JP3788674B2

JP3788674B2 - Optical device design support method, optical device design support device, and recording medium recording optical device design support program

Info

Publication number: JP3788674B2
Application number: JP29616997A
Authority: JP
Inventors: 徹也園田; 正豪原島; 和浩小川; 和美平栗
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2017-10-14
Also published as: JPH11119136A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機やレーザプリンタなど電子写真方式の画像形成装置に装備される光書込みユニットなどの光学機器の設計支援技術に関し、特に、機械的挙動による光学的性能への影響を軽減するのに最適な機械構造を、光路解析及び機械系解析の手法を用いて、且つ使用する光学部品の変形を考慮しつつ行えるようにした光学機器の設計支援装置、光学部品の設計支援方法及び光学部品の設計支援プログラムを記録した記憶媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複写機やレーザプリンタ等に装備される光書き込みユニットなどの光学機器の設計は、その光学機器の機械的挙動が光学的性能に及ぼす影響を考慮して行う必要がある。光書き込みユニットの場合、例えばスポット位置ずれを引き起こす要因としてハウジングの変形、振動等を挙げることができ、その影響を受けないようにユニット全体及びユニットを構成する各光学部品を設計する必要がある。そのためには、第１にユニット全体で位置ずれとなる要因が発生したときにどの程度スポット位置がずれるのかについて事前に検証しておく必要がある。この点に関する従来の技術として、スポット位置がずれなどの要因となる機械的な挙動を有限要素法により解析し、光路については光学式を設定して光線の変位量を解析することで、機械的な要因による光線の変位量を予測する方法がある。しかし、この方法では具体的な設計指針を得るまでには至っていない。
このため従来の開発設計プロセスでは、機械系のシミュレーション解析技術を用いた機械系の設計パラメータの最適化、および光学系のシミュレーション解析技術を用いた光学系設計パラメータの最適化を行っており、最適な設計パラメータを算出する際に、機械系と光学系を別々に評価していた。よって、光学機器の設計者には、機械系が光学系にもたらす影響等、光学系と機械系の両分野にまたがる広範な知識およびノウハウが要求されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、機械系解析技術と光学系解析技術とを用いて光学機器の最適な機械特性パラメータ（構造パラメータ）を算出し、その結果を設計者に与えることにより光学系の設計者に要求される機械系の知識およびノウハウを軽減することができる光学部品の設計支援装置、及び設計支援方法、更にはこの設計支援方法により光学機器の最適な機械構造を算出するためのプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、光学機器を構成する光学部品の機械的挙動が該機器の光学的性能に及ぼす影響を軽減する上で最適な光学部品の機械特性パラメータを、光路解析及び機械系解析により算出する光学部品の設計支援方法に関する発明であり、対象となる光学機器の機械系解析モデル、光学系解析モデル、及び機械系解析に使用する機械特性パラメータを作成して記憶手段に登録するとともに、該記憶手段から前記機械系解析モデル、前記光学系解析モデル、及び前記機械特性パラメータを適宜読み出して演算処理を行う処理手段とを用意し、前記処理手段により、前記機械系解析モデルに前記機械特性パラメータを代入して光学部品の機械的挙動状態を算出する機械的挙動状態算出処理、前記機械的挙動状態算出処理の結果に基づき、前記光学系解析モデルを用いて前記光学部品の機械的挙動時の光学的性能を解析する光学的性能算出処理、前記光学的性能算出処理による解析結果と予め計算しておいた静止時の光学的性能とを比較し、その差が許容値以内であるかどうかを判断する評価処理、前記評価処理の結果、前記差が予め設定した許容値以内でなかった場合、前記機械特性パラメータの変化に対する前記光学部品の光学的性能の変化を求め、その結果を基に機械特性パラメータを最適化する計算を行う最適化計算処理、及び前記機械系解析モデルに代入する機械特性パラメータの値を、前記最適化計算処理により得られた値に変更するパラメータ変更処理を、前記評価処理により前記差が許容値以内であると判断されるまで繰り返すことにより、機械特性パラメータの最適値を求めるようにしたことを特徴としている。
請求項１記載の方法によれば、機械系解析技術と光学系解析技術とを用いて光学機器の最適な機械特性パラメータを算出し、その結果を設計者に与えることができるので、光学系の設計者に要求される機械系の知識およびノウハウを軽減することができる。また、光学系の問題を解決する際に、光学部品の変形を含めた光学的な評価を直接行うことができるので、実際の系に合った効果的な機械特性パラメータを得ることができる。
【０００５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の方法において、光学部品の装着方法と機械特性パラメータとを対応させた情報をデータベース化しておき、前記機械特性パラメータの最適値に最も近い機械特性パラメータに対応する装着方法を前記データベース内から選出するようにしたことを特徴としている。
請求項２記載の方法によれば、データベースに登録されている実際に存在する装着方法の中から、最適な機械特性パラメータを自動的に選出できるので、実用的な結果を得ることができる。
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の方法において、前記機械的挙動状態算出処理の際、前記データベース内の機械特性パラメータのみを使用するようにしたことを特徴としている。
請求項３記載の方法によれば、実際に存在する装着方法を基に機械特性パラメータの最適化を行うので、算出結果が実在する装着方法と比較してかけ離れている場合、実在する装着方法の中で最も適したものを選定することができる。また、光学部品の種類や装着する場所によって装着方法に制限がある場合、予め可能な装着方法を選択しておくことにより、限定した装着方法の中で最適な装着方法を算出することができる。
また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の方法において、前記機械特性パラメータの変化を観察しつつ前記機械特性パラメータの最適値を求めるようにしたことを特徴としている。
請求項４記載の方法によれば、光学部品の配置等の問題により、光学的性能の許容値内に収まる最適な装着方法が存在しない場合でも、機械特性パラメータの変化をモニタすることにより、算出状態を知ることができ、許容値内に収まる最適な機械特性パラメータが存在するかどうかを判断することができる。
【０００６】
また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の方法において、前記機械特性パラメータの値に制限を設けたことを特徴としている。
請求項５記載の方法によれば、算出する機械特性パラメータの値に上限値、下限値などを設け、計算途中でその範囲外になった場合、例えば上限値を越えた場合は上限値を、下限値を下回った場合は下限値を機械特性パラメータの値に変更することにより、必ず指定した範囲内で機械特性パラメータを算出することができ、実用上不可能な機械的パラメータを算出しないようにすることができる。したがって無駄な計算時間を省くことができる。
また、請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の方法において、前記光学部品を振動させる振動源の情報をデータベース化しておき、実際に使用する振動源に最も近い振動源の情報を前記データベース内から選出して前記機械特性パラメータの最適値に反映させるようにしたことを特徴としている。
請求項６記載の方法によれば、光学機器に外乱（例えば読み取りユニット等の振動）や内乱（例えばポリゴンモータなどの振動）を与える振動源の情報をデータベース化することにより、複数の環境試験下での最適化を行うことができ、より実用的な機械的パラメータを自動的に得ることができる。
また、請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の方法において、前記光学部品の光学面の有限要素モデルの形状データを用いて光学的な解析を行うことを特徴としている。
請求項７記載の方法によれば、光学部品の光学面の有限要素モデルの形状データを用いて光学的な解析を行うことにより、光学機器の光学的挙動を計算機上でシミュレートすることができる。
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の方法において、前記光学部品が変形する場合、前記光学部品の光学面の有限要素モデルにおける変形前と変形後の光学面のメッシュデータを比較して光路解析を行うようにしたことを特徴としている。
請求項８記載の方法によれば、光学部品が変形する場合、光学部品の光学面の有限要素モデルにおける変形前と変形後の光学面のメッシュデータを比較して光路解析を行うようにしたので、振動などの外因により変形する光学機器の光路解析を計算機上でシミュレートすることができる。
【０００７】
また、請求項９記載の発明は、請求項８記載の方法において、前記光学部品の変形後の光学面の有限要素モデルを自由曲面で近似して光路解析を行うようにしたことを特徴としている。
請求項９記載の方法によれば、光学部品の変形後の光学面の有限要素モデルを自由曲面で近似して光路解析を行うようにしたので、光路計算の精度を向上させることができる。
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の方法において、予め求めてあるビームのスポット位置を含む微少領域の光学面を自由曲面で近似して光路計算を行うようにしたことを特徴としている。
請求項１０記載の方法によれば、近似する自由曲面をビームのスポット位置を含む微少領域の光学面に限ることで曲面生成に要する計算量を減らすことができる。
また、請求項１１記載の発明は、請求項７記載の方法において、前記光学部品の構造上有限要素モデルで光学的な面を正しく表せない部分に関しては、当該光学的な面に位置する点の位置情報を基に当該光学的な面の偏心を算出し、それを光路解析に反映させるようにしたことを特徴としている。
請求項１１記載の方法によれば、ミラー面、レンズ面等の光学的な面が有限要素モデルで正しく表せない部分に関しても、当該光学的な面に位置する点の位置情報を基に当該光学的な面の偏心を算出し、それを光路解析に反映させることにより、光学部品を有限要素モデル化する際に３次元シェル要素を用いて正確にモデル化することが可能になり、機械系解析において精度の良い結果を得ることができる。
【０００８】
また、請求項１２記載の発明は、光学機器を構成する光学部品の機械的挙動が該機器の光学的性能に及ぼす影響を軽減する上で最適な光学機器の機械特性パラメータを、光路解析及び機械系解析により算出する光学機器の設計支援装置に関する発明であり、解析対象となる光学機器の機械系解析モデル、光学系解析モデル、及び機械系解析に使用する機械特性パラメータを登録しておくための記憶手段と、前記機械系解析モデルに前記機械特性パラメータを代入して光学部品の機械的挙動状態を算出する機械的挙動算出手段と、前記機械的挙動算出手段の算出結果に基づき、前記光学系解析モデルを用いて前記光学部品の機械的挙動時の光学的性能を解析する光学的性能算出手段と、前記光学的性能算出手段算出された光学的性能と、予め計算しておいた静止時の光学的性能とを比較し、その差が許容値以内であるかどうかを判断する評価手段と、前記評価手段による判断の結果、前記差が許容値以内でなかった場合、前記機械特性パラメータの変化に対する前記光学部品の光学的性能の変化を求め、その結果を基に機械特性パラメータを最適化する計算を行う最適化計算手段と、前記機械的挙動算出手段において前記機械系解析モデルに代入する機械特性パラメータの値を、前記最適化計算手段により得られた値に変更するパラメータ変更手段と、前記評価手段により前記差が許容値以内であると判断されたときの機械特性パラメータを機械特性パラメータの最適値として出力する最適値出力手段とを備えたことを特徴としている。
請求項１２記載の装置によれば、機械系解析技術と光学系解析技術とを用いて光学機器の最適な機械特性パラメータを算出し、その結果を設計者に与えることができるので、光学系の設計者に要求される機械系の知識およびノウハウを軽減することができる。
【００１１】
請求項１３の記録媒体によれば、請求項１〜１１のいずれか一つに記載された動作をコンピュータに実行させるプログラムをコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記録したことで、そのプログラムをコンピュータに読み取らせることにより、請求項１〜１１のいずれかの方法で光学機器の設計支援を行うシステムを構築することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態を示す動作フロー図である。なお第１の実施の形態は請求項１及び請求項１２に記載の発明に対応している。
この実施の形態では、初めに初期設定を行う（Ｓ１）。この初期設定では、対象となる光学機器の機械系解析モデル、光学系解析モデル、及び機械系解析に使用する機械特性パラメータの初期値を作成し、これらのデータを処理手段としてのパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと記す。）の管理する記憶手段としてのハードディスク装置（以下、ＨＤＤと記す。）に記憶させる。
そして、ＰＣにより以下の処理を実行させる。なお、ＰＣはＨＤＤから前記機械系解析モデル、前記光学系解析モデル、及び前記機械特性パラメータを適宜読み出して演算処理を行うためのプログラムを保有しており、このプログラムに従って各種動作を行う。このプログラムはフロッピーディスクや光ディスクなどコンピュータ読取可能な記録媒体に記録された状態で供給され、ＰＣはこの記録媒体からプログラムデータを読み出しＨＤＤ上などに格納している。
まず、前記機械系解析モデルに前記機械特性パラメータの初期値を代入して光学部品の変形状態を算出する（Ｓ２、機械的挙動状態算出処理）。次に、Ｓ２の処理結果に基づき、光学部品のミラー面、レンズ面等の光路に影響する面の変形状態を求め、これを反映させた前記光学系解析モデルを用いて光学部品の変形時の光学的性能を計算する（Ｓ３、光学的性能算出処理）。次に、Ｓ３で算出された光学的性能と、予め計算しておいた静止時の光学的性能とを比較し、その差が許容値以内であるかどうかを判断する（Ｓ４、評価処理）。
そして、Ｓ４の判断の結果、光学部品の変形時の光学的性能と静止時の光学的性能との差が許容値以内でなかった場合（Ｓ４でＮｏ）、機械特性パラメータの変化に対する光学的性能の変化を感度解析の手法により求め、その結果を基に非線形計画法等の最適化計算を行って機械特性パラメータを最適化する計算を行い（Ｓ５、最適化計算処理）、前記機械系解析モデルに代入する機械特性パラメータの値を、Ｓ５で得られた値に変更する（Ｓ６、パラメータ変更処理）。
以上の処理を、Ｓ４において前記差が許容値以内であると判断されるまで繰り返し（Ｓ２〜Ｓ６）、許容値以内であると判断されたら（Ｓ４でＹｅｓ）、そのときの機械特性パラメータの値を機械特性パラメータの最適値として出力する（Ｓ７）。
【００１３】
次に、具体例として、書き込みユニットの機械特性パラメータの最適値を求める場合について説明する。
図２は書き込みユニットと感光体の主要部を概念的に示したものであり、書き込みユニット１００のハウジング１０１上にはポリゴンミラー１０２、レンズ１０３Ａ、１０３Ｂ、ミラー１０３Ｃ、１０３Ｄ、及び、ポリゴンミラー１０２を駆動するポリゴンモータ１０４がそれぞれ所定の位置に配設されている。
上記のよな書き込みユニット１００では、ポリゴンモータ１０４の起振力によりハウジング１０１が振動することにより、感光体２００上に照射するレーザ光線Ｌのスポット位置Ｐがずれるという問題が発生する。
そこで、この例では最適化すべき機械特性パラメータとして、ハウジング１０１の底板１０１Ａの板厚ｔ、及びレンズ１０３Ａ、１０３Ｂ及びミラー１０３Ｃ、１０３Ｄなどの光学部品１０３をハウジング１０１に固定する部分（固定治具、接着材など。図中に☆で示す。）の剛性ｓを選ぶ。
まず、ハウジング１０１、光学部品１０３などを有限要素解析モデル化する。そして、レーザ光源Ｓから出射されるレーザー光線Ｌが各光学部品１０３を通ってスポット位置Ｐに届くまでの光路を光路解析プログラム（光学的性能計算プログラム）用にモデル化しておく。また、板厚ｔの初期値ｔ0 を設定しておく。また、光学部品１０３を固定する部分をばねモデル化し、その剛性ｓの初期値ｓ0 を設定しておく。（図１中のＳ１に相当）
次に、有限要素解析により光学部品１０３等の変形状態を算出する。この結果より、レーザ光源Ｓから照射されるレーザ光線Ｌの角度、光学部品１０３のミラー面、レンズ面等の光路に影響する面の変形状態等、レーザ光線Ｌの光路に影響する情報を光路解析プログラムに反映させる。この光路解析プログラムを用いて、スポット位置Ｐｆの位置を求める。（図１中のＳ２、Ｓ３に相当）
次に、上記光路解析プログラムを用いて算出されたスポット位置Ｐｆと、予め計算しておいた静止時（ポリゴンモータ停止時）のスポット位置Ｐｇとを比較し、その差｜Ｐｆ−Ｐｇ｜、すなわち両者の位置ずれ量が許容値以内であるかどうか評価する。（図１中のＳ４に相当）
そして、上記位置ずれ量が許容値以内ではない場合、機械特性パラメータの変化に対するスポット位置Ｐの変化量、この例では、ハウジング底板１０１Ａの板厚ｔの変化に対するスポット位置ずれの変化量、および光学部品１０３を固定する部分の剛性ｓに対するスポット位置ずれの変化量を感度解析により求めて、スポット位置ずれが小さくなるように非線形計画法等の最適化計算により、ハウジング底板１０１Ａの板厚ｔ、および光学部品１０３を固定する部分の剛性ｓを変更する。（図１中のＳ５、Ｓ６に相当）
以上の処理をスポット位置ずれ量が許容値内に収まるまで繰り返すことにより、最適な機械特性パラメータ、この例ではハウジング底板１０１Ａの板厚ｔと、光学部品１０３を固定する部分の剛性ｓの最適値が求められる。
【００１４】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
この実施の形態では、図１で説明した方法を実施するに際し、ハウジング１０１に対する各光学部品１０３の装着（固定）方法と各方向の機械特性パラメータの情報を予めデータベース化しておく。そして、請求項１の方法で求めた機械特性パラメータの最適値に最も近い機械特性パラメータに対応する装着方法をデータベース全体、またはデータベース内の指定された範囲から選び出す。
例えば、書込みユニット１００のハウジング底板１０１Ａにレンズ１０３Ａを装着する方法として、図３（ａ）に示すように板ばね１１０を用いる方法と図３（ｂ）に示すように接着材１１１を用いる方法とを想定し、それぞれの方法を用いた場合における剛性を図４のようなデータベースに登録しておき、最適な剛性が算出された後に最も近い装着方法を、例えば最小二乗法によりこのデータベースより選び出すのである。（請求項２に対応）
図５は本発明の第３の実施の形態を示す動作フロー図である。
この実施の形態においても、初めに図１の場合と同様の初期設定を行う（Ｓ１１）。また、この初期設定では、ＰＣの管理するＨＤＤのに前記機械系解析モデル、前記光学系解析モデル、及び前記機械特性パラメータ記憶させるだけでなく、図４に示したような装着方法データベースをＨＤＤに格納しておく。
そして、ＰＣにより以下の処理を実行させる。
まず、前記機械系解析モデルに前記機械特性パラメータの初期値を代入して光学部品の変形状態を算出する（Ｓ１２）。次に、Ｓ１２の処理結果に基づき、光学部品のミラー面、レンズ面等の光路に影響する面の変形状態を求め、これを反映させた前記光学系解析モデルを用いて光学部品の変形時の光学的性能を計算する（Ｓ１３）。次に、Ｓ１３で算出された光学的性能と、予め計算しておいた静止時の光学的性能とを比較し、その差が許容値以内であるかどうかを判断する（Ｓ１４）。
そして、Ｓ１４の判断の結果、光学部品の変形時の光学的性能と静止時の光学的性能との差が許容値以内でなかった場合（Ｓ１４でＮｏ）、機械構造の最適な機械特性パラメータの変化に対する光学的性能の変化を感度解析の手法により求め、その結果を基に非線形計画法等の最適化計算を行って機械特性パラメータを最適化する計算を行う（Ｓ１５）そして、Ｓ１５で得られた値に最も近い機械特性パラメータの値をデータベースから選出し、前記機械系解析モデルに代入する機械特性パラメータの値をデータベースから選出した値に変更する（Ｓ１６）。
以上の処理を、Ｓ１４において前記差が許容値以内であると判断されるまで繰り返し（Ｓ１２〜Ｓ１６）、許容値以内であると判断されたら（Ｓ１４でＹｅｓ）、そのときの機械特性パラメータの値を機械特性パラメータの最適値として出力する（Ｓ１７）。
【００１５】
このように反復計算時の機械特性パラメータの変更を、図４に示したような光学部品の装着方法のデータベースに登録された機械特性パラメータのみにより行うことにより、実際に存在する装着方法を元に最適化を行うことができる。したがって、機械特性パラメータの算出結果が実在する装着方法と比較してかけ離れている場合でも、この方法を用いることにより、実在する装着方法の中で最も適したものを選定することができる。（請求項３に対応）
また、以上の実施の形態では、光学部品１０３の配置等の問題により、光学的性能の許容値内に収まる最適な装着方法が存在しない場合があるが、図１あるいは図２に示したような機械特性パラメータの算出過程で、機械特性パラメータの値をリアルタイムでモニタし、値の増減変化を監視することにより、許容値内に収まる最適な機械特性パラメータが存在するかどうかを判断することができる。（請求項４に対応）
また、光学部品によっては弾性的な挙動を示してはいけない機械特性を持つ装着部が必要である場合があり、その場合、機械特性パラメータである剛性ｓの値が反復計算を行う毎に上がっていってしまう。このような場合、算出する剛性ｓの値に上限値を設け、反復計算の途中でその上限値を上回ったらその上限値を剛性ｓの値に変更すればよい。また、機械特性パラメータの値が反復計算を行う毎に下がってしまうような場合には、機械特性パラメータの値に下限値を設け、反復計算の途中でその下限値を下回ったらその下限値を機械特性パラメータの値に変更すればよい。
