知の実測値、又は、シミュレーションのために実際に使用する金属微粒子12に対して個別に実測した値であり得る。光学特性など一覧として掲載されている書籍の例は、「C.L.Foiles, ‘Optical properties of pure metals and binary alloys’,Chapter 4 of Landolt-Bornstein Numerical Data and Functional Relationships inScience and Technology New Series, Vol.15, Subvolume b, K. H.Hellwege and J.L.Olsen, Ed.Springer-Verlag, Berlin 1985,pp. 228」である。補間値を得るための補間手法の例は、三次スプライン補間である。 In the present embodiment, actual values or values obtained by interpolating these actual values (hereinafter referred to as interpolation values) are used as the values of the real part ε r and the imaginary part ε i of such a dielectric constant ε. In the present embodiment, the actual measurement values are known actual measurement values such as data values described in books listed as a list such as optical characteristics, or individually measured for the metal fine particles 12 actually used for simulation. It can be a value. Examples of books listed as a list of optical properties are `` CLFoiles, 'Optical properties of pure metals and binary alloys', Chapter 4 of Landolt-Bornstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology New Series, Vol. 15, Subvolume b, KHHellwege and JLOlsen, Ed. Springer-Verlag, Berlin 1985, pp. 228 ”. An example of an interpolation method for obtaining an interpolation value is cubic spline interpolation.

次に、上記アルゴリズムを実施するための解析装置24、シミュレーション方法及びシミュレーションプログラムについて説明する。   Next, an analysis device 24, a simulation method, and a simulation program for executing the above algorithm will be described.

図4は、本発明に係るシミュレーション方法の一例を実施するための解析装置24のブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram of the analysis device 24 for carrying out an example of the simulation method according to the present invention.

図4に示した解析装置24は、例えばパーソナルコンピュータ装置やワークステーション等のコンピュータ装置であり、主な構成要素として、入力手段26、メモリ28、中央処理装置30及び出力手段32を備えている。   The analysis device 24 shown in FIG. 4 is a computer device such as a personal computer device or a workstation, and includes an input unit 26, a memory 28, a central processing unit 30, and an output unit 32 as main components.

入力手段26は、キーボードなどであり、シミュレーションを実施するためのパラメータを含む入力データを受け付ける。上記パラメータとしては、入射光16の波長λを含む入射光16に関する諸条件、波長λに対する金属微粒子12及び媒質14それぞれのε及びεの値、解析対象物10の諸条件並びに境界条件、及び、シミュレーションでの最大時刻tmax(tmax=nΔt)等である。 The input means 26 is a keyboard or the like, and receives input data including parameters for performing a simulation. The parameters include various conditions regarding the incident light 16 including the wavelength λ of the incident light 16, values of ε r and ε i of the metal fine particles 12 and the medium 14 with respect to the wavelength λ, various conditions of the analysis target object 10, and boundary conditions, And the maximum time t max (t max = nΔt) in the simulation.

解析対象物10の諸条件は、解析対象物10に対応する解析モデル20を解析装置24内で仮想的に構築できる条件であればよい。解析対象物10の諸条件の例は、媒質14及び金属微粒子12の大きさ(サイズ)及び媒質14内での金属微粒子12の位置である。誘電率εの実部ε及び虚部εの値は、前述したように、実測値(既知の値)又は補間値である。境界条件としては、種々の吸収境界条件又は種々の周期的境界条件が使用され得る。吸収境界条件の例は、二次精度Mur境界条件、PML(Perfectly matched layer)及びUPML(Uniaxial PML)境界条件を含み得る。 The various conditions of the analysis object 10 may be any conditions as long as the analysis model 20 corresponding to the analysis object 10 can be virtually constructed in the analysis device 24. Examples of various conditions of the analysis object 10 are the size (size) of the medium 14 and the metal fine particles 12 and the position of the metal fine particles 12 in the medium 14. The values of the real part ε r and the imaginary part ε i of the dielectric constant ε are actually measured values (known values) or interpolation values as described above. As the boundary condition, various absorption boundary conditions or various periodic boundary conditions can be used. Examples of absorbing boundary conditions may include secondary precision Mur boundary conditions, PML (Perfectly matched layer) and UPML (Uniaxial PML) boundary conditions.

