JP5032178B2 - Wave field analysis method and apparatus, and computer-readable recording medium storing a program for causing a computer to execute the wave field analysis method - Google Patents
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本発明は、波動場解析方法および装置ならびに波動場解析方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体に関し、詳しくは、FDTD法(Finite Difference Time Domain method(時間領域差分法))を用いて、電磁波などの波動の伝播、すなわち電磁場(電磁界)などの波動場の時間的変化を数値解析する波動場解析方法および波動場解析装置ならびに波動場解析方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。 The present invention relates to a wave field analysis method and apparatus, and a computer-readable recording medium on which a program for causing a computer to execute the wave field analysis method is recorded. More specifically, the present invention relates to an FDTD method (Finite Difference Time Domain method). ), A wave field analysis method, a wave field analysis device, and a computer program for executing a wave field analysis method for numerically analyzing the propagation of a wave such as an electromagnetic wave, that is, a temporal change of a wave field such as an electromagnetic field (electromagnetic field). The present invention relates to a computer-readable recording medium on which is recorded.
近年、光ディスク、レンズ、特にマイクロレンズなどの種々の光学部品、光コネクタ、光導波路、光ファイバなどの光通信用部品、アンテナ、レーザ装置、顕微鏡、半導体集積回路(IC)、圧電素子、構造物等々の設計のために、流体内や固体内の波動解析シミュレーション法として、例えば、光やX線などを含む電磁波、音波や、弾性波なども含め、波動の伝播の時間的な変化を解析するシミュレーション法として、FDTD法が利用されてきている。 In recent years, various optical components such as optical disks, lenses, especially micro lenses, optical communication components such as optical connectors, optical waveguides, optical fibers, antennas, laser devices, microscopes, semiconductor integrated circuits (ICs), piezoelectric elements, structures As a design method of wave analysis in fluids and solids, for example, analyze temporal changes in wave propagation, including electromagnetic waves including light and X-rays, sound waves, and elastic waves. As a simulation method, the FDTD method has been used.
このFDTD法は、特に、マックスウェル(Maxwell)方程式に従う電磁波の伝播の時間的な変化の解析ツールとして利用されている。このFDTD法を用いて、対象とする伝播系、すなわち、解析領域内において、マックスウェル方程式をコンピュータで数値的に解くことにより、この解析領域内において、例えば空気中を電磁場が伝播し、対象とする解析領域内に存在する物質表面で反射したり、屈折して透過したりする伝播状態を理論的に予測することができる。
このような電磁波の伝播状態の論理的な予測は、上述の光学部品、光通信用部品、アンテナを含む種々の部品等の設計に極めて有用な情報や必要な情報を与える。
This FDTD method is particularly used as an analysis tool for temporal changes in propagation of electromagnetic waves according to the Maxwell equation. Using this FDTD method, by solving the Maxwell equation numerically with a computer in the target propagation system, that is, in the analysis region, an electromagnetic field propagates in the analysis region, for example, in the air. It is possible to theoretically predict a propagation state that is reflected on the surface of a substance existing in the analysis region to be refracted or refracted and transmitted.
Such logical prediction of the propagation state of electromagnetic waves gives extremely useful information and necessary information for the design of the above-described optical components, optical communication components, various components including antennas, and the like.
このようなFDTD法を用いた電磁場解析装置および方法が、特許文献1に提案されている。この特許文献1には、解析領域の全領域(全空間)の電磁場がゼロ「0」の状態を初期状態として、解析領域の一部分に、入射光を発生する励震部を設定し、励震部から連続波、パルス波などを発生させ、FDTD法によって、解析領域内の電磁場の時間変化を計算することが開示されている。また、特許文献1では、入射波に関する情報を入力し、入力された情報に基づいて入射波を計算することにより入射波の誤差を正確に再現し、再現された誤差を含んだ値を計算された入射波とし、この計算された入射波に基づいて電磁場を計算することによりFDTD法による誤差を相殺し、FDTD法による誤差のない計算結果を出力することができることを開示している。 An electromagnetic field analysis apparatus and method using such an FDTD method is proposed in Patent Document 1. In this Patent Document 1, an excitation part that generates incident light is set in a part of the analysis region, with an electromagnetic field in the entire analysis region (all spaces) being zero “0” as an initial state. It is disclosed that a continuous wave, a pulse wave, or the like is generated from a part and a time change of an electromagnetic field in an analysis region is calculated by an FDTD method. Also, in Patent Document 1, information on an incident wave is input, the incident wave is calculated based on the input information, and the error of the incident wave is accurately reproduced, and a value including the reproduced error is calculated. It is disclosed that by calculating an electromagnetic field based on the calculated incident wave, an error due to the FDTD method can be canceled and a calculation result without an error due to the FDTD method can be output.
この特許文献1に開示されるようなFDTD法を用いた従来の電磁場解析方法のフローチャートを図12に示す。なお、この例では、従来の電磁場解析方法で用いられているFDTD法計算プログラムの計算モデルが設定されている。
まず、ステップS200において、この計算モデルの解析領域内の全空間に対して屈折率の空間分布を定義する。
また、ステップS202において、この計算モデルの空間計算範囲を解析領域の全空間(全空間離散化数:S0)に設定するなど、解析領域の空間離散化数(1〜S0)(空間離散化方法および条件)、境界条件などの解析領域の(状態や条件の)設定や、入射波(入力電磁波)の(状態や条件の)設定およびその他、全計算ステップ数(N0)電磁場計算に必要となる条件の設定をするために、計算条件を入力する。
ここで、屈折率の空間分布定義ステップS200と計算条件の入力ステップS202とは、いずれを先に行っても良いし、同時に行っても良い。こうして、まず、電磁場計算を開始する前に、この計算モデルにおける電磁場計算の対象となる解析領域の屈折率の空間分布の定義および解析領域の全空間を空間計算範囲に設定することなどの必要な計算条件の設定がなされる。
FIG. 12 shows a flowchart of a conventional electromagnetic field analysis method using the FDTD method as disclosed in Patent Document 1. In this example, a calculation model of the FDTD method calculation program used in the conventional electromagnetic field analysis method is set.
First, in step S200, a refractive index spatial distribution is defined for the entire space in the analysis region of the calculation model.
Further, in step S202, the spatial calculation range of this calculation model is set to the entire space of the analysis region (total spatial discretization number: S 0 ), for example, the spatial discretization number (1 to S 0 ) of the analysis region (spatial discrete (State and condition), boundary conditions and other analysis areas (state and condition) settings, incident wave (input electromagnetic wave) (state and condition) settings, and other calculation steps (N 0 ) for electromagnetic field calculation Enter the calculation conditions to set the necessary conditions.
Here, the refractive index spatial distribution definition step S200 and the calculation condition input step S202 may be performed first or simultaneously. Thus, first, before starting the electromagnetic field calculation, it is necessary to define the spatial distribution of the refractive index of the analysis region that is the target of the electromagnetic field calculation in this calculation model and to set the entire space of the analysis region as the spatial calculation range. Calculation conditions are set.
その後、ステップS204およびS206において、解析領域の屈折率の空間分布の定義および必要な計算条件の設定に基づいて、FDTD法計算プログラムを用いて、電磁場が存在しない状態を初期状態とし、解析領域の空間上に定めた励震部からの電磁波を入射させ(j=1)、電磁波が解析空間の全空間(i=1〜S0)を伝播する時間(j=N0)まで、マックスウェル方程式をコンピュータで数値的に解く電磁場の計算を行い、電磁場の時間的、空間的変化を計算する。すなわち、各時間計算ステップ(j)について、前の計算ステップ(j−1)の解析領域の全空間(1〜S0)の電磁場の分布に基づいて、FDTD法計算プログラムを用い、固定化された空間計算範囲(1〜S0)である解析領域の全空間(1〜S0)について電磁場の時間的な変化を計算して、当該計算ステップ(j)の解析領域の全空間(1〜S0)の電磁場の分布を求めることを、電磁波が解析空間の全空間(1〜S0)を伝播するまでの全時間ステップ(j=1〜N0)について繰り返し、解析領域の全空間(1〜S0)の電磁場の時間的、空間的変化を計算する。 Thereafter, in steps S204 and S206, based on the definition of the spatial distribution of the refractive index of the analysis region and the setting of the necessary calculation conditions, the FDTD method calculation program is used to set the state in which no electromagnetic field is present as the initial state. Maxwell's equations until the time (j = N 0 ) in which electromagnetic waves from the excitation part defined on the space are incident (j = 1) and the electromagnetic waves propagate through the entire space (i = 1 to S 0 ) of the analysis space The electromagnetic field is solved numerically by a computer, and the temporal and spatial changes of the electromagnetic field are calculated. That is, each time calculation step (j) is fixed using the FDTD method calculation program based on the electromagnetic field distribution in the entire space (1 to S 0 ) of the analysis region of the previous calculation step (j-1). and the space calculation range entire space analysis region is (1~S 0) (1~S 0) by calculating the temporal variation of the electromagnetic field, the entire space (1 analysis region of the calculating step (j) S 0 to seek distribution of electromagnetic field), repeated for all time steps until the electromagnetic wave propagates through the entire space (1 to S 0) of the analysis space (j = 1 to N 0), the entire space of the analysis region ( 1 to S 0 ) of the electromagnetic field in time and space.
具体的には、各時間計算ステップ(j)について、ステップS204において、この時間ステップ(j)の前の計算ステップ(j−1)の解析領域の全空間の電磁場の分布に基づいて、FDTD法計算プログラムを用い、解析領域の全空間(1〜S0)について電磁場の時間的な変化を計算して、当該計算ステップ(j)の解析領域の全空間(1〜S0)の電磁場の分布を求める。
なお、j−1が0(j−1=0)の場合には、この前の計算ステップ(j−1)における解析領域の全空間の電磁場の分布は、初期状態、例えば、0に設定する。
次に、ステップS206において、全時間計算ステップの計算が終了したか否かを判断する。図示例では、計算ステップが全時間計算ステップ数N0(j=N0)であるか、N0より大(j>N0)であるか否かを判断する。全計算ステップの計算が終了していれば(図示例では、jがN0以上(j≧N0)であれば)、Yesとして、ステップS208に抜け出し、計算後処理を行なう。一方、全計算ステップの計算が終了していなければ(図示例では、jがN0未満(j<N0)であれば)、S0:j=j+1として、ステップS204に戻る。
Specifically, for each time calculation step (j), in step S204, based on the distribution of the electromagnetic field in the entire analysis area of the calculation step (j-1) before this time step (j), the FDTD method using the calculation program, it calculates a temporal change of the electromagnetic field for all spatial analysis region (1 to S 0), the distribution of the electromagnetic field of the entire space of the analysis region of the calculating step (j) (1~S 0) Ask for.
When j-1 is 0 (j-1 = 0), the distribution of the electromagnetic field in the entire analysis region in the previous calculation step (j-1) is set to an initial state, for example, 0. .
Next, in step S206, it is determined whether or not the calculation of the all time calculation step is completed. In the illustrated example, it is determined whether the calculation step is the total time calculation step number N 0 (j = N 0 ) or greater than N 0 (j> N 0 ). If the calculation of all the calculation steps has been completed (in the illustrated example, if j is equal to or greater than N 0 (j ≧ N 0 )), the process proceeds to step S208 as Yes, and post-calculation processing is performed. On the other hand, if the calculation of all the calculation steps is not completed (in the illustrated example, if j is less than N 0 (j <N 0 )), S 0 : j = j + 1 is set, and the process returns to step S 204.
続いて、計算ステップ(j+1)について、ステップS204において、前の計算ステップ(j)の解析領域の全空間の電磁場の分布に基づいて、同様に、FDTD法計算プログラムを用い、解析領域の全空間(1〜S0)について電磁場の時間的な変化を計算して、当該計算ステップ(j+1)の解析領域の全空間(1〜S0)の電磁場の分布を求め、次に、ステップS206において、全計算ステップの計算が終了した(j+1≧N0)か否かを判断し、終了していなければ(j+1<N0)ステップS204に戻り、全計算ステップの計算が終了するまで、上記ステップS204〜S206を繰り返し、終了していれば(j+1≧N0)ステップS208に抜け出して、計算後処理を行なう。 Subsequently, for the calculation step (j + 1), in step S204, based on the distribution of the electromagnetic field in the entire analysis area in the previous calculation step (j), the entire space in the analysis area is similarly calculated using the FDTD method calculation program. (1 to S 0) to calculate the temporal change of the electromagnetic field for, it obtains the distribution of the electromagnetic field of the entire space (1 to S 0) of the analysis region of the calculating step (j + 1), then, in step S206, It is determined whether or not the calculation of all calculation steps is completed (j + 1 ≧ N 0 ). If not completed (j + 1 <N 0 ), the process returns to step S204, and the above step S204 is repeated until the calculation of all calculation steps is completed. Steps S206 to S206 are repeated, and if completed (j + 1 ≧ N 0 ), the process proceeds to step S208 to perform post-calculation processing.
続いて、ステップS208において、計算後処理として、こうして計算された電磁場の時間、空間分布に基づいて、解析目的に応じた物理量を計算する。また、計算結果を、表示デバイスのディスプレー上にグラフィック表示したり、プリンタにハードコピー出力する。
この後、ステップS210(END)において、電磁場解析を終了する。
こうして、この計算モデルの解析領域の全空間を伝播した電磁波についての電磁場計算が終了する。
このような従来の電磁場解析技術では、1つの計算モデルについて、解析領域の全空間(1〜S0)おける電磁場の計算を、単純に各計算ステップ(j)において、すなわち、全ての時間計算ステップ(j=1〜N0)において、逐次実施している。
Subsequently, in step S208, as post-calculation processing, a physical quantity corresponding to the analysis purpose is calculated based on the time and spatial distribution of the electromagnetic field thus calculated. In addition, the calculation result is displayed as a graphic on the display of the display device, or is hard-copied to a printer.
