(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から最終到達位置までの光路上に１又は複数の光学部品を配置した三次元光学モデルを作成するモデル作成部と、
前記光源と結像面との間の光路上に配置した前記光学部品の制御パラメータの時間的な変化分を予め設定しておき、前記制御パラメータの時間的な変化によって前記三次元光学モデルに連続動作を行わせて最終到達位置の面に文字やシンボル等の所望の終点軌跡を表示させ且つ終点座標をファイルに記録する光軸自動生成部と、
を備えたことを特徴とする光路シミュレーションＣＡＤ装置。
【請求項２】
請求項１記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、
前記光軸自動生成部は、始点から所定の方向に光軸を決め、光軸に沿って所定光軸径の円柱を他の光学部品の干渉面に当たる終点までを延長する処理を光源から順番に行うことで前記光源から発射される光線の光軸径と色を設定し、前記光源を始点とし光路上の隣接する次の光学部品の入射面を終点とした長さをもつ円柱形状の光軸モデルを生成して配置することを特徴とする光路シミュレーションＣＡＤ装置。
【請求項３】
請求項１記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、前記光軸自動生成部は、前記光源と最終到達位置との間に位置する光学部品については、入射した光軸モデルから前記光学部品の光学機能に従った出射側の光軸モデルを生成して次の光学部品又は最終到達位置との間に配置することを特徴とする光路シミュレーションＣＡＤ装置。
【請求項４】
請求項１記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、前記光軸自動生成部は、光路上に位置する光学部品がレンズの場合、レンズの光学的機能を予め設定しておき、入射した光軸モデルから前記光学的機能に従った出射側の光軸モデルを自動的に生成して次の光学部品又は結像面との間に配置することを特徴とする光路シミュレーションＣＡＤ装置。
【請求項５】
請求項１記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、前記光軸自動生成部は、前記査収到達位置の面に対する光軸モデルの交差する個所で、光軸の終点表示を行うと共に終点座標をファイルに記録することを特徴とする光路シミュレーションＣＡＤ装置。
【請求項６】
請求項１記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、前記光軸自動生成部は、前記三次元光学モデルの周囲に光軸延長限界を示す境界壁モデルを設定し、前記光路上に終点を決める最終到達位置の設定がない場合、光軸モデルが交差する前記境界壁モデルの位置を延長した光軸モデルの終点とすることを特徴とする光路シミュレーションＣＡＤ装置。
【請求項７】
モデル作成部によって光源から最終到達位置までの光路上に１又は複数の光学部品を配置した三次元光学モデルを作成し、
光軸自動生成部によって前記光源と結像面との間の光路上に配置した前記光学部品の制御パラメータの時間的な変化分を予め設定しておき前記制御パラメータの時間的な変化によって前記三次元光学モデルに連続動作を行わせ、最終到達位置の面に文字やシンボル等の所望の終点軌跡を表示装置により表示させ、且つ終点座標を記録装置によってファイルに記録することを特徴とする光路シミュレーションＣＡＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザプリンタ等の光学系を備えた装置の構造設計に使用する光路シミュレーションＣＡＤ装置及び方法に関し、特に、三次元光学モデルに光線の軌跡をありのままに表示して検証できるようにした光路シミュレーションＣＡＤ装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザプリンタ等で電子写真のために使用する光学構造のコンピュータ支援による自動設計は、立体的な構造の中での光線の挙動を二次元に置き換えて検討するのが一般的である。
【０００３】
即ち、レーザ光源から結像面を形成する感光ドラムまでの光路にポリゴンミラー等の必要な光学部品を配置した二次元図面を作成して光路を設定し、この二次元図面をみて立体的な構造の中での光線の挙動を検証し、最適構造となるように設計作業を繰り返している。
【０００４】
この場合、更に、詳細な検討には、模擬的な構造を実際に作成して光路を形成し、実際的に試すなどの試作方法で、二次元的な検討では把握しきれない部分を補っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、三次元空間中の鏡等の光学部品の配置位置や角度などを正確に把握するには、幾何学的な計算を繰り返しながら構造を決定していかなければならず、時間がかかる作業とならざるを得ない。
【０００６】
また現実の装置は立体的な配置にも関わらず、二次元的な設計と検討を実施するため、光線の正確な挙動を把握するのが困難かつ時間がかかる。更に、人手による判断や計算の積み上げのため、間違いを起こしやすく、結果として設計変更、試作の繰り返しなどが発生し費用と時間がかかる。
【０００７】
更にまた、試作による検証は、人手によるために精度の面でも問題が発生し、結果として試作を何度も繰り返すことになる。
【０００８】