メモリ28は、解析装置24を動作させるための種々のプログラムや、入力手段26からの入力データや、後述するシミュレーション方法に沿ってFDTD解析を実施するためのFDTDプログラム(シミュレーションプログラム)34及びFDTDプログラム34を実施中又は実施後の計算結果を記憶する。FDTDプログラム34は、金属微粒子モデル及び媒質モデルにそれぞれ適用するための更新方程式を利用して安定的にFDTD方法を実施するための解析条件を設定せしめる解析条件設定モジュール34Aと、FDTD法を実行するための解析モジュール34Bとを含む。   The memory 28 includes various programs for operating the analysis device 24, input data from the input means 26, FDTD program (simulation program) 34 and FDTD program for performing FDTD analysis according to a simulation method described later. 34 stores the calculation result during or after execution. The FDTD program 34 executes an FDTD method and an analysis condition setting module 34A for setting analysis conditions for stably performing the FDTD method by using update equations for application to the metal fine particle model and the medium model, respectively. And an analysis module 34B.

中央処理装置30は、メモリ28に記憶されているFDTDプログラム34を読み込み、シミュレーションのための種々の演算を実行する。中央処理装置30は、メモリ28に記憶されている各種プログラムを読み込み、解析装置24の構成要素を制御する機能も有する。   The central processing unit 30 reads the FDTD program 34 stored in the memory 28 and executes various calculations for simulation. The central processing unit 30 also has a function of reading various programs stored in the memory 28 and controlling components of the analysis device 24.

出力手段32は、例えばディスプレイなどであり、中央処理装置30で算出されて得られるシミュレーション結果を表示する。   The output means 32 is a display etc., for example, and displays the simulation result obtained by being calculated by the central processing unit 30.

次に、FDTD法に従ったシミュレーション方法について説明する。図5は、シミュレーション方法を示すフローチャートである。シミュレーションは、解析装置24のメモリ28に格納されているFDTDプログラム34を中央処理装置30が読み込み実行することで実施される。   Next, a simulation method according to the FDTD method will be described. FIG. 5 is a flowchart showing a simulation method. The simulation is performed by the central processing unit 30 reading and executing the FDTD program 34 stored in the memory 28 of the analysis device 24.

図5に示すように、ステップS10で操作者が入力手段26を介してシミュレーション用のパラメータを入力する(入力工程)。入力手段26がパラメータを受け付けると、メモリ28がそのパラメータを記憶する。   As shown in FIG. 5, in step S10, the operator inputs simulation parameters via the input means 26 (input process). When the input means 26 receives a parameter, the memory 28 stores the parameter.

次に、ステップS12において、解析条件を設定する(解析条件設定工程)。この解析条件決定工程では、中央処理装置30が、安定化条件に基づいて解析条件を設定する。解析条件は、例えば、式(49)に基づいて設定され得る。具体的には、時間ステップ単位Δtが一定の場合、式(49)からΔs、すなわち、解析対象物10に対する解析モデル20を複数のセル22に分ける際のセル22の一辺の大きさが設定され得る。なお、式(49)を満たすΔsを設定する場合は、計算時間が短縮出来るようなΔsをより優先的に設定する。   Next, in step S12, an analysis condition is set (analysis condition setting step). In this analysis condition determination step, the central processing unit 30 sets analysis conditions based on the stabilization conditions. The analysis condition can be set based on the formula (49), for example. Specifically, when the time step unit Δt is constant, Δs from Expression (49), that is, the size of one side of the cell 22 when the analysis model 20 for the analysis target 10 is divided into a plurality of cells 22 is set. obtain. When Δs satisfying equation (49) is set, Δs that can reduce the calculation time is set with higher priority.