Thereafter, in step S210 (END), the electromagnetic field analysis is terminated.
Thus, the electromagnetic field calculation for the electromagnetic wave propagated through the entire analysis area of the calculation model is completed.
In such a conventional electromagnetic field analysis technique, for one calculation model, the calculation of the electromagnetic field in the entire space (1 to S 0 ) of the analysis region is simply performed in each calculation step (j), that is, all the time calculation steps. (J = 1 to N 0 ) is performed sequentially.
また、FDTD法、伝送線路行列法、空間回路網法および有限要素時間領域法などの、マックスウエル方程式に従って有限の速度で伝搬していく電磁波などの波動の変化を、逐次的、かつ過渡的に計算する波動データの計算方法を用いた従来の波動解析方法および装置が、特許文献2に開示されている。
この特許文献2においては、解析領域を複数のブロックに分割し、各ブロック中の計算対象となる離散点の内の所定の判定離散点の波動データが所定値よりも大きいか否かを各ブロック毎に判定して、判定離散点の波動データが所定値よりも大きいブロックについてのみ、当該ブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的および時間的変化を計算することにより、波動データの計算時間を短縮できることを開示している。
また、特許文献2では、計算対象ブロックの波動データの計算に必要なデータ、すなわち当該ブロックに含まれる全ての離散点の波動データおよびその近傍の所要の波動データを主記憶手段に記憶し、他の全てのブロックに含まれる離散点の波動データを補助記憶手段に記憶しておき、計算対象ブロックの計算が終了した時には、計算結果を補助記憶手段に記憶させ、次の計算対象となる他のブロックの波動データの計算に必要なデータを補助記憶手段から読み出し、主記憶手段に記憶させることにより、計算に必要なコンピュータの主記憶容量を少なくすることができることを開示している。
In addition, changes in waves such as electromagnetic waves propagating at a finite speed according to Maxwell's equations, such as the FDTD method, transmission line matrix method, spatial network method, and finite element time domain method, can be performed sequentially and transiently. A conventional wave analysis method and apparatus using a calculation method of wave data to be calculated is disclosed in Patent Document 2.
In this Patent Document 2, the analysis region is divided into a plurality of blocks, and whether or not the wave data of a predetermined determination discrete point among the discrete points to be calculated in each block is larger than a predetermined value is determined for each block. By determining for each block and calculating the spatial and temporal changes of the wave data of all the discrete points included in the block only for the block where the wave data of the determined discrete point is larger than a predetermined value, It discloses that calculation time can be shortened.
Further, in Patent Document 2, data necessary for calculation of wave data of a calculation target block, that is, wave data of all discrete points included in the block and necessary wave data in the vicinity thereof are stored in the main memory, The wave data of discrete points included in all the blocks are stored in the auxiliary storage unit, and when the calculation of the calculation target block is completed, the calculation result is stored in the auxiliary storage unit, and the other calculation target It is disclosed that the main storage capacity of the computer required for the calculation can be reduced by reading out the data necessary for calculating the wave data of the block from the auxiliary storage means and storing it in the main storage means.
ところで、特許文献1に開示されたような技術では、上述したように、所定の解析領域の電磁波の伝播モデルについて、FDTD法によって電磁波の伝播の時間変化を時間計算ステップ毎に逐次計算する場合、解析領域の全空間について計算している。
このため、いずれの計算ステップにおいても、すなわち計算ステップに関わらず、解析領域の全空間の電磁場を計算するため、計算初期の電磁波が到達しない領域(空間)も計算を行うという問題がある。
また、特許文献2に開示されたような技術では、上述したように、計算対象の解析領域を複数のブロックに分割し、所定点の波動データが規定値よりも大きなブロックだけを計算対象とすることで、計算量を低減することができる。しかしながら、この場合、計算ステップの度に、各ブロック毎にその中の所定点の波動データと規定値との大小を調べる必要があり、その分の計算負荷を生じてしまうという問題がある。
By the way, in the technique as disclosed in Patent Document 1, as described above, for the propagation model of the electromagnetic wave in the predetermined analysis region, when the time change of the propagation of the electromagnetic wave is sequentially calculated by the FDTD method for each time calculation step, Calculation is performed for the entire analysis area.
For this reason, in any calculation step, that is, regardless of the calculation step, the electromagnetic field of the entire space in the analysis region is calculated, so that there is a problem that the region (space) where the electromagnetic wave at the initial calculation does not reach is also calculated.
Further, in the technique disclosed in Patent Document 2, as described above, the analysis region to be calculated is divided into a plurality of blocks, and only blocks whose wave data at a predetermined point is larger than a predetermined value are calculated. As a result, the amount of calculation can be reduced. However, in this case, it is necessary to check the magnitude of the wave data at a predetermined point in each block and the prescribed value for each block at each calculation step, and there is a problem that a calculation load corresponding to that is generated.
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解消し、FDTD法などの波動データの計算方法を用いて、1つの波動解析モデルの解析領域を伝播する波動場の時間的な変化を計算する場合に、波動の伝播の初期段階、すなわち波動場の計算の初期段階における、入射波が全領域に行き渡らない間の計算量を低減し、計算を高速化することができる波動場解析方法および装置ならびに波動場解析方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and calculate a temporal change of a wave field propagating through an analysis region of one wave analysis model using a wave data calculation method such as the FDTD method. In this case, in the initial stage of wave propagation, that is, in the initial stage of wave field calculation, the amount of calculation while the incident wave does not reach the entire region can be reduced, and the wave field analysis method and apparatus capable of speeding up the calculation Another object of the present invention is to provide a computer-readable recording medium in which a program for causing a computer to execute a wave field analysis method is recorded.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様は、コンピュータが、波動が伝播する解析領域内の波動場の時間変化の計算を初期状態から各計算ステップ毎に連続して順次行い、前記コンピュータが、前記解析領域内を前記波動が伝播する伝播状態を解析する波動場解析方法であって、前記コンピュータが、事前に前記解析領域内における前記波動が到達している到達領域を予測し、前記コンピュータが、所定の計算ステップにおける前記波動場の時間変化の計算を、当該計算ステップに前記解析領域内の前記波動が到達していると予測された前記到達領域を当該計算ステップの空間計算範囲として行うことを特徴とする波動場解析方法を提供するものである。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention, the computer is sequentially performed continuously calculate the wavefield time change of the analysis region the wave propagates from the first period state for each calculation step the computer is a wave field analysis method of the analysis region is the wave to analyze the propagation conditions for propagating the computer, the arrival area of the wave in advance on the analysis area has reached it predict, the computer, the calculation of the time variation of the wave field in a predetermined calculation step, the said calculation step predicted the arrival area was the wave has reached of the calculation the analysis region in step line Ukoto as a spatial calculation range is intended to provide a wave field analysis method according to claim.
ここで、前記波動は、前記解析領域の一端から略前記解析領域の所定の軸方向へ伝播するものであるのが好ましい。
また、前記波動の前記到達領域の予測は、前記解析領域を伝播する前記波動の伝播速度を予測することにより行われるものであるのが好ましい。
また、前記波動の前記到達領域の予測は、前記解析領域内の屈折率分布の情報に基づいて行われるものであるのが好ましい。
また、前記解析領域内の屈折率分布は、前記到達領域内における前記波動の伝播方向と直交する面の屈折率の代表値を、この前記波動の伝播方向と直交する面内において最も小さい屈折率とすることにより得られるものであるのが好ましい。
また、前記波動の前記到達領域の予測は、前記解析領域内の屈折率を1であると仮定して行われるものであるのが好ましい。
また、前記波動の前記到達領域の予測は、前記解析領域の前記一端から前記波動が伝播する伝播長を計算することにより行われるものであるのが好ましい。
また、前記波動は、電磁波であり、前記波動場は、電磁場であるのが好ましい。
Here, it is preferable that the wave propagates in a predetermined axial direction of the analysis region from one end of the analysis region.
Moreover, it is preferable that the arrival region of the wave is predicted by predicting a propagation speed of the wave propagating through the analysis region.
Further, it is preferable that the arrival region of the wave is predicted based on information on a refractive index distribution in the analysis region.
Further, the refractive index distribution in the analysis region has a representative value of the refractive index of the surface orthogonal to the wave propagation direction in the arrival region, and the smallest refractive index in the surface orthogonal to the wave propagation direction. It is preferable that it is obtained by.
Further, it is preferable that the arrival region of the wave is predicted on the assumption that the refractive index in the analysis region is 1.
In addition, it is preferable that the arrival region of the wave is predicted by calculating a propagation length in which the wave propagates from the one end of the analysis region.
The wave is preferably an electromagnetic wave, and the wave field is preferably an electromagnetic field.
また、上記課題を解決するために、本発明の第2の態様は、波動が伝播する解析領域内の波動場の時間変化の計算を初期状態から各計算ステップ毎に連続して順次行い、前記解析領域内を前記波動が伝播する伝播状態を解析する波動場解析装置であって、前記波動が伝播する前記解析領域内の波動場の時間変化を初期状態から連続して計算する波動場計算手段と、事前に、前記解析領域内における前記波動が到達している到達領域を予測する予測手段と、前記波動場計算手段は、所定の計算ステップにおける前記波動場の時間変化の計算を、前記所定の計算ステップに前記解析領域内の前記波動が到達していると予測された前記到達領域を当該計算ステップの空間計算範囲として行うことを特徴とする波動場解析装置を提供するものである。 In order to solve the above-mentioned problem, the second aspect of the present invention performs the calculation of the time change of the wave field in the analysis region in which the wave propagates continuously from the initial state for each calculation step, A wave field analyzer for analyzing a propagation state in which the wave propagates in an analysis region, wherein the wave field calculation means calculates a time change of the wave field in the analysis region in which the wave propagates continuously from an initial state. And a prediction means for predicting an arrival area where the wave has reached in the analysis area, and the wave field calculation means in advance calculate the time change of the wave field in a predetermined calculation step. The wave field analysis apparatus is characterized in that the arrival region predicted to have reached the wave in the analysis region reaches the calculation step as a spatial calculation range of the calculation step.
ここで、前記波動は、前記解析領域の一端から略前記解析領域の所定の軸方向へ伝播するものであり、前記波動場計算手段は、前記所定の軸方向に沿って前記波動場の時間変化を計算するものであるのが好ましい。
また、前記予測手段は、前記波動の前記到達領域の予測を、前記解析領域を伝播する前記波動の伝播速度を予測することにより行うのが好ましい。
また、前記予測手段は、前記波動の前記到達領域の予測を、前記解析領域内の屈折率分布の情報に基づいて行うのが好ましい。
また、前記予測手段は、前記到達領域内における前記波動の伝播方向と直交する面の屈折率の代表値を、この前記波動の伝播方向と直交する面内において最も小さい屈折率として、前記解析領域内の屈折率分布を得、得られた前記解析領域内の屈折率分布に基づいて前記波動の前記到達領域の予測を行うのが好ましい。
また、前記予測手段は、前記波動の前記到達領域の予測を、前記解析領域内の屈折率を1であると仮定して行うのが好ましい。
また、前記予測手段は、前記波動の前記到達領域の予測を、前記解析領域の前記一端から前記波動が伝播する伝播長を計算することにより行うのが好ましい。
また、前記波動は、電磁波であり、前記波動場は、電磁場であるのが好ましい。
Here, the wave propagates from one end of the analysis region to a predetermined axial direction of the analysis region, and the wave field calculation means changes the time of the wave field along the predetermined axial direction. Is preferably calculated.
Moreover, it is preferable that the said prediction means predicts the said arrival area | region of the said wave by predicting the propagation speed of the said wave which propagates the said analysis area | region.
Moreover, it is preferable that the said prediction means performs the prediction of the said arrival area | region of the said wave based on the information of the refractive index distribution in the said analysis area | region.
Further, the prediction means sets the representative value of the refractive index of the surface orthogonal to the propagation direction of the wave in the arrival region as the smallest refractive index in the surface orthogonal to the propagation direction of the wave. It is preferable to predict the arrival region of the wave based on the obtained refractive index distribution in the analysis region.
Moreover, it is preferable that the said prediction means performs the prediction of the said arrival area | region of the said wave, assuming that the refractive index in the said analysis area | region is 1.
Moreover, it is preferable that the said prediction means performs the prediction of the said arrival area | region of the said wave by calculating the propagation length which the said wave propagates from the said one end of the said analysis area | region.
The wave is preferably an electromagnetic wave, and the wave field is preferably an electromagnetic field.
また、上記課題を解決するために、本発明の第3の態様は、上記第1の態様の波動場解析方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータに読み取り可能な記録媒体を提供するものである。 In order to solve the above-mentioned problem, a third aspect of the present invention is a computer-readable recording medium in which a program for causing a computer to execute the wave field analysis method of the first aspect is recorded. Is to provide.
