Workflow to Analyze Stray Light in Smartphone Cameras Using CODE V and LightTools

CODE V와 LightTools를 사용한 스마트폰 카메라의 미광 분석

미광은 광학 시스템의 의도된 기능과 성능을 방해하는 제작자가 원하지 않는 전자기 복사입니다. 미광의 예로는 광학 표면에서 정반사되는 고스트 이미지와 비결상 경로 표면에서 반사 또는 산란되는 플레어가 있습니다. 고스트 이미지와 플레어는 카메라 렌즈와 마운팅 구조로 인해 발생합니다. 미광 분석은 이러한 효과의 원인을 찾아 광학 설계에서 이를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

CODE V 및 LightTools는 제조 전에 시스템에서 미광의 영향을 식별하고 해결하는 강력한 워크플로우를 제공합니다. 이 블로그 포스팅에서는 스마트폰 카메라 시스템을 예로 들어 워크 플로우를 설명합니다.

스마트폰 카메라로 촬영한 사진의 플레어 및 고스트 이미지 예시

CODE V and LightTools Workflow for Stray Light Analysis

CODE V 및 LightTools를 활용한 미광 분석 방법

CODE V와 LightTools는 고급 광학 설계, 최적화 및 제작 지원 기능을 제공합니다. 두 제품을 함께 사용하면 설계 프로세스 초기에 미광 효과를 식별하고 최소화할 수 있는 매우 효과적인 워크플로우를 지원합니다.

미광 분석을 위한 워크플로우는 다음과 같습니다 :

CODE V의 설계, 최적화 및 공차 기능을 사용하여 결상 이미징 시스템을 생성하고 고스트 이미지 분석을 수행합니다.
설계한 이미징 시스템을 LightTools로 가져와 확장된 광원과 기계 부품의 효과를 자세히 분석합니다.
CODE V에서 설계를 마무리하여 제조 가능성을 최적화하고 생산 비용을 관리할 수 있습니다.

CODE V로 설계한 스마트폰 카메라 시스템(왼쪽)과 광 기계 부품을 추가하고 미광 분석을 수행하기 위해 LightTools로 가져온 스마트폰 카메라 시스템(오른쪽)

Create the Imaging Design and Perform Ghost Analysis

결상 시스템 생성 후 고스트 분석 진행

첫 번째 단계는 광학 성능 요구 사항을 충족하도록 CODE V에서 렌즈 시스템을 설계하는 것입니다. 이 포스팅에서 공유될 예제는 특허 받은 1/3" CMOS detector 용 소형 렌즈 모듈 (US Patent #7,646,552)이 포함된 스마트폰 렌즈 모델을 강조합니다. 다음 그림에서 볼 수 있듯이 Element 1-4는 Lens로 구성되고 Element 5는 IR cut filter 또는 cover plate, Element 6은 CMOS detector 입니다.

CODE V에서 설계한 스마트폰 카메라

이 설계에서는 Aspheric surface (비구면)이 Qcon surface로 변환되었습니다. Qcon surface는 Base conic에서부터 비구면의 Sag departure 입니다. 이러한 비구면 생성을 통해 설계자는 Surface 조건을 높은 수준으로 제어할 수 있으므로 제작 및 테스트에서 불필요한 복잡성을 피할 수 있어 비용을 절감할 수 있습니다. CODE V는 면의 형상 유지를 위해 비구면을 Qcon surface로 변환하는 간단한 프로세스를 제공합니다.

스마트폰 카메라 시스템에서 디텍터는 센서 내 금속 와이어 반사로 인해 고스트 이미지의 원인이 될 수 있습니다. 디텍터 구조에서 반사된 빛은 렌즈의 면을 통해 디텍터로 되돌아갈 수 있습니다.

CODE V는 고스트 이미지 분석에 강력한 툴이고 아래의 기능을 포함하고 있습니다:

Ghost (GHO) analysis feature
The supplied macro ghost_view.seq
@GHOST macro function

고스트 분석 기능과 ghost_view 매크로는 표 형식과 시각적 형식으로 데이터를 제공합니다. 분석 속도가 빠르며 추가 분석 또는 최적화 제어를 위해 두 면을 쉽게 분리할 수 있습니다. 고스트 매크로 기능을 사용하면 제어할 두 면을 지정하여 최적화 중에 고스트 이미지 디스크 크기를 제어할 수 있습니다.

