(57)【要約】【課題】  光学部材を通過した後のビーム形状を算出し、予想すること。【解決手段】  光学部材に入射する光線の光軸に対して直交する方向に層状に領域を区分し、前記区分した各層の主応力を求め、前記求めた主応力から前記各層毎の複屈折量を求めることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部材に入射する光線の光軸に対して直交する方向に層状に領域を区分し、
前記区分した各層の主応力を求め、
前記求めた主応力から前記各層毎の複屈折量を求めることを特徴とする複屈折性を有する光学部材の光路算出方法。
【請求項２】
光学部材に入射する光線の光軸に対して直交する方向に２以上に層状に領域を区分した光学部材の前記各層の物理量に基づいて光学部材に入射する光線の挙動を各層毎に順次求め、
前記光学部材の出射側に設けられたメッシュ状の領域に入射する前記光線を和して、
光学部材を透過した後のビーム形状を計算することを特徴とするビーム形状算出方法。
【請求項３】
請求項２記載の光学部材の出射側に設けたメッシュ状領域の１領域が前記ビーム形状の大きさよりも小さいことを特徴とするビーム形状算出方法。
【請求項４】
請求項２記載のビーム形状算出方法において、
光学部材の表面形状に基づいて回折計算を実行し、回折の影響をさらに加えてビーム形状を算出することを特徴とするビーム形状算出方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項６】
請求項２乃至４の何れか一項に記載の方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項７】
請求項５または６の少なくとも１つのプログラムを格納した記憶媒体。
【請求項８】
請求項５および６に記載のプログラムを共に実行させて光学素子を成型することを特徴とする成型装置。
【請求項９】
請求項１の光路算出方法または請求項２乃至４の何れか一項に記載のビーム形状算出方法を用いて設計されたことを特徴とする光学部材。
【請求項１０】
請求項８に記載の成型装置によって得られたことを特徴とする光学部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部材を複数の層に分割して各層毎の物理量の寄与を演算して光学的な予測を可能にする方法、プログラム、装置および光学部材の発明に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から光ディスクやレンズに使用されるプラスチックスは、材料となる樹脂の性質に起因する材料内部の残留応力あるいは内部ひずみにより、複屈折を生じることが知られている。光学的には複屈折は小さいことが望ましいが、射出成型を用いてプラスチックを成型する場合において、残留応力あるいは内部ひずみの発生を避けることは困難であり、残留応力等を低減させることが重要な課題となっている。
このような従来、複屈折率測定機等を用いて、光学部材の平均的な複屈折を評価することは行われてきてはいた。しかしながら、樹脂を用いた現実の光学部材では、厚みを考慮した光軸方向は位置によって複屈折量は必ずしも一様ではない。
このような問題を解決する発明として、たとえば特許文献１にあるような、成形機の射出速度および樹脂の流動速度を光ディスク基板の厚み方向で変化、制御することで複屈折を改善している発明が知られている。又、後述するような特許文献２も知られている。
【特許文献１】特開２００４−１６７８７６公報
【特許文献２】特開２００４−１０６５３０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１の発明は、光ディスク基板の成形において成形機の射出速度および材料樹脂の流動速度を制御して、基板の複屈折を改善している。
また特許文献２の公報は、成形品の形状を微小要素に分割し、各微小要素の応力を成形シミュレーションによって算出し、応力から複屈折を算出している。この公報では微小要素内での複屈折の値を視点の方向に積分することにより、成形品の平均的な複屈折分布を求めている。
しかしながら、光学的性能の観点から考えると、最終的な特性は複屈折率の分布を求めるのではなく、成形品を光が通過した後のビーム形状に着目すべきである。