本発明によれば、上記構成により、FDTD法などの波動データの計算方法を用いて、1つの波動解析モデルの解析領域を伝播する波動場の時間的な変化を各時間計算ステップ毎に計算する場合に、ある計算ステップにおいて、入射波が解析領域内の到達可能な到達領域を予め計算しておき、計算ステップ毎に波動場の計算対象となる到達領域である空間計算範囲を変化させ、波動場の反復計算を行なう空間計算範囲を、当該時間ステップにおいて入射波が到達可能な到達領域に限定することにより、解析領域内の、入射波が到達していない未到達領域の波動場の計算を省略できるので、計算量を低減し、計算を高速化することができる。
また、本発明によれば、入射波が到達可能な到達領域の予測や入射波が到達していない未到達領域の予測は、電磁場などの波動場の計算を行なう前に、簡易な計算で済むため、時間計算ステップ毎の計算領域を決める上での負荷は小さい。
その結果、本発明によれば解析領域内の、入射波が到達していない未到達領域の波動場の計算を省略による計算量の低減効果および計算の高速化効果を享受できる。
According to the present invention, with the above configuration, the temporal change of the wave field propagating through the analysis region of one wave analysis model is calculated for each time calculation step using a wave data calculation method such as the FDTD method. In some cases, in a certain calculation step, the reachable region where the incident wave can reach in the analysis region is calculated in advance, and the spatial calculation range that is the target region for the wave field calculation is changed for each calculation step. By limiting the spatial calculation range for iterative calculation of the field to the reaching region where the incident wave can reach in the time step, the calculation of the wave field in the unreachable region where the incident wave has not reached in the analysis region can be performed. Since it can be omitted, the amount of calculation can be reduced and the calculation speeded up.
Further, according to the present invention, the prediction of the reachable region where the incident wave can reach and the prediction of the unreached region where the incident wave has not reached can be performed simply before calculating the wave field such as the electromagnetic field. Therefore, the load in determining the calculation area for each time calculation step is small.
As a result, according to the present invention, it is possible to enjoy the effect of reducing the amount of calculation and the effect of speeding up the calculation by omitting the calculation of the wave field in the unreached region where the incident wave has not reached in the analysis region.
以下に、本発明に係る波動場解析方法および装置ならびに波動場解析方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体を、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a wave field analysis method and apparatus according to the present invention and a computer-readable recording medium storing a program for causing the computer to execute the wave field analysis method will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings. To do.
本発明の波動場解析方法および装置は、マックスウェル方程式などの波動方程式に従う解析領域内の電磁波等の波動の伝播状態の1つの計算モデルを、FDTD法などの波動データの計算方法を用いて各時間計算ステップ毎に逐次計算する場合に、まず、最初に、ある計算ステップにおいて入射波が入射した初期状態から解析領域内を伝播する波動が到達可能な到達領域を予め計算して、全ての計算ステップにおける到達領域を求めておき、計算ステップ毎に、電磁場等の波動場の計算対象となる到達領域である空間計算範囲を変化させ、波動場の反復計算を行なう空間計算範囲を、当該時間ステップにおいて入射波が到達可能な到達領域に限定して、解析領域内の、入射波が到達していない未到達領域の波動場の計算を省略することにより、計算量を低減し、計算を高速化するものである。 The wave field analysis method and apparatus according to the present invention uses one calculation model of a propagation state of a wave such as an electromagnetic wave in an analysis region according to a wave equation such as Maxwell's equation, by using a wave data calculation method such as the FDTD method. When calculating sequentially for each time calculation step, first, all the calculations are performed by calculating in advance the reachable region where the wave propagating in the analysis region can reach from the initial state where the incident wave was incident in a certain calculation step. The reachable region in the step is obtained, and for each calculation step, the spatial calculation range that is the reachable region of the wave field such as the electromagnetic field is changed, and the space calculation range in which the wave field is repeatedly calculated is changed to the time step. In the analysis area, the calculation of the wave field in the unreached area where the incident wave has not reached has been omitted. Reducing the calculation amount, it calculates the intended speeds.
以下では、波動の代表例として、光や電子線やX線などを含む電磁波を用い、波動場および波動方程式の代表例として、電磁場およびマックスウェル方程式を用い、FDTD法によってマックスウェル方程式をコンピュータで数値的に解き、対象とする解析領域の電磁波の空間および時間分布を計算し、電磁場の時間的な変化を求めて電磁場の解析を行う例を代表例として説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。本発明は、波動方程式をコンピュータで数値的に解き、対象とする解析領域の波動の空間および時間分布を計算し、波動場の時間的な変化を求めて波動場の解析を行うものであれば、例えば、音波や、弾性波などの電磁波以外の波動にも適用可能であることはもちろんである。また、本発明は、マックスウェル方程式などの波動方程式を解く数値計算方法として、FDTD法に限定されず、特許文献2に開示されている伝送線路行列法、空間回路網法および有限要素時間領域法などの他の波動データの数値計算方法を用いることができることはもちろんである。 In the following, electromagnetic waves including light, electron beams, X-rays, etc. are used as typical examples of waves, electromagnetic fields and Maxwell equations are used as representative examples of wave fields and wave equations, and Maxwell's equations are calculated by computer using the FDTD method. A representative example will be described in which numerical analysis is performed, the space and time distribution of the electromagnetic wave in the target analysis region is calculated, and the electromagnetic field is analyzed by obtaining temporal changes in the electromagnetic field, but the present invention is not limited thereto. It is not done. The present invention solves the wave equation numerically with a computer, calculates the space and time distribution of the wave in the target analysis region, and obtains the temporal change of the wave field to analyze the wave field. Needless to say, the present invention can also be applied to waves other than electromagnetic waves such as sound waves and elastic waves. In addition, the present invention is not limited to the FDTD method as a numerical calculation method for solving a wave equation such as Maxwell's equation, and is not limited to the FDTD method. The transmission line matrix method, the spatial network method, and the finite element time domain method disclosed in Patent Document 2 Of course, other wave data numerical calculation methods can be used.
すなわち、本発明は、電磁波の空間、時間分布を、マックスウェル方程式に基き、屈折率(誘電率)の空間分布を境界条件として、コンピュータで数値的に解くためのFDTD法などの数値計算プログラムを用いたシミュレーション方法および手段を提供するもので、主に、光ディスク、レンズ、特に、マイクロレンズ等の種々の光学部品、光コネクタ、光導波路、光ファイバ等の光通信用部品、アンテナ、レーザ装置、顕微鏡、半導体集積回路(IC)、圧電素子、構造物等々の解析、微小領域の光学現象解析などに用いられ、開始状態の電磁場を0とし、外部から入射された電磁波の時間変化を計算する手法を提供するものである。 That is, the present invention provides a numerical calculation program such as the FDTD method for numerically solving the electromagnetic wave space and time distribution based on the Maxwell equation and using the spatial distribution of refractive index (dielectric constant) as a boundary condition. The simulation method and means used are mainly provided, mainly optical disks, lenses, in particular various optical parts such as microlenses, optical connectors, optical waveguides, optical communication parts such as optical fibers, antennas, laser devices, A method for calculating the time change of electromagnetic waves incident from the outside, with the starting electromagnetic field set to 0, used for analysis of microscopes, semiconductor integrated circuits (ICs), piezoelectric elements, structures, etc., and analysis of optical phenomena in minute regions. Is to provide.
まず、本発明の一実施形態に係る波動場解析方法を実施する波動場解析装置が適用される電磁場解析装置の機能的構成について説明する。
図1は、本発明の波動場解析装置が適用される電磁場解析装置の機能的構成の一実施例を示すブロック図である。
図1に示す本発明の電磁場解析装置10は、パソコンやワークステーションなどの計算機(コンピュータ)環境で動作するプログラムを含み、コンピュータによって構成することができるものである。
First, a functional configuration of an electromagnetic field analysis apparatus to which a wave field analysis apparatus that performs a wave field analysis method according to an embodiment of the present invention is applied will be described.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a functional configuration of an electromagnetic field analysis apparatus to which the wave field analysis apparatus of the present invention is applied.
The electromagnetic field analysis apparatus 10 of the present invention shown in FIG. 1 includes a program that operates in a computer (computer) environment such as a personal computer or a workstation, and can be configured by a computer.
図1に示すように、電磁場解析装置10は、複数の計算モデルに対する屈折率の空間分布を定義する屈折率分布定義部12と、解析領域を含む電磁場計算に必要となる条件(全時間計算ステップ数および全空間離散化層数)を設定するために計算条件を入力する計算条件入力部14と、屈折率分布定義部12によって定義された計算モデルの屈折率分布および計算条件入力部14によって入力された計算条件に基づいて、予め、解析領域内の入射電磁波が所定の計算ステップにおいて到達する到達領域を予測する到達領域予測部16と、上述の計算モデルの屈折率分布および上述の計算条件に基づいて、FDTD法を用いてマックスウエル方程式を各計算ステップ毎に逐次数値的に解き、伝播する電磁場を計算する電磁場計算部18と、到達領域予測部16において予測された入射電磁波の予測到達領域と計算ステップの関係を記憶保存する記憶部20と、到達領域予測部16からの計算ステップ毎の予測到達領域の記憶部20への書き込みおよび記憶部20から電磁場計算部18への所定の計算ステップにおける予測到達領域の読み出しを制御して行う書込/読出制御部22と、電磁場計算部18によって計算された解析領域の全空間を伝播した電磁場の計算結果を出力する計算結果出力部24とを有する。 As shown in FIG. 1, the electromagnetic field analysis device 10 includes a refractive index distribution definition unit 12 that defines a spatial distribution of refractive indexes for a plurality of calculation models, and conditions necessary for electromagnetic field calculation including an analysis region (all time calculation step). The calculation condition input unit 14 for inputting calculation conditions to set the number and the total number of discretization layers) and the refractive index distribution of the calculation model defined by the refractive index distribution definition unit 12 and the calculation condition input unit 14 Based on the calculated calculation conditions, the arrival area prediction unit 16 that predicts the arrival area where the incident electromagnetic wave in the analysis area reaches in a predetermined calculation step, the refractive index distribution of the calculation model described above, and the calculation conditions described above An electromagnetic field calculation unit 18 that solves the Maxwell equation numerically for each calculation step using the FDTD method and calculates a propagating electromagnetic field; The storage unit 20 that stores and stores the relationship between the predicted arrival region of the incident electromagnetic wave predicted by the area prediction unit 16 and the calculation step; and the writing of the predicted arrival region for each calculation step from the arrival region prediction unit 16 to the storage unit 20 and A write / read control unit 22 that controls reading of the predicted arrival region in a predetermined calculation step from the storage unit 20 to the electromagnetic field calculation unit 18 and the entire space of the analysis region calculated by the electromagnetic field calculation unit 18 are propagated. And a calculation result output unit 24 for outputting the calculation result of the electromagnetic field.
屈折率分布定義部12は、解析対象となる解析領域の形状、材料に基づいて、計算モデルとなる屈折率の空間分布を定義するものである。
計算条件入力部14は、空間離散化方法(例えば、電磁波が面状に解析領域の一端面から他端面まで解析領域の所定の軸方向へ伝播する場合、離散化層:1〜S0)、計算範囲(例えば、全空間離散化層数S0)、境界条件などの解析領域の入力や設定、空間分布、時間分布、偏光条件などの入力電磁波(入射波)の入力や設定、および、その他の、全時間計算ステップ数(N0)、時間離散化条件(計算ステップ:1〜N0)などの計算に必要となる条件の入力や設定を行うものである。
The refractive index distribution defining unit 12 defines the spatial distribution of the refractive index serving as a calculation model based on the shape and material of the analysis region to be analyzed.
The calculation condition input unit 14 is a spatial discretization method (for example, when electromagnetic waves propagate in a predetermined axial direction in the analysis region from one end surface to the other end surface of the analysis region in a plane shape, a discretization layer: 1 to S 0 ). Calculation range (for example, total spatial discretization layer number S 0 ), input and setting of analysis region such as boundary condition, input and setting of input electromagnetic wave (incident wave) such as spatial distribution, time distribution, polarization condition, and others The conditions necessary for calculation such as the total number of time calculation steps (N 0 ) and time discretization conditions (calculation steps: 1 to N 0 ) are input and set.
これらの屈折率分布定義部12および計算条件入力部14は、電磁場計算部18によって解析領域内の電磁場計算を開始する前に、1つの計算モデルについて、電磁場計算の対象となる解析領域の屈折率の空間分布の定義および必要な計算条件の入力・設定を行う。
なお、屈折率分布定義部12による屈折率の空間分布定義と、計算条件入力部14による計算条件の入力および/または設定とは、互いに対応させながら同時に行っても良いし、いずれかを先に行っても良いし、また、独立して行っても良い。
The refractive index distribution definition unit 12 and the calculation condition input unit 14 have the refractive index of the analysis region to be subjected to electromagnetic field calculation for one calculation model before the electromagnetic field calculation unit 18 starts the electromagnetic field calculation in the analysis region. Define the spatial distribution of and input and set the necessary calculation conditions.
The spatial distribution definition of the refractive index by the refractive index distribution definition unit 12 and the input and / or setting of the calculation condition by the calculation condition input unit 14 may be performed simultaneously in correspondence with each other, and either one is performed first. It may be performed or may be performed independently.