他の実施形態では、Δt及びΔsを、式(49)を満たすように任意に設定してもよい。   In other embodiments, Δt and Δs may be arbitrarily set so as to satisfy Equation (49).

更に他の実施形態では、次のステップによってΔs及びΔtを設定してもよい。   In yet another embodiment, Δs and Δt may be set by the following steps.

・ステップI:式(49)のvを2.998×10m/sにセットする。
・ステップII:式(28a)及び式(28b)で表されるc及びcがそれぞれ1以下となるようにΔtを選択する。
・ステップIII:式(49)を満たすように、Δsを選択する。
Step I: Set v in formula (49) to 2.998 × 10 8 m / s.
Step II: Δt is selected so that c 1 and c 2 represented by formula (28a) and formula (28b) are 1 or less, respectively.
Step III: Δs is selected so as to satisfy Expression (49).

続くステップS14では、ステップS12で設定された空間的な離散化条件で規定されるFDTD領域18を設定し、FDTD領域18に解析モデル20を配置する。   In subsequent step S14, the FDTD region 18 defined by the spatial discretization condition set in step S12 is set, and the analysis model 20 is arranged in the FDTD region 18.

その後、ステップS16において、FDTD領域18を構成する全てのセル22の電磁界を初期化する。具体的には、各セル22における電界及び磁界の各軸方向の成分を0とする。   Thereafter, in step S16, the electromagnetic fields of all the cells 22 constituting the FDTD region 18 are initialized. Specifically, the component in each axial direction of the electric field and magnetic field in each cell 22 is set to zero.

ステップS18において、時刻tにおける磁界及び電界を、全てのセル22において算出し、時刻tをアップデートする(解析工程)。具体的には、媒質モデル20Bに対しては、式(19a)〜式(19c)及び式(24a)〜式(24c)に基づいて磁界及び電界を算出し、金属微粒子モデル20Aに対しては、式(19a)〜式(19c)及び式(23a)〜式(23c)に基づいて磁界及び電界を算出する。式(19a)〜式(19c)、式(23a)〜式(23c)及び式(24a)〜式(24c)に示すように、FDTD法では、電界を算出する場合には、電界を算出する位置において、1時間ステップ単位前に算出された電界と、その電界を算出する位置の近傍(その位置を囲む位置)で半時間ステップ単位前に算出された磁界とに基づいて電界が算出される。一方、磁界を算出する場合には、磁界を算出する位置において、1時間ステップ単位前に算出された磁界と、その磁界を算出する位置の近傍(その位置を囲む位置)で半時間ステップ単位前に算出された電界とに基づいて磁界が算出される。   In step S18, the magnetic field and electric field at time t are calculated in all the cells 22, and time t is updated (analysis process). Specifically, for the medium model 20B, the magnetic field and the electric field are calculated based on the equations (19a) to (19c) and (24a) to (24c), and for the metal fine particle model 20A. The magnetic field and the electric field are calculated based on the equations (19a) to (19c) and (23a) to (23c). As shown in Formula (19a) to Formula (19c), Formula (23a) to Formula (23c), and Formula (24a) to Formula (24c), the FDTD method calculates the electric field when calculating the electric field. At the position, the electric field is calculated based on the electric field calculated one unit before the time step and the magnetic field calculated before the half time step unit in the vicinity of the position where the electric field is calculated (a position surrounding the position). . On the other hand, when calculating the magnetic field, at the position where the magnetic field is calculated, the magnetic field calculated one time step before, and the vicinity of the position where the magnetic field is calculated (position surrounding the position) half a time step unit before A magnetic field is calculated based on the calculated electric field.

ステップS20において、アップデートされた時刻tが最大時刻tmaxであるか否かを判定する。時刻tが最大時刻tmaxより小さい場合(ステップS20で「YES」)には、ステップS18に戻る。 In step S20, it is determined whether or not the updated time t is the maximum time tmax . If the time t is smaller than the maximum time t max (“YES” in step S20), the process returns to step S18.

