Ansys Speos(광학 시스템 설계 및 최적화 & 검증을 위한 시뮬레이션 소프트웨어) : Ansys Optics 제품군 #3
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 있다.
Ansys Lumerical을 활용한 나노 단위의 Photonics 해석부터 시작하여 Ansys Zemax를 활용한 광학 부품 설계를 거쳐 Ansys Speos를 활용한 광학 시스템의 구성 및 설계 단계의 전체적인 해석까지 개발에 전반에 적용 가능함을 설명하였다.
Ansys Lumerical은 CMOS 센서와 같이 빛을 통해 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 전환하여 정보를 전달하는 photonics부품 및 시스템 설계에 이용되며, 나노 크기의 광학 소자부터 전기 및 열 효과 모델링 기능 등 광범위한 Photonics 설계를 위한 다양한 영역에서의 광학 해석 Solver기능을 제공하고 있다.
Ansys Zemax는 결상 시스템과 조명 그리고 레이저 광학 디자인 설계를 하나의 워크플로우로 제공하며, 최적의 결상 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 기능을 제공하고 있다.
이번 블로그에서는 Ansys Optics 제품군 중 Camera Sensor와 Head Up Display 및 LiDAR 시스템까지 시뮬레이션이 가능한 Ansys Speos의 대표적인 기능들에 대하여 간략하게 설명하도록 하겠습니다.
Ansys Speos
전체 광학 시스템의 설계, 최적화, 시각화 및 검증을 위한 솔루션인 Ansys Speos는 광학 시스템의 성능을 시뮬레이션 함으로써 제품의 설계 과정에서 설계변경과, 수정을 위해 소요되는 시간과 비용을 절감하고 제품의 품질을 높일 수 있도록 지원하며 전용 라이브러리 및 GPU Solve 기능을 제공하여, 광학 시스템을 빠르고 쉽게 설계하고 최적화할 수 있다.
Multi-physics 환경에서의 광학 성능을 검증하기 위하여 Ansys의 다양한 제품과의 연결도 제공하며 GPU Solver 기반의 Live Preview 기능과 HPC Computing, Cloud 기능도 제공함으로써 사용자에게 보다 직관적이고 빠른 시뮬레이션 결과를 제공한다.
Ansys Speos 의 주요 기능
광학 속성(Optical Properties) 설정
Ansys Speos에서는 광학 해석의 목적에 맞게 해석에 적합한 광학 속성(Optical Property)을 지정할 수 있는 기능 및 라이브러리를 기본 제공하고 있다.
일반적으로 표면에 대한 광학 속성과 공간에 대한 광학 속성을 지정할 수 있도록 지원하고 있으며, 광학 속성 편집기를 활용하여 사용자가 필요한 광학 속성을 제작할 수도 있고, Ansys에서 제공하는 라이브러리를 통해 다양한 광학 속성을 설정할 수도 있다.
광원(optical source)설정
Ansys Speos에서는 실제 광학 환경을 구성하기 위하여 다양한 광원(optical source)를 제공하고 있다.
광선 추적(Ray Tracing )을 만들기 위한 간단한 광원인 Interactive Source를 제공하고 있으며, 확장된 면 또는 영역에서 방출되는 광선의 방출을 모델링하는 Surface Source, 기본 광선 파일 형식을 사용하여 광원 방출을 나타내는 Ray file Source, 실외 및 실내 조명을 위한 인공 빛을 모델링하는 Luminaire Source를 제공하고 있다.
적외선 영역에 사용할 수 있는 열원(Thermic Source)과 주변 환경의 광원을 구성하도록 도와주는 Ambient Source, 디스플레이 화면의 이미지를 구현할 수 있는 Display Source 등도 지원하고 있다.
광학 센서(Optical sensor)
광학 해석 시뮬레이션을 구현하기 위하여 Ansys Speos는 다양한 광학 센서(Optical sensor) 기능을 보유하고 있다.
단위 평면당 받는 빛의 양을 측정하기 위한 조도 센서(Irradiance Sensor)와 3D 조도 센서, 광원으로부터 수직한 면을 통과하는 빛의 양을 측정하는 광도 센서(Intensity Sensor), 특정 표면에서 방사되거나 반사된 빛이 우리의 눈에 얼마나 들어오는지를 파악하는 휘도 센서 (Radiance Sensor)를 기본적으로 제공하고 있다.
