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현대 광학 시스템 설계에서는 정밀도와 정확성이 필수적입니다. 이러한 시스템은 회절, 간섭, 파면 진화와 같은 복잡한 현상을 고려하기 위해 고급 모델링 기법을 필요로 합니다. 강력한 광학 설계 소프트웨어인 CODE V는 뛰어난 정확도로 물리 광학을 시뮬레이션하는 Beam Synthesis Propagation, BSP 기능을 제공합니다. 본 포스팅에서는 물리 광학 시뮬레이션이 왜 중요한지와 BSP의 개요를 제공하고, 다양한 광학 시스템에서의 응용 사례를 살펴보겠습니다.
Why Physical Optics Simulation?
왜 물리 광학 시뮬레이션인가?
The Importance of Physical Optics
물리 광학의 중요성
레이저 시스템, 이미징 디바이스, 광섬유 등 많은 광학 시스템은 물리 광학 효과에 대한 깊은 이해를 요구합니다. 특히 f-number가 작거나 회절 현상이 뚜렷한 응용 분야에서는 이러한 효과가 더욱 결정적인 역할을 합니다. 물리 광학 시뮬레이션은 설계자가 빛이 다양한 광학 구성 요소와 어떻게 상호 작용하는지를 예측할 수 있도록 도와주며, 최종 시스템이 설계자가 의도한 대로 작동하도록 보장합니다.
Methods for Physical Optics Simulation in CODE V
CODE V에서의 물리 광학 시뮬레이션 기법
CODE V는 Beam Propagation 및 물리 광학 분석을 위한 여러 기법을 제공합니다. 대표적인 기법으로는 가우시안 빔 추적(Gaussian Beam Trace, BEA), FFT 기반 빔 전파(Beam Propagation, BPR), 그리고 Beam Synthesis Propagation (BSP)이 있습니다. 이들 각 방법은 특정 설계 및 분석 작업에 적합하며, 그 중 BSP는 복잡한 광학 시스템을 높은 정확도와 유연성으로 다룰 수 있는 점이 돋보입니다.
Overview of Beam Synthesis Propagation
Beam Synthesis Propagation 소개
What is BSP?
BSP란 무엇인가?
BSP는 빔렛 (Beamlet) 기반의 일반 빔 전파 기법입니다. 이 기법은 광학 필드를 빔렛 컬렉션으로 분해합니다. 빔렛은 기본 광선과 이 기본 광선에 대해 초기에 국한된 필드로 구성됩니다. 이러한 빔렛은 각각 독립적으로 전파되고 하류에서 재결합 되어 원하는 표면에서 광학 필드를 얻습니다. 이 접근 방식은 광선 기반의 분석으로는 달성하기 어려운 정밀도를 요구하는 복잡한 시스템에서도 효과적으로 빛의 전파를 모델링할 수 있게 해줍니다. 이 기술은 그래디언트 인덱스 광학 (GRIN), 굴절 구성 요소 및 비순차적 광학 경로를 포함하여 광선 추적이 가능한 모든 것을 통해 빔을 전파할 수 있습니다.
BSP는 일반적인 빔 전파를 위한 빔렛 기반의 방법입니다.
Key Features and Capabilities
주요 특징 및 기능
BSP는 다음과 같은 고급 기능을 제공합니다.
- 정확도 높은 물리 모델링: 파면 및 회절 효과의 정밀한 시뮬레이션을 보장합니다.
- 클리핑 구경에 대한 견고한 처리: 클리핑 구경과 구경 회절을 사용하여 시스템을 정확하게 모델링합니다.
- 복잡한 시스템 설계에 적용: GRIN, 복굴절 소재, 비순차적 표면(NSS), 편광 등 다양한 요소를 지원하며 이는 복잡한 시스템 설계에 적합합니다.
- 사전 분석 기능: 렌즈 시스템을 기반으로 분석 설정을 자동으로 추천하여 설정 시간을 줄이고, 최적의 시뮬레이션 파라미터를 보장합니다.
- Input과 Output의 다양성: 여러 종류의 Input 구성 방식을 지원하며, 상세한 Output 옵션을 제공합니다.
BSP의 사전 분석 기능은 렌즈 시스템에 맞게 맞춤화된 분석 파라미터를 권장합니다.