ステップS20において、時刻tが最大時刻tmax以上である場合(ステップS20で「NO」の場合)には、ステップS22に進み、解析結果を出力手段32により出力する(出力工程)。 In step S20, when the time t is equal to or greater than the maximum time tmax (in the case of “NO” in step S20), the process proceeds to step S22, and the analysis result is output by the output means 32 (output process).

以上説明した本実施形態のシミュレーション法及びFDTDプログラム34では、安定化条件に基づいて、Δs及びΔtを設定している。そのため、誘電率εの実部εの値が負である金属微粒子12を解析対象に含んでいても安定してFDTD法を実行することが可能である。 In the simulation method and the FDTD program 34 of the present embodiment described above, Δs and Δt are set based on the stabilization condition. Therefore, the FDTD method can be stably executed even if the analysis object includes the metal fine particles 12 having a negative value of the real part ε r of the dielectric constant ε.

式(26)及び式(27)に含まれる金属微粒子12の誘電率εの実部ε及び虚部εの値として、解析に使用する波長λに対する実測値(既知の値)を利用することによって、より正確にシミュレーションすることが可能である。 As the values of the real part ε r and the imaginary part ε i of the dielectric constant ε of the metal fine particles 12 included in the expressions (26) and (27), an actual measurement value (known value) with respect to the wavelength λ used in the analysis is used. Therefore, it is possible to simulate more accurately.

ただし、誘電率εの実測値は、通常、光のエネルギー又は周波数において離散的に取得されている。波長は、周波数に反比例するので、仮に、エネルギー領域において一定間隔で誘電率εの実測値が存在しても、波長領域において一定間隔で実測値は存在しない場合があり得る。従って、解析に使用する波長λに対する誘電率εの実測値が存在しない場合があり得る。この場合、前述したように、実測値から補間法を使用して得られた補間値を用いてシミュレーションを実施する。これにより、本実施形態では、より正確にシミュレーションすることが可能である。補間法の例は、三次スプライン(Cubic spline)補間である。   However, the measured value of the dielectric constant ε is normally obtained discretely in the energy or frequency of light. Since the wavelength is inversely proportional to the frequency, even if there are actually measured values of the dielectric constant ε at regular intervals in the energy region, there may be cases where the actual measured values do not exist at regular intervals in the wavelength region. Therefore, there may be a case where there is no measured value of the dielectric constant ε with respect to the wavelength λ used for the analysis. In this case, as described above, the simulation is performed using the interpolation value obtained from the actually measured value using the interpolation method. Thereby, in this embodiment, it is possible to simulate more accurately. An example of the interpolation method is cubic spline interpolation.

誘電率εの実部ε及び虚部εの値として、ある波長λに対する実測値が存在しない場合、例えば、パラメータを最適化したドルーデの分散式を利用して誘電率εを算出することも考えられる。 When there is no actual measurement value for a certain wavelength λ as the values of the real part ε r and the imaginary part ε i of the dielectric constant ε, for example, the dielectric constant ε is calculated using the Drude dispersion equation with optimized parameters. Is also possible.

しかしながら、図6に示すように、補間値を利用する方が、より正確に誘電率εを算出可能である。   However, as shown in FIG. 6, the dielectric constant ε can be calculated more accurately by using the interpolation value.

