(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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方法であって、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演算処理手段とを用意し、前記処理手段を用いて、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、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する光学機器の設計支援方法。
【請求項２】
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、請求項１記載の方法で求めた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ことを特徴とする光学機器の設計支援方法。
【請求項３】
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ことを特徴とする請求項２記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項４】
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ことを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項５】
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する請求項１〜４のいずれかに記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項６】
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ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項７】
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する請求項１〜６のいずれかに記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項８】
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ことを特徴とする請求項７記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項９】
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ことを特徴とする請求項８記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項１０】
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ことを特徴とする請求項９記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項１１】
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ことを特徴とする請求項７記載の光学機器の設計支援方法。
【請求項１２】
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であって、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する光学機器の設計支援装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれかに記載の方法を用いて、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算出するためのプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【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、４０６  ＣＡＤ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。
【図１】
0003788674.tif 000002
【図２】
0003788674.tif 000003
【図３】
0003788674.tif 000004
【図４】
0003788674.tif 000005
【図５】
0003788674.tif 000006
【図６】
0003788674.tif 000007
【図７】
0003788674.tif 000008
【図８】
0003788674.tif 000009
【図９】
0003788674.tif 000010
【図１０】
0003788674.tif 000011
【図１１】
0003788674.tif 000012
【図１２】
0003788674.tif 000013
【図１３】
0003788674.tif 000014
【図１４】
0003788674.tif 000015
【図１５】
0003788674.tif 000016
【図１６】
0003788674.tif 000017