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▶ 67호 : 구조 및 열 하중을 고려한 광학 시스템 성능 평가
- 김세영 매니저
- 태성에스엔이
- sykim@tsne.com
구조 및 열 하중을 고려한 광학 시스템 성능 평가
이번 호에서는 2022년 제14회 SPIE(광학 및 포토닉스 국제 학회)에서 소프트웨어 부문에서 혁신적이고 창의적인 솔루션으로 인정되어 Prism Awards를 수상한 Ansys Zemax OpticStudio STAR Module에 대한 관련 정보 및 활용 방법에 대하여 소개하고자 합니다.
OptoMechanics?
OptoMechanics는 Optics(광학 시스템)와 Mechanics(기계 시스템)를 통합하여 시스템의 구조적인 특성과 광학적인 특성을 동시에 분석 및 연구하는 학문을 말합니다.
Ansys Zemax OpticStudio STAR는 광원에서 나온 광선이 광 기계 시스템에 도달하여 광학 성능에 미치는 기계 운동, 구조 그리고 열에 의하여 광학 구성 요소 표면의 미세한 구조 변형 및 열 변형으로 인해 센서에 도달되는 광선의 변화에 대하여 연구할 수 있도록 다양한 도구를 지원합니다.
<Ansys Mechanical을 활용한 광 기구 시스템의 온도 분포>
Ansys Zemax OpticStudio & STAR 모듈 소개
Ansys Zemax OpticStudio는 세계 최고의 항공 우주, 천문학, 자동차, 생물 의학 연구, 전자 제품, 조명, 레이저 및 머신 비전 분야의 최고 기업들이 사용하는 업계 최고의 광학 설계 및 해석 소프트웨어입니다.
Ansys Zemax OpticStudio는 하나의 소프트웨어에서 순차와 비 순차 모드를 자유롭게 넘나들며 설계자의 아이디어가 효율적인 광학시스템이 될 수 있도록, 설계자에게 다양한 설계 편의와 포괄적인 해석 도구 세트를 지원하는 독보적인 소프트웨어입니다. 이로 통해 설계자는 설계 및 제작을 위한 프로토 타입 제작에 대한 시행착오 횟수를 현저히 줄여, 많은 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.
<Ansys Zemax를 통해 설계된 모바일 카메라 광학계>
Ansys Zemax Enterprise 모듈에서 지원하는 STAR는 Structural, Thermal, Analysis, Results의 줄인 말로써, 광 기계 시스템에서 발생하는 구조 및 열 데이터를 광학 표면 및 체적에 할당하여 기계 시스템에서 발생하는 물리적 현상이 광 기계 시스템에 미치는 영향을 분석할 수 있도록 FEA 데이터 할당하기, FEA 데이터 일치화, 시각화, 수치화 및 광학 분석 등의 다양한 분석 도구 세트를 지원합니다.
<FEA 데이터가 반영된 모바일 광학계의 성능 저하 분석>
OptoMechanics Workflow
광학 시스템에서 발생하는 구조 및 열 부하가 광학 성능에 미치는 영향을 원인 파악 및 분석을 수행하기 위해서는 광학 설계, 구조 및 열 부하 분석 및 FEA 데이터 출력, 광학 시스템 FEA 데이터 일치화 마지막으로 광학 성능 저하 분석의 과정으로 분석을 수행할 수 있습니다.
광학 설계 단계에서는 이상적인 주변 환경 온도 및 기압을 고려하여 사용자 정의의 결상 설계가 이루어집니다. 결상 설계는 사용자는 Ansys Zemax에서 제공하는 도구 세트를 활용하여 설계, 최적화, 공차 분석, 성능 분석 등을 수행할 수 있으며, 이러한 과정은 소프트웨어에서 제공하는 다양한 API 기능을 통해 설계 시간 및 과정을 간소화할 수 있습니다.
