JP5168051B2 - Electromagnetic field analysis program and electromagnetic field analysis apparatus - Google Patents
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本発明は、電磁界のシミュレーションを提供する電磁界解析プログラムおよび電磁界解析装置に関する。 The present invention relates to an electromagnetic field analysis program and an electromagnetic field analysis apparatus that provide electromagnetic field simulation.
電磁界解析プログラムは広く知られる。電磁界解析プログラムは電磁界のシミュレーションを提供する。シミュレーションの実現にあたって有限差分時間領域(FDTD)法が利用される。こうしたシミュレーションによれば、特定の計算モデルに対して時系列に電磁界の分布の変化が画像化されることができる。
いわゆる近接場光の解析にあたって電磁界解析プログラムの利用が模索される。しかしながら、FDTD法では解析領域が光の波長の数倍程度に制限される。その結果、例えば集光レンズといった集光系のモデル化は実現されることはできなかった。FDTD法では、集光系の導入にあたって例えばフラウンホーファー回折の算出式が利用された。こうした算出式の計算結果に基づき集束光がFDTD法に導入されても、解析領域の仮想空間内では高い精度で集束光が再現されることはできなかった。 The use of an electromagnetic field analysis program is sought for the analysis of so-called near-field light. However, in the FDTD method, the analysis region is limited to about several times the wavelength of light. As a result, for example, modeling of a condensing system such as a condensing lens could not be realized. In the FDTD method, for example, a calculation formula for Fraunhofer diffraction is used for introducing a condensing system. Even if the focused light is introduced into the FDTD method based on the calculation result of such a calculation formula, the focused light cannot be reproduced with high accuracy in the virtual space of the analysis region.
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、FDTD法の利用にあたって高い精度で集束光を再現することができる電磁界解析プログラムおよび電磁界解析装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electromagnetic field analysis program and an electromagnetic field analysis apparatus that can reproduce focused light with high accuracy when using the FDTD method.
上記目的を達成するために、電磁界解析プログラムは、仮想三次元空間内で電界特性および磁界特性の三次元分布を特定する計算モデルを構築する手順と、前記仮想三次元空間内で波源を特定する手順と、前記仮想三次元空間内に区画されて相互に隣接する単位セルごとに、有限差分時間領域法に基づき、現時刻の電磁界の空間分布に基づき次時刻の電磁界の空間分布を算出する手順と、前記空間分布の算出にあたって、所定の励振振幅に基づき波源で電界の励振を確立する手順と、前記励振振幅の算出にあたって、集束光の光線に垂直な電界成分の波源面への投射に基づき集束光の電界振幅を補正する手順と、補正した電界振幅に基づきフラウンホーファー回折の算出式を計算し、その結果に基づき前記励振振幅を算出する手順とをコンピューターに実行させる。こういった処理動作によれば、有限差分時間領域法に基づき、高い精度で電磁界の空間分布は再現されることができる。 In order to achieve the above object, the electromagnetic field analysis program specifies a procedure for constructing a calculation model for specifying a three-dimensional distribution of electric field characteristics and magnetic field characteristics in a virtual three-dimensional space, and specifies a wave source in the virtual three-dimensional space. And, based on the finite difference time domain method, for each unit cell partitioned in the virtual three-dimensional space and adjacent to each other, the spatial distribution of the electromagnetic field at the next time is calculated based on the spatial distribution of the electromagnetic field at the current time. In the calculation procedure, in the calculation of the spatial distribution, the procedure of establishing the excitation of the electric field at the wave source based on the predetermined excitation amplitude, and in the calculation of the excitation amplitude, the electric field component perpendicular to the light beam of the focused light is applied to the wave source surface. Compile the procedure for correcting the electric field amplitude of the focused light based on the projection and the procedure for calculating the Fraunhofer diffraction calculation formula based on the corrected electric field amplitude and calculating the excitation amplitude based on the calculation result. To be executed by the Ta. According to these processing operations, the spatial distribution of the electromagnetic field can be reproduced with high accuracy based on the finite difference time domain method.