Applications of BSP
BSP의 응용 분야
Scanning Optics in Various Applications
다양한 애플리케이션에서 활용되는 스캐닝 광학
레이저 스캐닝 시스템은 레이저 레벨러, 바코드 스캐너, 레이저 프린터, LiDAR와 같은 다양한 기기에서 사용됩니다. 이러한 시스템은 간섭광에 의존하며, 빔과 상호 작용하는 모서리, 구경, 파워 광학 요소 등을 포함합니다. 이러한 복잡성으로 인해 정확한 물리 광학 모델링이 필수적입니다. BSP는 거울 면의 모서리와 다양한 스캔 각도를 포함하여 다양한 지점에서 빔의 동작을 분석하고, 시스템 성능에 대한 자세한 통찰력을 제공합니다.
CODE V BSP는 기계 구조를 갖춘 망원경과 같은 복잡한 광학 시스템을 시뮬레이션 할 수 있는 기능을 갖추고 있습니다.
Laser Modes Propagation
레이저 모드 전파
BSP는 비대칭 공진기와 같은 시스템에서 자주 사용되는 Hermite-Gaussian 모드와 같은 복소장 입력을 처리할 수 있습니다. 복소장 입력을 포함한 BSP를 사용하면 설계자는 광학 시스템에서 복잡한 모드 패턴을 시뮬레이션하고 분석할 수 있습니다.
GRIN coupler를 통한 Hermite Gauss 복소장 전파
Interferometry
간섭 측정
간섭계 등 일부 시스템의 경우 여러 BSP 실행의 결과를 결합해야 할 수도 있는데, 이는 Macro-PLUS를 사용하면 쉽게 수행할 수 있습니다. 예를 들어 레퍼런스 arm과 테스트 arm에서 별도로 BSP를 실행하여 계측 간섭계의 결과를 모델링하는 매크로를 작성하여 복소 진폭을 수집할 수 있습니다. 해당 데이터는 일관된 합을 계산하고 간섭계가 생성할 간섭 무늬를 나타내는 복소 필드를 얻는 데 사용할 수 있습니다. BSP는 회절 효과와 표면 결함을 높은 정밀도로 모델링함으로써 이론적 모델을 검증하고 결함이 광학 성능에 미치는 영향에 대한 인사이트를 제공합니다.
CODE V는 INT 파일을 사용하여 표면 위에 튀어나온 부분 (bump)를 시뮬레이션하고 간섭 패턴에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다.
Speckled Beam Effect
스펙클 빔 효과
스펙클은 LiDAR, 광 통신 시스템, 간섭계와 같은 코히런트 광을 포함하는 시스템에서 흔히 볼 수 있는 현상입니다. 스펙클은 표면 지형에서 반사나 산란으로 인해 발생하는 무작위 위상 변화로 인해 발생합니다. 이러한 변화는 광학 필드의 진폭과 위상에 모두 영향을 미쳐 관찰되는 최종 강도 패턴에 영향을 미칩니다.
CODE V의 BSP를 사용하면 광학 시스템 시뮬레이션에서 전파를 위해 스펙클 빔 방사조도를 모델링할 수 있습니다.
BSP(Beam Synthesis Propagation)는 CODE V에서 광학적 효과를 모델링하는 효과적인 방법을 제공합니다. 한 가지 접근 방식은 간섭계 (Interferogram, INT) 파일을 사용하여 랜덤 위상 변화를 생성하는 것입니다. 이 파일들은 표면에 랜덤 위상 값을 할당하여 산란 또는 반사 효과를 시뮬레이션하고, 이를 통해 Speckle 현상을 재현할 수 있습니다. 예를 들어, 동공 위치에 따라 0~1 파장 범위의 랜덤 위상 패턴을 적용한 후, BSP를 이용해 이를 전파하면 초점에서 형성되는 스페클 강도 패턴을 분석할 수 있습니다.
이 방법은 광학 시스템에서 Speckle 이 미치는 영향을 연구하는 데 특히 유용합니다. 예를 들어, LiDAR 시스템에서 BSP를 활용하면 표면의 랜덤 위상이 리시버로 돌아오는 신호에 미치는 영향을 모델링할 수 있습니다. 이를 통해 신호 대 잡음비(SNR)를 평가하고, 다양한 거리에서 객체를 인식할 수 있는지를 분석할 수 있어, 시스템 성능을 보다 현실적으로 이해할 수 있습니다.