<Ansys Zemax OpticStudio STAR를 활용한 광학 설계 단계>
구조 및 열 부하 분석 단계에서는 관성, 감쇠 효과가 포함되지 않은 하루 조건이 시스템에 가하는 변형응답평가를 수행할 수 있는 Static Structural 또는 시간이 지나도 온도가 일정하게 유지되는 시스템의 열 평형 평가를 수행할 수 있는 Steady-State Thermal 등과 같이 다양한 해석 유형을 사용자가 선택하여, 광학계에 가해지는 구조 및 열 부하 분석을 수행할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 분석된 데이터는 변형된 형상 정보를 담고 STEP 파일과 표면의 변형 정보 또는 체적 내부의 위치 별 온도 데이터를 담고 있는 FEA 데이터로 출력이 가능합니다.
<Ansys Zemax OpticStudio STAR를 활용한 구조 분석 단계>
광학 시스템 FEA 데이터 일치화 단계에서는 구조 및 열 부하 분석 제품인 Mechanical에서 분석된 FEA 데이터를 광학 설계 및 해석 제품인 Zemax로 불러들이는 과정으로 시작됩니다. 불러들일 수 있는 데이터는 표면과 체적의 변형 량 정보를 담고 있는 FEA 데이터이며, 불러들여진 표면 정보는 변형된 표면 정보를 담고 있으며 Zemax에서 설계된 렌즈 또는 거울 표면에 부여함으로써 기존의 Zemax 렌즈와 거울 표면을 대체합니다. 마찬가지로 불러들여진 체적 정보는 위치 별 온도 데이터를 담고 있으며, 렌즈를 이루고 있는 일관된 굴절률이 위치 별 온도 데이터에 의하여 렌즈는 위치 별 다양한 굴절률 정보를 통해 구배 분포를 이룰 수 있습니다. 이를 통해, 이상적 환경에서 설계된 광학 시스템의 구성 요소는 구조 및 열 부하 정보로 인하여 표면의 일그러짐과 같은 형상 변형 정보와 렌즈를 이루고 있는 일관되지 않은 굴절률 정보를 반영한 현실적인 광학 시스템으로 탈바꿈됩니다.
<Ansys Zemax OpticStudio STAR를 활용한 형상 변형 분석 단계>
이러한 현실적인 광학 시스템에 더 적합하도록 Zemax에서는 Mechanical에서 광학 시스템 분석을 위해 구성된 격자 데이터와 Zemax에서 형상을 구현하기 위해 사용된 격자 정보가 오류 없이 일치화 될 수 있도록 보정 작업이 수행됩니다. 이러한 과정을 손쉽게 수행하기 위해 Zemax에서는 Fit Assessment 도구가 지원되며 사용자는 데이터 간의 오류를 나타내는 RMS Fit Error, PV Fit Error을 통해 일치화 작업의 수행 결과를 확인할 수 있습니다.
<Ansys Zemax OpticStudio STAR를 활용한 광학 성능 분석 단계>
이렇게 광학 설계, FEA 데이터 분석, 데이터 일치화 과정을 모두 거치면, 사용자는 Zemax에서 구조 및 열 부하 데이터가 반영된 해석 결과와 반영하지 않은 결과를 선택적으로 확인할 수 있습니다. 이를 통해, 사용자는 구조와 열 부하 중에서 광학 성능에 더 많은 저하를 일으키는 분석을 수행할 수 있으며 사용자는 시간의 흐름에 따른 분석을 Mechanical에서 수행하였다면, Zemax에서도 시간의 흐름에 따라 광학 성능의 저하 과정에 대하여 분석을 수행할 수가 있습니다.
<Ansys Zemax OpticStudio STAR를 활용한 시간의 흐름에 따른 광학 성능 분석 단계>
맺음말
이번 호에서는 Ansys OpticStudio STAR를 활용하여 시간의 흐름에 따라 변화하는 사실적인 광학 시스템의 성능 분석을 주변 환경 온도와 기계 시스템에서 미치는 구조 및 열 부하 데이터를 렌즈의 표면과 부피에 포함하여 평가 방법에 대하여 소개하였습니다. 이를 통해, 사용자는 광 기구 시스템에 대한 폭 넓은 통찰력을 Ansys Zemax OpticStudio STAR을 제공받아, 플라스틱과 유리 재질 뿐만 아니라 다양한 광학 구성 요소의 재질에 대하여 불필요한 제작 비용, 반복 작업 및 원인 파악의 소요 시간을 줄여 효율적인 설계를 수행할 수 있습니다.
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