その他、電磁界解析装置は、仮想三次元空間内で電界特性および磁界特性の三次元分布を特定する計算モデルを取得する計算モデル入力部と、所定の励振振幅に基づき波源で電界の励振を確立しつつ、前記仮想三次元空間内に区画されて相互に隣接する単位セルごとに、有限差分時間領域法に基づき、現時刻の電磁界の空間分布に基づき次時刻の電磁界の空間分布を算出する有限差分時間領域法計算部と、集束光の光線に垂直な電界成分の波源面への投射に基づき集束光の電界振幅を補正し、補正した電界振幅に基づきフラウンホーファー回折の算出式を計算し、計算結果に基づき前記励振振幅を導き出す集光系再現部とを備えてもよい。 In addition, the electromagnetic field analyzer establishes excitation of an electric field with a wave source based on a calculation model input unit that acquires a calculation model for specifying a three-dimensional distribution of electric field characteristics and magnetic field characteristics in a virtual three-dimensional space, and a predetermined excitation amplitude. However, for each unit cell partitioned in the virtual three-dimensional space and adjacent to each other, the spatial distribution of the electromagnetic field at the next time is calculated based on the spatial distribution of the electromagnetic field at the current time based on the finite difference time domain method. The finite-difference time-domain calculation unit that corrects the electric field amplitude of the focused light based on the projection of the electric field component perpendicular to the light beam of the focused light onto the wave source surface, and calculates the calculation formula for Fraunhofer diffraction based on the corrected electric field amplitude And a condensing system reproduction unit that derives the excitation amplitude based on the calculation result.
以上のように本発明によれば、FDTD法の利用にあたって高い精度で集束光を再現することができる電磁界解析プログラムおよび電磁界解析装置は提供される。 As described above, according to the present invention, an electromagnetic field analysis program and an electromagnetic field analysis apparatus capable of reproducing focused light with high accuracy when using the FDTD method are provided.
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の一実施形態に係る電磁界解析装置の構成を概略的に示す。この電磁界解析装置11は、例えばエンジニアリングワークステーションといったコンピューター12と、コンピューター12に接続されるディスプレイ装置13とを備える。コンピューター12には例えばキーボード14やマウス15といった入力装置が接続される。
FIG. 1 schematically shows a configuration of an electromagnetic field analysis apparatus according to an embodiment of the present invention. The electromagnetic
コンピューター12は箱形の筐体16を備える。この筐体16内にはいわゆるマザーボードが収容される。周知の通り、マザーボードには例えばCPU(中央演算処理装置)やメモリーといった電子回路素子が実装される。利用者はキーボード14やマウス15からCPUに向けて様々なデータや指令を入力することができる。
