Ansys Zemax(광학 결상, 조명 시스템 설계 및 최적화 시뮬레이션 소프트웨어) : Ansys Optics 제품군 #2
Ansys Optics (엔시스 광학해석 제품군)
지난 블로그에서 Ansys Optics 제품군에는 광학 센서 및 마이크로 렌즈 해석이 가능한 Ansys Lumerical부터 광학 렌즈의 설계 및 최적화가 가능한 Ansys Zemax와 실제 광학 제품이 사용되는 환경을 반영하여 시뮬레이션을 진행할 수 있는 Ansys Speos가 포함되어 있으며, Lumerical을 활용한 나노 단위의 Photonics 해석부터 시작하여 Zemax를 활용한 광학 부품 설계를 거쳐 Speos를 활용한 광학 시스템 단계의 전체적인 해석까지 진행할 수 있음을 말씀드렸습니다.
Ansys Optics 제품군 #1 : Ansys Lumerical (포토닉스 No.1 & 시스템 레벨 광집적회로 시뮬레이션 소프트웨어)
그 중 CMOS 센서와 같이 빛을 통해 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 전환하여 정보를 전달하는 Photonics 부품 및 시스템 설계에 이용되며 나노 크기의 광학 소자부터 전기 및 열 효과 모델링 기능 등 광범위한 Photonics 설계를 위하여 여러 가지의 광학 해석 Solver를 제공하고 있는 Ansys Lumerical에 대해 설명 드렸습니다.
이번 블로그에서는 Ansys Optics 제품군 중 항공, 우주, 자동차, 의료, 반도체 산업 등에서 사용되고 있는 광학 결상 시스템을 설계할 수 있는 Ansys Zemax에 대한 설명과 지원하고 있는 기능에 대하여 설명 드리겠습니다.
Ansys Zemax
Ansys Zemax는 결상, 조명 그리고 레이저 광학 디자인 설계를 하나의 워크플로우로 제공할 수 있는 제품입니다.
Ansys Zemax OpticStudio는 최적의 광학 시스템을 설계하기 위한 분석부터 최적화, 공차 분석 등 다양한 해석 기능들을 지원하며 구조 및 열 유한 요소 분석(FEA) 데이터를 반영한 결과도 확인할 수 있습니다.
그리고 Zemax OpticsBuilder를 사용하여 렌즈 설계 데이터를 CAD로 변환하여 광학 부품 설계를 진행할 수도 있도록 지원하고 있습니다.
간편하게 ISO 규격 광학 도면을 작성할 수 있으며 광학 성능에 미치는 기계적 영향을 쉽게 확인하고 패키징 프로세스 전반에 걸쳐 설계 품질을 유지할 수 있는 기능들도 제공하고 있습니다.
Ansys Zemax 주요 기능
Analyze 분석 (Sequential)
Ansys Zemax는 Sequential Mode에서의 광학 결상 시스템 설계에 대한 분석 기능을 지원하고 있습니다. 다양한 요구 사항에 대하여 자세한 성능 데이터를 제공하며, 현재 디자인된 설계를 바탕으로 결상 시스템의 분석 정보도 제공하고 있습니다.
Sequential Mode에서의 Analyze Tab의 구성은 광학 시스템 자체를 보는데 사용되는 Layout Plot 기능을 제공하는 System Viewers group과 광선 추적 데이터 및 수차 데이터 기능 등을 포함하여 Imaging system 설계에 사용되는 분석 기능을 제공하는 Image Quality group, Gaussian Beams 분석, Physical Optics 및 Fiber Coupling과 같은 레이저 시스템 기능을 제공하는 Lasers and Fibers group, 개별 표면의 박막 코팅 성능, 회절 효율 등 전체 시스템 성능을 계산할 수 있는 Polarization and Surface Physics group으로 이루어져 있습니다.
Analyze 분석 (Non Sequential)
Non Sequential Mode에서의 Analyze Tab은 조명 및 미광 설계 등에 사용되는 Non Sequential Mode에서의 분석 기능을 제공합니다. Sequential Mode에서와 동일하게 다양한 요구 사항에 대하여 자세한 성능 데이터를 제공하며, 현재 디자인된 설계를 바탕으로 결상 시스템의 분석 정보도 제공하고 있습니다.
Non Sequential Mode에서의 Analyze Tab의 구성은 광학 시스템 자체의 Layout Plot의 기능을 제공하는 System Viewers group과 포괄적인 Non Sequential 광선 추적 엔진과 광원을 점 광원으로 추정할 수 있는 Lightning Trace 방법을 사용하여 광선 추적을 할 수 있는 Trace Rays group, 이전 광선 추적을 분석하는 기능을 제공하는 Detectors & Analysis group과 Ray trace Analysis group, 물체의 개별 면에 대한 박막 코팅 성능과 회절 효율을 계산할 수 있는 Polarization and Surface Physics group으로 이루어져 있습니다.
Optimize 최적화 (Sequential)
Sequential Mode에서의 Optimize Tab에서는 자동화된 Quick Focus와 Optimize Wizard를 제공하여 사용자가 원하는 최적의 결상 광학 시스템을 위한 최적화 결과를 제공하고 있습니다.