図6は、銀の誘電率の実部の三次スプライン補間値を示す図面である。図6には、比較のため、最適化されたパラメータを使用したドルーデの分散式によって算出された値も示している。図6中の横軸は波長(nm)を示し、縦軸は、誘電率の実部(F/m)を示す。図6中のマーク「×」は、実測値を示す。具体的には、「C.L.Foiles, “Optical properties of pure metals and binary alloys”,Chapter 4 of Landolt-Bornstein Numerical Data and Functional Relationships inScience and Technology New Series, Vol.15, Subvolume b, K. H.Hellwege and J.L.Olsen, Ed.Springer-Verlag, Berlin 1985,pp. 228」記載の値である。図6中のマーク「○」は、三次スプライン補間を利用し、実測値から直接算出した補間値である。図6中のマーク「●」は、最適化したドルーデパラメータ(プラズマ周波数ω及び衝突周波数ν)を利用してドルーデの一次分散式から得た値である。 FIG. 6 is a drawing showing a cubic spline interpolation value of the real part of the dielectric constant of silver. For comparison, FIG. 6 also shows values calculated by Drude's dispersion equation using optimized parameters. The horizontal axis in FIG. 6 indicates the wavelength (nm), and the vertical axis indicates the real part (F / m) of the dielectric constant. A mark “×” in FIG. 6 indicates an actual measurement value. Specifically, “CLFoiles,“ Optical properties of pure metals and binary alloys ”, Chapter 4 of Landolt-Bornstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology New Series, Vol. 15, Subvolume b, KHHellwege and JLOlsen, Ed.Springer -Verlag, Berlin 1985, pp. 228 ". A mark “◯” in FIG. 6 is an interpolation value directly calculated from an actual measurement value using cubic spline interpolation. The mark “●” in FIG. 6 is a value obtained from the first-order dispersion equation of Drude using optimized Drude parameters (plasma frequency ω p and collision frequency ν c ).

ドルーデモデルにおける最適化パラメータは、遺伝的アルゴリズム(例えば、「S. Banerjee and L. N. Hazra, “Experiments with a genetic algorithmfor structural design of cemented doublets with prespecified aberration targets”,App. Opt. Vol. 40, No. 34, 2001, pp. 6265.」参照)を利用して算出した。具体的には、ドルーデモデルにおけるパラメータであるプラズマ周波数ω及び衝突周波数νで表される誘電率の実部及び虚部を含むメリット関数の最適化を、遺伝的アルゴリズムを用いて行う。図6のマーク「●」で示した値は、プラズマ周波数ωを1.288×1016−1とし、衝突周波数νを6.4713×1013−1として算出した値である。 Optimization parameters in the Drude model are genetic algorithms (eg, “S. Banerjee and LN Hazra,“ Experiments with a genetic algorithm for structural design of cemented doublets with prespecified aberration targets ”, App. Opt. Vol. 40, No. 34). , 2001, pp. 6265.). Specifically, the merit function including the real part and the imaginary part of the dielectric constant represented by the plasma frequency ω p and the collision frequency ν c that are parameters in the Drude model is optimized using a genetic algorithm. The values indicated by the mark “●” in FIG. 6 are values calculated by setting the plasma frequency ω p to 1.288 × 10 16 s −1 and the collision frequency ν c to 6.4713 × 10 13 s −1 .

図6から理解されるように、三次スプライン補間を利用した方が、最適化パラメータを含むドルーデの分散式で算出される値より、実測値から得られる傾向(例えば、実測値のフィティング曲線)により近い値であることが理解され得る。特に、短波長側で、三次スプライン補間を利用した値の方が、実測値から得られる傾向により近い値である傾向にある。   As can be understood from FIG. 6, the tendency obtained from the actual measurement value (for example, the fitting curve of the actual measurement value) from the value calculated by the Drude's dispersion formula including the optimization parameter when the cubic spline interpolation is used. It can be understood that the values are closer. In particular, on the short wavelength side, the value using cubic spline interpolation tends to be closer to the tendency obtained from the actual measurement value.

従って、波長λに対応する実測値がある場合は、その実測値を採用し、波長λに対応する実測値がない場合には、三次スプライン補間を利用した補間値を採用することで、シミュレーションをより正確に行うことができる。   Therefore, when there is an actual measurement value corresponding to the wavelength λ, the actual measurement value is adopted. When there is no actual measurement value corresponding to the wavelength λ, the simulation is performed by adopting an interpolation value using cubic spline interpolation. It can be done more accurately.