到達領域予測部16は、本発明の特徴とする部分であって、屈折率分布定義部12によって定義された計算モデルの屈折率分布、およびこの屈折率分布および計算条件入力部14によって設定された計算条件に基づいて、解析領域内に入射した電磁波が、解析領域内を伝播し、入射してからある時間後に到達する、すなわち、計算開始からある計算ステップ(j)において到達する到達領域を予測するものである。
なお、到達領域予測部16では、図2に実線で示すように、計算ステップ(j)(j=1〜N0)と予測到達領域との関係を解析領域全体に亘って求めておく。
The arrival area prediction unit 16 is a feature of the present invention, and is set by the refractive index distribution of the calculation model defined by the refractive index distribution definition unit 12 and the refractive index distribution and calculation condition input unit 14. Based on the calculation conditions, an electromagnetic wave incident in the analysis region propagates in the analysis region and reaches a certain time after the incident, that is, an arrival region that reaches in a calculation step (j) from the start of calculation is predicted. To do.
In arrival area predicting unit 16, as shown by the solid line in FIG. 2, previously obtained over the relationship between the predicted arrival area and the calculation step (j) (j = 1~N 0 ) the entire analysis region.
ここで、上述したように、例えば、電磁波が面状に解析領域の一端面から他端面まで解析領域の所定の軸方向へ伝播するとし、解析領域が、離散化層が一端面から他端面まで、すなわち1層〜S0層(全空間離散化層数S0)まで、空間的に離散化され、全時間計算ステップ数(N0)の方が、全空間離散化層数(S0)よりも大きい場合には、到達領域予測部16による予測到達領域が、複数の計算ステップにおいて、同一の離散化層に該当する場合がある。このため、図2に点線で示すように、予測到達領域が、離散化層(i)(i=1〜S0)に到達する時間に該当する計算ステップ(j)をt(i)として、予測到達領域(離散化層:i=1〜S0)と計算ステップt(i)との関係を全離散化層に亘って求めておくのが好ましい。ここで、予測到達領域(離散化層:i)と計算ステップt(i)とは一対一に対応する。 Here, as described above, for example, electromagnetic waves propagate in a planar shape from one end surface of the analysis region to the other end surface in a predetermined axial direction of the analysis region, and the analysis region is separated from the one end surface to the other end surface. That is, 1 to S 0 layers (total space discretized layer number S 0 ) are spatially discretized, and the total time calculation step number (N 0 ) is the total spatial discretized layer number (S 0 ). Is larger than the predicted reachable region by the reachable region predicting unit 16 may correspond to the same discretization layer in a plurality of calculation steps. For this reason, as indicated by a dotted line in FIG. 2, a calculation step (j) corresponding to the time when the predicted arrival area reaches the discretization layer (i) (i = 1 to S 0 ) is defined as t (i). It is preferable to obtain the relationship between the predicted arrival area (discretization layer: i = 1 to S 0 ) and the calculation step t (i) over all the discretization layers. Here, the predicted arrival area (discretization layer: i) and the calculation step t (i) correspond one to one.
なお、到達領域予測部16による所定の計算ステップ(j)における解析領域内の到達領域の予測は、電磁場計算部18による解析領域内の電磁場計算の開始前に行われる。
こうして、電磁場計算の開始前に求められた予測到達領域(例えば、離散化層:i=1〜S0)と計算ステップ(t(i))との関係は、LUT(ルックアップテーブル)や、関係式として、書込/読出制御部22によって記憶部20に記憶保存される。
上述した例では、到達領域予測部16は、予測到達領域と計算ステップとの関係を解析領域の全空間に亘って求め、この関係を記憶部20に記憶保存し、後述するように、電磁場計算部18が、この関係式を読み出して、電磁場計算を行うべき空間計算範囲を設定しているが、本発明はこれに限定されず、到達領域予測部16において、計算ステップ(j)に対し、計算ステップ(j)において計算すべき空間計算範囲を設定しておき、計算ステップ(j)と空間計算範囲との関係をLUTなどとして記憶部20に記憶しておき、電磁場計算部18が、記憶部20から、直接、計算ステップ(j)において計算すべき空間計算範囲を読み出すようにしても良い。
Note that the arrival area prediction in the analysis area in the predetermined calculation step (j) by the arrival area prediction unit 16 is performed before the electromagnetic field calculation in the analysis area by the electromagnetic field calculation unit 18 is started.
Thus, the predicted arrival area determined before the start of the electromagnetic field calculation (e.g., discretized layers: i = 1 to S 0) relationship between the calculation step (t (i)) is, LUT (lookup table) and, The relational expression is stored and stored in the storage unit 20 by the writing / reading control unit 22.
In the example described above, the arrival area prediction unit 16 obtains the relationship between the predicted arrival area and the calculation step over the entire space of the analysis area, stores this relationship in the storage unit 20, and calculates the electromagnetic field as described later. The unit 18 reads out this relational expression and sets the spatial calculation range in which the electromagnetic field calculation is to be performed. However, the present invention is not limited to this, and the arrival area prediction unit 16 performs the calculation step (j) A spatial calculation range to be calculated in the calculation step (j) is set, the relationship between the calculation step (j) and the spatial calculation range is stored in the storage unit 20 as an LUT or the like, and the electromagnetic field calculation unit 18 stores the relationship. The space calculation range to be calculated in the calculation step (j) may be directly read from the unit 20.
なお、本発明においては、到達領域予測部16は、到達領域の予測を、解析領域を伝播する電磁波の伝播速度を予測することにより行うのが好ましい。なお、電磁波の伝播速度(v)は、電磁波が伝播する媒質の屈折率nに反比例する(v=c0/n:ここで、c0は、真空中の光速(c0=2.998×108m/s)である)ので、到達領域予測部16は、到達領域の予測を、解析領域内の屈折率分布の情報に基づいて行うのが良い。また、屈折率nは、誘電率εおよび透磁率μの関数である(n=√(εμ/ε0μ0):ε0およびμ0は、それぞれ真空中の誘電率(107/4πc0 2)および透磁率(4π×10−7)である)ので、到達領域予測部16は、到達領域の予測を、解析領域内の媒質の誘電率εおよび透磁率μの情報に基づいて行っても良い。 In the present invention, it is preferable that the arrival area prediction unit 16 predicts the arrival area by predicting the propagation speed of the electromagnetic wave propagating through the analysis area. The propagation speed (v) of the electromagnetic wave is inversely proportional to the refractive index n of the medium through which the electromagnetic wave propagates (v = c 0 / n: where c 0 is the speed of light in vacuum (c 0 = 2.998 × 10 8 m / s)), the reaching region prediction unit 16 may perform prediction of the reaching region based on information on the refractive index distribution in the analysis region. The refractive index n is a function of the dielectric constant ε and the magnetic permeability μ (n = √ (εμ / ε 0 μ 0 ): ε 0 and μ 0 are the dielectric constant (10 7 / 4πc 0 in vacuum), respectively. 2 ) and the magnetic permeability (4π × 10 −7 )), the reaching region prediction unit 16 performs the prediction of the reaching region based on the information on the dielectric constant ε and the permeability μ of the medium in the analysis region. Also good.
具体的には、到達領域予測部16は、解析領域内の到達領域における電磁波の伝播方向と直交する面を代表する屈折率の代表値として、この電磁波の伝播方向と直交する面内において最も小さい屈折率を採用し、この解析領域内の電磁波の伝播方向における屈折率分布を得、得られた屈折率分布に基づいて電磁波の到達領域の予測を行うのが好ましい。
その理由は、上述したように、電磁波の伝播速度(v)は屈折率nに反比例するので、電磁波の伝播方向と直交する面内における屈折率の内の最も小さい屈折率を採用することにより、予測される伝播速度は、実際の伝播速度より少し速くなり、予測到達領域は、実際の到達領域より少し大きい、すなわち、少しより遠くまで到達した領域となり、効率よく、かつ、確実に、実際の到達領域を含む領域を予測できるからである。
Specifically, the arrival area prediction unit 16 has the smallest value in the plane orthogonal to the propagation direction of the electromagnetic wave as a representative value of the refractive index representing the plane orthogonal to the propagation direction of the electromagnetic wave in the arrival area in the analysis area. It is preferable to adopt a refractive index, obtain a refractive index distribution in the propagation direction of the electromagnetic wave in the analysis region, and predict an arrival region of the electromagnetic wave based on the obtained refractive index distribution.
The reason for this is that, as described above, the propagation speed (v) of the electromagnetic wave is inversely proportional to the refractive index n. Therefore, by adopting the smallest refractive index in the plane perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave, The predicted propagation speed is a little faster than the actual propagation speed, and the predicted arrival area is a little larger than the actual arrival area, that is, an area that has reached a little farther, effectively and reliably This is because a region including the reaching region can be predicted.
また、到達領域予測部16は、このような解析領域内の電磁波の伝播方向における屈折率分布の代わりに、解析領域内の屈折率を1であるとして、電磁波の到達領域の予測を行うこともできる。その理由は、上述したように、定義により真空の屈折率は1であり、1より小さい屈折率を持つ物質、すなわち媒質は存在しないし、また、空気の屈折率は1に近いので、解析領域内に真空や空気を含む場合には、特に、より簡単に、かつ、確実に、実際の到達領域を含む領域を予測できるからである。
なお、本発明においては、電磁波は、解析領域の一端から、ほぼ、解析領域の所定の軸方向へ伝播するものであるとするのが好ましい。もちろん、この場合には、電磁場計算部18は、この所定の軸方向に沿って電磁場の時間変化を計算する。
また、到達領域予測部16は、電磁波の到達領域の予測を、解析領域の一端から電磁波が伝播する伝播長を計算することにより行うのが好ましい。
なお、到達領域の予測の詳細および具体例については、後述する。
The arrival area prediction unit 16 may also predict the arrival area of the electromagnetic wave assuming that the refractive index in the analysis area is 1 instead of the refractive index distribution in the propagation direction of the electromagnetic wave in the analysis area. it can. The reason for this is that, as described above, the refractive index of the vacuum is 1 by definition, and there is no substance having a refractive index smaller than 1, that is, no medium, and the refractive index of air is close to 1. This is because a region including the actual reachable region can be predicted more easily and surely when a vacuum or air is included therein.
In the present invention, it is preferable that the electromagnetic wave propagates substantially from one end of the analysis region in a predetermined axial direction of the analysis region. Of course, in this case, the electromagnetic field calculation unit 18 calculates the time change of the electromagnetic field along the predetermined axial direction.
Moreover, it is preferable that the reach | attainment area | region prediction part 16 performs the prediction of the reach | attainment area of electromagnetic waves by calculating the propagation length which electromagnetic waves propagate from one end of an analysis area | region.
Details and specific examples of the prediction of the arrival area will be described later.
電磁場計算部18は、屈折率分布定義部12によって定義された計算モデルの屈折率分布および計算条件入力部14によって設定された計算条件に基づいて、FDTD法計算プログラムによって、マックスウエル方程式をパソコンやワークステーションなどのコンピュータで数値的に解くものであり、解析領域(解析空間)内の電磁場の時間的、空間的変化を計算する。
このとき、本発明においては、電磁場計算部18は、所定の計算ステップの電磁場計算を開始する前に、記憶部20に記憶されている予測到達領域と計算ステップとの関係から当該計算ステップにおいて計算すべき解析領域内の空間計算範囲を設定し、設定された空間計算範囲内において当該計算ステップの電磁場計算を実施する。または、電磁場計算部18は、所定の計算ステップの電磁場計算を開始する前に、記憶部20に記憶されている計算ステップと空間計算範囲との関係から、直接、当該計算ステップで計算すべき空間計算範囲を読み出し、読み出された空間計算範囲内において当該計算ステップの電磁場計算を実施しても良い。
The electromagnetic field calculation unit 18 uses the FDTD method calculation program to calculate the Maxwell equation based on the refractive index distribution of the calculation model defined by the refractive index distribution definition unit 12 and the calculation conditions set by the calculation condition input unit 14. It is numerically solved by a computer such as a workstation, and calculates temporal and spatial changes of the electromagnetic field in the analysis region (analysis space).
At this time, in the present invention, before starting the electromagnetic field calculation of the predetermined calculation step, the electromagnetic field calculation unit 18 performs the calculation in the calculation step based on the relationship between the predicted arrival area stored in the storage unit 20 and the calculation step. A spatial calculation range in the analysis region to be set is set, and the electromagnetic field calculation of the calculation step is performed within the set spatial calculation range. Alternatively, before starting the electromagnetic field calculation of a predetermined calculation step, the electromagnetic field calculation unit 18 directly determines the space to be calculated in the calculation step from the relationship between the calculation step stored in the storage unit 20 and the space calculation range. The calculation range may be read, and the electromagnetic field calculation of the calculation step may be performed within the read space calculation range.
すなわち、本発明においては、電磁場計算部18は、計算ステップ(j=N)における電磁場の計算を開始する前に、記憶部20に記憶されている予測到達領域(例えば、離散化層:i=1〜S0)と計算ステップ(t(i))との関係を書込/読出制御部22を介して読み出し、読み出した関係を用いて、計算ステップ(N)における予測到達領域(離散化層(i))を求める。具体的には、電磁場計算部18は、図2に示すような関係式またはLUTなどを読み出し、計算ステップ(N)より大きい計算ステップt(i)の中の最小の計算ステップt(S)、すなわち最小の離散化層Sを求め、離散化層1〜Sを計算ステップ(N)における空間計算範囲Sとして設定する。
なお、本発明において、電磁波の予測到達領域のみを空間計算範囲Sとして設定することができるのは、電磁場計算開始直後は、入射波が入射した直後であり、入射波が到達しない領域の電磁場は初期状態と同じ0のままであり、計算の必要がないため、省略できるからである。
この後、電磁場計算部18は、計算ステップ(N)における電磁場の計算を、離散化層1〜Sの空間計算範囲に制限して行う。その結果、本発明においては、計算ステップ(N)において、残りの離散化層S+1〜S0についての電磁場の計算を省略することができるので、電磁場計算部18による電磁場の計算量を低減し、この計算を高速化することができる。
That is, in the present invention, the electromagnetic field calculation unit 18 starts the calculation of the electromagnetic field in the calculation step (j = N), and the predicted arrival region (for example, discretization layer: i = 1 to S 0 ) and the calculation step (t (i)) are read out via the writing / reading control unit 22, and the predicted arrival region (discretization layer) in the calculation step (N) is read using the read relationship. (I)) is obtained. Specifically, the electromagnetic field calculation unit 18 reads out the relational expression or the LUT as shown in FIG. 2, and the minimum calculation step t (S) in the calculation step t (i) larger than the calculation step (N), That is, the minimum discretization layer S is obtained, and the discretization layers 1 to S are set as the spatial calculation range S in the calculation step (N).