本発明は、試作に代わる擬似的な三次元光学モデルによって、実物と最も近似した光線の挙動を画面上で立体的に表現して設計と検証が適切にできるようにした光路シミュレーションＣＡＤ装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理説明図である。本発明の光路シミュレーションＣＡＤ装置は、図１（Ａ）（Ｂ）のように、光源６０から最終到達位置６８までの光路上に１又は複数の光学部品（ポリゴンミラー６２，ｆθレンズ６４，シリンドリカルレンズ６６）を配置した三次元光学モデル４６を作成するモデル作成部１０と、光軸自動生成部１２は、光源と結像面との間の光路上に配置した光学部品の制御パラメータの時間的な変化分を予め設定しておき、制御パラメータの時間的な変化によって三次元モデルに連続動作を行わせて結像面に文字やシンボル等の所望の終点軌跡を表示させ且つ終点座標をファイルに記録する光軸自動生成部１２とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
モデル生成部１０は、図１（Ｃ）のように、光源から発射される光線の光軸径Ｄと色を設定し、光源を始点とし光路上の隣接する次の光学部品の入射面を終点とした長さＬをもつ円筒形状の光軸モデル９２を生成して配置する。
【００１１】
光軸自動生成部１２は、光軸モデルの光軸径Ｄを始点からの距離Ｌに応じて変化させることもできる。例えば距離Ｌに反比例して光軸径Ｄを絞るような場合である。
【００１２】
光軸自動生成部１２は、光源と最終到達位置との間に位置する光学部品については、入射した光軸モデルから光学部品の光学機能に従った出射側の光軸モデルを生成し、次の光学部品又は結像面との間に配置する。例えば光学部品として可動反射鏡（ガルバノミラー）、ポリゴンミラー、レンズ、等を例にとると次のようになる。
【００１３】
光軸自動生成部１２は、光路上に位置する光学部品が所定の回転軸を中心に揺動可能な可動反射鏡の場合、三次元空間内での回転軸の位置と反射面の角度を制御パラメータとして指定でき、制御パラメータに基づいて入射した光軸モデルから反射した光軸モデルを自動的に生成して配置する。
【００１４】
光軸自動生成部１２は、光路上に位置する光学部品が、周囲に複数のミラー面を備えた多面体をもち一定速度で回転するポリゴンミラーの場合、複数のミラー面の構造を予め設定しておき、ミラー回転角度により各ミラー面の三次元空間での位置と反射面の角度を算出し、入射した光軸モデルから特定のミラー面で反射した光軸モデルを自動的に生成して配置する。
【００１５】
光軸自動生成部１２は、光路上に位置する光学部品がレンズの場合、レンズの光学的機能を予め設定しておき、入射した光軸モデルから光学的機能に従った出射側の光軸モデルを自動的に生成して、次の光学部品又は結像面との間に配置する。
【００１６】
光軸自動生成部１２は、結像面等の最終到達位置の面に対する光軸モデルの交差する個所で、光軸の終点表示を行うと共に終点座標をファイルに記録する。光軸自動生成部１２は、三次元光学モデルの周囲に光軸延長限界を示す境界壁モデルを設定し、光路上に終点を決める最終到達位置の設定がない場合、光軸モデルが交差する境界壁モデルの位置を延長した光軸モデルの終点とする。
【００１８】
この場合、光軸自動生成部は、ファイルに記録された終点座標の座標値をドットデータに変換して印刷装置から出力する。
【００１９】
このように本発明の光路シミュレーションＣＡＤ装置は、試作に代わる擬似的な三次元光学モデルによって、実物と最も近似した光線の挙動を画面上で立体的に検証することができる。しかも、光線の挙動に必要な複雑な計算式を全てコンピュータ上に記憶させて実行するため、人が介在する部分が減少し、従来発生していた種々の無駄を省して効率的な設計ができる。
【００２０】
例えばレーザプリンタなど光学系をもつプリンタ等において、光源から発射された光線が装置の中に立体的に配置されたレンズ、鏡、プリズム等の部品に対し、その軌道を正確に捕らえ、立体空間での光線の軌跡を有りの侭に表現し、且つ光路の最終到達面上の点をドットに置き換え、複数の光路の到達点を結像化し文字やシンボルとして表示しできる。
【００２１】
またプリンタなどの印刷を目的とする装置では、光線の軌跡の最終到着面上で結像された結果を画面で表示するだけではなく印刷することも可能なため、あたかも実機で印刷を試行するかの如く擬似的なチェックが可能となる。
【００２２】
これにより光学系の構造設計に際して、関連する部品の最適配置や印刷装置としての文字やシンボルなどの出力制御パラメータの適否なども擬似的に確認することが可能となり、費用と時間の大幅な節約が可能となる。
【００２３】
また本発明は、光路シミュレーション方法を提供するものであり、
光源から最終到達位置までの光路上に１又は複数の光学部品を配置した三次元光学モデルを作成し；
三次元光学モデルにおける光線の挙動を示す光軸を所定の設定パラメータに基づいて演算し、三次元光学モデルに光軸を表示して検証させる；
ことを特徴とする。この光路シミュレーション方法の詳細は、装置構成の場合と同じになる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明による光路シミュレーションＣＡＤ装置の基本的なブロック図である。本発明の光路シミュレーションＣＡＤ装置は、モデル生成部１０、光軸自動生成部１２で構成される。
【００２５】
モデル生成部１０は、設計対象とする装置、例えばレーザプリンタにおける光学系の構造設計によって、光源から結像位置となる最終到達面までの光路上に、必要とする１または複数の光学部品を配置した三次元光学モデルを作成する。このモデル生成部１０としては、具体的には三次元ＣＡＤを使用してディスプレイ１４上で、三次元光学モデルを作成する。
【００２６】
光軸自動生成部１２は、モデル生成部１０で生成した三次元光学モデルにおける光源から各光学部品を通って最終到達面に至るまでの光線の挙動を示す光軸モデルを所定の設定パラメータに基づいて演算し、三次元光学モデルに光線モデルを表示して、作成した三次元光学モデルを検証させる。
