JPH06288864A - 光及び構造の複合解析システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光学部品を含む製品の設計において、光学部品
を搭載する各種の形状の部材の熱変形により発生する光
学部品の位置，傾きの変化を考慮して光学系解析を行
う。 【構成】構造系データ１００をもとに熱・構造解析部１
０１において計算を実行して得られる解析結果１０２と
変形前の光学系のデータ１０３を取り込み、変換部104
で構造系の変形により発生する光学部品のずれ，傾きを
計算し、出力として得られる変形後の光学系のデータ１
０５をもとに光学系解析部１０６で計算を実行し、表示
部１０７で熱・構造解析部１０１，変換部１０４，光学
系解析部１０６の結果を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学部品を有する製品
の設計支援システムに係り、特に、光学系および光学部
品を載せる部材の熱変形の影響を予測する光及び構造の
複合解析に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学系を含む製品、たとえば光ヘッドの
光学系の性能は温度変化の影響を受けやすく、これを改
善するための方式が従来種々提案されている。その例と
しては光学部品を載せる部材および保持する部材の熱膨
張率を選択して、熱膨張を抑制するようにした特開昭60
−107743号，特開昭62−110635号公報に記載のものがあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの発明
は温度分布が一様な場合についてのみしか適用できず、
また光学部品を載せる部材や保持する部材の形状が特定
のものにしか適用できないという不具合があった。

【０００４】本発明の目的は、様々な温度条件下におけ
る種々の形状をした光学部品を載せる部材（構造系）が
変形することにより生じる光学部品のずれが光学系の性
能に及ぼす影響を予測して部品の設計を支援する光及び
構造の複合解析システムを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、光学部品を
載せる部材の変形を求める熱および構造解析部と光学部
品間を通過する光の軌跡を解析する光学解析部から構成
されるシステムにおいて、熱・構造解析部によって求め
られる部材の変形より、熱変形によって発生する光学部
品のずれを計算により求め、求められたずれを光学部品
の初期の位置に加えて補正する変換部を、熱・構造解析
部と光学解析部との間に設けることにより達成される。

【０００６】

【作用】熱・構造解析部は形状・材料特性と境界条件
（温度分布・荷重・拘束）から光学部品を載せる部材
（構造系）の変形を求める。変換部は構造系の変形によ
り発生する光学部品のずれ量（頂点変位・傾き）を熱・
構造解析部の解析結果(変位)をもとに計算により求め、
初期の光学部品の位置・傾きにずれ量を加え、変形後の
光学部品の位置・傾きを求める。得られた変形後の光学
部品の位置・傾き、屈折率等の光学系データをもとに光
学解析部において解析を実行することにより変形後の光
学系の性能（光軸の位置，受光素子上の光スポット，光
検出器の出力）を求めることができる。

【０００７】

【実施例】本発明では、光学部品を載せる部材を構造系
と呼ぶ。また、光学部品の構成面を光学面と呼ぶ。

【０００８】本発明の一実施例を図１に示す。構造系デ
ータ１００（形状，材料特性，境界条件）をもとに熱・
構造解析部１０１で計算を実行することにより得られる
解析結果１０２と初期の光学系データ１０３（頂点位
置，面傾き，屈折率，焦点距離，曲率）を、変換部１０
４は取り込み、構造系の変形により発生する光学面のず
れ量（傾き・頂点位置）を計算により求める。更に、初
期の光学面の位置に求めたずれ量を加え、変形後の光学
面の位置および傾きを求める。光学解析部１０６は変換
部１０４の出力として得られる変形後の光学系データ１
０５をもとに光学系の解析（光線追跡，光軸の位置，受
光素子上の光スポット，光検出器の出力の計算）を実行
する。表示部１０７は、熱・構造解析部１０１，変換部
１０４および光学解析部１０６における各演算結果を表
示する。

【０００９】本発明の主要な部分である変換部１０４で
実行している計算は以下のとおりである。

【００１０】光学面の位置関係を表すのに図２に示す二
つの全体座標系と、二つの要素座標系を用いる。

【００１１】全体座標系には構造系の座標系（Ｕ−Ｖ−
Ｗ座標系）と光学系の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ座標系）とを
有している。また、光学面ごとに定義される座標系を要
素座標系と呼ぶ。この要素座標系にも構造系の要素座標
系（ｕ−ｖ−ｗ座標系）と光学系の要素座標系（ｘ−ｙ
−ｚ座標系）とがある。

【００１２】本発明では光学面の傾きを座標変換マトリ
ックスで表す。構造系の座標系において、図３に示すよ
うに光学面ｍの座標変換マトリックスをＳ_m 、光学面の
頂点位置をＱ_m とし、点Ｐの全体座標系における座標値
をＡ、要素座標系における座標値をａとする。座標変換
マトリックスＳ_m が直交マトリックスであることを用い
ると全体座標系と要素座標系の間には次式の関係が成り
立つ。