In the present invention, it is possible to set only the predicted arrival region of the electromagnetic wave as the spatial calculation range S immediately after the start of the electromagnetic field calculation immediately after the incident wave is incident, and the electromagnetic field in the region where the incident wave does not reach is This is because it can be omitted because it remains 0 as in the initial state and does not require calculation.
Thereafter, the electromagnetic field calculation unit 18 performs the calculation of the electromagnetic field in the calculation step (N) by limiting to the spatial calculation range of the discretization layers 1 to S. As a result, in the present invention, in the calculation step (N), it is possible to omit the electromagnetic field calculations for the remaining discrete layer S + 1 to S 0, to reduce the calculation amount of the electromagnetic field by the electromagnetic field calculation unit 18, This calculation can be speeded up.
なお、電磁場計算部18が実施するFDTD法計算プログラムは、電磁場の物理現象を表すマックスウエル方程式をコンピュータで数値的に解くための1つの手法であり、電磁場が存在しない状態を初期状態とし、解析空間上に定めた励震部(波源)からの電磁波を入射させ、電磁場の時間変化を逐次更新しながら計算するシミュレーション手法である。(なお、FDTD法やFDTD法計算プログラムについては、「FDTD法による電磁界およびアンテナ解析」宇野 亨、コロナ社発行の文献を参照することができる。) The FDTD calculation program executed by the electromagnetic field calculation unit 18 is one method for numerically solving the Maxwell equation representing the physical phenomenon of the electromagnetic field by a computer. This is a simulation technique in which an electromagnetic wave from an excitation part (wave source) defined in space is incident and calculation is performed while sequentially updating the time change of the electromagnetic field. (For the FDTD method and the FDTD method calculation program, reference can be made to documents published by Satoshi Uno, Corona Co., Ltd., “Electromagnetic field and antenna analysis by FDTD method”.)
FDTD法やFDTD法計算プログラムについては、上記文献を始めとして、種々の従来公知の文献に開示された技術を用いれば良いので、詳細な説明は省略するが、以下に、本発明において適用されるFDTD法の一例について簡単に説明する。
FDTD法は、下記式(1)および(2)に示すマックスウェル方程式を、時間、空間方向に差分化した電磁場の数値計算手法である。
電磁場計算では、下記式(1)および(2)に示すマックスウェル方程式を、時間および空間を離散化して差分方程式、すなわち、下記式(3)および(4)に示す電磁場計算差分式(一例として電磁場の1成分のみが示されている)に変換する。
As for the FDTD method and the FDTD method calculation program, the techniques disclosed in various conventionally known documents including the above-mentioned documents may be used, and detailed description thereof will be omitted. An example of the FDTD method will be briefly described.
The FDTD method is a numerical calculation method of an electromagnetic field obtained by differentiating Maxwell's equations shown in the following formulas (1) and (2) in time and space directions.
In the electromagnetic field calculation, the Maxwell equation shown in the following equations (1) and (2) is converted into a difference equation by discretizing time and space, that is, the electromagnetic field calculation difference equation shown in the following equations (3) and (4) (as an example) Only one component of the electromagnetic field is shown).
本発明に適用されるFDTD法においては、図3に示すように、入射光(電場E、磁場Hの電磁波)が入射する解析空間(領域)をメッシュ状に分割して離散化し、解析空間の形状や材料に応じて、各格子(微小セル)点に、屈折率n(誘電率ε)を割り当てる。図3において、解析空間から1つの格子(単位セル)を抜き出して示すように、Yeeセルと呼ばれる1つの格子上の点に、電場および磁場のx,y,z成分、すなわち、Ex,Ey,Ez,Hx,Hy,Hzを定義する。 In the FDTD method applied to the present invention, as shown in FIG. 3, an analysis space (region) into which incident light (electromagnetic field E and magnetic field H) is incident is divided into a mesh shape and discretized. A refractive index n (dielectric constant ε) is assigned to each lattice (microcell) point according to the shape and material. In FIG. 3, as shown by extracting one lattice (unit cell) from the analysis space, x, y, z components of the electric and magnetic fields, that is, Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, and Hz are defined.
ここで、上記式(3)から明らかなように、磁場(磁界)の変化(差分)は、周りの電場(電界)の和および差の定数倍、すなわち、図4に示されるように、周りの電場が形成する渦の定数倍で表され、上記式(4)から明らかなように、電場の変化(差分)は、周りの磁場の和および差の定数倍、すなわち、図4に示されるように、周りの磁場が形成する渦の定数倍で表される。
このため、FDTD法では、各Yeeセルにおいて、ある時間の電場から磁場を上記式(3)で計算し、これで求まった磁場を上記式(4)に代入して、次の時間の電場を計算し、さらに、これで求まった電場を再び上記式(3)に代入して、磁場を計算する、あるいは、ある時間の磁場から電場を上記式(4)で計算し、これで求まった電場を上記式(3)に代入して次の時間の磁場を計算し、さらに、これで求まった磁場を再び上記式(4)に代入して、電場を計算する。
Here, as is clear from the above equation (3), the change (difference) in the magnetic field (magnetic field) is a constant multiple of the sum and difference of the surrounding electric fields (electric fields), that is, as shown in FIG. As shown in the above equation (4), the change (difference) in the electric field is represented by a constant multiple of the sum and difference of the surrounding magnetic fields, ie, FIG. Thus, it is expressed as a constant multiple of the vortex formed by the surrounding magnetic field.
For this reason, in the FDTD method, in each Yee cell, the magnetic field is calculated from the electric field at a certain time by the above equation (3), and the magnetic field obtained by this is substituted into the above equation (4) to obtain the electric field at the next time. Then, the electric field obtained by this is substituted again in the above equation (3) to calculate the magnetic field, or the electric field is calculated from the magnetic field of a certain time by the above equation (4), and the electric field obtained by this Is substituted into the above equation (3) to calculate the magnetic field for the next time, and the magnetic field obtained by this is substituted into the above equation (4) again to calculate the electric field.
FDTD法においては、一般的には、解析領域の全空間、本発明では、計算ステップ(j)における電磁波の予測到達領域に該当する解析領域の空間計算範囲の全Yeeセルについて計算を繰り返し行うことにより、電磁場の時間変化を計算することができる。すなわち、まず、ある時間の、解析空間における電場の空間分布から、半ステップ後の磁場の空間分布を計算する。引続き、この解析空間における磁場分布から、半ステップ後の電場を計算することで、1ステップ後の電場に更新される。このように、電場、磁場を交互に更新しながら、電磁場の時間変化を計算する。
したがって、FDTD法では、このように、電場と磁場とを交互に計算する計算手順(リープフロッグ(蛙飛び)アルゴリズム)を繰り返すことにより、電磁場の計算を時系列に沿って行うことができる。
In the FDTD method, generally, the calculation is repeatedly performed for the entire space of the analysis region, and in the present invention, all Yee cells in the space calculation range of the analysis region corresponding to the predicted arrival region of the electromagnetic wave in the calculation step (j). Thus, the time change of the electromagnetic field can be calculated. That is, first, the spatial distribution of the magnetic field after a half step is calculated from the spatial distribution of the electric field in the analysis space at a certain time. Subsequently, the electric field after the half step is calculated from the magnetic field distribution in the analysis space, and the electric field after one step is updated. In this way, the time change of the electromagnetic field is calculated while alternately updating the electric field and the magnetic field.
Therefore, in the FDTD method, the calculation of the electromagnetic field can be performed in time series by repeating the calculation procedure (leap frog algorithm) for alternately calculating the electric field and the magnetic field.
以上から、本発明では、FDTD法において、解析領域内に励震源(波源)を定め、入射波を与え、解析領域内の全空間の電磁場を0とした状態を初期(開始)状態として、上述した式(3)および(4)による計算を繰り返し行うことにより、入射波が、計算モデル内を伝搬する様子を計算することができる。
また、本発明では、入射波として、連続波を与え、変化が収束するまで計算を続ける、もしくは、パルス波を与えることもできる。また、本発明において、境界としては、吸収境界条件、周期境界条件などを設定することができる。
本発明においては、上述したように、FDTD法やFDTD法計算プログラムを適用することができる。
From the above, in the present invention, in the FDTD method, an excitation source (wave source) is determined in the analysis region, an incident wave is given, and the state in which the electromagnetic field in the entire space in the analysis region is zero is defined as the initial (start) state. By repeating the calculations according to the equations (3) and (4), it is possible to calculate how the incident wave propagates through the calculation model.
In the present invention, a continuous wave can be given as the incident wave, and the calculation can be continued until the change converges, or a pulse wave can be given. In the present invention, an absorption boundary condition, a periodic boundary condition, or the like can be set as the boundary.
In the present invention, as described above, the FDTD method and the FDTD method calculation program can be applied.
記憶部20は、到達領域予測部16によって計算ステップ(j)(j=1〜N0)または(t(i))と予測到達領域(例えば、離散化層:i=1〜S0)との関係などを、解析領域全体に亘る関係式や一次元LUTなどとして記憶保存するものである。あるいは、記憶部20は、計算ステップ(j)と空間計算範囲との関係などを、解析領域全体に亘る関係式や一次元LUTなどとして記憶保存しても良い。
書込/読出制御部22は、このような、計算ステップと予測到達領域または空間計算範囲などとの関係などを記憶部20に記憶保存させるために、そのような関係を示す関係式やLUTとして記憶部20に書き込むと共に、その書き込み制御を行い、かつ、電磁場計算部18によって記憶部20に記憶保存された予測された計算ステップと予測到達領域または空間計算範囲との関係を記憶部20から読み出すと共に、その読み出し制御を行うものである。
The storage unit 20 includes a calculation step (j) (j = 1 to N 0 ) or (t (i)) and a predicted arrival region (for example, a discretization layer: i = 1 to S 0 ) by the arrival region prediction unit 16. Are stored and saved as a relational expression over the entire analysis region, a one-dimensional LUT, or the like. Alternatively, the storage unit 20 may store and save the relationship between the calculation step (j) and the space calculation range as a relational expression over the entire analysis region, a one-dimensional LUT, or the like.
The write / read control unit 22 stores and saves the relationship between the calculation step and the predicted arrival area or the space calculation range in the storage unit 20 as a relational expression or LUT indicating such a relationship. In addition to writing to the storage unit 20, the writing control is performed, and the relationship between the predicted calculation step stored in the storage unit 20 and stored in the storage unit 20 by the electromagnetic field calculation unit 18 and the predicted arrival area or the spatial calculation range is read from the storage unit 20. At the same time, the readout control is performed.
計算結果出力部24は、電磁場計算部18による1つの計算モデルの電磁場計算終了後の後処理として、電磁場計算部18によって行われた解析領域内の磁場の内時間および空間分布の計算結果に基づいて、反射率、透過率、吸収率および遠方放射分布などの解析目的に応じた物理量を計算する。また、計算結果出力部24は、こうして計算された物理量や、電磁場の時間および空間分布などの計算結果を、表示デバイスのディスプレー上にグラフィック表示する機能などを備えていても良いし、プリンタでハードコピーを出力する機能などを備えていても良い。 The calculation result output unit 24 is based on the calculation result of the internal time and spatial distribution of the magnetic field in the analysis region performed by the electromagnetic field calculation unit 18 as post-processing after completion of the electromagnetic field calculation of one calculation model by the electromagnetic field calculation unit 18. Then, the physical quantities according to the analysis purpose such as reflectance, transmittance, absorptivity, and far-field radiation distribution are calculated. The calculation result output unit 24 may be provided with a function for displaying the calculated physical quantity and the calculation result such as the time and space distribution of the electromagnetic field on the display of the display device. A function of outputting a copy may be provided.
次に、図1に示す電磁場解析装置のハードウエア構成について説明する。
図5は、図1に示す電磁場解析装置のハードウエア構成の一実施例を示すブロック図である。
図5に示す電磁場解析装置30は、図1に示す電磁場解析装置10の機能的構成をハードウエア構成として持つもので、上述したように、図1に示す本発明の電磁場解析装置10を、パソコンやワークステーションなどのコンピュータなどで構成した場合の一実施例である。
Next, the hardware configuration of the electromagnetic field analyzer shown in FIG. 1 will be described.
FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of the hardware configuration of the electromagnetic field analysis apparatus shown in FIG.
The electromagnetic field analysis device 30 shown in FIG. 5 has the functional configuration of the electromagnetic field analysis device 10 shown in FIG. 1 as a hardware configuration. As described above, the electromagnetic field analysis device 10 of the present invention shown in FIG. This is an embodiment in the case of a computer such as a computer or a workstation.