図7は、シミュレーション結果の一例を示す図面である。図7では、金属微粒子モデル20A近傍における金属微粒子モデル20Aによる光の散乱をシミュレーションした結果であり、xz面のシミュレーション結果を示している。図7において、濃淡は光の強度を示しており明るいほど光の強度が強いことを示す。図7に示したシミュレーションの条件は次の通りである。
・金属微粒子12の材料:銀
・金属微粒子12の粒子径:20nm
・金属微粒子12の透磁率μ:4π×10−7[H/m]
・媒質14:真空(すなわち、金属微粒子12は真空中に配置されているとした)。
・媒質14の誘電率ε:ε=ε=1/μv なお、本シミュレーションでは、vは、真空における光速(2.998×10m/s)である。
・媒質14の透磁率μ:4π×10−7[H/m]
・セル22の形状:立方体
・セル22の一辺の長さΔs:4nm
・入射光16の波長λ:440nm
・x軸方向のセル数:101
・y軸方向のセル数:101
・z軸方向のセル数:131
・時間ステップ単位Δt:4.72×10−16
・ステップ数n:18660
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a simulation result. FIG. 7 shows the result of simulating light scattering by the metal fine particle model 20A in the vicinity of the metal fine particle model 20A, and shows the simulation result of the xz plane. In FIG. 7, the shading indicates the light intensity, and the brighter the light intensity is. The simulation conditions shown in FIG. 7 are as follows.
-Material of metal fine particles 12: Silver-Particle size of metal fine particles 12: 20 nm
-Magnetic permeability μ of metal fine particles 12: 4π × 10 −7 [H / m]
Medium 14: Vacuum (that is, metal fine particles 12 are arranged in a vacuum).
The dielectric constant ε of the medium 14: ε = ε 0 = 1 / μv 2 In this simulation, v is the speed of light in a vacuum (2.998 × 10 8 m / s).
Magnetic permeability μ of medium 14: 4π × 10 −7 [H / m]
The shape of the cell 22: a cube The length Δs of one side of the cell 22: 4 nm
-Wavelength λ of incident light 16: 440 nm
-Number of cells in the x-axis direction: 101
-Number of cells in the y-axis direction: 101
-Number of cells in z-axis direction: 131
Time step unit Δt: 4.72 × 10 −16 s
-Number of steps n: 18660

銀の波長440nmに対する誘電率は、少なくとも、上記誘電率に対する説明で挙げた文献に記載されていないので、三次スプライン補間により誘電率を算出した。算出した誘電率は、−6.511+0.193iであった。上記シミュレーション条件では、安定化条件である式(34)を満たす。   Since the dielectric constant for silver having a wavelength of 440 nm is not described at least in the literature cited in the explanation for the dielectric constant, the dielectric constant was calculated by cubic spline interpolation. The calculated dielectric constant was −6.511 + 0.193i. Under the simulation conditions, Expression (34) that is a stabilization condition is satisfied.

図7に示すように、金属微粒子12の近傍における電磁界を計算できている。すなわち、安定してFDTD法を実行できていることが理解され得る。   As shown in FIG. 7, the electromagnetic field in the vicinity of the metal fine particles 12 can be calculated. That is, it can be understood that the FDTD method can be stably executed.

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。   As mentioned above, although various embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