このように、算出する機械特性パラメータの値に上限値、下限値を設け、どちらかの反復計算途中でその範囲外になった場合、上限値を越えた場合は上限値を、下限値を下回ったら下限値を機械特性パラメータの値に変更することにより、必ず指定した範囲内で機械特性パラメータを算出することができ、実用上不可能な機械的パラメータを算出しないようにすることができる。（請求項５に対応）また、予め光学的性能に影響を及ぼす要因、例えば変形、振動等を起こす要因（強制変位、振動源）の実測データ、経験値等の情報をデータベース化して登録しておき、機械特性パラメータの算出時に考慮すべき数種類の環境試験を自動的に行うようにすれば、複数の環境試験下で機械特性パラメータを最適化することができ、より実用的な機械的パラメータを得ることができる。（請求項６に対応）
次に、本発明の第４の実施の形態を図６、図７を用いて説明する。図６は図２中の一部の光学系を示したものであり、レンズ１０３Ｂを通ったレーザ光線Ｌがミラー１０３Ｃで反射する様子を示している。すなわちこの実施の形態ではレンズ１０３Ｂが外因によって変形した場合に、レーザ光線Ｌがどのような経路を通るかを考えている。その際、図７に示すように、レンズ１０３Ｂの機械的挙動解析用の変形前の有限要素モデルＭ１を作成し、解析によって得られた変形後の有限要素モデルＭ２の形状データを用いて光路計算を行うことにより、レンズ１０３Ｂの光学的な解析を計算機上でシミュレートすることができる。（請求項７に対応）
次に、本発明の第５の実施の形態を図８、図９を用いて説明する。
光学部品の内部が変形の影響を受けても等方で一様であるとすれば、レーザ光線Ｌがレンズ面に当たるスポット位置および境界面の法線ベクトルがわかれば光路を計算することができる。図８中のＭ１及び図９中のＭ２はレンズ１０３Ｂの機械的挙動解析による有限要素モデルであり、それぞれ変形前、変形後の有限要素モデルを示している。また、図８及び図９の右側には、それぞれレンズ面８Ａ及び９Ａ内のレーザ光線Ｌが当たるスポット位置を含む微少領域の様子がメッシュデータ８−２、９−２として拡大して示されている。そして８−１、９−１は、それぞれメッシュデータ８−２、９−２中においてレーザ光線Ｌが当たるスポット位置を示している。
この実施の形態では、図８及び図９中に示すようなレンズ面をあらわす有限要素モデルのメッシュデータ８−２、９−２を用いて光路計算を行う。
すなわち、一般的に光学系の定義において光学部品の偏心パラメータがあるが、上記レンズ面の偏心量はレーザ光線Ｌが光学面をあらわす有限要素モデルのメッシュデータ（並進量、回転量など）を比較することにより計算することができる。したがって上記の例では、変形前と変形後の２つのメッシュデータ８−２、９−２のそれぞれについての並進量と回転量から偏心量を算出することが可能である。
上記のようにして得られた光学面の偏心量を用いて光路計算を行うことにより、外乱を受けて変形するレンズ１０３Ｂなどの光学部品の光学的な解析を計算機上でより正確にシミュレートすることができる。（請求項８に対応）
しかし、上記の実施の形態のように光学面が解析曲面で定義されている場合においても、その後の光学部品の変形により同様の定義が不可能となる場合がある。このような場合においてレーザ光線Ｌがスキャンされると、スポット位置がメッシュデータのどの部分にくるかを予め知ることができない。このとき隣り合うメッシュ境界を横切る際に不連続な光路になる。そこで、例えば図１０に示すように、レンズ１０３Ｂの有限要素モデルＭ２の光学面のメッシュデータ１０−１に対して、自由曲面１０−２をフィッティングさせてメッシュ境界を無くした状態で光路解析を行うことが望ましい。
この場合、メッシュの接点を通過し隣接パッチと滑らかに接続するようにパラメトリック曲面、例えばＢｅｚｉｅr 曲面やＮＵＲＢＳなどで近似することも可能である。この生成された曲面を変形した光学部品の光学面として光路計算を行うことにより、光学部品の光学的な解析を計算機上でより正確にシミュレートすることができる。（請求項９に対応）
また、例えば図１１に示すように、レンズ１０３Ｂの変形した光学面の有限要素モデルＭ２から自由曲面を算出する際に、スポット位置１１−１を含む微少領域のメッシュデータ１１−２を用いて局所的な自由曲面１１−３を生成して光路計算をするようにしてもよい。ただし自由曲面１１−３上のスポット位置１１−４はメッシュデータ１１−２上のスポット位置１１−１とは異なる。
このように、近似する自由曲面をスポット位置１１−１を含む微少領域に限ることで、自由曲面を生成するために必要とする計算量を減らすことができる。（請求項１０に対応）
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。
この実施の形態では光学部品の構造上、有限要素モデルでミラー面、レンズ面等など光学的な面を正しく表せない場合、その部分に関しては、その部分を形成している点の位置ずれ量から、元の位置に対する並進、回転量を算出し、これを光学的な面の偏心として、光路解析プログラムに反映させる。
例えば、ポリゴンミラー１０２のような板形状の光学部品の場合、図１２に示すように、有限要素解析で用いられる３次元シェル要素により解析モデル化すると、ミラー面１０２Ａが線状になってしまい、面を形成することができない。そこで、例えば、接点Ａの変位量（ｘ、ｙ、ｚ方向の変位とｘ、ｙ、ｚ軸廻りの回転方向）をミラー面１０２Ａの偏心量とする方法、またはミラー面１０２Ａを形成する両端の接点Ａ及びＢの変位量の平均など、複数の接点の変位量の平均をミラー面１０２Ａの偏心量とする方法、または３個以上の接点（例えば、接点Ａ、Ｂ、Ｃ）を用いて、各接点のｘ、ｙ、ｚ方向の変位量の平均をミラー面１０２Ａの偏心の並進量とし、接点Ａ、Ｂ、Ｃで形成される面の変形前と変形後の傾きの差をミラー面１０２Ａの偏心の回転量とする方法、などによって求めたミラー面１０２Ａの偏心を用いて、光路解析プログラムに反映させる。
このように、光学部品の構造上有限要素モデルで光学的な面を正しく表せない部分に関しては、当該光学的な面に位置する点の位置情報を基に当該光学的な面の偏心を算出し、それを光路解析に反映させることにより、ポリゴンミラー１０２のような板形状の光学部品を機械系解析モデル化する際に３次元シェル要素を用いることが可能になる。（請求項１１に対応）
以上の実施の形態においては本発明に係る光学機器の設計支援方法について主に説明した。以下の実施の形態では本発明に係る光学機器の設計支援装置について説明する。
図１３は本発明の第７の実施の形態を示す設計支援装置のブロック図である。この設計支援装置３００は、解析対象である光学部品の形状データ及び機械特性パラメータに基づいて該光学部品の機械的挙動を解析し３次元形状を表すメッシュデータを生成する機械系解析モジュール３０１と、前記メッシュデータで表された３次元形状を滑らかな自由曲面で近似した自由曲面データを生成するソリッドモデラ３０３と、前記光学部品の光学特性データ及び前記自由曲面データに基づいて前記光学部品の光路解析を行う光学系解析モジュール３０２と、前記光学部品の形状データ、機械特性パラメータ、及び光学特性データを格納するデータベース３０３と、これらを統合して光路解析を実行するための制御モジュール３０５とを備えている。制御モジュール３０５にはユーザインターフェース３０６を介してＣＡＤ端末、プリポスト端末などのユーザ端末３０７が接続されている。
【００１６】
上記構成において、ユーザはユーザ端末３０７から解析対象である光学部品の形状データ、有限要素モデルデータ、光学特性データ、機械特性パラメータを入力する。すると制御モジュール３０６がこれらのデータをユーザインターフェース３０４を介して受け取りデータベース３０４に格納する。
そして、ユーザ端末３０７から解析実行が指示されると、制御モジュール３０６は機械系解析モジュール３０１に指示を与え、光学部品の機械的挙動解析を実行させて３次元形状を表すメッシュデータを生成させる。次に制御モジュール３０６は機械系解析モジュール３０１で生成されたメッシュデータをソリッドモデラ３０３に渡し、メッシュデータで表された３次元形状を滑らかな自由曲面で近似した自由曲面データを生成させる。次に制御モジュール３０６はソリッドモデラ３０３で生成された自由曲面データを光学系解析モジュール３０２に渡して光路解析を実行させ、得られた光路解析データをデータベース３０４に蓄積する。その後制御モジュール３０６は、光路解析データから得られる光学部品の光学的性質、例えば変形による光路のずれやスポット位置のずれ等に基づいて、前述した方法で機械特性パラメータの最適値を求め、その最適値データをユーザー端末３０７に送る。（請求項１３に対応）
図１４は本発明の第８の実施の形態を示す設計支援装置のブロック図である。この設計支援装置４００は、解析対象となる光学部品の形状データ及び機械特性パラメータに基づいて該光学部品の機械的挙動を解析し３次元形状を表すメッシュデータを生成する機械系解析サーバ４０１と、メッシュデータで表された３次元形状を滑らかな自由曲面で近似した自由曲面データを生成するソリッドモデリングサーバ４０２と、光学部品の光学特性データ及び自由曲面データに基づいて光学部品の光路解析を行う光学系解析サーバ４０３と、光学部品の形状データ、機械特性パラメータ、及び光学特性データを管理するデータ管理サーバ４０４と、プリポスト端末４０５、ＣＡＤ端末４０６などのユーザ端末とを通信ネットワーク４０７を介して相互接続してなる。データ管理サーバ４０４には、光学部品の形状データ、機械特性パラメータ、及び光学特性データなどが蓄積されたデータベース４０８が接続されている。
【００１７】
上記構成において、ユーザは通信ネットワーク４０７に接続されたＣＡＤ端末４０６、プリポスト端末４０５などのユーザ端末から光学部品の形状データ、有限要素モデルデータ、光学特性データ、機械特性パラメータなどを入力する。データ管理サーバ４０４はこれらのデータをデータベース４０８に格納する。そして、ユーザ端末から解析実行が指示されると、データ管理サーバ４０４は機械系解析サーバ４０１に指示を与え、光学部品の機械的挙動解析を実行させて３次元形状を表すメッシュデータを生成させる。次にデータ管理サーバ４０４は機械系解析サーバ４０１で生成されたメッシュデータをソリッドモデリングサーバ４０２に渡し、メッシュデータで表された３次元形状を滑らかな自由曲面で近似した自由曲面データを生成させる。次にデータ管理サーバ４０４はソリッドモデリングサーバ４０２で生成された自由曲面データを光学系解析サーバ４０３に渡して光路解析を実行させ、得られた光路解析データをデータベース４０８に蓄積する。
その後データ管理サーバ４０４は、光路解析データから得られる光学部品の光学的性質、例えば変形による光路のずれやスポット位置のずれ等に基づいて、前述した方法で機械特性パラメータの最適値を求め、その最適値データをＣＡＤ端末４０６、プリポスト端末４０５などのユーザー端末に送る。（請求項１４に対応）
また、上記の例では、機械系解析サーバ、ソリッドモデリングサーバ、光学系解析サーバなど、各々別々の機能を持たせたサーバを通信ネットワークで接続しているが、このように各サーバの機能を特化することなく、例えば図１５に示すように、解析、計算などを行う同機能の複数のアプリケーションサーバ５０１−１〜５０１−Ｎを用いてもよい。この場合、データ管理サーバ４０４は、あるアプリケーションサーバに障害が発生した場合や、特定のアプリケーションサーバの負荷が高い場合、通信ネットワーク４０７に接続された同機能の別のアプリケーションサーバを用いて効率的に処理を行う。また、解析処理を同機能のアプリケーションサーバに分散させることによって並列計算を行ってもよい。
また、上記の構成に加え、図１６に示すように通信ネットワーク４０７にデータ変換サーバ６０１を接続し、通信ネットワーク４０７を経由して形状データ、機械特性パラメータ、光学特性データなどが各サーバに送られる際に、これらのデータを送り先のサーバが読み込み可能なデータ形式に変換するようにしてもよい。このようにすれば解析処理などを行うアプリケーションサーバ５０１−１〜５０１−Ｎ間で扱うデータ形式が異なる場合でも、データの交換が可能となる。（請求項１５に対応）
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下のような優れた効果を発揮できる。請求項１記載の方法によれば、機械系解析技術と光学系解析技術とを用いて光学機器の最適な機械特性パラメータを算出し、その結果を設計者に与えることができるので、光学系の設計者に要求される機械系の知識およびノウハウを軽減することができる。
請求項２記載の方法によれば、請求項１の効果に加え、データベースに登録されている実際に存在する装着方法の中から、最適な機械特性パラメータを自動的に選出できるので、実用的な結果を得ることができる。
請求項３記載の方法によれば、請求項２の効果に加え、実際に存在する装着方法を基に機械特性パラメータの最適化を行うので、算出結果が実在する装着方法と比較してかけ離れている場合、実在する装着方法の中で最も適したものを選定することができる。
請求項４記載の方法によれば、請求項１、２、３の効果に加え、光学部品の配置等の問題により、光学的性能の許容値内に収まる最適な装着方法が存在しない場合でも、機械特性パラメータの変化をモニタすることにより、算出状態を知ることができ、許容値内に収まる最適な機械特性パラメータが存在するかどうかを判断することができる。
請求項５記載の方法によれば、請求項１、２、３、４の効果に加え、算出する機械特性パラメータの値に上限値、下限値などの制限を設け、計算途中でその範囲外になった場合、例えば上限値を越えた場合は上限値を、下限値を下回った場合は下限値を機械特性パラメータの値に変更することにより、必ず指定した範囲内で機械特性パラメータを算出することができ、実用上不可能な機械的パラメータを算出しないようにすることができる。
【００１９】
請求項６記載の方法によれば、請求項１〜５の効果に加え、光学機器に振動を与える振動源の情報をデータベース化することにより、複数の環境試験下での最適化を行うことができ、より実用的な機械的パラメータを自動的に得ることができる。
請求項７記載の方法によれば、請求項１〜６の効果に加え、光学部品の光学面の有限要素モデルの形状データを用いて光学的な解析を行うことにより、光学機器の光学的挙動を計算機上でシミュレートすることができる。
請求項８記載の方法によれば、請求項７の効果に加え、光学部品が変形する場合、光学部品の光学面の有限要素モデルにおける変形前と変形後の光学面のメッシュデータを比較して光路解析を行うようにしたので、振動などの外因により変形する光学機器の光路解析を計算機上でシミュレートすることができる。
請求項９記載の方法によれば、請求項８の効果に加え、光学部品の変形後の光学面の有限要素モデルを自由曲面で近似して光路解析を行うようにしたので、光路計算の精度を向上させることができる。
請求項１０記載の方法によれば、請求項９の効果に加え、近似する自由曲面をビームのスポット位置を含む微少領域の光学面に限ることで曲面生成に要する計算量を減らすことができる。
【００２０】
請求項１１記載の方法によれば、請求項７の効果に加え、ミラー面、レンズ面等の光学的な面が有限要素モデルで正しく表せない部分に関しても、当該光学的な面に位置する点の位置情報を基に当該光学的な面の偏心を算出し、それを光路解析に反映させることにより、光学部品を有限要素モデル化する際に３次元シェル要素を用いて正確にモデル化することが可能になり、機械系解析において精度の良い結果を得ることができる。
請求項１２記載の装置によれば、機械系解析技術と光学系解析技術とを用いて光学機器の最適な機械特性パラメータを算出し、その結果を設計者に与えることができるので、光学系の設計者に要求される機械系の知識およびノウハウを軽減することができる。
請求項１３の記録媒体によれば、請求項１〜１１のいずれか一つに記載された動作をコンピュータに実行させるプログラムをコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記録したので、そのプログラムをコンピュータに読み取らせることにより、請求項１〜１１のいずれか一つの方法により光学機器の設計支援を行うシステムを構築することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す動作フロー図である。
【図２】書き込みユニットと感光体の主要部を概念的に示した説明図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は書込みユニットのハウジング底板にレンズを装着する方法を例示した部分斜視図である。
【図４】光学部品の装着方法のデータベースを例示した説明図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す動作フロー図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の説明図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の別の説明図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態の説明図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態の別の説明図である。
【図１０】光学面のメッシュデータを自由曲面で近似して光路解析を行う方法に関する説明図である。
【図１１】スポット位置を含む微少領域のメッシュデータを用いて局所的な自由曲面を生成して光路計算をする方法に関する説明図である。
【図１２】光学的な面が有限要素モデルで正しく表せない部分についての説明図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態を示す設計支援装置のブロック図である。
【図１４】本発明の第８の実施の形態を示す設計支援装置のブロック図である。
【図１５】本発明の第９の実施の形態を示す設計支援装置のブロック図である。
【図１６】本発明の第９の実施の形態の変形例を示す設計支援装置のブロック図である。
【符号の説明】
８Ａ、９Ａレンズ面、８−２メッシュデータ、９−２メッシュデータ、１０−１メッシュデータ、１０−２自由曲面、１１−１スポット位置、１１−２メッシュデータ、１１−３局所的な自由曲面、１１−４スポット位置、１００書き込みユニット（光学機器）、１０１ハウジング（構造体）、１０１Ａ底板、１０２ポリゴンミラー（振動源）、１０３Ａレンズ（光学部品）、１０３Ｂレンズ（光学部品）、１０３Ｃミラー（光学部品）、１０３Ｄミラー（光学部品）、１０４ポリゴンモータ（振動源）、１１０板ばね、１１１接着材、１０２Ａミラー面、２００感光体、３００設計支援装置、３０１機械系解析モジュール、３０２光学系解析モジュール、３０３ソリッドモデラ、３０４データベース、３０５制御モジュール、３０６ユーザインターフェース、３０７ユーザ端末、４００設計支援装置、４０１機械系解析サーバ、４０２ソリッドモデリングサーバ、４０３光学系解析サーバ、４０４データ管理サーバ、４０５プリポスト端末、４０６ＣＡＤ端末（ユーザ端末）、４０７通信ネットワーク、４０８データベース、５０１−１〜５０１−Ｎアプリケーションサーバ、６０１データ変換サーバ、Ｌレーザー光線、Ｐスポット位置、Ｍ１変形前の有限要素モデル、Ｍ２変形後の有限要素モデル、Ｓレーザ光源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a design support technology for an optical device such as an optical writing unit installed in an electrophotographic image forming apparatus such as a copying machine or a laser printer, and in particular, reduces the influence of mechanical behavior on optical performance. Optical device design support apparatus, optical component design support method, and optical component capable of performing optimal optical structure using optical path analysis and mechanical system analysis method while considering deformation of optical component used The present invention relates to a storage medium on which a design support program is recorded.
[0002]
[Prior art]
In general, it is necessary to design an optical device such as an optical writing unit provided in a copying machine or a laser printer in consideration of the influence of the mechanical behavior of the optical device on the optical performance. In the case of the optical writing unit, for example, the deformation and vibration of the housing can be cited as factors causing the spot position shift, and it is necessary to design the entire unit and each optical component constituting the unit so as not to be affected by the influence. For that purpose, first, it is necessary to verify in advance how much the spot position is shifted when a factor causing position shift occurs in the entire unit. As a conventional technology in this regard, the mechanical behavior that causes the deviation of the spot position is analyzed by the finite element method, and the optical path is set to an optical type to analyze the displacement of the light beam. There is a method for predicting the amount of light displacement due to various factors. However, this method has not yet reached a specific design guideline.