図5に示す電磁場解析装置30は、解析領域や、屈折率や、計算条件などのデータの入力を行う入力装置32と、本発明の電磁場解析方法をコンピュータなどで実行するプログラム、FDTD法計算プログラムなどのプログラムや、解析領域、屈折率、計算条件などのデータを記憶した着脱可能なデータ記録媒体からデータを読み取り、またデータ記録媒体にデータを書き込む読取/書込装置34と、本発明の特徴とする解析領域内を伝播する電磁波の到達領域を予測し、時間または時間計算ステップと予測到達領域または空間計算範囲との関係を求め、または計算ステップと予測到達領域との関係から空間計算範囲を求めるなどの演算、FDTD法計算プログラムを実行して電磁場の時間的および空間的な変化を計算するなどの演算等の処理を行う、また、時間または時間計算ステップと予測到達領域または空間計算範囲との関係の書き込み/読み出しの制御を初めとして、全体を制御する演算処理装置(例えば、CPU)36と、本発明の特徴とする時間または時間計算ステップと予測到達領域または空間計算範囲との関係、FDTD法計算プログラムや、本発明の電磁場解析方法の実行プログラムなどのプログラムや、必要な計算条件などのデータを記憶するメモリ38と、計算結果等を表示する表示装置40と、計算結果等を記録する記録装置(プリンタ)42と、これらの各装置を接続するためのバス44とを有する。 An electromagnetic field analysis device 30 shown in FIG. 5 includes an input device 32 for inputting data such as an analysis region, a refractive index, and calculation conditions, a program for executing the electromagnetic field analysis method of the present invention on a computer, and the FDTD method calculation program. And a reading / writing device 34 that reads data from a removable data recording medium storing data such as a program such as analysis area, refractive index, and calculation conditions, and writes data to the data recording medium, and features of the present invention Predict the arrival area of the electromagnetic wave propagating in the analysis area and determine the relationship between the time or time calculation step and the prediction arrival area or spatial calculation range, or the spatial calculation range from the relationship between the calculation step and the prediction arrival area Calculations such as calculation and calculation of temporal and spatial changes of electromagnetic field by executing FDTD method calculation program And an arithmetic processing unit (for example, CPU) 36 for controlling the entire process including the control of writing / reading of the relationship between the time or the time calculation step and the predicted arrival area or the space calculation range, and the features of the present invention A memory for storing data such as a relationship between a time or a time calculation step and a predicted arrival area or a spatial calculation range, a program such as an FDTD calculation program, an execution program for an electromagnetic field analysis method of the present invention, and necessary calculation conditions 38, a display device 40 for displaying calculation results and the like, a recording device (printer) 42 for recording the calculation results and the like, and a bus 44 for connecting these devices.
ここで、入力装置32は、コンピュータ等のキーボードやマウスなどを含み、また、読取/書込装置34は、各種のデータ記録媒体(メディア)の読み書きをそれぞれ行うメディアドライブなどを含む。また、入力装置32および読取/書込装置34は、図1に示す電磁場解析装置10の複数の計算モデルに対する屈折率の空間分布を定義する屈折率分布定義部12および解析領域を含む電磁場計算に必要となる条件を設定するために計算条件(例えば、全空間離散化層数(S0)や、全時間計算ステップ数(N0))を入力する計算条件入力部14としての機能を含む。
また、演算処理装置36は、例えば、コンピュータ等のCPU(中央処理ユニット)などで構成され、時間または時間計算ステップと解析領域内の電磁波の予測到達領域または空間計算範囲との関係を予測して求める到達領域予測部16およびFDTD法プログラムを実行してマックスウエル方程式を数値的に解く電磁場計算部18、ならびに上記関係の記憶部20への書き込および記憶部20からの上記関係の読み出しを制御して行う書込/読出制御部22としての機能を含む。なお、演算処理装置36は、電磁場計算部18による電磁場計算後の目的に応じた物理量の算出などの計算結果出力部24の機能を備えていても良い。
Here, the input device 32 includes a keyboard and a mouse such as a computer, and the read / write device 34 includes a media drive that reads and writes various data recording media. Further, the input device 32 and the reading / writing device 34 perform the electromagnetic field calculation including the refractive index distribution defining unit 12 and the analysis region for defining the spatial distribution of the refractive index for a plurality of calculation models of the electromagnetic field analysis device 10 shown in FIG. A function as a calculation condition input unit 14 for inputting calculation conditions (for example, the total number of discretization layers (S 0 ) and the total number of time calculation steps (N 0 )) in order to set necessary conditions is included.
The arithmetic processing unit 36 is constituted by a CPU (Central Processing Unit) such as a computer, for example, and predicts the relationship between the time or time calculation step and the predicted arrival area or space calculation range of the electromagnetic wave in the analysis area. Controls the reaching region prediction unit 16 to be obtained and the electromagnetic field calculation unit 18 that numerically solves the Maxwell equation by executing the FDTD method program, and the writing of the relationship to the storage unit 20 and the reading of the relationship from the storage unit 20 The function as the writing / reading control unit 22 performed in this manner is included. Note that the arithmetic processing unit 36 may include a function of the calculation result output unit 24 such as calculation of a physical quantity according to the purpose after the electromagnetic field calculation by the electromagnetic field calculation unit 18.
メモリ38は、コンピュータ等のハードディスクや、各種の内蔵または外付けのメモリを含み、時間または時間計算ステップと解析領域内の電磁波の予測到達領域または空間計算範囲との関係や、計算ステップの前のステップの電磁場のデータ(時間、空間分布)などを記憶保存する記憶部20としての機能を含む。
また、表示装置40は、計算結果などを表示画面に表示するためのもので、コンピュータなどの液晶表示デバイスやCRTなどのディスプレーやモニタを含み、また、記録装置42は、計算結果などを紙などに記録したハードコピーを出力するためのもので、いわゆるプリンタを含む。表示装置40および記録装置(プリンタ)42は、解析領域の一端面から初期状態で開始され、他端面で終了した全空間を伝播した電磁場の計算結果を出力する計算結果出力部24としての機能を持つ。
The memory 38 includes a hard disk such as a computer and various built-in or external memories, and the relationship between the time or time calculation step and the predicted arrival area or space calculation range of the electromagnetic wave in the analysis region, and before the calculation step. A function as a storage unit 20 for storing and saving step electromagnetic field data (time, spatial distribution) and the like is included.
The display device 40 is for displaying calculation results on a display screen, and includes a liquid crystal display device such as a computer, a display such as a CRT, and a monitor. The recording device 42 displays the calculation results and the like on paper. Output a hard copy recorded on the printer, including a so-called printer. The display device 40 and the recording device (printer) 42 have a function as a calculation result output unit 24 that outputs a calculation result of an electromagnetic field that has propagated through the entire space started from one end face of the analysis region and ended at the other end face. Have.
本発明の波動場解析装置が適用される電磁場解析装置は、基本的に以上のような機能的構成およびハードウエア構成を有するものであるが、以下に、上述した電磁場解析装置の作用および電磁場解析の実施例を説明することにより、本発明の波動場解析方法が適用される電磁場解析方法を説明する。
図6は、本発明の波動場解析方法が適用される電磁場解析方法の一例を示すフローチャートである。なお、図6に示す電磁場解析方法は、図1に示す電磁場解析装置によって実施されるものである。
The electromagnetic field analysis device to which the wave field analysis device of the present invention is applied basically has the above-described functional configuration and hardware configuration. Hereinafter, the operation and electromagnetic field analysis of the electromagnetic field analysis device described above will be described. The electromagnetic field analysis method to which the wave field analysis method of the present invention is applied will be described by explaining the embodiment.
FIG. 6 is a flowchart showing an example of an electromagnetic field analysis method to which the wave field analysis method of the present invention is applied. The electromagnetic field analysis method shown in FIG. 6 is carried out by the electromagnetic field analysis apparatus shown in FIG.
以下では、図7に示すような、ガラス基板52上に配置されるシリンドリカルレンズアレー54が空気56中に存在する場合に、入射光が、空気層56に入射し、空気層56、シリンドリカルレンズアレー54およびガラス基板52を順次伝播する計算モデル50を実施例とする。なお、この計算モデル50においては、空気層56の厚みは、屈折率nは1(n=1)であり、シリンドリカルレンズアレー54の各シリンドリカルレンズ54aの頂点において1μmであり、その基部(隣接するシリンドリカルレンズ54aの接続部)において2μmである。すなわち、この計算モデル50においては、各シリンドリカルレンズ54aは、屈折率nが1.5(n=1.5)ある、半径1μmの半円筒形状の部材であり、屈折率nが1.5(n=1.5)である、厚さ3μmのガラス基板上に接続されている。なお、この計算モデル50では、紙面に垂直な方向には、同じ構造が無限に連続すると仮定する。 In the following, when a cylindrical lens array 54 arranged on the glass substrate 52 as shown in FIG. 7 is present in the air 56, incident light is incident on the air layer 56, and the air layer 56, cylindrical lens array. A calculation model 50 that sequentially propagates 54 and the glass substrate 52 is taken as an example. In this calculation model 50, the thickness of the air layer 56 has a refractive index n of 1 (n = 1), 1 μm at the apex of each cylindrical lens 54a of the cylindrical lens array 54, and its base (adjacent). 2 μm at the connecting portion of the cylindrical lens 54a). That is, in this calculation model 50, each cylindrical lens 54a is a semi-cylindrical member with a refractive index n of 1.5 (n = 1.5) and a radius of 1 μm, and a refractive index n of 1.5 ( n = 1.5), and connected to a glass substrate having a thickness of 3 μm. In the calculation model 50, it is assumed that the same structure is infinitely continuous in a direction perpendicular to the paper surface.
本実施例では、本計算モデル50の解析領域50aとして、図8に示すように、シリンドリカルレンズアレー54を構成する1つのシリンドリカルレンズ54aを含み、その上部に空気層56aが存在し、シリンドリカルレンズ54aの下部にガラス基板52aが存在する2μm×5μmの空間を設定する。この解析領域50aにおいては、紙面に垂直な方向には、同じ構造が無限に連続すると仮定した周期境界条件を設定し、上限方向の境界には吸収境界条件を設定する。
なお、以下では、図7および8に示すような、ガラス基板52に支持され、空気中に存在するシリンドリカルレンズアレー54に空気層56から入射光が入射して伝播する計算モデル50および解析領域50aを代表例として説明を行なうが、本発明はこれに限定されないことはいうまでもないことである。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the analysis region 50a of the calculation model 50 includes one cylindrical lens 54a constituting a cylindrical lens array 54, and an air layer 56a exists above the cylindrical lens 54a, and the cylindrical lens 54a. A space of 2 μm × 5 μm in which the glass substrate 52a exists is set in the lower part of the screen. In this analysis region 50a, a periodic boundary condition is set in the direction perpendicular to the paper surface, assuming that the same structure is infinitely continuous, and an absorbing boundary condition is set at the boundary in the upper limit direction.
In the following, as shown in FIGS. 7 and 8, a calculation model 50 and an analysis region 50a in which incident light is incident on a cylindrical lens array 54 supported by a glass substrate 52 and exists in the air and propagates from the air layer 56 are transmitted. However, it goes without saying that the present invention is not limited to this.
まず、図6に示す電磁場解析方法においては、FDTD法計算プログラムを用いて電磁場計算を行うものであるが、そのステップS100において、図1に示す装置10の屈折率分布定義部12によって、2μm×5μmの解析領域(空間)50aに対して、その各領域が異なる屈折率を持つ屈折率の空間分布が定義される。
例えば、図8に示すように、2μm×5μmの解析領域(空間)50aでは、上部の最小厚み1μmの空気層56aでは、屈折率nが1.0となり、その下の半径1μmの半円筒形状のシリンドリカルレンズ54aで、屈折率nが1.5となり、シリンドリカルレンズ54aを支持する下部の厚さ3μmのガラス基板では、屈折率nが1.5となる屈折率分布が定義される。
First, in the electromagnetic field analysis method shown in FIG. 6, the electromagnetic field calculation is performed using the FDTD method calculation program. In step S100, the refractive index distribution defining unit 12 of the apparatus 10 shown in FIG. For a 5 μm analysis region (space) 50a, a spatial distribution of refractive indexes having different refractive indexes in each region is defined.
For example, as shown in FIG. 8, in the analysis region (space) 50a of 2 μm × 5 μm, the air layer 56a with the minimum thickness of 1 μm at the upper part has a refractive index n of 1.0, and a semi-cylindrical shape with a radius of 1 μm below it. In the cylindrical lens 54a, the refractive index n is 1.5, and the refractive index distribution in which the refractive index n is 1.5 is defined in the lower 3 μm thick glass substrate that supports the cylindrical lens 54a.
また、ステップS102において、計算条件入力部14によって、解析領域50aの計算範囲として2μm×5μmの解析領域(空間)50a、空間離散化方法として、空間グリッドΔdが20nmに設定され、したがって、Yeeセルとして20nm×20nm×20nmの単位セル(格子)が設定される。
また、入射光(電磁波)条件として、解析領域50aの一端面(図7および図8中、計算モデル50および解析領域50aの空気層56aの上側端面)を励震部58とし、励震部58から波長500nmの平面波が連続波として入射され、解析領域50aの空気層56aの上側端面からガラス基板52aの下側端面まで伝播することが設定される。
したがって、電磁波が伝播する解析領域50aの上側端面から下側端面に向かう進行方向と直交する方向においては、電磁波は一様であるので、解析領域50aでは、電磁波の到達を予測する予測到達領域として、進行方向において20nmの空間グリッドΔdを持つ空間離散化層を250層(全空間離散化層数S0=250)に設定することができる。
また、その他の計算条件として、紙面に垂直な方向には、上述した周期境界条件を設定し、上限方向の境界には上述した吸収境界条件が設定される。
In step S102, the calculation condition input unit 14 sets the analysis region (space) 50a of 2 μm × 5 μm as the calculation range of the analysis region 50a, and the spatial grid Δd is set to 20 nm as the spatial discretization method. As a unit cell (lattice) of 20 nm × 20 nm × 20 nm is set.