Modeling Mid-Spatial Frequency Surface Errors
중간 공간 주파수 표면 결함 모델링
제조 과정에서는 광학 성능에 영향을 미치는 표면 결함이 발생합니다. 이 중에서도 중간 공간 주파수(mid-spatial frequency) 표면 결함은 고주파 미세 거칠기(micro-roughness)와 저주파수 형상 오차(figure error) 사이에 위치하는 오차입니다.이 오차들은 점 확산 함수(PSF, Point Spread Function)와 변조 전달 함수(MTF, Modulation Transfer Function)에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
BSP는 시스템 요소에서 중간 공간 주파수 표면 결함의 영향을 모델링 할 수 있는 독특한 기능을 제공합니다. 이를 위해 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 함수의 멱법칙 형태를 사용하여 표면의 공간 주파수 특성을 설명하며, 설계자가 전력 지수를 조정하여 저주파 공간 주파수에서 발생하는 산란량을 증가 또는 감소시킬 수 있도록 합니다.
예를 들어, 필드 렌즈가 포함된 Cassegrain 망원경에서는 BSP를 활용하여 총 강도뿐만 아니라 산란 성분과 비산란 성분도 시뮬레이션 할 수 있습니다. 또한 PSF데이터를 제공하여 중간 공간 주파수 오류가 엔서클드 에너지, 엔스퀘어 에너지 또는 MTF에 미치는 영향을 쉽게 계산할 수 있도록 합니다. 이 기능을 통해 설계자는 표면 결함이 광학 성능에 미치는 영향을 분석하고, 최적의 해결책을 도출할 수 있습니다.
굴절장 렌즈 Cassegrain Ritchey-Chretien 망원경. BSP는 점 확산 함수(Point Spread Function)의 전체, 산란 및 비산란 강도 구성요소를 시뮬레이션할 수 있습니다.
Diffractive Optic Zonal Modeling
회절 광학 영역 모델링
회절 광학 소자(DOE, Diffractive Optical Elements)는 다양한 응용 분야에서 빛을 조작하는 데 사용됩니다. 그러나 기존의 PSF 계산 방식은 주 회절 차수인 +1 또는 -1 차수 주변으로 퍼지는 빛을 충분히 포착하지 못할 수 있습니다. BSP는 회절 광학의 각 영역에서 기여도를 일관되게 합산하여 이러한 회절 효과를 모델링하여 결과 PSF에 대한 정확한 예측을 제공합니다.
예를 들어, 여러 구역이 있는 회절 광학에서는, BSP를 사용하면 각 구역이 전체 광 분포에 어떻게 기여하는지 시뮬레이션 할 수 있습니다. 이 기능을 통해 광학 시스템에서 발생하는 회절 효과와 클리핑 현상을 보다 정확하게 반영할 수 있습니다. 이 기능은 설계자가 클리핑 및 회절 구경의 실제 특성을 고려하여 DOE를 사용하여 시스템 성능을 정확하게 예측할 수 있도록 보장합니다.
Ghost Peak Irradiance Analysis Using BSP
BSP를 활용한 고스트 피크 조도 분석
고스트 반사의 최대 조도에 대한 사항이 엄격하게 요구되는 시스템에서 BSP는 회절 효과를 고려하여 최대 조도를 결정하는 정확한 방법을 제공합니다. BSP는 관심 영역을 확대하고 높은 정확도로 최대 조도를 계산하여 시스템이 엄격한 성능 사양을 충족하도록 도와줍니다.
CODE V BSP는 피크 고스트 조도를 계산합니다. CODE V와 LightTools를 모두 사용하면 미광 예측 시 보완적인 도구로 사용할 수 있습니다.
Longitudinal PSFs with BSP
BSP를 사용한 세로 종방향 PSF
BSP는 가로 (횡방향) 이미지 분석 뿐만 아니라 세로 (종방향) 점 분포 함수 (PSF)를 생성하여 점이 종방향 면 (X-Z 또는 Y-Z)에서 어떻게 퍼지는지 평가할 수 있습니다. 이 기능은 특히 축 방향 초점 수차 및 초점 범위 성능을 분석하는 데 유용합니다. BSP는 이미지 평면을 90도 회전함으로써 전파 경로를 따라 확산을 자세히 볼 수 있으며, 이를 통해 시스템에 대한 인사이트를 얻을 수 있습니다.
CODE V에는 점 (예: X-Y 면)의 가로 이미지 성능을 평가하는 다양한 방법이 있습니다.
Conclusion
결론
Beam Synthesis Propagation (BSP)은 CODE V에서 물리 광학 시뮬레이션을 수행하는 강력한 도구로, 높은 정확도, 유연성, 효율성을 제공합니다. BSP의 고급 기능은 회절이 중요한 광학 시스템의 설계 및 최적화에 필수적인 요소입니다. 레이저 시스템, 망원경, 광섬유 시스템 등 다양한 응용 분야에서 BSP를 활용하면 광학 설계의 한계를 극복하고 시스템 성능을 최대한 향상 시킬 수 있습니다.