本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、光学部材を通過した後のビーム形状を算出し、予想することを目的とする。このとき光学部材を光軸と直交する方向に層状に分割し、分割された各層の主応力分布を計算し、得られた主応力分布から複屈折量に変換する。このような複屈折量を求めた光学部材に、光を入射したときの各層の光挙動を光線追跡手法で計算し、得られた結果から、結像面におけるビーム形状を計算することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光学部材に入射する光線の光軸に対して直交する方向に層状に領域を区分し、前記区分した各層の主応力を求め、前記求めた主応力から前記各層毎の複屈折量を求めることを特徴とする複屈折性を有する光学部材の光路算出方法である。
請求項２に記載の発明は、光学部材に入射する光線の光軸に対して直交する方向に２以上に層状に領域を区分した光学部材の前記各層の物理量に基づいて光学部材に入射する光線の挙動を各層毎に順次求め、前記光学部材の出射側に設けられたメッシュ状の領域に入射する前記光線を和して、光学部材を透過した後のビーム形状を計算することを特徴とするビーム形状算出方法である。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の光学部材の出射側に設けたメッシュ状領域の１領域が前記ビーム形状の大きさよりも小さいことを特徴とするビーム形状算出方法である。
請求項４に記載の発明は、請求項２記載のビーム形状算出方法において、光学部材の表面形状に基づいて回折計算を実行し、回折の影響をさらに加えてビーム形状を算出することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラムである。
請求項６に記載の発明は、請求項２乃至４の何れか一項に記載の方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラムである。
請求項７に記載の発明は、請求項５または６の少なくとも１つのプログラムを格納した記憶媒体である。
請求項８に記載の発明は、請求項５および６に記載のプログラムを共に実行させて光学素子を成型することを特徴とする成型装置である。
請求項９に記載の発明は、請求項１または請求項２乃至４の何れか一項に記載のビーム形状算出方法を用いて設計されたことを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の成型装置によって得られたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によって、以上の説明から次の各効果を奏することができる。
光学部材に入射する光線に対して直交する方向に層状に区画された領域を持ち、それぞれの層に対する主応力および主応力から複屈折を計算しているので、光学部材内の不均一性を考慮することができる。
また、各層の複屈折量に基づいて、光線追跡を用いるとともに回折計算も行って、最終的なビーム形状を計算しているので、光学部材の不均一性を考慮したビーム形状が計算できる。
さらに射出成型シミュレーションとビーム形状シミュレーションとを連成して最終的なビーム形状を算出できるので、成形条件から最終的なビーム形状までの一連のシミュレーションを連続的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の光学部材への光の入射を複数の層に分解して解析する手法を説明するための図を図１に示す。
光学部材は例えば、第１層から第３層の異なる物性値をもつ層から構成されている。これらの層は複屈折量の変化量によって区切られた層であり、少なくとも２層以上に区切られる。層の区分数は、演算処理時間にも影響されることが一般的ではあるが、光学部材の大きさ、光学部材の光学的特性（複屈折性）が大きく異なっていないようにするためにその層の分割数が決定される。各層の厚さは任意であり、複屈折量勾配の大きい部分では薄い厚さの層を複数層に区切ることでより正確な分布を表現することができる。層の数は何層に区切られても良いが、後の光線追跡計算において光線が分割していくので計算量（演算時間を含む）を考慮して決定することが望ましい。
ここに光軸を中心とした強度分布１−１を持つ入射光１−２が照射され、レンズ１−３によって集光され、光学部材１−４に入射して第３層の下面で集光し、ビーム形状１−５を示すとする。
【０００７】
本発明の方法、装置、光学部材等を実施形態により、以下に説明する。
図２は、光学部材を２以上の層に分割した各層内の応力分布を示す。
光軸方向２−５に光が入射するとしたとき、光軸に対して直交する方向（ｚ方向およびｙ方向）に、層状にこの直交方向に異なる物理量（たとえば応力）を持つ層から光学部材が構成されている。この光学部材はプラスチックのような複屈折性を有する材料である。