【００２７】
図３は図２の装置の基本的な処理手順のフローチャートである。まずステップＳ１で三次元ＣＡＤシステムを使用してレーザプリンタ等の光学構造をもつ三次元光学モデルを作成する。
【００２８】
続いてステップＳ２でレーザプリンタ等の三次元光学モデルについて、光軸を自動生成して表示し、シミュレーションを行う。即ち、光源から発射された光線が、最終到達面に至る経路の途中に立体的に配置されたポリゴンミラー、レンズ等の光学部品を通過する際の光軸の軌道を正確に捕らえて、立体空間内での光線の軌跡をありのままに表現する。
【００２９】
そして光軸の最終到達面との交叉位置に到達点（終点）を表示すると共に、この到達点の座標情報を記録する。また、光路中に配置しているポリゴンミラー等の光学部品について、パラメータの変化量を設定して時間的に変化させることで最終到達面に対する光軸の到達位置を変化させて到達点を記録し、これによって文字やシンボル等を表示して記録する。更に、最終到達面における光軸の到達点の座標位置の記録結果に基づき、その形状を印刷出力することができる。
【００３０】
このようなステップＳ２の自動光軸生成処理に基づくシミュレーションによる検証で、光学系に設けている光学部品の最適配置や印刷出力による結果から各光学部品の制御パラメータの適否等も疑似的に確認することができ、その検証結果から、ステップＳ３で再設計の必要性の有無を判断する。
【００３１】
もし部品配置や印刷結果が満足できないものである場合には再設計の必要があると判断し、再びステップＳ１に戻り、自動光軸生成によるシミュレーションで問題となった光学部品や制御パラメータについて、ステップＳ１で三次元光学モデルの位置調整や制御パラメータの再設定等を行い、再度、三次元光学モデルの修正を行った後に、ステップＳ２で自動光軸生成処理によるシミュレーションを行い、結果を検証する。
【００３２】
このような三次元光学モデルの生成と修正、生成または修正の済んだ三次元光学モデルについての自動光軸生成処理に基づくシミュレーションによる検証の繰り返しにより、設計者は三次元ＣＡＤの設計機能を活用して、試作等実際に装置を作る必要なく、実際の装置とほぼ同等な三次元光学モデルを使用して最適な配置や要求する印刷結果が得られる制御パラメータの調整ができ、費用と時間の大幅な節減ができる。
【００３３】
図４は、図２の光軸自動生成部１２の詳細をモデル生成部１０と共に示した機能ブロック図である。
【００３４】
図４において、モデル生成部１０には、三次元ＣＡＤ１６が設けられている。この三次元ＣＡＤ１６は、汎用のＣＡＤシステムを使用することができ、ＣＡＤシステムの基本データを直接引き出したり編集したりする自動設計を繰り返すことで、三次元光学モデルを例えば既存の製品モデル上に生成する。
【００３５】
光軸自動生成部１２は、制御プログラムによって実現される光軸自動生成主制御部１８、三次元ＣＡＤインタフェース２０、光軸生成制御部２２、光源設定部２４、光学部品特性ライブラリ２６、光軸延長距離設定部２８、光軸形状制御部３０、光軸生成モデル記録部３２、連続表示制御部３４、印刷出力部３６、ユーザ入力インタフェース３８、表示制御部４０、プリンタ４２、ディスプレイ１４を備える。
【００３６】
この内、ユーザ入力インタフェース３８、表示制御部４０、ディスプレイ１４及びプリンタ４２については、三次元ＣＡＤ１６のものを使用するようにしてもよい。
【００３７】
光軸自動生成主制御部１８は、光軸生成の全体を制御する部分であり、三次元ＣＡＤ１６で作成した三次元光学モデルを利用し、光源から光軸を発生させ、この光軸を所定の方向に延長し、途中に配置した光学部品に光軸が交差したときの干渉面を認識して光学部品特性ライブラリ２６から必要なパラメータを引き出し、次の光学部品の干渉面に向けて光軸を生成する。
【００３８】
このように次々と光学部品の間に光軸を生成し、最終到達面まで光軸生成を進めると、光軸と最終到達面との交差位置を到達点として到達点の座標位置を記録し、この到達点の時間的な変化を伴う軌跡の記憶結果からリストやグラフを編集したり、必要に応じて到達点の軌跡をドットデータに変換して印刷したりする。
【００３９】
更に、光源からの発射角度や光路に存在するポリゴンミラー等のパラメータの変化に基づいて異なる光軸モデルを複数生成した後に、所定の動作手順に従って光軸モデルの全軌跡をアニメーション的に再表示させる等の制御を行う。
【００４０】
三次元ＣＡＤインタフェース２０は、三次元ＣＡＤ１６とのデータのやり取りを行うインタフェースであり、三次元光学モデルの生成条件の確定した結果を光軸自動生成部１２側から三次元ＣＡＤ１６に送り込んだり、三次元ＣＡＤ１６に存在する既存モデルの反射鏡、レンズ、プリズム等の各種の光学部品の三次元座標データを光軸自動生成部１２側に取り込んで光軸生成の編集等に活用させる。
【００４１】
光軸生成制御部２２は、三次元ＣＡＤ１６において作成した三次元光学モデルに、光源から始まる光軸モデルを表示するための座標、形状、直進、屈折等の進行方向等の諸条件により編集した後の確定光軸モデルデータを形成し、三次元ＣＡＤインタフェース２０を介して三次元ＣＡＤ１６に引き渡す。
【００４２】
光源設定部２４は、三次元光学モデルに設けた光源から発する光軸の特性を確定する部分であり、光軸の径、色、方向等を三次元ＣＡＤ１６の中の三次元光学モデルと会話的に決定する。
【００４３】