The
筐体16内にはFDD(フレキシブルディスク駆動装置)17と記録ディスク駆動装置18とがさらに組み込まれる。FDD17や記録ディスク駆動装置18は、正面の各受け入れ口からディスケット(FD)やCD−ROM、DVD−ROMを受け入れることができる。FDD17や記録ディスク駆動装置18は、受け入れたFDやCD−ROMから例えばデータやソフトウェアプログラムを読み出すことができる。
An FDD (flexible disk drive) 17 and a
ディスプレイ装置13はディスプレイ用筐体19を備える。ディスプレイ用筐体19には、例えば液晶ディスプレイ(LCD)パネルといった平面ディスプレイパネルが収容される。ディスプレイ用筐体19には長方形の窓孔21が区画される。この窓孔21にはLCDパネルの表示画面が臨む。LCDパネルの表示画面にはCPUの演算処理に基づきグラフィックスやテキストが映し出される。
The
図2に示されるように、CPU21にはコンピューター12の動作を統括するシステムコントローラー22すなわちチップセットが接続される。このシステムコントローラー22には、前述のキーボード14やマウス15、FDD17、記録ディスク駆動装置18のほか、システムメモリー23やHDD(ハードディスク駆動装置)24、グラフィックボード25が接続される。システムメモリー23には、例えばOS(オペレーティングシステム)その他のソフトウェアプログラムがHDD24から一時的に取り込まれる。CPU21は、システムメモリー23に一時的に取り込まれるソフトウェアプログラムに基づき演算処理を実行する。HDD24には、例えば前述のFD26やCD−ROM27から予めソフトウェアプログラムが移されればよい。グラフィックボード25にはディスプレイ装置13が接続される。グラフィックボード25はCPU21の指令に基づきディスプレイ装置13に向けて画像信号を送り出す。
As shown in FIG. 2, the
その他、システムコントローラー22にはLAN(ローカルエリアネットワーク)ボード28やモデム29が接続されてもよい。LANボード28やモデム29は例えば電磁界解析装置11内のCPU21と他のコンピューターシステム内のCPU(図示されず)とを接続する。電磁界解析装置11内のCPU21はLANやインターネットを通じて他のCPUとの間で信号をやり取りすることができる。
In addition, a LAN (local area network)
HDD24には、本発明の一具体例に係る電磁界解析プログラムが格納される。このソフトウェアプログラムは例えばFD26やCD−ROM27その他の可搬性記録媒体からHDD24に取り込まれてもよく、LANやインターネットといったコンピューターネットワークからHDD24に取り込まれてもよい。CPU21は電磁界解析プログラムの記述に従って所定の処理動作を実現することができる。
The
図3はCPU21内に構築される第1実施形態に係る電磁界解析装置11の機能ブロックを概略的に示す。電磁界解析装置11は有限差分時間領域(FDTD)法計算部33を備える。FDTD法計算部33は、図4に示されるように、仮想三次元空間内で立方体の単位セルCEを特定する。単位セルCEの特定にあたって仮想三次元空間ではxz平面、yz平面およびxy平面ごとに格子線が描かれる。格子線同士の間隔Δx、Δy、Δzはいずれも一定値に設定される。格子線の働きで立方体の単位セルCEが確立される。仮想三次元空間は単位セルCEの集合体として把握される。個々の単位セルCEには座標値(i,j,k)が付される。その他、格子線同士の間隔Δx、Δy、Δzは単位セルCEごとに変化してもよい。
FIG. 3 schematically shows functional blocks of the electromagnetic
FDTD法計算部33は1つの単位セルCEごとに次式に従って電界Eのx成分Ex、y成分Eyおよびz成分Ezを算出する。
The FDTD
FDTD法計算部33は、図5に示されるように、仮想三次元空間CO内で波源SOを特定する。波源SOは、後述されるように、FDTD法に従って、レンズLNで焦点FCに向かって集束する光線LBを再現する。レンズLNの光軸OPは仮想三次元空間COのz軸に相当する。波源SOは仮想三次元空間COのxy平面に沿って配列される単位セルCEに割り当てられる。FDTD法計算部33は次式に従って波源SOの単位セルCEで電界の励振を引き起こす。
As shown in FIG. 5, the FDTD
図3に示されるように、FDTD法計算部33には計算結果解析部34が接続される。計算結果解析部34は特定の物理量に基づきFDTD法計算部33の計算結果を変換する。物理量には、例えば電界強度や位相、その他測定可能な物理量が含まれる。電界Eのx成分Ex、y成分Eyおよびz成分Ez並びに磁界Hのx成分Hx、y成分Hyおよびz成分Hzに基づき特定の物理量データが生成される。物理量データでは例えば物理量の時間変化が特定される。その他、時間変化の結果のフーリエ変換に基づき周波数スペクトルが算出されてもよい。
As shown in FIG. 3, a calculation