このような材料では、射出成型機を用いて製造できるが、この射出成型機には、少なくとも、コンピュータ機能を有している。このようなコンピュータ機能を有する射出成型機を用いてシミュレーションを行うことで、これらの層内における主応力（σｘｎ，σｙｎ，σｚｎ）を求めることができる。この主応力の各成分の大きさは各層において、異なることがわかっている。なおコンピュータ機能を発揮するためには、少なくとも、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの制御部と、キャッシュメモリ、ＲＡＭおよびＲＯＭおよびＨＤＤなどの記憶部と、を有している。そして、光学部材を複数の層に分割して（主）応力を求め、得られた成型樹脂にかかる（主）応力などの機械的物性値から、層毎の複屈折の大きさを求めるために使用した樹脂の複屈折率などの光学的物性値の大きさが保存されている光学特性テーブルを参照し、その層毎の複屈折の大きさをこのテーブルに基づいて算出することができるようになっている。なお後述する図６に示す構成の演算装置でもコンピュータ機能を有しており、本発明のプログラムを使用して本発明の方法をこのプログラムにより実行することができる。
【０００８】
次に層毎の求められた主応力から、複屈折への変換を行う。
図３に示されるような各層の複屈折の差分（Ｎｘｎ，Ｎｙｎ，Ｎｚｎ）は、以下の式（１）〜（３）から求められる。
（Ｎｘｎ−Ｎｙｎ）＝Ｃ（σｘｎ−σｙｎ）                    （１）
（Ｎｙｎ−Ｎｚｎ）＝Ｃ（σｙｎ−σｚｎ）                    （２）
（Ｎｘｎ−Ｎｚｎ）＝Ｃ（σｘｎ−σｚｎ）                    （３）
上記式中、Ｃは光弾性定数であり、光学部材の材質（樹脂の種類等）によって決まる。すなわち本発明では、この光軸方向の屈折率Ｎｚｎは光学部材の材質によって決定される屈折率と考えてよく、したがってＮｚｎを既知とすることで他のＮｘｎ、Ｎｙｎを求めることができる。
このようにして求められた多層の複屈折分布からなる光学部材に光軸３−６を中心とした入射光３−５が入射し、入射光によって、光学部材の最下層でビームスポット３−７を形成する。
以下にビームスポット形状３−７（以下、ビーム形状とする）の計算方法について説明する。
図１における光軸を中心とした円状の各領域から光線を多数本出射させ、それらの光線がレンズによって屈折し、光学部材に入射する。このとき、各光線の初期強度は図１の入射光１−２の強度分布（一般的には、ガウシアン光であるが、典型的にはローレンツィアン光かまたはローレンツィアンとガウシアンとの中間の光分布強度を有していてもよい）に従うこととする。
図４において、入射光４−５は、光学部材４−１に入射する。このとき第１層４−２では、複屈折によって常光線４−６と、異常光線４−７とに分かれて進行する。このとき光線の光強度は常光線と異常光線によって略５０％ずつに分けられる。次にこれらの光線は、第２層４−３に入射する。第２層は成形上、複屈折が生じにくい層であり、この層では常光線による屈折のみと仮定して演算する。これは計算上の仮定であって、実際に複屈折が大きい場合には、第１層と同様に常光線と異常光線に分けて演算を行うこともできる。
【０００９】
次に光線は第３層４−４に達し、さらに常光線４−６と異常光線４−７に分かれて進行する。次に図５に示されるように光線は５−４の第３層の下面に達し、ビームスポット５−７を形成する。このとき、格子領域５−６を第３層の下面に設定し、それぞれの格子に到達する光線の光強度を積分（和）することで、格子のピッチ毎の強度分布を計算できる。このとき格子のピッチをビームスポット径に対して十分細かく取ることでビーム形状を表すことが可能となる。ビーム形状を表すためには格子のピッチをビーム形状のたとえば１／１０以下にすることが望ましい（すなわち格子のピッチは１０以上に分割する。たとえば、１１×１１、１２×１２、・・・、ｎ×ｍなど：ｎ、ｍは１０以上の数）。
また、光学部材の表面形状によって、回折の影響を受ける場合がある。例えば光ディスクなどのように表面にグルーブと呼ばれる溝が存在する場合には、溝幅や溝深さに依存して回折の影響を受け、ビームスポットの周囲に図１のビーム形状１−５のような回折パターンを生じることがある。回折パターンの強度はキルヒホッフ・ホイヘンスの回折積分公式によって求めることができる。
したがって本発明の方法では、複屈折による光線追跡（アイコナール解析）の実行後、回折強度の計算を加えることで、両方の影響を考慮したビーム形状を計算することが可能となる。
【００１０】
図６に各演算を行う装置の構成図を示し、以下にその内容を詳細に説明する。
光学部材データ入力部１１により、光学部材の物理量である機械的物性値または光学的物性値の少なくともいずれかが入力される。入力される物理量の１つである機械的物性値としては、成形時の樹脂流速分布、温度、粘性係数などの物性値が入力される。物理量の光学的な物性値としては、樹脂の基本屈折率、入射光の強度分布、レンズ等光学部品の形状および屈折率や位置、最下層のメッシュ間隔、大きさなどが入力される。