For this reason, in the conventional development design process, optimization of mechanical system design parameters using mechanical system simulation analysis technology and optimization of optical system design parameters using optical system simulation analysis technology are performed. When calculating various design parameters, the mechanical system and the optical system were evaluated separately. Therefore, designers of optical devices are required to have a wide range of knowledge and know-how that covers both the optical system and mechanical systems, such as the influence of the mechanical system on the optical system.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to calculate an optimum mechanical characteristic parameter (structure parameter) of an optical device by using a mechanical system analysis technique and an optical system analysis technique, and give the result to the designer, thereby providing the designer of the optical system with the result. An optical component design support apparatus and design support method capable of reducing the required mechanical system knowledge and know-how, and a program for calculating the optimum mechanical structure of an optical device by this design support method were recorded. It is to provide a recording medium.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is the optimum mechanical characteristic parameter of the optical component for reducing the influence of the mechanical behavior of the optical component constituting the optical device on the optical performance of the device. Is a design support method for optical components that is calculated by optical path analysis and mechanical system analysis, and creates a mechanical system analysis model, an optical system analysis model, and mechanical characteristic parameters used for the mechanical system analysis of the target optical device. And registering it in the storage means, and preparing processing means for appropriately reading out the mechanical system analysis model, the optical system analysis model, and the mechanical characteristic parameter from the storage means, and by the processing means, A mechanical behavior state calculation process for calculating a mechanical behavior state of an optical component by substituting the mechanical characteristic parameter into the mechanical system analysis model, and the mechanical behavior state Based on the result of the calculation process, an optical performance calculation process for analyzing the optical performance during the mechanical behavior of the optical component using the optical system analysis model, and an analysis result by the optical performance calculation process are calculated in advance. Comparison with optical performance at rest, evaluation process to determine whether the difference is within an allowable value, as a result of the evaluation process, if the difference is not within a preset allowable value, An optimization calculation process for calculating a change in the optical performance of the optical component with respect to a change in the mechanical characteristic parameter and performing a calculation for optimizing the mechanical characteristic parameter based on the result, and a mechanical characteristic parameter to be substituted into the mechanical system analysis model The parameter changing process for changing the value of the value to the value obtained by the optimization calculation process is repeated until the evaluation process determines that the difference is within an allowable value. More, it is characterized in that so as to obtain the optimum value of the mechanical property parameters.
According to the method of claim 1, the optimum mechanical property parameter of the optical device can be calculated using the mechanical system analysis technique and the optical system analysis technique, and the result can be given to the designer. The mechanical knowledge and know-how required for designers can be reduced. In addition, since the optical evaluation including the deformation of the optical component can be directly performed when solving the problem of the optical system, an effective mechanical characteristic parameter suitable for the actual system can be obtained.
[0005]
According to a second aspect of the present invention, in the method according to the first aspect, information associating an optical component mounting method with a mechanical characteristic parameter is stored in a database, and the machine closest to the optimum value of the mechanical characteristic parameter is stored. A mounting method corresponding to the characteristic parameter is selected from the database.
According to the method of the second aspect, since the optimum mechanical characteristic parameter can be automatically selected from the actually existing mounting methods registered in the database, a practical result can be obtained.
The invention described in claim 3 is characterized in that, in the method described in claim 2, only the mechanical characteristic parameter in the database is used in the mechanical behavior state calculation processing.
According to the method of claim 3, since the mechanical characteristic parameters are optimized based on the actually existing mounting method, if the calculation result is far from the actual mounting method, the actual mounting method The most suitable one can be selected. In addition, when there is a limitation on the mounting method depending on the type of optical component and the mounting location, an optimal mounting method can be calculated from the limited mounting methods by selecting a possible mounting method in advance.
The invention according to claim 4 is characterized in that, in the method according to any one of claims 1 to 3, the optimum value of the mechanical characteristic parameter is obtained while observing a change in the mechanical characteristic parameter. Yes.
According to the method of claim 4, even when there is no optimal mounting method that falls within the allowable optical performance due to problems such as the arrangement of optical components, the calculation is performed by monitoring changes in the mechanical property parameters. The state can be known, and it can be determined whether there is an optimum mechanical characteristic parameter that falls within the allowable value.
[0006]
The invention according to claim 5 is characterized in that, in the method according to any one of claims 1 to 4, the mechanical property parameter value is limited.
According to the method of claim 5, an upper limit value, a lower limit value, and the like are provided for the calculated mechanical property parameter value. When the value is out of the range during the calculation, for example, when the upper limit value is exceeded, the upper limit value is set. When the value falls below the lower limit value, the lower limit value can be changed to the value of the mechanical characteristic parameter, so that the mechanical characteristic parameter can be calculated within the specified range. can do. Therefore, useless calculation time can be saved.
According to a sixth aspect of the present invention, in the method according to any of the first to fifth aspects, information on a vibration source that vibrates the optical component is stored in a database, and vibration closest to the vibration source actually used is stored. Source information is selected from the database and reflected in the optimum value of the mechanical characteristic parameter.
According to the method of the sixth aspect, the information of the vibration source that gives disturbance (for example, vibration of the reading unit, etc.) and internal disturbance (for example, vibration of the polygon motor, etc.) to the optical device is made into a database, and thus a plurality of environmental tests are performed. And more practical mechanical parameters can be obtained automatically.
The invention according to claim 7 is characterized in that in the method according to any one of claims 1 to 6, optical analysis is performed using shape data of a finite element model of the optical surface of the optical component. Yes.
According to the method of the seventh aspect, the optical behavior of the optical apparatus can be simulated on the computer by performing the optical analysis using the shape data of the finite element model of the optical surface of the optical component. .
According to an eighth aspect of the present invention, in the method of the seventh aspect, when the optical component is deformed, the mesh data of the optical surface before and after the deformation in the finite element model of the optical surface of the optical component are compared. Thus, the optical path analysis is performed.
According to the method of claim 8, when the optical component is deformed, the optical path analysis is performed by comparing the mesh data of the optical surface before and after the deformation in the finite element model of the optical surface of the optical component. The optical path analysis of an optical device that is deformed due to external factors such as vibration can be simulated on a computer.
[0007]
The invention according to claim 9 is characterized in that, in the method according to claim 8, the optical path analysis is performed by approximating a finite element model of the optical surface after deformation of the optical component by a free-form surface. .
According to the method of the ninth aspect, since the optical path analysis is performed by approximating the finite element model of the optical surface after deformation of the optical component with a free-form surface, the accuracy of the optical path calculation can be improved.