【００１３】

【数１】 Ａ＝Ｓ_mａ＋Ｑ_m …（数１）

【００１４】

【数２】

【００１５】また、光学系の座標系において、図４に示
すように光学面ｍの座標変換マトリックスをＴ_m、光学
面の頂点位置をＲ_mとし、点Ｐの全体座標系における座
標値をＡ、要素座標系における座標値をａとすると構造
系の座標系のときと同様に数３，数４の関係が成り立
つ。

【００１６】

【数３】 Ａ＝Ｔ_mａ＋Ｒ_m …（数３）

【００１７】

【数４】

【００１８】光学系の座標系から構造系の座標系への変
換マトリックスをＢ、光学系の原点の構造系座標系にお
ける座標値をｂとすると数５〜数８の関係が成り立つ。

【００１９】

【数５】 Ｓ_m＝ＢＴ_m …（数５）

【００２０】

【数６】 Ｑ_m＝ＢＲ_m＋ｂ …（数６）

【００２１】

【数７】

【００２２】

【数８】

【００２３】一つの光学部品には複数の光学面がある。
本発明では、光学面のうち構造系に取り付けられる面を
主面と呼び、主面に対して一定の位置関係を保ったまま
主面の位置や傾きの変化に従属して移動する面を従属面
と呼ぶ。

【００２４】図５に主面と従属面の例を示す。この例で
は光学部品には光学面ｍと光学面ｓがある。光学面ｓは
光学面ｍに平行で、光学面ｓの頂点Ｐ_sは光学面ｍの頂
点Ｐ_mから面の法線方向にｄだけ離れた位置に存在す
る。

【００２５】たとえば、構造系の変形により、取り付け
面である光学面ｍが光学面ｍの頂点Ｐ_m を中心にＹ軸回
りにθだけ回転したとする。それに対して、光学面ｓは
光学面ｍに平行で、光学面ｍの頂点Ｐ_m から面の法線方
向にｄだけ離れるという関係を保ったまま回転する。

【００２６】変形後の光学面の傾き・頂点位置を求める
計算手順を図６に示す。計算は光学面が構造系に搭載さ
れている光学部品に含まれる場合と構造系の外部に存在
する光学部品に含まれる場合の二通りに分かれている。
以下に、計算の詳しい内容について述べる。

【００２７】まず、構造系に搭載される光学部品に含ま
れる光学面の変形後の頂点位置および座標変換マトリッ
クスを求める。

【００２８】主面となる光学面ｍの傾きは、主面を代表
する構造系の三つの節点の座標値から定まる座標変換マ
トリックスによって表される。光学面ｍの座標変換マト
リックスＳ_mは次のようにして求められる。

【００２９】図７に示すように変形後の三節点Ｎ_i，
Ｎ_j，Ｎ_kの座標値を［Ｕ_i，Ｖ_i，Ｚ_i],［Ｕ_j，Ｖ_j，
Ｗ_j］，［Ｕ_k，Ｖ_k，Ｗ_k］の転置とする。三節点により
定義される平面の単位法線ベクトルｕは次式により求め
られる。

【００３０】

【数９】

【００３１】

【数１０】

【００３２】

【数１１】 ｕ＝ｖ×ｎ …（数１１） ベクトルｕ，ｖに垂直なベクトルｗは数１２で求められ
る。

【００３３】

【数１２】 ｗ＝ｕ×ｖ …（数１２） 光学面ｍの座標変換マトリックスＳ_mは次式にて求めら
れる。

【００３４】

【数１３】 Ｓ_m＝［ｕｖｗ］ …（数１３） 解析結果から光学面ｍの頂点の変位ΔＱ_m を求める方法
は種々あるが代表的なものとして以下の方法がある。

【００３５】 二節点の中点の変位 節点Ｎ_i，Ｎ_j，Ｎ_kで囲まれた三角形の外心の変位 指定した節点の変位 光学系の全体座標系としてレーザ光の発光面の座標変換
マトリックスを単位マトリックスとする座標系を採用す
る。

【００３６】構造系の座標系における発光面の座標変換
マトリックスをＳ_o 、光学面ｍの座標変換マトリックス
をＳ_m とすると、光学面ｍの光学系の座標系における座
標変換マトリックスＴ_m は数１４で求められる。