計算結果解析部34には解析結果出力部35が接続される。解析結果出力部35は計算結果解析部34の解析結果を視覚化する。物理量データに基づき視覚化データが生成される。この視覚化データでは、物理量の時間変化に基づき動画が記述されてもよく、特定時刻の静止画が記述されてもよい。視覚化データは例えばグラフィックボード25に供給される。グラフィックボード25は視覚化データに基づきディスプレイ装置13の画面上に解析結果を表示する。その他、視覚化データは、HDD24に格納されてもよく、LANボード28経由でLANに向かって出力されてもよく、モデム29経由でインターネットに向かって出力されてもよい。
An analysis result output unit 35 is connected to the calculation
FDTD法計算部33には計算モデル入力部37が接続される。計算モデル入力部37は仮想三次元空間CO内で計算モデルを構築する。計算モデルは例えば電界特性および磁界特性の三次元分布を特定する。電界特性には誘電率εおよび導電率σが含まれる。磁界特性には透磁率μが含まれる。計算モデルは、例えばキーボード14やマウス15の操作に基づき計算モデル入力部37に取り込まれてもよく、記録ディスク駆動装置18の働きでCD−ROM27から計算モデル入力部37に取り込まれてもよく、LAN経由やインターネット経由で計算モデル入力部37に取り込まれてもよい。取り込まれた計算モデルはHDD24に格納されればよい。
A calculation
FDTD法計算部33には計算条件入力部38が接続される。計算条件入力部38は計算条件を特定する。この計算条件は、前述の電界Eのx成分Ex、y成分Eyおよびz成分Ez並びに磁界Hのx成分Hx、y成分Hyおよびz成分Hzの算出にあたって要求される。計算条件には、xz平面、yz平面およびxy平面にそれぞれ設定される格子線同士の間隔Δx、Δy、Δz並びに時間間隔Δtが含まれる。間隔Δx、Δy、Δzに基づきFDTD法計算部33で立方体の単位セルCEが確立される。間隔Δx、Δy、Δzは集束光すなわち光線LBの波長の1/10〜1/20程度に設定される。間隔Δx、Δy、Δzおよび時間間隔Δtは、例えばキーボード14やマウス15の操作に基づき計算条件入力部38に取り込まれてもよく、LAN経由やインターネット経由で計算条件入力部38に取り込まれてもよい。取り込まれた計算条件はHDD24に格納されればよい。
A calculation
FDTD法計算部33には集光系再現部39が接続される。集光系再現部39は集光系入力部41を備える。集光系入力部41は入射光の波長λ並びに集光系の集光特性および偏光特性を特定する。集光系の集光特性には例えば瞳径αおよびレンズの焦点距離fが含まれる。焦点距離fに代えて開口数NAが特定されてもよい。集光系の偏光特性はxz平面内の電界振幅Exとyz平面内の電界振幅Eyとで規定される。
A condensing
集光系再現部39では集光系入力部41に電界振幅算出部42が接続される。電界振幅算出部42は、入力された電界振幅Ex、Eyに基づき電界振幅E′x、E′yを算出する。算出方法は後述される。
In the light collection
集光系再現部39では電界振幅算出部42にフラウンホーファー回折計算部43が接続される。フラウンホーファー回折計算部43はフラウンホーファー回折の算出式に基づき励振振幅を算出する。算出にあたってフラウンホーファー回折の算出式に電界振幅E′x、E′yが適用される。フラウンホーファー回折計算部43は次式に従って高速フーリエ変換(FFT)を実施する。
In the condensing
ここで、電界振幅E′x、E′yの算出手順を簡単に説明する。いま、x偏光の光がレンズLNの光軸OPすなわちz軸に沿って集光系に入射する場面を想定する。励振面のx軸上で電界を考察する。図6に示されるように、集束光は、焦点FCに向かって所定の傾斜角θで入射する光線を有する。集束光の電界振幅Exは当該光線に対して垂直に定義される。その一方で、励振面44はx軸に平行に設定されることから、x軸上の励振振幅E′xは次式で与えられる。
Here, a procedure for calculating the electric field amplitudes E′x and E′y will be briefly described. Now, a case is assumed where x-polarized light is incident on the condensing system along the optical axis OP of the lens LN, that is, the z-axis. Consider the electric field on the x-axis of the excitation surface. As shown in FIG. 6, the focused light has a light ray incident at a predetermined inclination angle θ toward the focal point FC. The electric field amplitude Ex of the focused light is defined perpendicular to the light beam. On the other hand, since the