例えば、図2に示した形態では、セル22の大きさは、金属微粒子モデル及び媒質モデルにおいて同じであり、式(49)を満たしていた。しかしながら、金属微粒子モデルに対するセル22及び媒質モデルに対するセル22それぞれの大きさが異なっても良い。具体的には、金属微粒子モデルに対するセル22に対しては、式(49)を満たすようにΔsを設定し、媒質モデルに対するセル22については、媒質モデルに対する式(19a)〜式(19c)及び式(24a)〜式(24c)に対する安定化条件(例えば、クーラン条件)を満たすように、Δsを設定してもよい。このように、金属微粒子モデル及び媒質モデルそれぞれに対してセル22の大きさを設定する場合、通常、媒質モデルに対するセル22のΔsが金属微粒子モデルに対するセル22のΔsより大きい。これは、金属微粒子モデルに対するセル22の安定化条件がより厳しいからである。従って、金属微粒子モデル及び媒質モデルそれぞれに対してセル22の大きさを設定する場合、金属微粒子モデルに対するセル22のΔsで解析モデル20のFDTD領域18を分割する場合より、セル22の個数が低減される。すなわち、FDTD法によって電磁界を計算するための処理時間の短縮を図ることが可能である。   For example, in the form shown in FIG. 2, the size of the cell 22 is the same in the metal fine particle model and the medium model, and satisfies the formula (49). However, the sizes of the cell 22 for the metal fine particle model and the cell 22 for the medium model may be different. Specifically, Δs is set so as to satisfy the equation (49) for the cell 22 for the metal fine particle model, and for the cell 22 for the medium model, the equations (19a) to (19c) and You may set (DELTA) s so that the stabilization conditions (for example, Courant conditions) with respect to Formula (24a)-Formula (24c) may be satisfy | filled. Thus, when the size of the cell 22 is set for each of the metal fine particle model and the medium model, the Δs of the cell 22 with respect to the medium model is usually larger than the Δs of the cell 22 with respect to the metal fine particle model. This is because the stabilization conditions of the cell 22 with respect to the metal fine particle model are more severe. Therefore, when the size of the cell 22 is set for each of the metal fine particle model and the medium model, the number of the cells 22 is reduced as compared with the case where the FDTD region 18 of the analysis model 20 is divided by Δs of the cell 22 with respect to the metal fine particle model. Is done. That is, it is possible to shorten the processing time for calculating the electromagnetic field by the FDTD method.

セル22の形状は立方体としたが、セル22の形状は直方体形状であればよい。セル22の形状が直方体形状である場合、セル22を構成する互いに直交する第1〜第3の辺(x軸、y軸及びz軸方向に延在する辺)の長さであるΔx=Δs、Δy=Δs及びΔz=Δsは、下記の式(50a)〜式(50c)を満たすように設定されればよい。
The shape of the cell 22 is a cube, but the shape of the cell 22 may be a rectangular parallelepiped shape. When the shape of the cell 22 is a rectangular parallelepiped shape, Δx = Δs, which is the length of first to third sides (sides extending in the x-axis, y-axis, and z-axis directions) constituting the cell 22 that are orthogonal to each other. 1 , Δy = Δs 2 and Δz = Δs 3 may be set so as to satisfy the following formulas (50a) to (50c).

更に、Δtは、予め設定した値としたり、式(49)又は式(50a)〜式(50c)を満たすように、Δt及びΔsを変更しながら決定さればよい。また、入射光(電磁波)は単色としたが、単色に限定されない。更に、媒質内に配置される物体として、金属微粒子を例示したが、誘電率の実部が0以下であり、虚部が正の値である物体であって、3次元的な形状を有するものであればよい。   Furthermore, Δt may be a value set in advance or may be determined while changing Δt and Δs so as to satisfy Equation (49) or Equation (50a) to Equation (50c). Moreover, although incident light (electromagnetic wave) was made into a single color, it is not limited to a single color. Furthermore, the metal fine particles are exemplified as the object disposed in the medium. However, the real part of the dielectric constant is 0 or less and the imaginary part is a positive value, and has a three-dimensional shape. If it is.

10…解析対象物、12…金属微粒子(物体)、14…伝搬媒質(媒質)、16…入射光(光)、18…FDTD領域、20…解析モデル、22…セル、34…シミュレーションプログラム。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Analysis object, 12 ... Metal fine particle (object), 14 ... Propagation medium (medium), 16 ... Incident light (light), 18 ... FDTD area | region, 20 ... Analysis model, 22 ... Cell, 34 ... Simulation program.

