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정의

포토닉스/광학 엔지니어링 소프트웨어에서 광선 추적은 시스템을 통해 전자기 (광학) 파면의 전파를 나타내는 데 사용되는 기술입니다. 광선은 광학 시스템을 통해 전파될 때 국부 파면 위치를 나타내는 면의 개별 점을 사용하여 구성된 선입니다.

국부 파면에 수직인 이 광선은 균질한 매질을 통해 직선으로 이동합니다. 광선은 스넬의 법칙에 따라 굴절 경계에서 방향을 바꾸고 반사 법칙에 따라 경계에서 반사합니다. 그들은 벡터 격자 회절 방정식에 따라 회절 경계면에서 방향을 변경하고 그래디언트 굴절률 소재를 제어하는 방정식을 통해 비균질 소재 내에서 방향을 변경합니다.

광선이 산란 면과 상호 작용할 때 광선은 산란을 제어하는 방정식에 따라 변경됩니다. 강도, 편광 속성 및 "광학 경로" (물리적 경로에 소재의 굴절률을 곱한 값)와 같은 추가 속성이 광선과 관련될 수 있으며 이러한 속성은 인터페이스에서도 수정할 수 있습니다.

Figure 1. Examples of tracing rays through an optical system | Synopsys
Figure 2. Examples of tracing rays through an optical system | Synopsys

광학계를 지나가는 광선을 추적하는 예시

광선 추적은 어떠한 문제를 해결할까요?

광선 추적을 사용하면 다양한 소재를 통해 광파면의 동작을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 광선 추적을 사용하면 이미지 형성 시스템의 렌더링된 이미지의 퀄리티, 조명 시스템의 빛 분포 등을 결정할 수 있습니다. 광학 시스템 매개변수의 최적화와 결합된 광선 추적은 원하는 목표를 달성하기 위해 결상 또는 조명 성능을 자동으로 개선할 수 있습니다. 

광선 추적 결과는 많은 진단 및 분석 목적으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 현미경 대물렌즈의 이미지 품질 크기는 광선을 역으로 추적하여 빛이 얼마나 잘 초점을 맞추는지 확인함으로써 추정할 수 있습니다.

Cutaway view of a microscope objective, focusing rays at points under a cover glass. | Synopsys

커버 유리 아래 지점에 광선을 집중시키는 현미경 대물렌즈의 단면

Light on axis comes to a tight focus for rays traced through the microscope objective | Synopsys

현미경 대물렌즈를 통해 추적된 광선의 축상에서 촘촘히 결상된 빛

회절 한계 스팟 크기는 도면에서 원으로 표시됩니다. 점은 서로 다른 파장 (색상)의 빛 (이 경우 빨강, 초록, 파랑) 이 초점으로 추적된 광선의 교차점을 보여줍니다. 이러한 유형의 교차점 플롯(스폿 다이어그램)은 광학 설계에 사용되는 일반적인 진단 도구입니다.

또한, 추적된 광선의 동작은 원하는 광 분포 또는 스팟 크기를 얻기 위해 최적화될 수 있습니다. 소프트웨어 내에서 진행되는 광선 추적의 이점은 프로세스가 크게 병렬화될 수 있고 다른 방법보다 훨씬 빠른 시뮬레이션이 가능하다는 것입니다.

결상 소프트웨어에서 정확한 시뮬레이션을 진행하기 위해서는 비교적 적은 수의 광선(10 – 1000 광선)이 필요합니다. 결상 시스템 설계의 목표는 가능한 좋은 이미지를 얻는 것입니다. 일반적인 성능 메트릭은 MTF(Modulation Transfer Function), PSF(Point Spread Function) 및 스팟 크기입니다.

조명 소프트웨어의 경우 보통 빛의 분포를 제어하기 위해 사용되며, 일반적으로는 이미지 형성에 기여하지 않습니다. 이 경우 더 많은 광선(1000~100만)이 필요하며 일반적으로 몬테카를로 시뮬레이션이라는 프로세스로 추적됩니다. 광원을 정의하고 수백만 개의 광선을 추적하며 시스템을 최적화하여 원하는 조명 패턴을 만듭니다.

광선 추적이 광학 시뮬레이션에 중요한 이유는 무엇일까요?

광선 추적은 전자기파를 전파하는 보다 엄격한 방법과 비교하여 일반적인 계산 효율성과 결합된 상대적인 정확도를 기반으로 하는 중요한 시뮬레이션 기술입니다. 광선 추적은 다른 계산 알고리즘과 결합하여 물리적 현상을 보다 정확하게 시뮬레이션 할 수 있습니다. 예를 들어, 광선 그리드는 추적된 각 광선에 대한 강도(진폭**2) 및 위상(광 경로)을 사용하여 광학 시스템의 출사동으로 추적될 수 있습니다. 복소 필드(진폭 및 위상)의 푸리에 변환은 회절을 포함한 이미지 구조의 강도를 시뮬레이션 합니다.

나에게 가장 적합한 Synopsys 광선 추적 솔루션은 무엇인가요?

광학 시스템을 설계할 때 엔지니어는 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 시스템을 평가할 견고한 소프트웨어가 필요합니다. 짧은 시간 안에 최적화된 안정적인 광학 설계는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. Synopsys의 광선 추적 소프트웨어 포트폴리오는 이를 염두에 두고 개발되었으며 우수한 광학 설계에 대한 요구 사항을 해결합니다. 올바른 소프트웨어를 선택하는 것은 적용분야에 따라 다릅니다.