次に、電磁界解析プログラムの実行に基づきCPU21で実現される処理動作を説明する。図9に示されるように、ステップS1でCPU21は物質の空間配置を取得する。例えば物質ごとに誘電率ε、導電率σおよび透磁率μが指定される。物質の空間配置に基づき、前述と同様に、仮想三次元空間CO内で電界特性および磁界特性の三次元分布が特定される。計算モデルは構築される。
Next, processing operations realized by the
ステップS2でCPU21は前述の計算条件を取得する。間隔Δx、Δy、Δz並びに時間間隔Δtが特定される。前述と同様に、計算条件に基づき仮想三次元空間CO内で単位セルCEが区画される。個々の単位セルCEごとに誘電率ε、導電率σおよび透磁率μが特定される。
In step S2, the
ステップS3でCPU21は入射光の波長λ並びに集光系の集光特性および偏光特性を取得する。前述と同様に、集光系の集光特性には例えば瞳径αおよびレンズの焦点距離fが含まれる。集光系の偏光特性はxz平面内の電界振幅Exとyz平面内の電界振幅Eyとで規定される。
In step S <b> 3, the
ステップS4でCPU21は入力された電界振幅Ex、Eyに基づき電界振幅E′x、E′yを算出する。算出にあたって前述の数式[数12]または[数13]が用いられる。入力された電界振幅Ex、Eyの値は補正される。続くステップS5でCPU21はフラウンホーファー回折に基づき励振振幅を算出する。CPU21は前述の数式[数4]に従って高速フーリエ変換を実施する。励振振幅の算出にあたってCPU21は電界振幅Ex、Eyの補正値すなわち電界振幅E′x、E′yを用いる。
In step S4, the
ステップS6以下でCPU21はFDTD法に従って電磁界分布を算出する。算出にあたって、まずステップS6で、CPU21は変数tを初期化する。続くステップS7でCPU21は現時刻tを設定する。前時刻tに時間間隔Δtが加算される。ステップS8でCPU21は数式[数1]に従って個々の単位セルCEごとに電界を計算する。計算にあたって数式[数3]に従って特定の単位セルCEで励振すなわち電界振動が引き起こされる。電界振動は数式[数1]に従って周囲の単位セルCEに伝搬する。こうして現時刻tで電界の三次元分布は再現される。算出にあたって個々の計算結果は一時的にシステムメモリー23に格納される。
After step S6, the
ステップS9でCPU21は数式[数2]に従って個々の単位セルCEごとに磁界を計算する。電界の伝播に呼応して磁界は周囲の単位セルCEに伝播する。こうして現時刻tで磁界の三次元分布は再現される。算出にあたって個々の計算結果は一時的にシステムメモリー23に格納される。したがって、システムメモリー23の容量に基づき単位セルCEの許容個数すなわち仮想三次元空間の大きさは決定される。
In step S9, the
ステップS10でCPU21は終了時刻を確認する。現時刻tが終了時刻tENDに達していなければ、処理はステップS7に戻る。ステップS7〜S9の処理が繰り返される結果、時間間隔Δtごとに電界Eの三次元分布および磁界Hの三次元分布は特定されることができる。その結果、光の伝播は仮想三次元空間CO内で再現されることができる。
In step S10, the
現時刻tが終了時刻tENDに達すると、ステップS11でCPU21は前述と同様に物理量データを生成する。電界Eの三次元分布の時間変化および磁界Hの三次元分布の時間変化は特定の物理量で表現し直される。続くステップS12でCPU21は前述と同様に視覚化データを生成する。視覚化データは出力される。こうしてCPU21の処理動作は終了する。
When the current time t reaches the end time tEND, the
本発明者は本実施形態に係る電磁界解析装置11の精度を検証した。前述のように電磁界解析プログラムが実行された。このシミュレーションでは直線偏光の光LBが開口数(NA)0.7のレンズLNで集光された。本発明者は基準例を用意した。基準例では同一の条件下で回折の計算式に基づき光が解析された。回折の計算では偏光が考慮された。こうした回折の計算によれば高い精度で光の伝播は再現されることが知られる。図10に示されるように、偏光に対して平行方向の光強度では電磁界解析プログラムに基づく計算結果は基準例に近似することが確認された。同様に、図11に示されるように、偏光に対して直交方向の光強度では電磁界解析プログラムに基づく計算結果は基準例に近似することが確認された。
The inventor verified the accuracy of the electromagnetic