The invention described in claim 10 is characterized in that, in the method described in claim 9, the optical path calculation is performed by approximating the optical surface of the minute area including the spot position of the beam obtained in advance by a free-form surface. It is said.
According to the method of the tenth aspect, it is possible to reduce the amount of calculation required for generating the curved surface by limiting the approximated free curved surface to a very small optical surface including the spot position of the beam.
According to the eleventh aspect of the present invention, in the method according to the seventh aspect, the portion of the optical component that cannot correctly represent the optical surface in the finite element model is positioned on the optical surface. It is characterized in that the eccentricity of the optical surface is calculated based on the position information and reflected in the optical path analysis.
According to the method of claim 11, the optical surface such as the mirror surface and the lens surface can be represented on the basis of the position information of the point located on the optical surface even if the optical surface such as the mirror surface or the lens surface cannot be correctly represented by the finite element model. By calculating the eccentricity of a specific surface and reflecting it in the optical path analysis, it becomes possible to accurately model an optical component using a three-dimensional shell element when modeling a finite element. A highly accurate result can be obtained.
[0008]
Further, the invention according to claim 12 is the optical path analysis and the mechanical characteristics parameter of the optical device optimal for reducing the influence of the mechanical behavior of the optical components constituting the optical device on the optical performance of the device. The invention relates to a design support apparatus for optical equipment that is calculated by system analysis, and is used to register a mechanical system analysis model of an optical equipment to be analyzed, an optical system analysis model, and mechanical characteristic parameters used for mechanical system analysis. Based on the calculation result of the storage unit, the mechanical behavior calculation unit that calculates the mechanical behavior state of the optical component by substituting the mechanical characteristic parameter into the mechanical system analysis model, and the optical system based on the calculation result of the mechanical behavior calculation unit Optical performance calculation means for analyzing the optical performance at the time of the mechanical behavior of the optical component using an analysis model, optical performance calculated by the optical performance calculation means, The evaluation means for comparing the optical performance at rest and determining whether the difference is within the allowable value, and the result of the determination by the evaluation means is that the difference is not within the allowable value An optimization calculation means for calculating a change in optical performance of the optical component with respect to a change in the mechanical characteristic parameter, and performing a calculation for optimizing the mechanical characteristic parameter based on the result, and the mechanical behavior calculation means in the machine A parameter changing unit that changes a value of a mechanical characteristic parameter to be assigned to the system analysis model to a value obtained by the optimization calculating unit, and a machine when the evaluation unit determines that the difference is within an allowable value. An optimum value output means for outputting the characteristic parameter as an optimum value of the mechanical characteristic parameter is provided.
According to the apparatus of the twelfth aspect, the optimum mechanical characteristic parameter of the optical device can be calculated using the mechanical system analysis technique and the optical system analysis technique, and the result can be given to the designer. The mechanical knowledge and know-how required for designers can be reduced.
[0011]
Claim 13 According to the recording medium of the present invention, by recording a program that causes a computer to execute the operation according to any one of claims 1 to 11 on a computer-readable storage medium, the program is read by the computer. It is possible to construct a system for supporting design of an optical device by the method according to any one of claims 1 to 11.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is an operation flow diagram showing a first embodiment of the present invention. The first embodiment corresponds to the invention described in claims 1 and 12.
In this embodiment, initial setting is performed first (S1). In this initial setting, the mechanical system analysis model of the target optical device, the optical system analysis model, and initial values of the mechanical property parameters used for the mechanical system analysis are created, and these data are stored in a personal computer (hereinafter referred to as a processing means). Are stored in a hard disk device (hereinafter referred to as HDD) as storage means managed by PC.
Then, the following processing is executed by the PC. The PC has a program for appropriately reading out the mechanical system analysis model, the optical system analysis model, and the mechanical characteristic parameters from the HDD and performing arithmetic processing, and performs various operations according to the program. This program is supplied in a state where it is recorded on a computer-readable recording medium such as a floppy disk or an optical disk, and the PC reads the program data from this recording medium and stores it on the HDD or the like.
First, the deformation state of the optical component is calculated by substituting the initial value of the mechanical characteristic parameter into the mechanical system analysis model (S2, mechanical behavior state calculation process). Next, based on the processing result of S2, the deformation state of the surface that affects the optical path such as the mirror surface and the lens surface of the optical component is obtained, and the optical system analysis model that reflects this is used to determine the deformation state of the optical component. Optical performance is calculated (S3, optical performance calculation processing). Next, the optical performance calculated in S3 is compared with the optical performance at rest calculated in advance, and it is determined whether or not the difference is within an allowable value (S4, evaluation process).
Then, as a result of the determination in S4, when the difference between the optical performance at the time of deformation of the optical component and the optical performance at rest is not within the allowable value (No in S4), the optical performance with respect to the change of the mechanical property parameter Is calculated by a sensitivity analysis method, and based on the result, optimization calculation such as nonlinear programming is performed to optimize the mechanical characteristic parameter (S5, optimization calculation processing), and the mechanical system analysis model The value of the mechanical characteristic parameter to be assigned to is changed to the value obtained in S5 (S6, parameter change process).
The above processing is repeated until it is determined in S4 that the difference is within the allowable value (S2 to S6). If it is determined that the difference is within the allowable value (Yes in S4), the value of the mechanical characteristic parameter at that time Is output as the optimum value of the mechanical characteristic parameter (S7).
[0013]
Next, as a specific example, a case where the optimum value of the mechanical characteristic parameter of the writing unit is obtained will be described.
FIG. 2 conceptually shows the main part of the writing unit and the photosensitive member. On the housing 101 of the writing unit 100, a polygon mirror 102, lenses 103A and 103B, mirrors 103C and 103D, and a polygon mirror 102 are provided. Each polygon motor 104 to be driven is disposed at a predetermined position.
In the writing unit 100 as described above, the housing 101 vibrates due to the vibration force of the polygon motor 104, thereby causing a problem that the spot position P of the laser beam L irradiated onto the photosensitive member 200 is shifted.
Therefore, in this example, as the mechanical characteristic parameters to be optimized, the thickness t of the bottom plate 101A of the housing 101 and the portion for fixing the optical components 103 such as the lenses 103A and 103B and the mirrors 103C and 103D to the housing 101 (fixing jig, Select the stiffness s of the adhesive, etc. (indicated by ☆ in the figure).
First, the housing 101, the optical component 103, and the like are converted into a finite element analysis model. Then, an optical path until the laser beam L emitted from the laser light source S reaches the spot position P through each optical component 103 is modeled for an optical path analysis program (optical performance calculation program). An initial value t0 of the plate thickness t is set in advance. Further, the part where the optical component 103 is fixed is made into a spring model, and an initial value s0 of the rigidity s is set. (Equivalent to S1 in FIG. 1)
Next, the deformation state of the optical component 103 or the like is calculated by finite element analysis. From this result, the optical path analysis of the information affecting the optical path of the laser beam L, such as the angle of the laser beam L emitted from the laser light source S, the deformation state of the surface affecting the optical path such as the mirror surface and lens surface of the optical component 103, etc. Reflect in the program. Using this optical path analysis program, the position of the spot position Pf is obtained. (Equivalent to S2 and S3 in FIG. 1)