  • 렌즈, 결상, 이미지 시스템 또는 우주 통신 시스템 등의 설계 솔루션인 Synopsys CODE V는 항공 우주, 카메라, 정보 디스플레이, 마이크로리소그래피 및 포토닉스와 같은 분야를 위한 광학 시스템 개발을 위한 제작 지원을 모델링, 분석, 최적화 및 제공하는 데 사용되는 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어입니다.
3D View of a wide angle receiver, simulated in CODE V | Synopsys

CODE V에서 시뮬레이션 된 광각 리시버 3D 뷰

  • 일반 조명, 백라이트 디스플레이, LED, 차량 실내 조명 설계를 위한 Synopsys LightTools 조명 설계 소프트웨어는 다양한 조명 시스템 설계를 설계하고 최적화합니다.
LiDAR optical system, simulated in LightTools | Synopsys

LightTools에서 시뮬레이션 된 LiDAR 광학 시스템

  • 자동차 전방, 후방 및 신호 조명의 설계 및 실시간 시뮬레이션을 설계하기 위한 Synopsys LucidShape 소프트웨어는 완전한 설계, 시뮬레이션 및 분석 도구 세트를 제공합니다.
Deep FFD Reflector, simulated in LucidShape | Synopsys

LucidShape에서 시뮬레이션 된 Deep FFD 반사판

  • 광선 추적 기술을 사용하여 렌즈 시스템을 시뮬레이션 해야 하고 지오메트리 크기 스케일이 더 작은 경우, 시뮬레이터 간에 필드 데이터를 전달하거나 하이브리드 시뮬레이션을 진행하는 것이 이상적일 수 있습니다. RSoft Photonic Device Tools에는 CODE V의 출력을 변환하거나 그 반대로 변환하는 인터페이스가 포함되어 있습니다.
<p>실제 광선 추적 기술의 한 예를 들수 있는 고객사로 CODE V 소프트웨어를 사용중인 NWS Instruments AG가 있습니다. NWS Instruments AG는 상업 및 기술적 사진을 위한 고 성능의 인체 공학적 광, 공학 장비 시스템을 제작하는 기업입니다. NWS Instruments AG의 공동 창립자이자 상징적인 Leica 0.95 Noctilux 렌즈의 디자이너인 Dr. Christoph Horneber는 CODE V를 사용하여 NWS의 획기적인 새로운 광각 및 망원 렌즈를 설계, 최적화 및 제작 할 수 있었습니다.</p>

기본 광선 추적 워크 플로우

실제 광선 추적 기술의 한 예를 들수 있는 고객사로 CODE V 소프트웨어를 사용중인 NWS Instruments AG가 있습니다. NWS Instruments AG는 상업 및 기술적 사진을 위한 고 성능의 인체 공학적 광, 공학 장비 시스템을 제작하는 기업입니다. NWS Instruments AG의 공동 창립자이자 상징적인 Leica 0.95 Noctilux 렌즈의 디자이너인 Dr. Christoph Horneber는 CODE V를 사용하여 NWS의 획기적인 새로운 광각 및 망원 렌즈를 설계, 최적화 및 제작 할 수 있었습니다.

  • 23APO의 정교한 디자인은 최소 50% MTF와 70mm 이미지 서클로 120lp/mm 해상도를 제공합니다. 이 장비에는 모든 카메라 시스템과의 호환성을 보장하기 위해 완전 수동 구경 및 초점 제어 기능이 있습니다. 다른 혁신적인 기능으로는 NWS에서 발명한 내장형 레벨링 기능과 2mm 두께의 뒤집을 수 있는 개폐식 렌즈 후드가 있습니다. 응용 분야에는 건축, 자동차, 산업 및 풍경 사진이 포함됩니다.
  • 110APO 접사 망원 렌즈는 120lp/mm 해상도와 55mm 이미지 서클을 특징으로 하며 완전 수동 구경 및 초점 조절 기능을 포함합니다. 이 장비에는 NWS에서 개발한 토크 조정 노브 기능이 있어 정밀하고 미세한 초점 조정이 가능합니다. 적용분야에는 광고, 자동차, 보석 및 산업 사진이 포함됩니다.

기본 워크 플로우는 다음과 같습니다: 

  • 광학 시스템 매개 변수 및 요구 사항 정의
  • 적절한 출발점 선택 (내장 샘플 렌즈 및 특허 렌즈, 회사 포트폴리오 활용)
  • 요구 사항에 따라 초기 광선 추적을 위한 모델 형상 설정
  • 요구 사항에 대한 성능 검사 및 개선을 위한 최적화 설정
  • 시스템 최적화 및 공차 분석을 포함한 성능 확인 - 요구 사항이 충족될 때까지 피드백 루프 계속 진행
  • 모델 저장 후 제조업체에 발송

광선 추적을 넘어선 다양한 기능

추가 모듈, 기능 및 도구를 사용하면 복잡하고 까다로운 설계에서도 광선 추적의 모든 강점을 활용할 수 있습니다. Synopsys 소프트웨어에는 엔지니어가 설계를 최적화하는 데 필요한 유연성과 추가 기능이 있습니다.

  • 광범위한 내장 라이브러리
  • 비순차 면 모델링
  • 광학 시스템 성능을 시각화하는 빠른 2D 이미지 시뮬레이션
  • 미광 분석
  • 향상된 백라이트 패턴 최적화
  • 빛 확산에 대한 보다 세분화된 제어를 제공하는 프리폼 설계 기능
  • 향상된 시각화 및 컴퓨터가 제공하는 사실에 가까운 포토 리얼 이미지

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