本発明者は比較例に係る計算方法に基づき光の伝播を再現した。この比較例ではFDTD法に基づく計算処理にあたって、前述の励振振幅の算出手順を踏まずに、単純にフラウンホーファー回折の算出式が用いられた。その結果、図12に示されるように、偏光に対して平行方向の光強度では比較例に係る計算結果と基準例との間に誤差が認められた。同様に、図13に示されるように、偏光に対して直交方向の光強度では比較例に係る計算結果と基準例との間に誤差が認められた。図14および図15に示されるように、偏光に平行方向の光強度および直交方向の光強度のいずれでも比較例に係る計算結果に比べて電磁界解析プログラムに基づく計算結果では誤差が縮小されることが確認された。 The inventor reproduced light propagation based on a calculation method according to a comparative example. In this comparative example, in the calculation process based on the FDTD method, the calculation formula of Fraunhofer diffraction was simply used without following the above-described excitation amplitude calculation procedure. As a result, as shown in FIG. 12, in the light intensity in the direction parallel to the polarized light, an error was recognized between the calculation result of the comparative example and the reference example. Similarly, as shown in FIG. 13, an error was recognized between the calculation result of the comparative example and the reference example in the light intensity in the direction orthogonal to the polarized light. As shown in FIG. 14 and FIG. 15, the error is reduced in the calculation result based on the electromagnetic field analysis program in both the light intensity in the direction parallel to the polarization and the light intensity in the orthogonal direction compared to the calculation result according to the comparative example. It was confirmed.
図16は第2実施形態に係る電磁界解析装置11の機能ブロックを概略的に示す。この電磁界解析装置11では集光系再現部39は光ビーム強度分布入力部51を備える。光ビーム強度分布入力部51は集光系入力部41に接続される。光ビーム強度分布入力部51は入射瞳に入射する光ビームの強度の空間分布を特定する。強度の空間分布は、座標およびその座標に対応した強度を示す数表で与えられてもよく、ガウス分布の仮定に基づき拡がり幅で定義されてもよい。例えばガウス分布がピーク強度1/e2の拡がり幅で定義されると、電界振幅は次式で与えられる。
FIG. 16 schematically shows functional blocks of the electromagnetic
図17は第3実施形態に係る電磁界解析装置11の機能ブロックを概略的に示す。この電磁界解析装置11では集光系再現部39は収差入力部52を備える。収差入力部52は、電界各成分に対して収差を定義する位相分布を設定する。具体的には数式[数12]や[数13]で電界振幅Ex、Eyは位相を反映した複素数に設定される。この複素数の電界振幅は入射瞳上の座標に対する関数として定義される。例えば位相はゼルニケ多項式で与えられればよい。いま、入射瞳上で極座標が確立されると、ゼルニケ多項式は次式で与えられる。
FIG. 17 schematically shows functional blocks of the electromagnetic
11 電磁界解析装置、33 有限差分時間領域法計算部、37 計算モデル入力部、39 集光系再現部、CE 単位セル、CO 仮想三次元空間、LB 光線、SO 波源面。 11 Electromagnetic field analysis device, 33 Finite difference time domain method calculation unit, 37 Calculation model input unit, 39 Condensing system reproduction unit, CE unit cell, CO virtual three-dimensional space, LB ray, SO wave source surface.
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