光学部品特性ライブラリ２６は、三次元光学モデルに使用している光軸が干渉する光学部品それぞれの特性を詳細にライブラリデータとして記録している。この光学部品としては、例えば単独の反射鏡、レンズ、プリズム、ポリゴンミラー等があり、各光学部品に光軸が入射したときの出射光軸の挙動を決める制御パラメータを編集対象として備えている。
【００４４】
光軸延長距離設定部２８は、光軸生成制御部２２で生成する光軸モデルの延長距離を予め設定するもので、光軸の延長線上に光学部品が存在しなかった場合には、無限に光軸モデルが生成してしまうのを制限するため、光軸の最大延長距離を示す最大限界境界壁モデルを設定する。
【００４５】
光軸形状制御部３０は、光軸モデルが始点と終点を持った円柱形状で形成され、この光軸モデルの光軸径を精密に変化させなければならないような場合に使用する。ここで光軸径の編集パラメータは予め光学部品特性ライブラリ２６の中に含まれているので、この光軸径の編集パラメータを参照して編集し、結果を光軸生成制御部２２に渡す。
【００４６】
例えば光軸径を距離に応じて精密に変化させるような場合には、この距離に対する光軸径の変化の計算式を光学部品特性ライブラリ２６から取得し、計算結果に基づく距離に対する光軸径の変化を編集して光軸生成制御部２２に引き渡す。
【００４７】
光軸生成モデル記録部３２は、光源から発した光軸モデルと光路の途中に配置している各光学部品との間に配置される光軸モデル、更に最後の光学部品から最終到達面の間に配置される光軸モデルの情報を全て記録し、所定のファイルに格納する。
【００４８】
このように三次元光学モデルの光軸表示に使用した一連の光源から最終到達面までの光軸モデルをファイルに格納しておくことで、本発明による光路シミュレーションＣＡＤによる処理を一旦終了した後も、必要に応じて光軸生成結果を再現でき、装置改良や別モデルの生成の際に新規に処理するよりも処理時間を節約することができる。
【００４９】
連続表示制御部３４は、光源から最終到達面に至る複数の光軸モデルを作成して検証した後、光軸モデルを三次元光学モデルの光源から最終到達面に至る各光学部品の間に順番に配置することで、三次元ＣＡＤ１６によるディスプレイ１４の画面上の三次元光学モデルに光軸の軌跡を連続的に表示させ、三次元光学モデルの光学構造の検証等に使用する。
【００５０】
また連続表示モードの際に光源から最終到達面までの複数の光軸モデルを連続表示することで、光源から最終到達面までの光軸の軌跡をアニメーション的に表示することもできる。
【００５１】
印刷出力部３６は、最終到達面における光軸到達点の軌跡の三次元座標データや光学部品の情報等をまとめてプリンタ４２で印刷する際に使用される。例えば最終到達面に文字やシンボルを結像させた場合には、その軌跡の記録結果として得られた三次元座標データからドットデータを生成し、文字やシンボルを所定の拡大率に従って印刷することもできる。
【００５２】
図５は、本発明の光路シミュレーションＣＡＤ装置のディスプレイ１４に表示される光学モデルシミュレーション画面の一例である。
【００５３】
図５において、光学モデルシミュレーション画面４４は、例えば画面左側に三次元ＣＡＤ１６で作成した三次元光学モデル４６を表示している。三次元光学モデル４６として、この実施形態にあっては、レーザプリンタの光学構造を例にとっている。三次元光学モデル４６は、装置フレーム４８の中の立体空間に配置されている。
【００５４】
また光学モデルシミュレーション画面４４には、操作メニュー５０、コントロールメニュー５２、拡大表示サブウィンドウ５４、メッセージ表示部５５及び進度表示部５６が設けられている。操作メニュー５０には三次元光学モデル４６のシミュレーションを三次元光学モデルと絵画的に実行するためのメニューが表示されている。
【００５５】
コントロールメニュー５２にはシミュレーションの歩進や連続制御の指示、更には異常発生時の選択指示等を出すためのメニューが表示されている。拡大表示サブウィンドウ５４は、三次元光学モデル４６における光線の最終到達面での文字やシンボル等の結像結果が拡大表示される。
【００５６】
メッセージ表示部５５は、プロセスに従って次の操作をガイドしたり、異常発生時のメッセージ表示等を行う。更に進度表示部５６は、シミュレーションの進み具合を表示しており、予め設定してある光軸移動のための屈折回数や繰り返し回数等を元に現在の処理量を自動的に算出して、例えば円グラフによって進度を表示する。
【００５７】
図６は、図５の光学モデルシミュレーション画面に表示している三次元光学モデルの光学構造を持ったレーザプリンタ光学系の説明図である。このレーザプリンタ光学系は、レーザビームを発射する光源部６０−１、一定速度で回転し光源部６０−１からのレーザビームを水平方向に走査するポリゴンミラー６２−１、ポリゴンミラー６２−１からの走査ビームを入射して収差等を補正するｆθレンズ６４−１、ポリゴンミラー６２−１により水平走査されるビームの水平方向の速度を等速化するシリンドリカルレンズ６６−１、ポリゴンミラー６２−１で操作されたビームが直線上に並んで結像される感光ドラム６８−１で構成される。
【００５８】
このような図６のレーザプリンタの光学系の構造設計のため、図７のような三次元光学モデル４６を図４の三次元ＣＡＤ１６で作成する。即ちレーザプリンタの光学系は、光源６０、ポリゴンミラー６２、ｆθレンズ６４、シリンドリカルレンズ６６、及び図６の感光ドラム６８−１に相当する最終到達面６８で構成される。
【００５９】
ここで三次元光学モデル４６に対しては、その周囲にフレームモデル４８を形成しており、最終到達面６８はフレームモデル４８の１つの面に位置している。また図７にあっては、図４の光軸自動生成部１２で生成された光源６０から最終到達面６８に至る複数の光軸モデルを連続表示した状態としている。
【００６０】