Claims (5)

誘電率の実部が正である媒質内に誘電率の実部が0以下であり虚部が正の値である物体が配置された解析対象物に電磁波が入射された場合の電磁界を、FDTD法に従って3次元的に解析するためのシミュレーション方法であって、
前記解析対象物の解析モデルを配置するFDTD領域であって、複数のセルから構成される前記FDTD領域の前記セルの大きさ及び前記FDTD法において前記電磁界を更新するための時間ステップ単位を、コンピュータによって設定する解析条件設定工程と、
前記解析モデルに前記電磁波が入射した場合の電磁界を、前記FDTD法に従って前記コンピュータにより算出する解析工程と、
を備え、
前記解析工程において、前記解析モデルのうち前記物体に対応する物体モデルに対しては、マクスウェル方程式から導かれる第1の電磁界解析用の式を用いて電磁界を前記コンピュータにより算出し、前記解析モデルのうち前記媒質に対応する媒質モデルに対しては、マクスウェル方程式から導かれる第2の電磁界解析用の式を用いて電磁界を前記コンピュータによって算出し、
前記第1の電磁界解析用の式は、前記マクスウェル方程式に帰納的畳込み法を組み込むことによって導かれており、
真空における光速をvとし、少なくとも前記物体モデル内の前記セルが有する互いに直交する第1〜第3の辺の長さをそれぞれΔs、Δs及びΔsとし、時間ステップ単位をΔtとしたとき、前記解析条件設定工程において、前記Δs、Δs及びΔsと及び前記Δtは、以下の安定化条件を示す式(1)に基づいて設定される、
シミュレーション方法。
ただし、j=1,2,3
An electromagnetic field when an electromagnetic wave is incident on an analysis object in which an object having a real part of permittivity of 0 or less and an imaginary part having a positive value is placed in a medium having a positive real part of permittivity, A simulation method for three-dimensional analysis according to the FDTD method,
A FDTD region in which an analysis model of the analysis object is arranged, the size of the cell of the FDTD region composed of a plurality of cells and a time step unit for updating the electromagnetic field in the FDTD method, An analysis condition setting step set by a computer;
An analysis step of calculating an electromagnetic field when the electromagnetic wave is incident on the analysis model by the computer according to the FDTD method;
With
In the analysis step, for the object model corresponding to the object among the analysis models, an electromagnetic field is calculated by the computer using a first electromagnetic field analysis expression derived from Maxwell's equations, and the analysis For the medium model corresponding to the medium among the models, the electromagnetic field is calculated by the computer using the second electromagnetic field analysis formula derived from the Maxwell equation,
The first electromagnetic field analysis equation is derived by incorporating an inductive convolution method into the Maxwell equation,
When the speed of light in vacuum is v, the lengths of at least the first to third sides of the cell in the object model are Δs 1 , Δs 2, and Δs 3 , respectively, and the time step unit is Δt In the analysis condition setting step, Δs 1 , Δs 2, Δs 3 , and Δt are set based on Expression (1) indicating the following stabilization condition:
Simulation method.
However, j = 1, 2, 3
前記電磁波は単色の電磁波である、請求項1記載のシミュレーション方法。   The simulation method according to claim 1, wherein the electromagnetic wave is a monochromatic electromagnetic wave. 前記物体及び前記媒質における前記誘電率の実部及び虚部の値には、実測値又は実測値を補間して得られる補間値が使用される、請求項1又は2記載のシミュレーション方法。   The simulation method according to claim 1, wherein an actual value and an interpolated value obtained by interpolating the actual value are used for the real part and imaginary part values of the dielectric constant in the object and the medium. 前記物体の材料は、金、銀、アルミニウム及び銅のうちの少なくとも一つである、請求項1〜3の何れか一項記載のシミュレーション方法。   The simulation method according to claim 1, wherein the material of the object is at least one of gold, silver, aluminum, and copper. コンピュータに、請求項1〜4のいずれか一項に記載のシミュレーション方法を実行させる、シミュレーションプログラム。   The simulation program which makes a computer perform the simulation method as described in any one of Claims 1-4.
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