<Ansys Speos에서 제공하는 다양한 OPD(Optical Part Design) 기능> 

Light guide란? 

Light guide는 기본적으로 사용자가 원하는 목표지점까지 광손실을 최소화하여 빛을 보내기 위한 광학 구조물입니다. 램버시안 분포로 나오는 빛을 Mixing 하여 균일하게 만들어 주는 역할을 하기도 하고, 사용자의 목적에 따라 프리즘 옵틱을 적용하여 광원부를 노출시키지 않고 사용자가 원하는 빔 패턴을 만들 수 있어 심미성과 성능을 모두 확보해야 할 때 많이 사용되고 있습니다. 

<자동차 DRL(Daytime Running Lamp)에 적용된 Light guide> 

Light guide 설계 과정 

Ansys Speos를 활용하면 Light guide를 손쉽게 설계할 수 있습니다. 기본적으로 Light guide를 생성하기 위해서는 형상 Profile과 Guide curve를 정의해야 합니다. 해당 인자를 통해서 원하는 형상으로 Light guide의 베이스를 만들어 줄 수 있습니다.  

 Light guide의 베이스를 만들었다면, 빔 패턴을 사용자의 목적에 맞게 만들기 위해서 프리즘 옵틱을 설계해야 합니다. 프리즘 옵틱의 설계의 경우 설계 인자가 약 10개 정도 되어 사용자가 원하는 빔 패턴을 만드는데 용이하게 활용할 수 있습니다. 또한, 효율을 향상시키거나 LED 적용 개수에 따라 Light guide의 입사부 형상에 변화를 주기도 합니다. 

Light guide의 초기 설계가 완료되었다면, 각 부품에 대한 물성치와 광원, 센서에 대한 정의를 완료한 후 시뮬레이션을 통해 원하는 수준의 광학 성능이 나왔는지 초기 성능 분석을 진행합니다. 초기 성능 분석을 통해 만족하지 못한 성능을 보완해주기 위해 Speos내에 있는 최적화 도구를 활용하여 최적화 Target 값을 정의하고 설계 주요 파라미터들을 선정하여 각 파라미터에 대한 최적화를 진행합니다. 

최적화 완료 후 다시 한번 시뮬레이션을 진행하여 원하는 수준의 배광 성능이 나왔는지 점등 필링은 괜찮은지 등을 확인하고 최종적으로 Light guide에 대한 설계를 완료합니다. 

Speos를 활용한 Light guide 설계 단계> 

Light guide 설계 가이드 

먼저, Light guide의 베이스를 설계하기 위해서 형상 Profile과 Guide Cover를 정의해야 합니다. 

가장 많이 사용되는 원형 타입의 Light guide의 경우 General-body Tab에서 Circular shape를 선택하고 Diameter 값을 이용하면 손쉽게 형상을 정의할 수 있습니다. 그 외 반원 형상, 사각형 등 사용자가 원하는 형상도 Constant profile을 선택하여 편리하게 설계할 수 있습니다. 

 이렇게 Light guide의 기본 베이스를 설계하였다면, 빛을 외부로 발산시켜줄 프리즘 옵틱에 대해서도 설계 parameter 값을 정의해야 합니다. 프리즘 옵틱의 타입은 양각, 음각, 그리고 이 2개가 혼재되어 있는 하이브리드 타입이 있습니다. 사용자의 목적에 따라서 프리즘 옵틱의 타입을 선택하여 설계를 진행하게 됩니다. 

프리즘 옵틱에 대한 타입을 결정하였다면, 프리즘 옵틱의 세부 parameter를 정의해야 합니다. 제일 먼저 정의해야 할 부분은 프리즘 옵틱의 시작 지점과 끝나는 지점입니다. 이 2개의 parameter 중 조금 더 중요한 인자는 프리즘 옵틱의 시작 지점입니다. 시작 지점이 너무 짧을 경우 초반부에 빛이 모두 발산되어 빛이 목표 지점까지 도달하지 못할 수 있기 때문에 프리즘 옵틱의 시작점을 충분히 확보해 주는 것이 좋습니다. 

 그 다음, 프리즘 옵틱의 Step과 Length를 정의해야 합니다. Step은 프리즘 옵틱의 첫 시작점부터 그 다음 시작지점 까지를 의미하고 Length는 프리즘 옵틱의 길이를 의미합니다. 프리즘 옵틱이 빛을 Light guide 외부로 발산시켜주는 역할을 하기 때문에 Step이 좁을수록 Length가 길수록 빛이 외부로 빠져나갈 확률이 높기 때문에 빛을 끝까지 보내기 위해서는 초반부에는 Step을 넓게 Length를 작게 구성하다가 후반부로 갈수록 Step을 좁게 가져가거나 Length를 길게 가져가는 형태가 유리합니다. 아이템의 성향에 따라 점등 필링이 중요한 경우 Step과 Length를 동일하게 유지해 주기도 합니다.  

  Offset은 Light guide의 중심부부터 프리즘 옵틱의 최상단부 까지의 거리를 나타냅니다. Offset 값이 너무 크거나 작으면 Light guide 베이스 내에 프리즘이 형성될 수 있기 때문에 적절한 값을 입력해야 합니다. Trimming Ratio의 경우 프리즘 옵틱 타입을 하이브리드로 선택할 경우 나오는 옵션으로 Step과 Length를 정의하는 것과 유사한 개념입니다. Width의 경우 프리즘 옵틱의 폭을 의미하고 이 역시도 Width를 너무 큰 값을 주게 되면 빛이 초반부에 다 빠져나가 끝까지 도달하지 못할 수 있기 때문에 Light guide 지름의 절반 이하로 값을 입력하시는 것을 권장합니다. Start angle과 End angle의 경우 프리즘 옵틱의 각도를 정의하고 이는 빛의 발산되는 각도에 영향을 주기 때문에 사용자가 원하는 빔 패턴을 만들기 위해서 각도에 따른 빛의 진행방향을 interactive simulation을 통해 사전에 확인해보는 것을 권장합니다. 

peos Optical Part Design을 활용한 Light guide 프리즘 옵틱 제조 조건 반영>  

Light guide 최적화 설계 

상기 parameter들을 통해 Light guide의 초기 설계를 완료하였다면, 해석을 진행하고 결과 값 분석을 통해 최적화를 진행하고자 하는 부분을 정의해야 합니다. 예를 들어 Light guide의 휘도 균일도를 맞춰야 하는 경우 휘도 측정 Point들을 정의해준 다음 Contrast 값을 기준으로 Ansys Speos내에 있는 최적화 도구를 이용하여 Target 값으로 정의합니다. 그 다음, Light guide 설계 parameter 중 최적화를 진행할 중요 parameter들을 선택합니다.  

Target 값과 최적화를 진행할 중요 parameter를 선정하였다면, Optimization ? Merit function 옵션 중 Target 값과 최대한 멀게 최적화를 진행할 것인지(Maximize) 또는 최대한 근사하게 최적화를 진행할 것인지(Minimize) 옵션을 선택합니다. Design Variables 탭에서 앞서 선택한 중요 parameter들에 대한 현재 값이 표기가 되고 해당 parameter에 대해 Min-Max 값을 정의하게 되면 해당 범위 안에서 무작위로 값들이 추출되어 시뮬레이션이 진행이 되며 최적화가 이루어지게 됩니다.