Further, as an incident light (electromagnetic wave) condition, one end surface of the analysis region 50a (the upper end surface of the air layer 56a in the calculation model 50 and the analysis region 50a in FIGS. 7 and 8) is used as the excitation unit 58. A plane wave having a wavelength of 500 nm is incident as a continuous wave and propagates from the upper end surface of the air layer 56a in the analysis region 50a to the lower end surface of the glass substrate 52a.
Accordingly, since the electromagnetic wave is uniform in the direction orthogonal to the traveling direction from the upper end surface to the lower end surface of the analysis region 50a in which the electromagnetic wave propagates, the analysis region 50a has a predicted arrival region for predicting the arrival of the electromagnetic wave. The spatial discretization layer having a spatial grid Δd of 20 nm in the traveling direction can be set to 250 (total spatial discretization layer number S 0 = 250).
As other calculation conditions, the above-described periodic boundary condition is set in the direction perpendicular to the paper surface, and the above-described absorption boundary condition is set in the upper limit direction boundary.
また、ステップS102において、初期状態として、解析領域50aの全空間の電磁場が0に設定され、本発明の電磁場計算部18によるの計算開始と同時に励震部58による励震を開始するように設定される。
さらに、本発明の電磁場計算において、FDTD法計算プログラムで電磁場を更新する1計算ステップ(j)当たりの時間をΔtとする。Δtは、クーラン条件と呼ばれる上限値以下に設定される定数であり、本実施例では、例えば、Δt=0.02978[fs/step]に設定され、全計算ステップ数N0は、1000[step]に設定される。
こうして、ステップS102においては、必要な計算条件が入力される。
ここで、ステップS100とステップS102とは、いずれを先に行っても良いし、同時に行っても良い。これらのステップS100およびS102によって、電磁場計算を開始する前に、まず、各計算モデルについて、電磁場計算の対象となる解析領域の屈折率の空間分布の定義および必要な計算条件の設定がなされる。
In step S102, as an initial state, the electromagnetic field in the entire space of the analysis region 50a is set to 0, and the excitation by the excitation unit 58 is set to start simultaneously with the calculation by the electromagnetic field calculation unit 18 of the present invention. Is done.
Furthermore, in the electromagnetic field calculation of the present invention, the time per one calculation step (j) for updating the electromagnetic field by the FDTD method calculation program is Δt. Δt is a constant set below the upper limit value called the Courant condition. In this embodiment, for example, Δt = 0.02978 [fs / step], and the total number of calculation steps N 0 is 1000 [step]. ] Is set.
Thus, in step S102, necessary calculation conditions are input.
Here, either step S100 or step S102 may be performed first or simultaneously. Through these steps S100 and S102, before starting the electromagnetic field calculation, first, for each calculation model, the definition of the spatial distribution of the refractive index of the analysis region to be subjected to the electromagnetic field calculation and the setting of the necessary calculation conditions are made.
次に、電磁場計算部18によって電磁場計算を開始する前に、ステップS104において、到達領域予測部部16によって時間計算ステップ(j)毎の電磁波の到達領域を予測する。
具体的には、到達領域予測部部16では、まず、図8に示す解析領域50aにおいて、入射波の進行方向を横断する格子の面(i)毎に、屈折率の最小値 n(i)を求める。その結果、励震部58から1μmまでの1μmの厚みの領域、すなわちi=1〜50[grid](空間離散化層として、i=0〜49層)には、空気層56aのみが存在するので、屈折率の最小値 n(i)は1.0となる。次に、励震部58から1μm〜2μmまでの1μmの厚みの領域(i=50〜99層)には、屈折率n=1.5のシリンドリカルレンズ54aと屈折率n=1.0の空気層56aとが混在するので、この領域の屈折率の最小値 n(i)も1.0となる。次に、励震部58から2μm〜5μmまでの3μmの厚みの領域(i=100〜250層)には、屈折率n=1.5のガラス基板のみが存在するので、この領域の屈折率の最小値 n(i)は1.5となる。
すなわち、解析領域50aにおいて、i=0〜99では、n(i)=1.0であり、i=100〜250では、n(i)=1.5となる。
Next, before the electromagnetic field calculation is started by the electromagnetic field calculation unit 18, the arrival region of the electromagnetic wave is predicted for each time calculation step (j) by the arrival region prediction unit 16 in step S104.
Specifically, in the arrival area prediction unit 16, first, in the analysis area 50a shown in FIG. 8, the minimum value n (i) of the refractive index for each plane (i) of the grating crossing the traveling direction of the incident wave. Ask for. As a result, only the air layer 56a exists in a region having a thickness of 1 μm from the excitation portion 58 to 1 μm, i.e., i = 1 to 50 [grid] (i = 0 to 49 layers as a spatial discretization layer). Therefore, the minimum value n (i) of the refractive index is 1.0. Next, a cylindrical lens 54a with a refractive index n = 1.5 and air with a refractive index n = 1.0 are provided in a region (i = 50-99 layers) having a thickness of 1 μm to 2 μm from the excitation portion 58. Since the layer 56a is mixed, the minimum value n (i) of the refractive index in this region is also 1.0. Next, since there is only a glass substrate having a refractive index n = 1.5 in the 3 μm thick region (i = 100 to 250 layers) from the excitation part 58 to 2 μm to 5 μm, the refractive index of this region is The minimum value n (i) is 1.5.
That is, in the analysis region 50a, when i = 0 to 99, n (i) = 1.0, and when i = 100 to 250, n (i) = 1.5.
次に、各面(各空間離散化層)(i)までの最速到達計算ステップt(i)を下記式(5)に従って計算する。
こうして得られた空間離散化層数(i)と、時間計算ステップt(i)とをプロットすると、概略、図2に点線で示す関係が得られる。ここで、S0=250、N0=1000である。
ステップS106において、このようにステップS104で得られた図2に点線で示す時間計算ステップと空間離散化層数との関係は、LUTや関係式などとして、書込/読出制御部22によって記憶部20に記憶保存される。
When the spatial discretization layer number (i) obtained in this way and the time calculation step t (i) are plotted, the relationship schematically shown by the dotted line in FIG. 2 is obtained. Here, S 0 = 250 and N 0 = 1000.
In step S106, the relationship between the time calculation step indicated by the dotted line in FIG. 2 obtained in step S104 and the number of spatial discretization layers is stored in the storage unit by the write / read control unit 22 as an LUT or a relational expression. 20 is stored and saved.
次に、ステップS108において、j=1として、電磁場計算部18は、計算ステップ(j=1)における電磁場の計算を開始する前に、まず、記憶部20に記憶保存されている図2に点線で示す計算ステップと空間離散化層数との関係を読み出し、計算ステップ(j=1)における空間計算範囲Sを設定する。
なお、本発明において、電磁波の予測到達領域のみを空間計算範囲Sとして設定することができるのは、電磁場計算の初期段階では、入射波は十分に伝播しておらず、入射波が到達しない領域の電磁場は、初期状態と同じ0のままであり、計算の必要がないため、省略可能だからである。その結果、本発明においては、以下の電磁場計算部18による電磁場の計算量を低減し、この計算を高速化することができる。
Next, in step S108, j = 1 is set, and the electromagnetic field calculation unit 18 first stores the dotted line in FIG. 2 stored in the storage unit 20 before starting the calculation of the electromagnetic field in the calculation step (j = 1). Is read out, and the spatial calculation range S in the calculation step (j = 1) is set.
In the present invention, only the predicted arrival area of the electromagnetic wave can be set as the spatial calculation range S because the incident wave is not sufficiently propagated in the initial stage of the electromagnetic field calculation and the incident wave does not reach. This is because the electromagnetic field of 0 remains 0, which is the same as the initial state, and does not need to be calculated. As a result, in the present invention, the amount of calculation of the electromagnetic field by the following electromagnetic field calculation unit 18 can be reduced, and this calculation can be speeded up.
なお、ここでは、一般的に、計算ステップ(j=N)における空間計算範囲Sの設定について具体的に説明する。
すなわち、本発明においては、電磁場計算部18は、計算ステップ(j=N)における電磁場の計算を開始する前に、図2に示す空間離散化層数(予測到達領域:i=1〜S0)と計算ステップ(t(i))との関係を記憶部20から読み出す。
図2において、Nt<(i)を満たす最小の計算ステップt(S)求め、離散化層1〜Sを計算ステップ(N)における空間計算範囲(S)として設定する。
こうして設定された解析領域50a内の空間計算範囲(S)60を図9に示す。
なお、空間計算範囲(S)60の外側のi=S+1層目からS0層目までは、光速の限界で、入射波が到達し得ないため、全ての電磁場が0であり、計算の必要はない。
なお、N≧t(S0)となった場合には、解析領域50a内の全領域を空間計算範囲(S)として設定し、解析領域50a内の全領域を計算する。
Here, in general, the setting of the space calculation range S in the calculation step (j = N) will be specifically described.
That is, in the present invention, before starting the calculation of the electromagnetic field in the calculation step (j = N), the electromagnetic field calculation unit 18 has the number of spatial discretization layers (predicted arrival region: i = 1 to S 0) shown in FIG. ) And the calculation step (t (i)) are read from the storage unit 20.
In FIG. 2, the minimum calculation step t (S) satisfying Nt <(i) is obtained, and the discretization layers 1 to S are set as the spatial calculation range (S) in the calculation step (N).
FIG. 9 shows the spatial calculation range (S) 60 in the analysis region 50a set in this way.
Note that the i = S + 1 layer of outer space calculation range (S) 60 to S 0 th layer, at the speed of light limits, the incident wave can not reach all the electromagnetic field is 0, necessary for calculation There is no.
When N ≧ t (S 0 ), the entire region in the analysis region 50a is set as the space calculation range (S), and the entire region in the analysis region 50a is calculated.
次に、ステップS110において、i=1として、電磁場計算部18によって、図9に示すステップS108で設定された空間計算範囲(S)60の1層目(i=1)の電磁場を計算する。
なお、ここでは、一般的に、設定空間計算範囲(S)60のi層目(i)の電磁場の計算について具体的に説明する。
すなわち、電磁場計算部18によって、図9に示すステップS108で設定された空間計算範囲(S)60について、まず、解析領域50aのi層目(i)の計算ステップ(N−1)の電磁場に基づいて計算ステップ(N)の電磁場の変化を計算し、計算ステップ(N)における電磁場を計算する。
Next, in step S110, assuming that i = 1, the electromagnetic field calculation unit 18 calculates the electromagnetic field of the first layer (i = 1) in the spatial calculation range (S) 60 set in step S108 shown in FIG.
Here, generally, the calculation of the electromagnetic field of the i-th layer (i) of the set space calculation range (S) 60 will be specifically described.
That is, the electromagnetic field calculation unit 18 first converts the spatial calculation range (S) 60 set in step S108 shown in FIG. 9 into the electromagnetic field of the calculation step (N-1) of the i-th layer (i) of the analysis region 50a. Based on this, the change of the electromagnetic field in the calculation step (N) is calculated, and the electromagnetic field in the calculation step (N) is calculated.
電磁場計算部18によって、図8および図9に示す解析領域50aについて、屈折率の空間分布の定義および必要な計算条件に基づいて、FDTD法計算プログラムを用いて、電磁場が存在しない状態を初期状態とし、解析領域の上端面に定めた励震部54からの入射光を入射させ、マックスウェル方程式をコンピュータで数値的に解き、設定空間計算範囲(S)の電磁場の計算を行い、設定空間計算範囲(S)の電磁場の時間的、空間的変化を計算する。 The analysis field 50a shown in FIG. 8 and FIG. 9 is made into an initial state by the electromagnetic field calculation unit 18 using the FDTD method calculation program based on the definition of the spatial distribution of refractive index and the necessary calculation conditions. The incident light from the excitation part 54 determined at the upper end surface of the analysis area is incident, the Maxwell equation is numerically solved by a computer, the electromagnetic field in the set space calculation range (S) is calculated, and the set space calculation is performed. Calculate temporal and spatial changes of the electromagnetic field in the range (S).
なお、電磁場計算部18による電磁場の計算では、解析領域50aの全空間の電磁場が0の状態を開始状態として計算を進める。電磁場計算部18では、励震部58で与えた入射光(電磁波)が、徐々に解析空間50a内を伝播して行くので、シリンドリカルレンズ54aに当たっても、シリンドリカルレンズ54aによる収束を計算できる。電磁場計算部18では、設定空間計算範囲(S)や全時間計算ステップ(N0)などのように、一定の計算ステップ、もしくは、計算の収束状態の判定条件など終了条件を満たした段階で計算を終了させる。 In the calculation of the electromagnetic field by the electromagnetic field calculation unit 18, the calculation proceeds with the state where the electromagnetic field in the entire space of the analysis region 50a is 0 as the start state. In the electromagnetic field calculation unit 18, since the incident light (electromagnetic wave) given by the excitation unit 58 gradually propagates in the analysis space 50a, the convergence by the cylindrical lens 54a can be calculated even if it hits the cylindrical lens 54a. In the electromagnetic field calculation unit 18, calculation is performed at a stage where a certain calculation step or an end condition such as a determination condition of a convergence state of the calculation is satisfied, such as a set space calculation range (S) and a full-time calculation step (N 0 ). End.