그 외에도 Camera Sensor와 LiDAR System Sensor를 제공하고 있다.
광학 해석 (Optical simulation)
Ansys Speos에서 제공하는 광학 해석(Optical simulation)기능은 크게 4가지로 구분되어 있다.
광원에서 센서로 광선을 전파하는 Direct Simulation과 센서(카메라 또는 눈)에서 광학 시스템을 통해 광원으로 광선을 전파하는 Inverse Simulation이 있으며, 광학 시스템에서 광선의 이동을 시각화 하여 광학 시스템 설계 수정이 광학 동작에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 빠르게 이해하는 데 유용한 Interactive Simulation이 있다.
LiDAR System과 Head Up Display(HUD) System에 대한 광학해석 기능도 지원하고 있다.
일반적으로 Direct Simulation은 광학 시스템에 대한 조도 (Irradiance) 및 광도 (Intensity)의 측정 시뮬레이션에 많이 이용되고 있다. Inverse Simulation은 Camera Sensor와 휘도 센서(Radiance Sensor) 및 주변 환경을 반영한 광학 시스템을 확인할 때 이용하고 있다.
Ansys Speos 기타 기능
Ansys Speos는 광학 시스템 설계 및 해석에 대하여 보다 쉽고 빠르게 지원하기 위하여 추가적인 기능을 제공하고 있다.
그 중 하나가 Optical Part Design기능이다.
일반적으로 광학 시스템이라 하면 가장 먼저 떠오르는 대표적인 것은 조명 시스템일 것이다.
조명 시스템을 설계할 때 필요한 광학 부품들의 해석을 위해 몇 가지의 해석 설정 입력과 마우스 클릭만으로 쉽게 모델링하도록 지원하는 기능이 Optical Part Design기능이다.
Optical Part Design에서는 Parabolic Surface와 Projection Lens, Optical Lens, Light Guide 등 다양한 기능을 제공하고 있다.
특히, Optical Part Design에서는 지원하는 기능 중 하나인 Light Guide Design 기능은 자동차 분야 및 다양한 분야에서 일반적으로 사용하고 있는 광학 Part이다.
자동차 내부 조명 시스템에 많이 쓰이고 있는 Light Guide는 Ansys Speos에서 주변 환경을 반영하여 GPU Solver 기능과 Live Preview 기능을 이용하여 보다 빠른 해석 결과를 확인할 수 있다.
GPU Solver는 기존의 CPU 기반의 해석을 GPU 기반의 해석으로 진행하여 보다 짧은 해석시간으로 결과를 얻을 수 있도록 지원하는 기능이며, Live Preview기능은 한 번의 클릭으로 사용자가 설계한 광학 시스템에 대한 결과를 바로 확인할 수 있게 지원하는 기능이다.
이 외에도 자동차와 항공 우주 분야에서 많이 사용되고 있는 Camera Sensor에 대해서도 Ansys Speos의 GPU Solver를 이용하면 보다 빠른 해석 결과를 얻을 수 있다.
Ansys Speos & Optics
광학 시스템의 설계부터 최적화와 검증까지, Ansys Speos는 광학 속성 설정 기능, 광학 Source와 Sensor 기능, Direct/Inverse Simulation 기능, GPU Solver 기능을 지원하고 있다.
Ansys Speos는 자동차 분야와 국방 및 항공 우주 분야, 건강, 광학 분야 등 여러 분야에서 이용되고 있으며, 눈에 보이는 가시광선 영역부터 눈에 보이지 않는 자외선과 적외선 영역에 대한 해석도 진행할 수 있도록 구성되어 있다.
Ansys에서 제공하고 있는 thermal simulation기능들과 연계하여 발열에 의한 조명 시스템의 변형에 대해서도 해석이 가능하며, 안개 및 기상 조건과 대기 조건을 반영한 투과율을 이용하여 해석의 정확성도 높이고 있고, Human Eye 기능도 제공하여 사람이 실제 바라본 시점에서의 결과도 확인할 수 있다.
지금까지 Ansys Optics 제품군 중 Camera Sensor와 Head Up Display 및 LiDAR 시스템까지 시뮬레이션이 가능한 Ansys Speos의 대표적인 기능들에 대하여 간략하게 설명하였습니다.
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