これら入力された情報は、光学部材データ保存部１２に保存される。主応力計算部１３では射出成型シミュレーションが行われ、得られた主応力分布より光学部材内を主応力に応じて層別に分けられる。
次に層別された光学部材の主応力分布を用いて複屈折分布計算部１４で各層の複屈折分布が計算される。この複屈折分布は光学部材データ保存部１２に保存される。
光線追跡計算部１５では前記した各層の複屈折分布を持った光学部材に光線が入射したときの光線追跡演算を行う。
光線は入射光の強度分布に応じた方向と光強度情報を持ったベクトルデータで表される。光線は光学部材内に入射した後、常光線と異常光線に分かれて伝播し、最終的に最下層に達する。最下層に達した光線群から回折強度が回折光計算部１６で計算され、最終的なビーム形状が計算される。計算されたビーム形状はビーム形状表示部１７（ＣＲＴ、液晶プラズマディスプレイなどの表示手段）で表示される。
【００１１】
図７に一連の計算のフローチャートを示す。
光学部材データ入力部１１で光学部材の物性値や入射光データが入力され（ステップＳ２）、それらのデータを基に射出成型シミュレーションが実行される（ステップＳ３）。射出成形シミュレーションが全領域について終了したかどうかの判定が行われ（ステップＳ４）、終了していれば（ステップＳ４においてＹｅｓの場合）得られた各層の主応力分布から複屈折量への変換計算（複屈折計算部１４）が行われる（ステップＳ５）。また前記ステップＳ４においてＮｏの場合（シミュレーションが終了していない場合）には、ステップ３に戻り、以降、シミュレーションが終わるまで前記同様のステップが繰り返される（ステップＳ１〜ステップＳ５までが複屈折性を有する光学部材の光路算出方法）。
次に入射光の強度分布にしたがった方向と光強度情報を持つ多数の光線が光学部材に入射し、光学部材内において光線追跡計算（光線追跡計算部１５）が実行される（ステップＳ６：以降、ビーム形状算出方法）。そして全光線について光線追跡が終了したかどうかの判定が行われ（ステップＳ７）、終了していれば（ステップＳ７においてＹｅｓの場合）回折計算（回折光計算部１６）が実行される（ステップＳ８）。最下層に切られた格子領域のそれぞれに到達する光線の光強度を積分（和）することで、格子のピッチ毎の強度分布が計算され（ステップＳ８）、それらをプロットしたビーム形状がＣＲＴ等の表示部１７上に表示される。
以上のように本発明では射出成型シミュレーションとビーム形状シミュレーションとが連成して、最終的なビーム形状が計算される。この結果を表示して（ステップＳ９）終了する（ステップＳ１０）。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光学部材への光の入射を複数の層に分解して解析する手法を説明するための例を示す図である。
【図２】光学部材を２以上の層（たとえば３層）に分割した各層内の応力分布を示す図である。
【図３】光学部材を２以上の層（たとえば３層）に分割し各層の複屈折の差分（Ｎｘｎ，Ｎｙｎ，Ｎｚｎ）と入射光成分との関係を示した図である。
【図４】光学部材を２以上の層（たとえば３層）に分割し各層の複屈折の各成分である常光線と異常光線に分けて各層毎に示した図である。
【図５】光学部材を多層化に分割し最下層（光学部材）の出社側面近傍での最小のビーム形となるようにする場合の各層でのビーム成分を演算する例を層毎に示した図である。
【図６】本発明に使用可能な演算装置（演算部）の構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る方法の手順（プログラム内容）を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００１３】
１−１、２−５〜５−５  光軸
１−２、３−５〜５−５  入射光
１−３  レンズ
１−４、２−１〜５−１  光学部材
１−５  ビーム形状
２−２〜５−２  光学部材の第１層
２−３〜５−３  光学部材の第２層
２−４〜５−４  光学部材の第３層
１１  光学部材データ入力部
１２  光学部材データ保存部
１３  主応力計算部
１４  複屈折計算部
１５  光線追跡計算部
１６  回折光計算部
１７  ビーム形状表示部
１８  データバス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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