Next, the spot position Pf calculated using the optical path analysis program is compared with the spot position Pg calculated in advance (when the polygon motor is stopped), and the difference | Pf−Pg | It is evaluated whether or not the amount of positional deviation between the two is within an allowable value. (Equivalent to S4 in FIG. 1)
When the positional deviation amount is not within the allowable value, the variation amount of the spot position P with respect to the change of the mechanical characteristic parameter, in this example, the variation amount of the spot positional deviation with respect to the variation of the thickness t of the housing bottom plate 101A, and the optical The amount of change in the spot position deviation with respect to the rigidity s of the portion fixing the part 103 is obtained by sensitivity analysis, and the thickness t of the housing bottom plate 101A is obtained by optimization calculation such as nonlinear programming so that the spot position deviation is reduced. The rigidity s of the portion for fixing the optical component 103 is changed. (Equivalent to S5 and S6 in FIG. 1)
By repeating the above processing until the spot position deviation amount falls within the allowable value, the optimum mechanical characteristic parameters, in this example, the plate thickness t of the housing bottom plate 101A and the optimum value of the rigidity s of the portion to which the optical component 103 is fixed are determined. Is required.
[0014]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In this embodiment, when the method described with reference to FIG. 1 is performed, a method for mounting (fixing) each optical component 103 to the housing 101 and information on mechanical characteristic parameters in each direction are stored in a database in advance. Then, a mounting method corresponding to the mechanical characteristic parameter closest to the optimum value of the mechanical characteristic parameter obtained by the method of claim 1 is selected from the entire database or a specified range in the database.
For example, as a method of attaching the lens 103A to the housing bottom plate 101A of the writing unit 100, a method using a leaf spring 110 as shown in FIG. 3A and a method using an adhesive 111 as shown in FIG. Since the rigidity when each method is used is registered in the database as shown in FIG. 4 and the optimum mounting method is calculated from the database by the least square method, for example, after the optimum rigidity is calculated. is there. (Corresponding to claim 2)
FIG. 5 is an operation flowchart showing the third embodiment of the present invention.
Also in this embodiment, initial setting similar to that in the case of FIG. 1 is first performed (S11). In this initial setting, not only the mechanical system analysis model, the optical system analysis model, and the mechanical characteristic parameters are stored in the HDD managed by the PC, but also the mounting method database as shown in FIG. 4 is stored in the HDD. Store it.
Then, the following processing is executed by the PC.
First, the deformation state of the optical component is calculated by substituting the initial value of the mechanical characteristic parameter into the mechanical system analysis model (S12). Next, based on the processing result of S12, a deformation state of a surface that affects an optical path such as a mirror surface or a lens surface of the optical component is obtained, and the optical system analysis model that reflects this is used to determine the deformation state of the optical component. The optical performance is calculated (S13). Next, the optical performance calculated in S13 is compared with the optical performance at rest calculated in advance, and it is determined whether or not the difference is within an allowable value (S14).
If the difference between the optical performance at the time of deformation of the optical component and the optical performance at rest is not within the allowable value as a result of the determination in S14 (No in S14), the optimum mechanical characteristic parameter of the mechanical structure is set. A change in optical performance with respect to the change is obtained by a sensitivity analysis technique, and an optimization calculation such as nonlinear programming is performed based on the result to perform a calculation for optimizing a mechanical characteristic parameter (S15). The value of the mechanical characteristic parameter closest to the selected value is selected from the database, and the value of the mechanical characteristic parameter to be substituted into the mechanical system analysis model is changed to the value selected from the database (S16).
The above processing is repeated until it is determined in S14 that the difference is within the allowable value (S12 to S16). If it is determined that the difference is within the allowable value (Yes in S14), the value of the mechanical characteristic parameter at that time Is output as the optimum value of the mechanical characteristic parameter (S17).
[0015]
In this way, the mechanical property parameter change during the iterative calculation is performed only by the mechanical property parameter registered in the database of the optical component mounting method as shown in FIG. Optimization can be performed. Therefore, even when the calculation result of the mechanical property parameter is far from the actual mounting method, the most suitable mounting method can be selected by using this method. (Corresponding to claim 3)
Further, in the above embodiment, there is a case where there is no optimal mounting method that falls within the allowable value of the optical performance due to problems such as the arrangement of the optical component 103. However, as shown in FIG. 1 or FIG. In the process of calculating the mechanical property parameter, the value of the mechanical property parameter is monitored in real time, and the increase / decrease change of the value can be monitored to determine whether there is an optimum mechanical property parameter that falls within the allowable value. . (Corresponding to claim 4)
In addition, depending on the optical component, there may be a need for a mounting portion having mechanical properties that should not exhibit elastic behavior. In this case, the value of the rigidity s, which is a mechanical property parameter, increases each time iterative calculation is performed. End up. In such a case, an upper limit value is provided for the value of stiffness s to be calculated, and if the upper limit value is exceeded during the iterative calculation, the upper limit value may be changed to the value of stiffness s. Also, if the mechanical property parameter value decreases every time iterative calculation is performed, a lower limit value is set for the mechanical property parameter value. What is necessary is just to change to the value of a characteristic parameter.
In this way, an upper limit value and a lower limit value are set for the calculated mechanical property parameter values.If either of these values is out of the range in the course of iterative calculation, the upper limit value is exceeded and the lower limit value is exceeded. Then, by changing the lower limit value to the value of the mechanical characteristic parameter, the mechanical characteristic parameter can be always calculated within the specified range, and the practically impossible mechanical parameter can be prevented from being calculated. (Corresponding to claim 5) In addition, information such as actual measurement data and experience values of factors that affect optical performance, for example, factors that cause deformation, vibration, etc. (forced displacement, vibration source) are registered in a database. In addition, by automatically performing several types of environmental tests that should be taken into account when calculating the mechanical characteristic parameters, the mechanical characteristic parameters can be optimized under a plurality of environmental tests. Obtainable. (Corresponding to claim 6)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows a part of the optical system in FIG. 2, and shows how the laser beam L passing through the lens 103B is reflected by the mirror 103C. That is, in this embodiment, it is considered what path the laser beam L will take when the lens 103B is deformed by an external factor. At that time, as shown in FIG. 7, an undeformed finite element model M1 for analyzing the mechanical behavior of the lens 103B is created, and optical path calculation is performed using the shape data of the finite element model M2 after deformation obtained by the analysis. By performing the above, the optical analysis of the lens 103B can be simulated on a computer. (Corresponding to claim 7)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
If it is assumed that the inside of the optical component is isotropic and uniform even if it is affected by deformation, the optical path can be calculated if the spot position where the laser beam L hits the lens surface and the normal vector of the boundary surface are known. M1 in FIG. 8 and M2 in FIG. 9 are finite element models based on the mechanical behavior analysis of the lens 103B, and show finite element models before and after deformation, respectively. Further, on the right side of FIGS. 8 and 9, the state of a minute region including the spot position where the laser beam L hits the lens surfaces 8A and 9A is enlarged and shown as mesh data 8-2 and 9-2, respectively. Yes. Reference numerals 8-1 and 9-1 denote spot positions where the laser beam L hits in the mesh data 8-2 and 9-2, respectively.
In this embodiment, optical path calculation is performed using mesh data 8-2 and 9-2 of a finite element model representing a lens surface as shown in FIGS.