【００３７】

【数１４】

【００３８】また、光学面ｍの光学系の座標系における
変位ΔＲ_m は数１５で求められる。

【００３９】

【数１５】

【００４０】光学面ｍ，ｓの初期の頂点の位置を
Ｒ_m′，Ｒ_s′，座標変換マトリックスをＴ_m′，Ｔ_s′と
する。

【００４１】変形後の主面ｍの頂点位置Ｒ_mは数１６で
求められる。

【００４２】

【数１６】 Ｒ_m＝Ｒ_m′＋ΔＲ_m …（数１６） 次に従属面ｓの座標変換マトリックスと頂点位置を求め
る。

【００４３】主面ｍの初期の座標変換マトリックスをＴ
_m′と変形後の座標変換マトリックスＴ_mとの間に数１７
の関係があるものとする。

【００４４】

【数１７】 Ｔ_m＝ＣＴ_m′ …（数１７） マトリックスＣは構造系の変形によって発生した光学面
の傾きの変化量を表すマトリックスである。マトリック
スＣは数１８で求められる。

【００４５】

【数１８】

【００４６】従属面ｓは主面ｍと同様に傾くので座標変
換マトリックスＴ_s は次式にて求められる。

【００４７】

【数１９】 Ｔ_s＝ＣＴ_s′ …（数１９） また、従属面ｓの頂点座標は数２０で求められる。

【００４８】

【数２０】 Ｒ_s＝Ｃ(Ｒ_s′＋ΔＲ_m−Ｒ_m)＋Ｒ_m …（数２０） 次に、構造系に搭載されない光学部品に含まれる光学面
ｈの座標変換マトリックスおよび頂点位置を求める。

【００４９】まず、発光面が構造系の変形により発光面
の座標変換マトリックスがＳ_o′からＳ_oに変化したとす
る。発光面の傾きの変化量を表すマトリックスをＤとす
ると、数２１の関係が成り立つ。

【００５０】

【数２１】 Ｓ_o＝ＤＳ_o′ …（数２１） マトリックスＤは数２２で求められる。

【００５１】

【数２２】

【００５２】マトリックスＤ，初期の光学面ｈの座標変
換マトリックスＳ_h′ を用いて、変形後の光学面ｈの座
標変換マトリックスＳ_hは数２３で求められる。

【００５３】

【数２３】

【００５４】また、変形後の光学面ｈの頂点位置Ｒ_hは
初期の光学面ｈの頂点位置Ｒ_h′、変形後の発光面の主
面の頂点位置Ｒ_oを用いて数２４で求められる。

【００５５】

【数２４】

【００５６】上記計算によって求められた変形後の光学
面の位置および傾きを用いて光学解析部１０６において
光線追跡，光軸の位置，光検出器上の光スポットおよび
光検出器の出力の計算を実行する。

【００５７】以下に、本発明による解析例を示す。

【００５８】図８に光ディスク装置の構成例を示す。デ
ィスク装置では、光ディスク７０の下部に光ヘッド７９
が設けられている。

【００５９】図９に光ヘッド７９における光学部品の配
置の一例を示す。この光ヘッド７９ではハウジング８０
上にレーザダイオード７１，回折格子７８，ハーフミラ
ー７２，受光素子７７が搭載されており、これらの上方
に対物レンズ７４が、対物レンズ７４の上方には光ディ
スク７０が設けられている。

【００６０】解析対象となる光学面の配置を図１０に示
す。本解析例では光線は光学面番号の順に通過する。光
路の行きと帰りの２回通過する面は、同一面に二つの光
学面番号が付いている。また、反射は屈折率の符号の反
転で表される。

【００６１】対物レンズ７４はディスク面７５に焦点が
合った状態である。光学系はレーザダイオード７１，ハ
ーフミラー７２，反射鏡７３，対物レンズ７４，ディス
ク面７５，凹レンズ７６，受光素子７７の光学部品から
成る。この光学系は、図９の光学系のハーフミラー７２
と対物レンズ７４との間に反射鏡７３を置き、ハーフミ
ラー７２と受光素子７７との間に凹レンズ７６を置き、
回折格子７８を取り除いたものとなっている。

【００６２】レーザダイオード７１，ハーフミラー７
２，反射鏡７３，凹レンズ７６，受光素子７７がプラス
チック製のハウジング８０上に搭載されている。対物レ
ンズ７４とディスク面７５はハウジング８０の外部に設
けられている。

【００６３】図１１に光学部品を載せる部材でありハウ
ジング８０の有限要素モデル（構造系データ１００）を
示す。これは、総節点数８８０，要素数３６７の８節点
ソリッドモデルである。図１１のモデルに熱荷重を与
え、熱および構造解析部１０１で変形解析を行った結果
１０２を図１２に示す。

【００６４】ハウジング８０上に搭載されている光学部
品の主面と従属面の関係を表１に示す。

【００６５】

【表１】

【００６６】主面はハウジング８０への取り付け面の変
形に従って位置および傾きが変化し、従属面は主面に従
って位置および傾きが変化する。

【００６７】初期の光学系データ１０３，解析結果１０
２とを用いて変換部１０４により変形後の光学系データ
１０５を作成する。その後、光学解析部１０６において
計算を実行する。