このため光軸モデルは、光源６０からポリゴンミラー６２に対する光軸モデル７０、ポリゴンミラー６２とｆθレンズ６４との間のポリゴンミラー６２の回転走査で得られる複数の光軸モデル７１−１〜７１−ｎ、ｆθレンズ６４とシリンドリカルレンズ６６の間の光軸モデル７２−１〜７２−ｎ、更にシリンドリカルレンズ６６と最終結像面６８との間の光軸モデル７３−１〜７３−ｎから構成されている。
【００６１】
このような光源６０から最終到達面６８に対する複数の光軸モデルの連続表示により、三次元光学モデル４６におけるポリゴンミラー６２の回転に伴う光路の様子が一目で検証できる。また最終到達面６８には、ポリゴンミラー６２の回転に伴い、正方向に変化する光軸モデル７２−１〜７３−ｎの到達点の軌跡として、例えば光源６０を常時点灯していた場合には直前軌跡７３が表示される。
【００６２】
図６の実際の光学系にあっては、ポリゴンミラー６２−１の回転に伴い、最終到達面を与える感光ドラム６８−１が回転している。このため図７の三次元光学モデル４６にあっては、最終到達面６８が例えばポリゴンミラー６２の回転走査に同期して所定ピッチで例えば上方に移動し、これによって最終到達面６８に光源６０の発光制御に伴う文字やシンボル等の軌跡を表示させることができる。
【００６３】
図８は、図７の三次元光学モデル４６の光軸生成のための各ポイントを取り出している。まず光軸は光源始点Ｐ１から出てポリゴンミラー６２の反射点Ｐ２に当たる。反射点Ｐ２からの光軸はポリゴンミラー６２の回転に伴い水平方向に反射角が変化し、次のｆθレンズ６４の入射点Ｐ３１〜Ｐ３ｎを持つ。
【００６４】
続いてｆθレンズ６２の出射点Ｐ４１〜Ｐ４ｎを持つ。続いてシリンドリカルレンズ６６の入射点Ｐ５１〜Ｐ５ｎとなり、続いて出射点Ｐ６１〜Ｐ６ｎを持つ。最終的に、最終到達面６８の最終到達点Ｐ７１〜Ｐ７ｎとなる。
【００６５】
したがって、光源始点Ｐ１から例えば最終到達点Ｐ７１に至る光軸軌跡の表示のためには、Ｐ１，Ｐ２間、Ｐ２，Ｐ３１間、Ｐ４１，Ｐ５１間、Ｐ６１，Ｐ７１間の合計４つの光軸モデルを生成して連続表示させる必要がある。また実際のレーザプリンタの操作に必要な光軸表示のためには、最終到達点におけるドット数をｎ個とすると、（１＋３×ｎ）本の光軸モデルを作成する必要がある。
【００６６】
また図８は各点Ｐ１〜Ｐ７ｎの三次元空間におけるＸ，Ｙ，Ｚの座標位置を示しており、例えば光源始点Ｐ１を例にとると、Ｘ−Ｚｎ面への垂線の長さがＹ軸座標値となり、垂線の交点のＺ軸までの長さがＸ軸座標値、Ｘ軸までの長さがＺ軸座標値となる。この点は他の反射点や最終到達点についても同様である。
【００６７】
図９は、本発明で三次元光学モデルに光軸モデルを生成する際の光軸延長距離の限界の説明図である。本発明において、三次元ＣＡＤ１６を使用した例えばレーザプリンタの光学構造の初期設計の段階では、図７のような装置フレームモデル４８を決めることができず、装置フレームモデル４８を持たずに開放的な三次元空間で三次元光学モデル４６を作成し、光軸自動生成によるシミュレーションを行うことになる。
【００６８】
この場合、ある光学部品から出た光軸は、その延長上に他の光学部品がない場合には無限に距離が延びることになり、演算処理がエラーとなる。そこで図９のように、光軸生成の対象となる三次元光学モデル４６の周囲に例えば球状に最大限界境界壁モデル７５を設定する。
【００６９】
このため、シリンドリカルレンズ６６を通った光軸はそのままでは無限に延長するようになるが、最大限界境界壁モデル７５との交差による交差点Ｐ８１，Ｐ８ｎにより、それ以上外側に延長されることを防ぎ、これによって開放空間であっても境界モデルの終点を有限な距離に設定することができる。
【００７０】
図１０は、図４の光軸自動生成部１２で生成される光軸モデルの説明図である。図１０（Ａ）は基本的な光軸モデル９２であり、この光軸モデル９２は光源設定部２４に設定している光軸径Ｄと色及び光軸方向で作り出される。即ち、まず光軸を発生する始点９４が決まり、この始点９４に設定された光軸径Ｄを配置する。
【００７１】
続いて始点９４から所定の方向に光軸９８を決め、光軸９８に沿って光軸径Ｄの円柱を延長する。この円柱の延長先が他の光学部品の干渉面（入射面）に当たった時、そこを終点９６とし、これによって始点９４から終点９６までの距離Ｌを持つ光軸モデル９２を生成することができる。
【００７２】
このような基本的な光軸モデル９２は、例えば図７の三次元光学モデル４６にあっては光源６０から順番に生成しており、したがって、光軸モデルは図４の光源設定部２４に設定している径、色、光軸方向によって基本的な形態が決まる。
【００７３】
図１０（Ｂ）は他の光軸モデル１００であり、この光軸モデル１００は距離の増加に伴って光軸径Ｄが減少している。即ち光源や光学部品によっては、出射した光軸の径が距離の変化に伴って増加または減少する光軸モデルを生成できるようにしている。
【００７４】
この光軸モデル１００の距離Ｌに対する光軸径Ｄの変化の計算式は、光学部品特性ライブラリ２６における各光学部品の制御パラメータの１つとして格納されている。この計算式を光軸形状制御部３０で読み出して使用することで、例えば図１０（Ｂ）のように距離Ｌに対し光軸径ＤｓからＤｔに変化する光軸モデル１００を生成することができる。
【００７５】
図１１は、図１０のようにして発生した光軸モデルのデータ構造の説明図である。図１１の光軸モデルデータ８６は、始点位置、光軸径、色、光軸方向及び終点位置で構成される。このうち光軸径については計算式８８を参照することで、図１０（Ｂ）のように距離Ｌに対し変化する光軸径とすることもできる。
【００７６】
また終点位置は、終点情報として示す光軸用の他の光学部品の干渉面、最終到達面、更に図９のように設定した最大限界境界壁モデルのいずれかとなる。