次に、ステップS112において、全空間計算範囲(S)の計算が終了したか否か、すなわち、i≧Sを満足するか否かを判断する。全空間計算範囲(S)の計算が終了していなければ(図示例では、i<Sであれば)、No:i=i+1として、ステップS110に戻り、同様にして、空間計算範囲(S)60の(i+1)層目の電磁場を計算することを、全空間計算範囲(S)の計算が終了するまで繰り返す。
一方、全空間計算範囲(S)の計算が終了していれば(図示例では、i≧Sを満足すれば)、YesとしてステップS114に抜け出す。
Next, in step S112, it is determined whether or not the calculation of the entire space calculation range (S) is completed, that is, whether or not i ≧ S is satisfied. If the calculation of the entire space calculation range (S) has not been completed (in the illustrated example, i <S), No: i = i + 1 is set, and the process returns to step S110, and similarly, the space calculation range (S) The calculation of the electromagnetic field of the 60th (i + 1) layer is repeated until the calculation of the entire space calculation range (S) is completed.
On the other hand, if the calculation of the entire space calculation range (S) has been completed (in the illustrated example, if i ≧ S is satisfied), the process returns to step S114 as Yes.
次に、ステップS114において、全計算ステップ(N0)の計算が終了したか否か、すなわち、j≧N0を満足するか否かを判断する。全計算ステップ(N0)の計算が終了していなければ(図示例では、j<N0であれば)、No:j=j+1として、ステップS108に戻り、同様にして、計算ステップ(j+1)における空間計算範囲(S)を新たに設定し、ステップS110およびS112において、空間計算範囲Sについて、i=1層目〜S層目まで、電磁場計算部18によって電磁場を計算することを全空間計算範囲(S)の計算が終了するまで繰り返し、全空間計算範囲(S)の計算が終了した時点で、再びステップS114に抜け出す。こうして、全計算ステップ(N0)の各空間計算範囲における電磁場の計算が終了するまで、ステップS108、ステップS110、S112およびS114を繰り返す。 Next, in step S114, it is determined whether or not the calculation of all the calculation steps (N 0 ) is completed, that is, whether or not j ≧ N 0 is satisfied. If the calculation of all the calculation steps (N 0 ) has not been completed (in the illustrated example, if j <N 0 ), No: j = j + 1 is set, and the process returns to step S108. Similarly, the calculation step (j + 1) The space calculation range (S) is newly set, and in steps S110 and S112, the calculation of the electromagnetic field by the electromagnetic field calculation unit 18 is performed for the space calculation range S from i = 1 to S layers. The process is repeated until the calculation of the range (S) is completed, and when the calculation of the entire space calculation range (S) is completed, the process returns to step S114 again. In this way, steps S108, S110, S112, and S114 are repeated until the calculation of the electromagnetic field in each spatial calculation range of all the calculation steps (N 0 ) is completed.
なお、ある時間計算ステップ(N)以降では、N≧t(S0)となるので、解析領域50a内の全領域を空間計算範囲(S)として設定し、電磁場計算部18によって解析領域50a内の全領域が計算される。
一方、全計算ステップ(N0)の計算が終了していれば(図示例では、j≧N0を満足すれば)、YesとしてステップS116に抜け出す。
Since N ≧ t (S 0 ) after a certain time calculation step (N), the entire region in the analysis region 50a is set as the space calculation range (S), and the electromagnetic field calculation unit 18 sets the region in the analysis region 50a. Is calculated.
On the other hand, if the calculation of all the calculation steps (N 0 ) has been completed (in the illustrated example, if j ≧ N 0 is satisfied), the process goes to step S116 as Yes.
次に、ステップS116において、計算後処理として、こうして計算された電磁場の時間、空間分布に基づいて、解析目的に応じた物理量を計算する。また、計算結果出力部24において、計算結果を、表示デバイスのディスプレー上にグラフィック表示したり、プリンタにハードコピー出力する。
次に、ステップS118(END)において、1つ計算モデル50の解析領域50aについての電磁場計算が終了する。
Next, in step S116, as post-calculation processing, a physical quantity corresponding to the analysis purpose is calculated based on the time and space distribution of the electromagnetic field thus calculated. Further, the calculation result output unit 24 displays the calculation result on the display of the display device as a graphic or outputs it to a printer as a hard copy.
Next, in step S118 (END), the electromagnetic field calculation for the analysis region 50a of one calculation model 50 ends.
このようにして、本実施例において、1つの計算モデル50の解析領域50aについて行われた計算結果を、伝播ステップ数が50(N=50step)毎に、図10(a),(b)および(c)に示す。なお、図10(d)には、計算モデル50の解析領域50aのサイズを具体的に示す。
また、本実施例において求めた時間計算ステップ数(t(i),N)[step]と、空間計算範囲(計算領域)[grid]との関係を示すグラフを図11に示す。この図11に示すグラフは、図2に示すグラフと同様であるが、図11においては、グラフの上側の面積が計算量の削減割合を示している点で異なっている。
In this way, in the present embodiment, the calculation results performed on the analysis region 50a of one calculation model 50 are shown in FIGS. 10A, 10B, and 10B for every 50 propagation steps (N = 50 steps). Shown in (c). FIG. 10D specifically shows the size of the analysis region 50a of the calculation model 50.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the number of time calculation steps (t (i), N) [step] obtained in this embodiment and the space calculation range (calculation area) [grid]. The graph shown in FIG. 11 is the same as the graph shown in FIG. 2 except that the area on the upper side of the graph shows the reduction rate of the calculation amount.
これらの図から、初期段階では(0計算ステップから約730ステップ目までの間では)、解析領域50a内に、入射光が到達していない領域が存在し、その電磁場は0であるので、それらの計算ステップにおいては、入射光が到達していない領域の電磁場の計算を省略できるので、図10(a)0計算ステップから700ステップ目までの実線で囲まれた計算省略部分の電磁場の計算を省略できる。
その結果、図11に示す例においては、削減された計算量を示すグラフの上側の面積が全体の計算量を示す全面積に対する割合が約30%を示しており、約30%の計算量削減率を達成することができる。
From these figures, in the initial stage (between 0 calculation step and about 730 step), there is a region where the incident light does not reach in the analysis region 50a, and its electromagnetic field is zero. In this calculation step, the calculation of the electromagnetic field in the region where the incident light does not reach can be omitted. Therefore, the calculation of the electromagnetic field in the calculation omitted portion surrounded by the solid line from the 0 calculation step to the 700th step in FIG. Can be omitted.
As a result, in the example shown in FIG. 11, the upper area of the graph indicating the reduced calculation amount indicates that the ratio to the total area indicating the entire calculation amount is about 30%, and the calculation amount reduction is about 30%. Rate can be achieved.
上述した計算例によれば、屈折率が低く、入射光の伝搬速度の速い領域を通過した光に対して、入射光の到達ステップを計算しているため、計算初期の各ステップにおいて、必要最小限の計算領域を設定することができ、未到達領域の電磁場計算を省略することで、計算量を低減し、高速化することができる。
なお、上述した実施例では、解析領域内の屈折率分布から入射波の進行方向と直交する面内の最小屈折率を求めて、入射波の到達領域の予測計算や、未到達領域の予測計算を行っているが、本発明はこれに限定されず、単純に、全領域を空気と仮定して、上述した入射波の到達領域の予測計算や、未到達領域の予測計算を行なうことも可能である。通常の媒質の屈折率nは、1以上(n≧1)であり、空気と仮定しておけば、屈折率条件は十分満足する。高屈折率が存在する場合に、必要以上の計算を要するが、処理をより簡便にできる。
According to the calculation example described above, the arrival step of incident light is calculated for light that has passed through a region having a low refractive index and a high propagation speed of incident light. The limit calculation area can be set, and the calculation amount can be reduced and the speed can be increased by omitting the electromagnetic field calculation in the unreached area.
In the above-described embodiment, the minimum refractive index in the plane orthogonal to the traveling direction of the incident wave is obtained from the refractive index distribution in the analysis region, and the prediction calculation of the arrival region of the incident wave and the prediction calculation of the unreached region are performed. However, the present invention is not limited to this, and it is possible to simply perform the above-described prediction calculation of the arrival area of the incident wave and the prediction calculation of the non-arrival area assuming that the entire area is air. It is. The refractive index n of a normal medium is 1 or more (n ≧ 1), and the refractive index condition is sufficiently satisfied if air is assumed. When a high refractive index exists, more calculations than necessary are required, but the processing can be simplified.
上述したように、本発明は、入射波が所定方向に進行する計算モデルにおける入射波未到達の領域の計算量の削減による計算の効率化についての技術であり、上述した光学、通信、半導体、検出素子、構造物などの技術分野に適用可能なことはもちろんである。 As described above, the present invention is a technique for improving the efficiency of calculation by reducing the amount of calculation of the area where the incident wave has not yet reached in the calculation model in which the incident wave travels in a predetermined direction. Of course, the present invention can be applied to technical fields such as detection elements and structures.
なお、上述した波動場解析方法は、予め用意されたプログラムをパーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することによっても実現されるものである。このプログラムは、波動場解析方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、ハードディスク、フロッピーディスク、CD−ROM、MO、DVD等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行される。またこのプログラムは、上記記録媒体を介して、インターネット等のネットワークを介して配布することができる。 The wave field analysis method described above can also be realized by executing a prepared program on a computer such as a personal computer or a workstation. This program is a program for causing a computer to execute the wave field analysis method, and is recorded on a computer-readable recording medium such as a hard disk, a floppy disk, a CD-ROM, an MO, or a DVD, and is read from the recording medium by the computer. Is executed by. The program can be distributed via the recording medium and a network such as the Internet.
以上、本発明に係る波動場解析方法および装置ならびに波動場解析方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体について詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。 As described above, the wave field analysis method and apparatus according to the present invention and the computer-readable recording medium storing the program for causing the computer to execute the wave field analysis method have been described in detail. However, the present invention is limited to the above embodiments. However, various improvements and changes may be made without departing from the scope of the present invention.
10,30 電磁場解析装置
12 屈折率分布定義部
14 計算条件入力部
16 到達領域予測部
18 電磁場計算部
20 記憶部
22 書込/読出(制御)部
24 計算結果出力部
32 入力装置
34 読取/書込装置
36 演算処理装置(CPU)
38 メモリ
40 表示装置
42 記録装置(プリンタ)
44 バス
50 計算モデル
50a 解析領域
52,52a ガラス基板
54 シリンドリカルレンズアレー
54a シリンドリカルレンズ
56,56a 空気層
58 励震部(波源)
60 空間計算範囲
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,30 Electromagnetic field analyzer 12 Refractive index distribution definition part 14 Calculation condition input part 16 Arrival area prediction part 18 Electromagnetic field calculation part 20 Storage part 22 Write / read (control) part 24 Calculation result output part 32 Input device 34 Read / write Device 36 Arithmetic processing unit (CPU)
38 Memory 40 Display device 42 Recording device (printer)
44 bus 50 calculation model 50a analysis area 52, 52a glass substrate
54 Cylindrical lens array 54a Cylindrical lens 56, 56a Air layer 58 Excitation part (wave source)
60 Spatial calculation range
Claims (17)
前記コンピュータが、事前に前記解析領域内における前記波動が到達している到達領域を予測し、
前記コンピュータが、所定の計算ステップにおける前記波動場の時間変化の計算を、当該計算ステップに前記解析領域内の前記波動が到達していると予測された前記到達領域を当該計算ステップの空間計算範囲として行うことを特徴とする波動場解析方法。 Propagation conditions the computer, sequentially performed continuously calculate the wavefield time change of the analysis region the wave propagates from the first period state for each calculation step, the computer, to the analysis area is the wave propagates the a wave field analysis method of analysis,
The computer, the arrival area of the wave in said analysis area in advance is reached to predict,
The computer calculates the time change of the wave field in a predetermined calculation step, and sets the arrival region where the wave in the analysis region is predicted to reach the calculation step as a spatial calculation range of the calculation step. wave field analysis wherein the line Ukoto as a.
前記波動が伝播する前記解析領域内の波動場の時間変化を初期状態から連続して計算する波動場計算手段と、
事前に、前記解析領域内における前記波動が到達している到達領域を予測する予測手段と、
前記波動場計算手段は、所定の計算ステップにおける前記波動場の時間変化の計算を、前記所定の計算ステップに前記解析領域内の前記波動が到達していると予測された前記到達領域を当該計算ステップの空間計算範囲として行うことを特徴とする波動場解析装置。 A wave field analyzer for calculating the time change of the wave field in the analysis region where the wave propagates sequentially from the initial state for each calculation step and analyzing the propagation state in which the wave propagates in the analysis region. There,
A wave field calculating means for continuously calculating a time change of the wave field in the analysis region in which the wave propagates from an initial state;
Prediction means for predicting the arrival region where the wave has reached in the analysis region in advance,
The wave field calculation means calculates the time change of the wave field in a predetermined calculation step, and calculates the arrival region where the wave in the analysis region is predicted to reach the predetermined calculation step. A wave field analyzer characterized in that it is performed as a spatial calculation range of steps.
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