この記事では、機械 CAD プログラムと Zemax の間で、確実で円滑なデータ変換を実現するためのヒントを紹介します。

著者 Mark Nicholson

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Introduction

OpticStudio では、CAD プログラムから、IGES、STEP、SAT、STL の各フォーマットでデータをインポートでき、同じフォーマットでエクスポートできます。これによってOpticStudioと機械設計パッケージとの間で、設計データの容易で迅速な交換が実現します。

一方、CAD プログラムからのエクスポートの品質には大きな幅があり、オブジェクトを Zemax にインポートしたときに問題の原因となることがあります。多くの場合、光学精度の光線追跡に求められる公差は、一般の機械公差より 100 ～ 1000 倍は厳しくなります。それでも、エクスポート段階で少し注意すれば、インポートで一般的に発生する問題の多くを排除できます。

最適のデータ フォーマットの選択

STEP および SAT は IGES に比べてはるかに厳密な規格に従っています。機械パッケージからエクスポートする場合は、可能ならば IGES ではなく STEP または SAP を選択するようにします。

STL は、あまり顧みられることのないフォーマットです。STL ファイルは高速プロトタイピングで多く使用され、三角形メッシュ表現を採用しています。したがって、STL オブジェクトは滑らかな面 (NURBS) ではなく、フェーセットに基づくエンティティです。
Zemax では、STL ファイルは STL オブジェクトとして読み込まれますが、NURBS (IGES、STEP、SAT) ファイルはインポート オブジェクトとして読み込まれます。

STL オブジェクトは必ずフェーセット表現なので、光線追跡は高速です。オブジェクトに平坦面が多い場合は、STL の使用を検討するようにします。また、主に光学機械系の迷光を扱う場合、STL は高速で効果的です。光線がオブジェクトと交差した後、そこから出発する光線を何らかの散乱関数でランダム化するのであれば、光線と物体の交差をきわめて高い精度で計算することに意味はなく、さらに同等の精度で面法線を計算することにも意味はありません。
 

有効なソリッドの作成

これは当たり前のことのように聞こえますが、相互運用性の問題の唯一最大の原因です。

この記事にある ZIP ファイルに収録されている bad_lightpipe.stp を、Zemax または機械 CAD プログラムで開きます。このオブジェクトに問題はなさそうに見えます。
 

 

しかし、オパシティをたとえば 50% に設定してワイヤフレーム表示に切り換えると、問題が明らかになります。

 

 

このファイルには、物理的に無意味な内部フェイスがあります。このような内部フェイスを持つライトパイプは製造不可能です。CAD オブジェクトは、「フィルムによる収縮包装」のように、内部フェイスを持たない単純な閉じた体積として表現されている必要があります。

このファイルは、設計者がオブジェクトをどのように作成したかは示していますが、オブジェクト自体を表現していません。

これら 6 本の独立したパイプを互いにブール演算して単一の体積を形成したうえで、このオブジェクトをエクスポートする必要があります。ファイル good_lightpipe.stp を開いて違いを確認してください。

 

 

これが有効なソリッド オブジェクトです。この点をわかりやすくしたアニメーション GIF を示します。不適切に構築されたオブジェクトと適切に構築されたオブジェクトが交互に表示されます。
 

 

同様の問題は、CAD プログラムで複数の面オブジェクトを使用して体積オブジェクトを定義する場合にも発生します。円筒面と 2 つの円 (円筒の両端に 1 つずつ) で設計したシリンダ体積を考えます。
 

数値精度によっては、円筒パイプと円形の端面の間に隙間が発生することがあります。エクスポートする前にこれらの面を「縫い合わせて」、次のような連続した接合を形成する必要があります。
 

 

当然のことながら、複数のフェイスを互いに縫い合わせるコマンドは CAD プログラムごとに異なります。それでも、エクスポートするオブジェクトは「密閉された」有効なソリッド オブジェクトであることが必要です。ソリッド体積を構成する面と面の間にある隙間に光線が到達すると形状エラーが発生します。

CAD プログラムに用意されている適切なコマンドを使用して、内部フェイスがない密閉された有効なソリッド体積をエクスポートする必要があります。

エクスポート ファイルには複数のオブジェクトを収録できますが、これらのオブジェクトはそれぞれ有効で密閉されたソリッドであることが必要です。複数のオブジェクトが重なり合っている場合は、それらをまとめてブール演算し、単一のオブジェクトを生成したうえでエクスポートします。Zemax へのインポート時には 1 つの CAD ファイルに収録されたすべてのオブジェクトに同じ材料プロパティが割り当てられます (薄膜コーティングや散乱関数のような面のプロパティには異なる設定が可能です)。材質が異なるさまざまなオブジェクトが必要な場合は、それぞれを別々のファイルとしてエクスポートします。

サードパーティーの検証機能の使用

OpticStudio では、CAD オブジェクトの読み込み時に、多くの一般的な問題の修正が試みられます。しかし、不適切に作成された CAD オブジェクトの問題や作成元とは異なるプログラムで CAD オブジェクトを読み込む際の相互運用性の問題を抜本的に解決できないまま、業界は発展してきています。

OpticStudio では、www.transmagic.com が提供する TransMagic を使用して、問題のあるファイルを分析および修正します。
業務上、複数のソースから CAD ファイルを受け取る機会が多いものの、それらのファイルの生成にほとんど関与できない場合は、問題のあるファイルを簡単に修正できるこのプログラムのライセンス入手を検討してみることをお勧めします。

KA-01436