【００７７】
図１２は、図４の光学部品特性ライブラリ２６の説明図である。この光学部品特性ライブラリ２６にあっては、ミラー７８、ポリゴンミラー８０、レンズ８２、プリズム８４等の特性ライブラリデータを格納している。
【００７８】
まずミラー７８は、固定ミラーの場合には立体空間内での鏡面反射点の中心座標（ｘ，ｙ，ｚ）と鏡面の角度θを固定パラメータとして設定できる。またガルバノミラー等の可動ミラーについては、立体空間内での鏡軸の中心座標（ｘ，ｙ，ｚ）と鏡面の角度をパラメータとして持ち、これを外部的に設定できる。
【００７９】
図１３は三次元空間の任意の位置に配置された反射面１０２に対し、光軸モデル１０４が矢印の方向から入射している。このときの反射面１０２の位置は、そのライブラリデータから反射点１０６の座標（ｘ，ｙ，ｚ）と鏡面の角度θが分かっているため、反射点１０６に対し垂線１１０を下ろすことで光軸モデル１０４の入射角θｉが算出できる。
【００８０】
したがって、反射点１０６に対する反射角θｏを入射角θｉと同じ値に設定し、光軸モデル１０４及び垂線１１０を含む反射面１０２に垂直な面を通るように、反射角θｏで光軸モデル１０８を自動生成する。
【００８１】
図１４は、光学部品として可動ミラーを用いた場合の光軸モデルの生成である。図１４において、可動ミラー１１２は、垂直方向の回転軸１１４を中心に所定角度の範囲で揺動している。
【００８２】
この可動ミラー１１２に対し入射するね光軸モデル１１８を設定すると、可動ミラー１１２のある回転角の範囲における分解能で決まる回転角の変化位置ごとに反射角度が決まり、これに図１３のような反射点１１６に対する垂線を設定することで入射角θｉが決まり、これと同じ出射角θｏを持つ光軸モデル１２０−１を自動生成できる。同様にして各ミラー回転角θについて異なる方向にｎ本の光軸モデル１２０−１〜１２０−ｎを各々生成することができる。
【００８３】
再び図１２を参照するに、ポリゴンミラー８０にあっては、例えば図７の三次元光学モデル４６に示したように周囲に６枚のミラーを配置した正六角体であることから、周囲に配置した６枚のミラーがその回転によって１つ１つの回動ミラーとして機能することになる。
【００８４】
したがって、ポリゴンミラーの回転角に対する１つのミラー面について図１４の可動ミラーの場合と同様、鏡面角度と位置が決まるので、右側に取り出して示すようなテーブル構造とし、回転角から自動的に鏡面角度及び位置を算出して入射角と同じ方向に反射角を持つ光軸モデルを自動生成すればよい。
【００８５】
更にレンズ８２としては、図７に示したｆθレンズ６４やシリンドリカルレンズ６６の光学的な機能を計算式またはテーブルデータとして格納し、入射する光軸モデルに基づいて、レンズ機能の適用により出射する光軸モデルを自動生成する。
【００８６】
図１５は、図５の光学モデルシミュレーション画面に表示している三次元光学モデル４６の最終到達面６８における到達点軌跡の表示と記録の説明図である。
【００８７】
図１５（Ａ）は、図７の三次元光学モデル４６の制御によって最終到達面６８上に表示しようとする文字「Ａ」である。この文字「Ａ」を所定の分解能で二次元的に二値化し、ポリゴンミラー６２のミラー面の１つによる最終到達面６８における到達点の１回の水平操作で横並びのドットを到達点に図１５（Ｂ）のように表示する。
【００８８】
具体的には、ポリゴンミラー６２による最終到達面での横方向の１回の走査の間に、文字「Ａ」の水平１ラインのドット位置でレーザビームを発光制御し、それ以外の位置でレーザビームを消灯していればよい。この処理を図７の最終到達面６８を垂直方向に所定の分解能で移動しながら繰り返すことで、光軸モデルの最終到達面に交差する到達点の表示として、図１５（Ｂ）のようなＰ１〜Ｐｎを表示できる。
【００８９】
この到達点Ｐ１〜Ｐｎは、図１５（Ｃ）のように到達点座標データ１１２として、その三次元座標値を記録することができる。この場合、奥行き方向のＺ座標値は全て同じＺ１であり、Ｘ座標値とＹ座標値がドットの位置に応じて変化している。
【００９０】
この到達点座標データ１１２が得られファイルに記録されることで、例えば図５の光学モデルシミュレーション画面４４の拡大表示ウィンドウ５４に到達点座標データ１１２の座標値を持つドットデータを生成し、所定の拡大倍率により拡大表示することができる。
【００９１】
また到達点座標データ１１２の座標値を持つドットデータに基づき、図４の印刷出力部３６でプリンタ４２に出力することで、三次元光学モデル４６のシミュレーションで最終到達面６８に表示された文字やシンボルを実際に印刷結果として出力して検証することができる。
【００９２】
図１６は、図３のステップＳ２に示す光軸自動生成処理の詳細をサブルーチンとして示したフローチャートであり、図４に示した光軸自動生成部１２の制御処理で実現できる。
【００９３】
図１６の光軸自動生成処理は、図４に示した三次元ＣＡＤ１６の作業画面の基本メニューに光軸自動生成メニューを組み込んでおり、図４における光学部品特性ライブラリ２６に処理対象とする作成済みの三次元光学モデルに使用している光学部品についてのライブラリデータを整理した後に光軸自動生成メニューを選択すると、図４の光軸自動生成部１２が動作し、最初に光軸初期条件の設定画面をステップＳ１で表示する。
【００９４】
この光軸初期条件としては、光源から発射される光線の光軸径、色等がある。続いてステップＳ２で、光源から最終到達面の間に配置している三次元光学モデルの光路部品の条件設定画面が表示されることから、各光路部品について必要な制御パラメータを設定する。
【００９５】