That is, in general, there are decentering parameters of optical components in the definition of the optical system, but the decentering amount of the lens surface is compared with mesh data (translation amount, rotation amount, etc.) of a finite element model in which the laser beam L represents the optical surface. Can be calculated. Therefore, in the above example, it is possible to calculate the amount of eccentricity from the translation amount and the rotation amount for each of the two mesh data 8-2 and 9-2 before and after the deformation.
By performing optical path calculation using the amount of eccentricity of the optical surface obtained as described above, the optical analysis of the optical component such as the lens 103B deformed by disturbance is more accurately simulated on the computer. be able to. (Corresponding to claim 8)
However, even when the optical surface is defined by an analytical curved surface as in the above embodiment, the same definition may not be possible due to subsequent deformation of the optical component. In such a case, when the laser beam L is scanned, it is impossible to know in advance in which part of the mesh data the spot position comes. At this time, the light path becomes discontinuous when crossing adjacent mesh boundaries. Therefore, for example, as shown in FIG. 10, the optical path analysis is performed on the mesh data 10-1 of the optical surface of the finite element model M2 of the lens 103B in a state where the mesh boundary is eliminated by fitting the free-form surface 10-2. It is desirable.
In this case, it is also possible to approximate with a parametric curved surface such as a Bezier curved surface or NURBS so as to pass through the mesh contacts and smoothly connect to the adjacent patch. By performing optical path calculation using the generated curved surface as the optical surface of the deformed optical component, the optical analysis of the optical component can be more accurately simulated on the computer. (Corresponding to claim 9)
For example, as shown in FIG. 11, when calculating a free-form surface from the finite element model M2 of the deformed optical surface of the lens 103B, local data is used using mesh data 11-2 of a minute region including the spot position 11-1. A free-form curved surface 11-3 may be generated to calculate the optical path. However, the spot position 11-4 on the free curved surface 11-3 is different from the spot position 11-1 on the mesh data 11-2.
Thus, by limiting the approximated free-form surface to a very small region including the spot position 11-1, the amount of calculation required to generate the free-form surface can be reduced. (Corresponding to claim 10)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described.
In this embodiment, when the optical surface such as a mirror surface or a lens surface cannot be correctly represented by the finite element model due to the structure of the optical component, with respect to that portion, from the amount of positional deviation of the point forming the portion. Then, the translation and rotation amount with respect to the original position are calculated, and this is reflected in the optical path analysis program as the eccentricity of the optical surface.
For example, in the case of a plate-shaped optical component such as the polygon mirror 102, as shown in FIG. 12, when the analysis model is formed by a three-dimensional shell element used in the finite element analysis, the mirror surface 102A becomes linear, A surface cannot be formed. Therefore, for example, the displacement amount of the contact A (displacement in the x, y, and z directions and the rotation direction about the x, y, and z axes) is used as the eccentric amount of the mirror surface 102A, or both ends of the mirror surface 102A are formed. Using a method in which the average displacement amount of a plurality of contacts, such as the average displacement amount of the contacts A and B, is used as the eccentric amount of the mirror surface 102A, or three or more contacts (for example, the contacts A, B, and C), The average amount of displacement of each contact in the x, y, and z directions is the amount of translation of the eccentricity of the mirror surface 102A, and the difference in inclination before and after the deformation of the surface formed by the contacts A, B, C is the mirror surface 102A. The eccentricity of the mirror surface 102A obtained by the method of determining the amount of rotation of the eccentricity is reflected in the optical path analysis program.
As described above, with respect to a portion where the optical surface cannot be correctly represented by the finite element model due to the structure of the optical component, the eccentricity of the optical surface is calculated based on the position information of the point located on the optical surface. By reflecting this in the optical path analysis, it becomes possible to use a three-dimensional shell element when a plate-like optical component such as the polygon mirror 102 is modeled as a mechanical system analysis model. (Corresponding to claim 11)
In the above embodiment, the optical apparatus design support method according to the present invention has been mainly described. In the following embodiments, an optical equipment design support apparatus according to the present invention will be described.
FIG. 13 is a block diagram of a design support apparatus showing a seventh embodiment of the present invention. The design support apparatus 300 includes a mechanical system analysis module 301 that analyzes the mechanical behavior of the optical component based on the shape data and mechanical characteristic parameters of the optical component to be analyzed, and generates mesh data representing a three-dimensional shape; A solid modeler 303 that generates free-form surface data obtained by approximating the three-dimensional shape represented by the mesh data with a smooth free-form surface, and an optical path analysis of the optical component based on the optical characteristic data of the optical component and the free-form surface data An optical system analysis module 302, a database 303 for storing the shape data, mechanical characteristic parameters, and optical characteristic data of the optical component, and a control module 305 for integrating these to execute optical path analysis. Yes. A user terminal 307 such as a CAD terminal or a pre-post terminal is connected to the control module 305 via a user interface 306.
[0016]
In the above configuration, the user inputs shape data, finite element model data, optical characteristic data, and mechanical characteristic parameters of the optical component to be analyzed from the user terminal 307. Then, the control module 306 receives these data via the user interface 304 and stores them in the database 304.
Then, when analysis execution is instructed from the user terminal 307, the control module 306 instructs the mechanical system analysis module 301 to execute mechanical behavior analysis of the optical component and generate mesh data representing a three-dimensional shape. Next, the control module 306 passes the mesh data generated by the mechanical system analysis module 301 to the solid modeler 303, and generates free-form surface data that approximates the three-dimensional shape represented by the mesh data with a smooth free-form surface. Next, the control module 306 passes the free curved surface data generated by the solid modeler 303 to the optical system analysis module 302 to execute optical path analysis, and accumulates the obtained optical path analysis data in the database 304. Thereafter, the control module 306 obtains the optimum value of the mechanical characteristic parameter by the above-described method based on the optical properties of the optical component obtained from the optical path analysis data, for example, the optical path deviation or the spot position deviation due to deformation, and the optimum The value data is sent to the user terminal 307. (Corresponding to claim 13)
FIG. 14 is a block diagram of a design support apparatus showing an eighth embodiment of the present invention. The design support apparatus 400 includes a mechanical system analysis server 401 that analyzes the mechanical behavior of the optical component based on the shape data and mechanical characteristic parameters of the optical component to be analyzed, and generates mesh data representing a three-dimensional shape; A solid modeling server 402 that generates free-form surface data obtained by approximating a three-dimensional shape represented by mesh data with a smooth free-form surface, and an optical device that performs optical path analysis of the optical component based on optical characteristic data and free-form surface data of the optical component A system analysis server 403, a data management server 404 that manages optical component shape data, mechanical property parameters, and optical property data, and user terminals such as a pre-post terminal 405 and a CAD terminal 406 are interconnected via a communication network 407. Do it. Connected to the data management server 404 is a database 408 in which optical part shape data, mechanical characteristic parameters, optical characteristic data, and the like are stored.
[0017]
In the above configuration, the user inputs optical component shape data, finite element model data, optical characteristic data, mechanical characteristic parameters, and the like from user terminals such as the CAD terminal 406 and the pre-post terminal 405 connected to the communication network 407. The data management server 404 stores these data in the database 408. When analysis execution is instructed from the user terminal, the data management server 404 instructs the mechanical system analysis server 401 to execute mechanical behavior analysis of the optical component to generate mesh data representing a three-dimensional shape. Next, the data management server 404 passes the mesh data generated by the mechanical system analysis server 401 to the solid modeling server 402, and generates free-form surface data that approximates the three-dimensional shape represented by the mesh data with a smooth free-form surface. Next, the data management server 404 passes the free-form surface data generated by the solid modeling server 402 to the optical system analysis server 403 to perform optical path analysis, and accumulates the obtained optical path analysis data in the database 408.