Manual Adjustment group에서는 원하는 성능을 위해 광학 디자인을 수동으로 조정할 수 있는 기능이 포함되어 있으며, Automatic Optimization group은 OpticStudio에서 시스템의 성능 사양을 정의하는 방법인 Merit Function Editor에 대한 기능과 Optimization Wizard 기능을 통해 가장 일반적인 요구 사항을 기반으로 신속하고 정확하게 최적화를 진행하여 줍니다. Global Optimization group에는 디자인 프로세스 시작 시 사용하는 Global Search와 현재 디자인을 개선하기 위해 사용하는 Hammer Current 기능을 포함하고 있으며, Optimization Tools group은 현재 설계에서 비구면화를 위한 최상의 표면 및 렌즈를 찾는 것과 같이 다양한 사후 최적화 기능을 제공하고 있습니다.
Optimize 최적화 (Non Sequential)
Non Sequential Mode에서의 Optimize Tab에서는 Sequential Mode보다 제한된 수의 기능을 제공하고 있습니다. 주로 Optimization Wizards 기능과 Global Search 및 Hammer Current 기능을 제공하고 있습니다.
Tolerance 공차분석
설계 과정 초기에 빠른 공차 예측을 수행할 수 있는 도구를 제공하여 사용자가 설계한 결상 광학 시스템의 실제 성능에 대한 방향 감각을 제공하여 제조 및 어셈블리 공차가 설계에 미치는 영향을 확인할 수도 있습니다.
Production Tools group에서는 제조 준비를 위해 시스템을 정리하기 위한 Cost Estimator 기능과 Critical Rayset Generator 기능을 제공하며, Tolerancing group에서는 각 매개변수에 배치할 공차를 입력할 수 있는 Tolerance Data Editor 기능과 사용자가 신속하게 편집할 수 있는 공차 세트를 설정할 수 있는 Tolerance Wizard 기능을 제공하고 있습니다.
Quick Tolerancing group은 설계 프로세스 초기에 빠른 공차 예측을 수행할 수 있는 도구를 제공하여 사용자가 시스템의 실제 성능에 대한 설계 방향을 제공하고 있으며, Tolerance Data Visualization group은 민감도 또는 Monte Carlo 실행의 모든 데이터에 대한 분석 기능과 성능 통찰력을 지원하는 기능을 제공합니다. 그리고 Manufacturing Drawings and Data group을 통해 ISO 10110 형식과 OpticStudio 형식으로 제조 도면을 생성하고 제조 설정을 확인하기 위한 데이터를 내보낼 수도 있습니다.
Library 라이브러리
OpticStudio의 설치 패키지에는 카탈로그 데이터 형식의 광학 재료 및 렌즈, 코팅, 광원이 포함되어 있는 다양한 라이브러리를 제공하며 사용자가 원하는 데이터를 추가할 수도 있도록 지원하고 있습니다.
Optical Materials group은 유리, 플라스틱 등의 카탈로그에 대한 기능을 제공하며, Stock Parts group은 OpticStudio의 모든 Vendor Lens 카탈로그를 보유하고 있어 애플리케이션에 적합한 렌즈를 찾기 위해 신속하게 검색할 수 있도록 지원하고 있습니다. 그리고 Design Templates 도구가 포함되어 있는 Design Templates group과 박막 코팅을 설계하고 이를 광학 표면에 적용하기 위한 데이터 및 도구가 포함되어 있는 Coatings group이 라이브러리 탭이 위치합니다. Scattering group은 OpticStudio의 표면 Scatter 카탈로그 및 Scatter Viewer에 대한 기능을 제공하며 Source group은 IES 데이터에 대한 기능을 지원하여 Spectrum 정보가 없는 데이터 파일도 추가할 수 있습니다. 또한, Source Viewers group에는 Source Directivity Plot 및 Spectrum을 모델링하기 위한 도구가 포함되어 있습니다.
STAR Module
Ansys Zemax OpticStudio Enterprise에는 OpticStudio 내에서 구조, 열 및 광학 성능 분석을 수행하기 위한 도구 및 분석 기능이 포함되어 있습니다. 이 탭을 사용하면 구조 및 열 유한 요소 분석(FEA) 데이터를 OpticStudio 설계에 입력하여 Sequential 분석부터 공차 및 최적화 도구를 활용하여 FEA Data를 반영한 결과를 확인할 수 있습니다.
Ansys Zemax & Optics
결상 광학 설계 및 디자인 과정에서 최적의 광학 시스템을 설계하기 위한 분석부터 최적화, 공차 분석 등 다양한 해석 기능들을 지원하며 구조 및 열 유한 요소 분석(FEA) 데이터를 반영한 결과도 확인할 수 있는 Ansys Zemax는 자동차 분야 및 자동화 산업 분야, 항공 우주, 국방 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있습니다.
또한, Ansys Optics 제품에 포함되어 있는 Ansys Speos와 Lumerical 및 Ansys Mechanical 제품들과 결합하여 다양한 분야의 광학 시스템을 설계하고 검증할 수 있도록 지원하고 있습니다. Ansys Speos와 Lumerical을 연계하여 Camera Sensor 및 LiDAR 시스템과 Head Up Display 시스템을 분석할 수도 있으며, Ansys Mechanical의 Thermal Solver를 활용한 위성 구조체 변형 해석 등 다양한 분야에서 이용되고 있습니다.