続いてステップＳ３で光軸生成の制御条件の設定画面が表示されることから、光軸延長距離を決める図９の最大限界境界壁モデル７４の設定、光軸形状を制御するためのパラメータの設定、距離に対し光軸を変化させるための条件設定等を行う。
【００９６】
このような光軸生成に必要な条件設定が全て済んだならば、光軸生成の開始を指示すると、図４の光軸生成制御部２２が光源から最終到達面に向けて次々と光軸モデルを生成し、ディスプレイ上に表示されている三次元光学モデル４６に光軸モデルを表示してくる。
【００９７】
この光軸自動生成によって、ステップＳ５で初期的な動作確認を行い、設計者が意図する結果であれば、ステップＳ６に進み、歩進制御を確認する。この歩進制御は、光源から最終到達面に向けて１つ１つの光軸モデルが順番に表示されていく制御である。
【００９８】
この光軸モデルの歩進制御につき、ステップＳ７で正常動作であったならば、ステップＳ８で連続制御を行う。連続制御は光源から最終到達面に向けて光軸モデルを全て表示して光軸の連続軌跡を作り出す制御である。また連続制御は光学部品の制御パラメータ例えばポリゴンミラーの回転角の変化量を与えることで、光源から最終到達面に至る光軸モデルを複数生成して表示させる制御も含む。
【００９９】
ステップＳ９で連続制御が正常動作であれば、ステップＳ１０で印刷の有無を待ち、印刷指示があれば、ステップＳ１１で最終到達面の到達点の座標値の記録結果に基づきドットデータを生成してプリンタに印刷出力する。
【０１００】
これによって、三次元光学モデルのシミュレーションにより得られた文字やシンボル等の結果を印刷結果としてチェックすることができる。そして、必要があればステップＳ１２で繰り返しを指示し、再びステップＳ１からの光軸自動生成を繰り返す。
【０１０１】
一方、ステップＳ５の初動確認、ステップＳ７の歩進制御の正常動作、あるいはステップＳ９で連続制御の正常動作について、異常があったり設計者の意図する結果が得られなかった場合には、ステップＳ１３に進み、終了でなければステップＳ１４で異常原因の判断でステップＳ１〜Ｓ８のどこからやり直すかを判断し、やり直し位置に戻って必要な条件や修正を行った後、処理を繰り返す。
【０１０２】
尚、上記の実施形態は設計対象としてレーザプリンタの光学系の三次元光学モデルを例にとるものであったが、本発明はこれに限定されず、光ディスクドライブや光学読取装置等、適宜の光学系を持つ装置の自動設計につき、そのまま適用することができる。また本発明は、その目的と利点を損なわない限り適宜の変形を含み、更にまた上記の実施形態による数値の限定は受けない。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、三次元ＣＡＤの特徴を生かし、試作しようとする装置に代わり疑似的な三次元光学モデルによって実物と最も近似した光線の挙動を画面上に光軸モデルとして表現して立体的に検証することができ、しかも複雑な計算式を全てコンピュータ上にライブラリとして記憶して実行するため、人が介在する部分が大幅に減少し、設計検討段階で光学的な挙動を正確に把握し、最適な光学構造の設計を効率良くでき、費用と時間を大幅に節減できる。
【０１０４】
更に、プリンタ等の印刷を目的とした装置の三次元光学モデルについては、シミュレーションによる光線の挙動による最終到達面に結像された軌跡を画面上に表示するだけではなく表示結果を印刷出力することができるため、疑似的な三次元光学モデルでありながら実際にプリンタを試作して印刷したと同等な疑似的なチェックを行うことができる。
【０１０５】
尚、特許請求の範囲に記載した以外の本発明の特徴を列挙すると次のようになる。
（１）請求項２記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、光軸自動生成部は、前記光軸モデルの光軸径を始点からの距離に応じて変化させることを特徴とする。
（２）請求項３記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、光軸自動生成部は、光路上に位置する光学部品が所定の回転軸を中心に揺動可能な可動反射鏡の場合、三次元空間内での回転軸の位置と反射面の角度を制御パラメータとして指定でき、前記制御パラメータに基づいて入射した光軸モデルから反射した光軸モデルを自動的に生成して配置することを特徴とする。
【０１０６】
（３）請求項３記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、光軸自動生成部は、光路上に位置する光学部品が周囲に複数のミラー面を備えた多面体をもち一定速度で回転するポリゴンミラーの場合、複数のミラー面の構造を予め設定しておき、ミラー回転角度により各ミラー面の三次元空間での位置と反射面の角度を算出し、入射した光軸モデルから特定のミラー面で反射した光軸モデルを自動的に生成して配置することを特徴とする。
【０１０７】
（４）請求項７記載の光路シミュレーションＣＡＤ装置に於いて、光軸自動生成部は、ファイルに記録された終点座標の座標値をドットデータに変換して印刷装置から出力することを特徴とする。
【０１０８】
（５）請求項８記載の光路シミュレーション方法に於いて、光源から発射される光線の光軸径と色を設定し、光源を始点とし光路上の隣接する次の光学部品の入射面を終点とした長さをもつ円筒形状の光軸モデルを生成して配置することを特徴とする。
【０１０９】
（６）前記（５）の光路シミュレーション方法に於いて、光軸モデルの光軸径を始点からの距離に応じて変化させることを特徴とする。
【０１１０】
（７）請求項８記載の光路シミュレーション方法に於いて、光源と最終到達位置との間に位置する光学部品については、入射した光軸モデルから前記光学部品の光学機能に従った出射側の光軸モデルを生成し、次の光学部品又は結像面との間に配置することを特徴とする。