Thereafter, the data management server 404 obtains the optimum value of the mechanical characteristic parameter by the above-described method based on the optical property of the optical component obtained from the optical path analysis data, for example, the optical path deviation due to deformation, the spot position deviation, etc. Optimal value data is sent to user terminals such as the CAD terminal 406 and the pre-post terminal 405. (Corresponding to claim 14)
In the above example, servers with different functions, such as a mechanical system analysis server, solid modeling server, and optical system analysis server, are connected by a communication network. For example, as illustrated in FIG. 15, a plurality of application servers 501-1 to 501-N having the same function for performing analysis, calculation, and the like may be used. In this case, the data management server 404 efficiently uses another application server having the same function connected to the communication network 407 when a failure occurs in a certain application server or when the load on a specific application server is high. Process. Further, the parallel calculation may be performed by distributing the analysis processing to application servers having the same function.
In addition to the above configuration, a data conversion server 601 is connected to the communication network 407 as shown in FIG. 16, and shape data, mechanical characteristic parameters, optical characteristic data, etc. are sent to each server via the communication network 407. At this time, these data may be converted into a data format that can be read by the destination server. In this way, even when the data formats handled between the application servers 501-1 to 501-N that perform analysis processing and the like are different, data can be exchanged. (Corresponding to claim 15)
[0018]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following excellent effects can be exhibited. According to the method of claim 1, the optimum mechanical property parameter of the optical device can be calculated using the mechanical system analysis technique and the optical system analysis technique, and the result can be given to the designer. The mechanical knowledge and know-how required for designers can be reduced.
According to the method of claim 2, in addition to the effect of claim 1, the optimum mechanical characteristic parameter can be automatically selected from the actually existing mounting methods registered in the database. The result can be obtained.
According to the method of claim 3, in addition to the effect of claim 2, since the mechanical characteristic parameter is optimized based on the actually existing mounting method, the calculation result is far from the actual mounting method. If it is, the most suitable mounting method can be selected.
According to the method of claim 4, in addition to the effects of claims 1, 2, and 3, due to problems such as the arrangement of optical components, even when there is no optimal mounting method that falls within the allowable value of optical performance, By monitoring the change in the mechanical characteristic parameter, the calculation state can be known, and it can be determined whether there is an optimal mechanical characteristic parameter that falls within the allowable value.
According to the method of claim 5, in addition to the effects of claims 1, 2, 3, and 4, the calculated mechanical property parameter value is limited such as an upper limit value and a lower limit value, and is out of the range during the calculation. For example, if the upper limit value is exceeded, the upper limit value is changed, and if the lower limit value is exceeded, the lower limit value is changed to the mechanical characteristic parameter value, so that the mechanical characteristic parameter must be calculated within the specified range. It is possible to prevent the calculation of mechanical parameters that are impossible in practice.
[0019]
According to the method of claim 6, in addition to the effects of claims 1 to 5, it is possible to perform optimization under a plurality of environmental tests by creating a database of information on vibration sources that give vibration to the optical apparatus. More practical mechanical parameters can be obtained automatically.
According to the method of claim 7, in addition to the effects of claims 1 to 6, the optical behavior of the optical apparatus is obtained by performing an optical analysis using the shape data of the finite element model of the optical surface of the optical component. Can be simulated on a computer.
According to the method of claim 8, in addition to the effect of claim 7, when the optical component is deformed, the mesh data of the optical surface before and after deformation in the finite element model of the optical surface of the optical component are compared. Since the optical path analysis is performed, it is possible to simulate on the computer the optical path analysis of an optical device that is deformed due to external factors such as vibration.
According to the method of claim 9, in addition to the effect of claim 8, the optical path analysis is performed by approximating the finite element model of the optical surface after deformation of the optical component by a free-form surface. Can be improved.
According to the method of the tenth aspect, in addition to the effect of the ninth aspect, it is possible to reduce the amount of calculation required for generating the curved surface by limiting the approximated free-form surface to an optical surface in a minute region including the beam spot position.
[0020]
According to the method of claim 11, in addition to the effect of claim 7, a point where an optical surface such as a mirror surface or a lens surface cannot be correctly represented by a finite element model is also located on the optical surface. By accurately calculating the eccentricity of the optical surface based on the position information of the optical element and reflecting it in the optical path analysis, the optical component is accurately modeled using a three-dimensional shell element when modeling the finite element. Therefore, accurate results can be obtained in mechanical system analysis.
According to the apparatus of the twelfth aspect, the optimum mechanical characteristic parameter of the optical device can be calculated using the mechanical system analysis technique and the optical system analysis technique, and the result can be given to the designer. The mechanical knowledge and know-how required for designers can be reduced.
Claim 13 According to the recording medium, since the program for causing the computer to execute the operation described in any one of claims 1 to 11 is recorded on the computer-readable storage medium, by causing the computer to read the program, It becomes possible to construct a system for supporting design of an optical device by any one of the methods according to claims 1 to 11.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an operation flow diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram conceptually showing main parts of a writing unit and a photosensitive member.
FIGS. 3A and 3B are partial perspective views illustrating a method of attaching a lens to a housing bottom plate of a writing unit. FIGS.
FIG. 4 is an explanatory view exemplifying a database of mounting methods for optical components.
FIG. 5 is an operation flowchart showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is another explanatory diagram of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is another explanatory diagram of the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram relating to a method of performing optical path analysis by approximating mesh data of an optical surface with a free-form surface.
FIG. 11 is an explanatory diagram relating to a method of calculating a light path by generating a local free-form surface using mesh data of a minute region including a spot position.
FIG. 12 is an explanatory diagram of a portion where an optical surface cannot be correctly represented by a finite element model.
FIG. 13 is a block diagram of a design support apparatus showing a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a block diagram of a design support apparatus showing an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a block diagram of a design support apparatus showing a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a block diagram of a design support apparatus showing a modification of the ninth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
8A, 9A Lens surface, 8-2 Mesh data, 9-2 Mesh data, 10-1 Mesh data, 10-2 Free curved surface, 11-1 Spot position, 11-2 Mesh data, 11-3 Local free curved surface 11-4 Spot position, 100 writing unit (optical device), 101 housing (structure), 101A bottom plate, 102 polygon mirror (vibration source), 103A lens (optical component), 103B lens (optical component), 103C mirror ( Optical component), 103D mirror (optical component), 104 polygon motor (vibration source), 110 leaf spring, 111 adhesive, 102A mirror surface, 200 photoconductor, 300 design support device, 301 mechanical system analysis module, 302 optical system analysis Module, 303 Solid Modeler, 304 Database, 305 Control Module 306 user interface, 307 user terminal, 400 design support device, 401 mechanical analysis server, 402 solid modeling server, 403 optical system analysis server, 404 data management server, 405 pre-post terminal, 406 CAD terminal (user terminal), 407 Communication network, 408 database, 501-1 to 501-N application server, 601 data conversion server, L laser beam, P spot position, M1 finite element model before deformation, M2 finite element model after deformation, S laser light source.

