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지난 25년 동안 광학 설계 분야는 극적으로 변해왔습니다. 우리는 설계 도구뿐만 아니라 개발되는 시스템의 복잡성과 다양성 면에서도 획기적인 발전을 목격했습니다. 이러한 발전은 흥미로운 질문을 제기합니다. 복잡한 광학 시스템을 이끄는 것은 설계 도구일까요, 아니면 점점 더 까다로워지는 설계의 난제들이 더 나은 도구가 개발 되도록 촉진하는 것일까요? 이번 포스팅에서는 색 보정, 실 제작 성능의 다이렉트 최적화, 모달 분석 그리고 압력과 온도에 따른 최적화같은 주요 요소들에 초점을 맞추면서 이러한 상호 연관된 변화에 대해 살펴보겠습니다.
Dr. John Rogers
Color Correction: Increased Challenges and Better Tools
색 보정: 점점 더 어려워지는 과제와 향상된 도구들
필름 사진을 사용했던 시대에는 렌즈 설계 목표가 상대적으로 단순했고, 보통 1 밀리미터당 30 주기의 변조 전달 함수(MTF)에 집중했습니다. 그러나 현대의 광학 시스템은 대개 4K 해상도를 목표로 하고있어서, 색 보정에 대한 요구사항이 현저히 증가하고 있습니다.
일반적인 글래스를 사용한 2차 색 보정에 대한 기존의 법칙은 이런 고해상도에는 적합하지 않게 되었습니다. 특별한 색 보정을 달성하기 위해서는 이제 특수 글래스와 고도의 최적화 선행 기술이 요구됩니다. 예를 들어 CODE V의 Global Synthesis와 Glass Expert 도구는 글래스 선택을 최적화 하고 색 수차를 정확하게 보정하는데에 매우 유용합니다.
가장 눈에 띄는 발전 중 하나는 이미지 시뮬레이션의 정확도가 크게 향상 되었다는 점입니다. 설계자는 고객이 기대하는 성능을 직접 시연할 수 있고 이는 보다 정확한 사양과 원활한 커뮤니케이션으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 그림 1은 이미지 시뮬레이션을 통해 고객 기대에 부응하지 못할 수 있는 색채 분리가 어떻게 드러나고, 이를 통해 어떻게 더욱 엄격한 사양과 개선된 설계가 가능해지는지 보여줍니다.
그림1. 시뮬레이션 된 픽셀 이미지. (a) 세가지 파장에서 기본 및 보조 측면 색수차가 표시됨 (b) 21개의 준 연속 샘플링 파장을 사용해 시뮬레이션 한 동일한 픽셀 이미지 (c) 글래스 타입 재선정과 재 최적화 진행 후의 시스템을 시뮬레이션 한 픽셀 이미지
Direct Optimization of As-Built Performance
실제 제작 성능의 다이렉트 최적화
기존의 최적화는 명목상의 광학 시스템에 초점을 맞추어 실제 제작 성능이 설계 의도에 비해 상당히 열악하게 나타나는 경우가 많았습니다. 하지만 최근의 선행 기술은 공차를 최적화 루프에 통합하는 Simulated As-Built (SAB) 최적화를 도입했습니다. 이러한 접근 방식은 최적화가 실제 제작 성능을 직접 목표로 삼도록 보장하여 더욱 견고하고 안정적인 설계로 이어집니다.
예를 들어, Global Synthesis 를 활용한 연구에서는 최적화 에러 함수와 실제 제작된 RMS 파면 에러 간의 상관 관계가 현저히 부족함을 드러냈습니다. SAB 최적화를 사용함으로써 우리는 실제 제작 상태에서도 탁월한 성능을 발휘하는 설계를 달성할 수 있게 되었으며, 이는 그림 2에서 확인할 수 있습니다.
그림 2. SAB 최적화 결과
Modal Analysis
모달 분석
최근 우리는 공차 Eigenmode 개념을 도입하여 광학 시스템의 실제 제작 성능에 대해 더욱 깊이 있는 통찰으 제공하고 있습니다. 기계 공학의 모달 분석과 유사한 이 기술은 지배적인 수차 패턴과 그 필드 분포를 식별합니다.
예를 들어, 그림 3은 광각 렌즈의 두번째 Eigenmode를 보여주며 이는 필드 기울기와 필드 선형 및 필드 비대칭 난시가 결합된 형태를 드러냅니다. 이러한 모드를 이해하면 설계자가 보다 효과적인 보정 장치를 적용하고 설계 과정에서 정보에 기반한 조율을 할 수 있도록 도울 수 있습니다.
그림 3: 광각 렌즈의 모드 #2 : 필드 선형, 필드 비대칭 난시와 이미지 기울기
Optimization Over Pressure and Temperature
압력과 온도에 따른 최적화
광학 설계의 또 다른 주목할 만한 기술은 서로 다른 온도와 압력 조건에서 시스템을 동시에 최적화할 수 있는 능력입니다. 이 접근 방식은 열팽창과 열-광학 계수를 고려하여, 시스템이 다양한 환경과 조건에서 안정적으로 작동하도록 보장합니다.
예를 들어, 그림 4는 명목 온도에서 최적화되었지만 -100º C와 +100º C와 같은 극한 온도에서 평가된 De-cemented Double Gauss 렌즈의 성능을 보여줍니다.
그림 4. 22ºC에서 최적화 된 De-cemented Double-Gauss 렌즈의 성능: (a) -100º C에서 평가, (b) +100º C에서 평가. 수차 플롯의 수직 눈금 ±0.060 mm
CODE V의 Multi-Environment Coupling(MECo) 기능을 활용하여, 우리는 세 가지 환경 구성에서 동시에 시스템을 재최적화 하였습니다. 또한, Glass Expert를 사용하여 세 가지 환경 모두에서 우수한 이미지를 생성하는 글래스들을 선택하였습니다. 이러한 기법을 통해 전체 온도 범위에서 안정적인 수차 보정이 가능한 설계를 달성할 수 있었습니다. 이는 그림 5에서 확인할 수 있습니다.
그림 5. +22º C, -100º C, +100º C에서 동시에 최적화된 De-cemented Double-Gauss 렌즈의 성능: (a) -100º C에서 평가 (b) +100º C에서 평가. 수차 플롯의 수직 눈금 ±0.060 mm
Conclusion
결론
지난 25년 동안 광학 설계 분야는 눈에 띄는 발전을 이루어 왔습니다. 이러한 발전은 디자인 난제로 인한 복잡성 증가와 정교한 디바이스의 개발에 기인합니다. 미래에는 어떻게 이런 도구와 기술들이 계속 발전하고, 끊임없이 증가하는 니즈를 충족시키는지 지켜보는 것이 매우 흥미로울 것입니다.
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