【０１１１】
（８）前記（７）の光路シミュレーション方法に於いて、光路上に位置する光学部品が所定の回転軸を中心に揺動可能な可動反射鏡の場合、三次元空間内での回転軸の位置と反射面の角度を制御パラメータとして指定でき、制御パラメータに基づいて入射した光軸モデルから反射した光軸モデルを自動的に生成して配置することを特徴とする。
【０１１２】
（９）前記（７）の光路シミュレーション方法に於いて、光路上に位置する光学部品が周囲に複数のミラー面を備えた多面体をもち一定速度で回転するポリゴンミラーの場合、複数のミラー面の構造を予め設定しておき、ミラー回転角度により各ミラー面の三次元空間での位置と反射面の角度を算出し、入射した光軸モデルから特定のミラー面で反射した光軸モデルを自動的に生成して配置することを特徴とする。
【０１１３】
（１０）請求項８記載の光路シミュレーション方法に於いて、光路上に位置する光学部品がレンズの場合、レンズの光学的機能を予め設定しておき、入射した光軸モデルから光学的機能に従った出射側の光軸モデルを自動的に生成して次の光学部品又は結像面との間に配置ことを特徴とする。
【０１１４】
（１１）請求項８記載の光路シミュレーション方法に於いて、最終到達位置の面に対する光軸モデルの交差する個所で、光軸の終点表示を行うと共に終点座標をファイルに記録することを特徴とする。
【０１１５】
（１２）請求項８記載の光路シミュレーション方法に於いて、三次元光学モデルの周囲に光軸延長限界を示す境界壁モデルを設定し、光路上に終点を決める最終到達位置の設定がない場合、光軸モデルが交差する前記境界壁モデルの位置を延長した光軸モデルの終点とすることを特徴とする。
【０１１６】
（１３）請求項８記載の光路シミュレーション方法に於いて、光源と結像面との間の光路上に配置した光学部品の制御パラメータの時間的な変化分を予め設定しておき、制御パラメータの時間的な変化によって三次元モデルに連続動作を行わせて結像面に文字やシンボル等の所望の終点軌跡を表示させ且つ終点座標をファイルに記録することを特徴とする。
【０１１７】
（１４）前記（１３）の光路シミュレーション方法に於いて、ファイルに記録された終点座標の座標値をドットデータに変換して印刷装置から出力することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図
【図２】本発明のシステム構成のブロック図
【図３】図２の基本的な処理のフローチャート
【図４】図２の光軸自動生成部の機能ブロック図
【図５】図４で実施例による光学系シミュレーション画面の説明図
【図６】設計対象とするレーザプリンタ光学ユニットの説明図
【図７】本発明で生成された三次元光学モデルの説明図
【図８】図７の三次元光学モデルの光軸配置の説明図
【図９】三次元光学モデルに設定する最大限界境界壁モデルの説明図
【図１０】本発明で生成する光軸モデルの説明図
【図１１】図１０の光軸モデルデータの説明図
【図１２】図４の光軸自動生成部で使用する光学部品特性ライブラリの説明図
【図１３】反射面に対する光線モデル生成の説明図
【図１４】可動ミラーに対する光線モデル生成の説明図
【図１５】図７の三次元光学モデルの結像面における終点表示と座標記録の説明図
【図１６】本発明による光軸自動生成処理のフローチャート
【符号の説明】
１０：モデル生成部
１２：光軸自動生成部
１４：ディスプレイ
１６：三次元ＣＡＤ
１８：光軸自動生成主制御部
２０：三次元ＣＡＤインタフェース
２２：光軸生成制御部
２４：光源設定部
２６：光学部品特性ライブラリ
２８：光軸延長距離設定部
３０：光軸形状制御部
３２：光軸生成モデル記録部
３４：連続表示制御部
３６：印刷出力部
３８：ユーザ入力インタフェース
４０：表示制御部
４２：プリンタ
４４：光学系シミュレーション画面
４６：三次元光学モデル
４８：フレームモデル
５０：操作メニュー
５２：コントロール選択メニュー
５４：拡大表示サブウィンドウ
５５：メッセージ表示部
５６：進度表示部
６０，６０−１：光源部
６２，６２−１：ポリゴンミラー
６４，６４−１：ｆθレンズ
６６，６６−１：シリンドリカルレンズ
６８：結像面
６８−１：感光ドラム
７０，７０，７１−１，７１−ｎ，７２−１，７２−ｎ，７３−１，７３−ｎ：光線モデル
７３：直線奇跡
７５：最大限界境界壁モデル
８６：光軸モデルデータ
９２，１００，１０４，１１８，１１８，１２０−１〜１２０−ｎ：光軸モデル９４：始点
９６：終点
９８：光軸
１０２：反射面
１０６：反射点
１１０：垂線
１１２：可動ミラー
１１４：回転軸
１１６：反射面
１２２：到達点座標データ
【図１】
0003852070.tif 000002
【図２】
0003852070.tif 000003
【図３】
0003852070.tif 000004
【図４】
0003852070.tif 000005
【図５】
0003852070.tif 000006
【図６】
0003852070.tif 000007
【図７】
0003852070.tif 000008
【図８】
0003852070.tif 000009
【図９】
0003852070.tif 000010
【図１０】
0003852070.tif 000011
【図１１】
0003852070.tif 000012
【図１２】
0003852070.tif 000013
【図１３】
0003852070.tif 000014
【図１４】
0003852070.tif 000015
【図１５】
0003852070.tif 000016
【図１６】
0003852070.tif 000017