Claims

Design support for optical equipment that calculates the optimal mechanical characteristic parameters of optical equipment by optical path analysis and mechanical system analysis in order to reduce the influence of the mechanical behavior of the optical components constituting the optical equipment on the optical performance of the equipment. A method for creating a mechanical system analysis model of an optical device to be analyzed, an optical system analysis model, and a mechanical characteristic parameter used for mechanical system analysis and registering the storage system with the mechanical system. An analysis model, the optical system analysis model, and an arithmetic processing unit that performs arithmetic processing by appropriately reading the mechanical characteristic parameter are prepared, and the mechanical characteristic parameter is substituted into the mechanical system analysis model using the processing unit. And calculating the mechanical behavior state of the optical component based on the result of the mechanical behavior state calculation process and the mechanical behavior state calculation process. The optical performance calculation process for analyzing the optical performance at the time of the mechanical behavior of the optical component, comparing the analysis result by the optical performance calculation process and the optical performance at the time of stationary calculated in advance, An evaluation process for determining whether or not the difference is within an allowable value, and as a result of the evaluation process, if the difference is not within a preset allowable value, the optical performance of the optical component with respect to a change in the mechanical characteristic parameter An optimization calculation process for obtaining a change and performing a calculation for optimizing the mechanical characteristic parameter based on the result, and a value of the mechanical characteristic parameter to be substituted into the mechanical system analysis model was obtained by the optimization calculation process. A parameter change process for changing to a value is repeated until the difference is determined to be within an allowable value by the evaluation process, thereby obtaining an optimum value of the mechanical characteristic parameter. Design support method of the optical device, characterized in that there was Unishi.

Information that associates the mounting method of the optical component with the mechanical property parameter is stored in a database, and the mounting method corresponding to the mechanical property parameter closest to the optimum value of the mechanical property parameter obtained by the method according to claim 1 is selected. A design support method for optical equipment, characterized by selecting from a database.

3. The optical apparatus design support method according to claim 2, wherein only mechanical characteristic parameters in the database are used in the mechanical behavior state calculation processing.

4. The design support method for an optical apparatus according to claim 1, wherein an optimum value of the mechanical characteristic parameter is obtained while observing a change in the mechanical characteristic parameter.

5. The optical apparatus design support method according to claim 1, wherein the mechanical property parameter value is limited.

Information on a vibration source that vibrates the optical component is stored in a database, and information on the vibration source closest to the vibration source actually used is selected from the database and reflected in the optimum value of the mechanical characteristic parameter. A design support method for an optical apparatus according to any one of claims 1 to 5.

The optical apparatus design support method according to claim 1, wherein optical analysis is performed using shape data of a finite element model of an optical surface of the optical component.

8. The optical apparatus according to claim 7, wherein when the optical component is deformed, optical path analysis is performed by comparing mesh data of the optical surface before and after the deformation in the finite element model of the optical surface of the optical component. Design support method.

9. The optical apparatus design support method according to claim 8, wherein optical path analysis is performed by approximating a finite element model of the optical surface after deformation of the optical component by a free-form surface.

The optical apparatus design support method according to claim 9, wherein the optical path calculation is performed by approximating an optical surface of a minute area including a spot position of a beam obtained in advance by a free-form surface.

For the part where the optical surface cannot be correctly represented in the finite element model due to the structure of the optical component, the eccentricity of the optical surface is calculated based on the position information of the point located on the optical surface, 8. The method for supporting design of an optical apparatus according to claim 7, wherein the method is reflected in optical path analysis.

Design support for optical equipment that calculates the optimal mechanical characteristic parameters of optical equipment by optical path analysis and mechanical system analysis in order to reduce the influence of the mechanical behavior of the optical components constituting the optical equipment on the optical performance of the equipment. The apparatus is a mechanical system analysis model of an optical device to be analyzed, an optical system analysis model, and a storage means for registering mechanical characteristic parameters used for the mechanical system analysis, and the mechanical system analysis model Mechanical behavior calculating means for substituting mechanical characteristic parameters to calculate the mechanical behavior state of the optical component, and based on the calculation result of the mechanical behavior calculating means, the mechanical analysis of the optical component using the optical system analysis model The optical performance calculation means for analyzing the optical performance at the time of behavior, the optical performance calculated by the optical performance calculation means, and the optical performance at rest calculated in advance are compared. An evaluation means for determining whether or not the difference is within an allowable value, and if the difference is not within the allowable value as a result of the determination by the evaluation means, the optical performance of the optical component with respect to a change in the mechanical characteristic parameter An optimization calculation means for performing a calculation for optimizing a mechanical characteristic parameter based on the result, and a value of the mechanical characteristic parameter to be substituted into the mechanical system analysis model in the mechanical behavior calculation means. A parameter changing means for changing to a value obtained by the calculation calculating means, and an optimum value output for outputting the mechanical characteristic parameter as an optimum value of the mechanical characteristic parameter when the evaluation means judges that the difference is within an allowable value And a design support apparatus for an optical device.

A mechanical characteristic parameter of an optical device that is optimal for reducing the influence of the mechanical behavior of an optical component constituting the optical device on the optical performance of the device using the method according to any one of claims 1 to 11. A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for calculating the value.