【００６８】初期の光学系の光線追跡結果を図１３に、
ハウジング８０が変形した後の光学系の光線追跡結果を
図１４に示す。矢印はレーザ光１１０の進行方向を表
す。光線追跡結果からはレーザ光１１０が所定の軌跡を
描いて受光素子７７上に到達していることが分かる。図
１３，図１４からはハウジング８０の変形前後で光学面
の位置，傾きおよびレーザ光１１０の軌跡があまり変化
していないように見える。

【００６９】しかし、スポットダイアグラム（受光素子
７７と光線の交差面）を見ると、図１５の初期の光学系
の光スポットは円形をしているのに対して、図１６の変
形後の光学系の光スポットは楕円となっている。図１５
と図１６は、受光素子７７の中心部を拡大した図で、四
角形は光検出器１２１である。田の字型の中心が受光素
子７７の中心である。光源の中心から出た光（中心光
線）の受光素子７７への到達位置は、初期には受光素子
７７の中心であったものが、変形後には（８.９μｍ−
１１.０μｍ）となっている。

【００７０】光検出器１２１の出力例を表２に示す。

【００７１】

【表２】

【００７２】この解析例では光検出器１２１の各々の出
力をＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４とし、４Ｄ和，フォーカス
エラーを次式で定義している。

【００７３】

【数２５】 ４Ｄ和＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４ …（数２５）

【００７４】

【数２６】 フォーカスエラー＝（Ａ１＋Ａ３）−（Ａ２＋Ａ４） …（数２６） フォーカスエラーはレンズの焦点が合っているときは理
想的には０.０ となる。初期の光学系ではフォーカスエ
ラーは−０.１４７ であったものが、熱変形後の光学系
では４２.７９８ となる。

【００７５】以上の計算結果から、熱変形により光学系
の光軸がずれ、フォーカスエラーの検出性能が低下する
ことがわかる。

【００７６】なお、表２および図１０から図１６は本発
明を実施したときに表示部１０７に表示される画面の例
である。

【００７７】本実施例によれば、熱変形後の光学面の傾
きと頂点の位置を熱および構造解析部の解析結果１０２
と初期のデータ１０３より求めることができる。さらに
は、この光学面の傾きと頂点位置を用いて光学解析部１
０６において計算を実行することにより変形後の光学系
の性能を予測できる。

【００７８】なお、構造系が熱変形する場合だけではな
く自重，荷重により変形する場合についても本発明は適
用可能で、同様の効果を得ることができる。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば、光学部品を搭載する部
材の熱変形により生じる光学部品（光学面）の位置や傾
きの変化を予測することが可能となる。さらに予測され
た光学部品（光学面）の位置・傾きを用いて光学解析部
において計算を行うことにより、熱が光学系の性能に及
ぼす影響を予測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すシステムのブロック
図。

【図２】本実施例で用いる構造系座標系と光学系座標系
との関係を表す説明図。

【図３】構造系の全体座標系と要素座標系との関係を表
す説明図。

【図４】光学系の全体座標系と要素座標系との関係を表
す説明図。

【図５】主面と従属面の関係を表す説明図。

【図６】変形後の光学面の頂点位置・傾きを計算する手
順を示すフローチャート。

【図７】光学面の傾きを表す説明図。

【図８】光ディスク装置の構成例を示す斜視図。

【図９】光ヘッドの光学部品の配置例を示す斜視図。

【図１０】光学面の配置を表す説明図。

【図１１】ハウジングの有限要素モデルを表す説明図。

【図１２】ハウジングの熱・構造解析の結果を表す説明
図。

【図１３】初期の光学系における光線追跡結果を表す説
明図。

【図１４】ハウジングが変形した後の光学系における光
線追跡結果を表す説明図。

【図１５】初期の光学系におけるスポットダイアグラム
の説明図。

【図１６】ハウジングが変形した後の光学系におけるス
ポットダイアグラムの説明図。

【符号の説明】

１００…構造系データ、１０１…熱・構造解析部、１０
２…解析結果、１０３…初期の光学系データ、１０４…
変換部、１０５…変形後の光学系データ、１０６…光学
解析部、１０７…表示部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学装置に搭載された光学部品を載置する
   部材の形状および材料定数を含む構造系データに基づい
   て部材の熱変形量を演算する熱および構造解析部と、前
   記光学装置に搭載した光学部品の位置や光学特性等を収
   納した光学系データをもとに前記光学部品間を通過する
   光の軌跡を解析する光学解析部とを備えた光学系の設計
   システムにおいて、前記熱および構造解析部から出力さ
   れる解析結果の前記光学系データの初期値に基づいて、
   前記部材に熱変形を生じた後の前記光学部品の位置を演
   算する変換部を設けたことを特徴とする光及び構造の複
   合解析システム。