다음은 필드 각도 2도의 ghost_view 반사 예시입니다.

CODE V에서 진행한 고스트 이미지 분석 결과

CODE V에서 렌즈 설계 및 고스트 분석을 완료한 후에는 설계를 LightTools로 내보내 광학 구조 설계 및 플레어 분석을 수행할 수 있습니다.

Analyzing the Effect of Extended Sources and Mechanical Parts

확장 광원 및 설계 시스템 내 부품의 효과 분석

CODE V와 LightTools 간의 상호 운용성은 정확도 높은 광학 제품 시뮬레이션을 지원합니다. CODE V 면 기반 모델은 LightTools에서 솔리드 모델로 자동 변환되며, 제품 간에 설계 업데이트가 원활하게 유지됩니다. LightTools에서 광학 속성, 수신기 및 광원을 적용함과 동시에, CODE V의 면 형상은 그대로 유지됩니다.

스마트폰 카메라 설계를 LightTools로 가져오면서, 조준 영역을 stop 면으로 설정한 원거리 램버시안 광원을 추가했습니다. 또한 이미지 면의 edge aperture를 정의하여 수신기의 크기를 올바르게 조정하고 렌즈 시스템 하우징을 추가했습니다. 마지막으로 조명 시뮬레이션을 위해 렌즈, 렌즈 시스템 하우징, 디텍터의 광학 속성을 조정했습니다.

LightTools에서 정의한 렌즈 하우징

광선이 시스템을 통과할 때 각 개별 경로를 기록하는 LightTools 광선 경로 분석 (Ray Path Analyzer) 기능은 고스트 이미지의 정량적 분석에 특히 유용합니다. 광선 경로 분석은 고스트 및 미광 조도의 특정 측면을 정확히 찾아내고 곡률 수정, 코팅 변경, 다양한 표면 처리 등 이러한 효과를 최소화하기 위한 설계 프로세스의 다음 단계를 결정할 수 있습니다.

또한 정방향 시뮬레이션을 사용하여 조도 또는 광도 데이터 생성 후, 설계자는 영역 분석을 수행하여 수신기에서 결과의 특정 부분을 상세히 알 수 있습니다. 시뮬레이션을 실행한 후 커서를 사용하여 LightTools LumViewer 차트에서 직사각형 영역의 경계를 스케치하여 해당 영역의 데이터에 기여하는 광선을 확인할 수 있습니다. 이렇게 하면 개별 고스트 또는 미광이 어디에서부터 오는지 경로를 더 잘 이해할 수 있습니다. 전체 미광 신호에 가장 많이 기여하는 광학 면을 알면 반사 방지 코팅이 필요한 면을 결정하는 데 도움이 됩니다.

LightTools의 Region Analysis 예시

LightTools 광선 경로 분석을 사용하면 센서(수신기)에서 개별 고스트 이미지를 생성하는 광학 시스템 내에서 다양한 광선 경로를 볼 수 있습니다. 이 데이터는 예를 들어 센서에 얼마나 많은 원치 않는 전력이 발생하는지 식별하거나 뚜렷한 고스트 이미지를 찾고 레이저 손상이 발생하기 쉬운 시스템을 평가할 때 최대 전력을 식별할 수 있습니다. 다음 그림에서는 광선 경로 필터가 적용되었습니다. 시뮬레이션이 실행되면 광선 경로 필터는 광학 시스템의 모든 잠재적인 광선 시퀀스 목록을 제공합니다. 개별 전력 또는 휘도 기여도에 따라 광선 경로를 정렬할 수 있습니다. 아래의 그림은 광학 시스템에서 서로 다른 광선 경로의 고스트 이미지(휘도 분포)를 보여줍니다.

광학 시스템에서 다양한 광선 경로의 고스트 이미지를 보여주는 LightTools 영역 분석

미광 분석에 유용한 추가 LightTools 기능은 다음과 같습니다.

고도로 연마된 표면을 시뮬레이션하기 위해 Harvey-Shack 및 ABg 산란 모델과 산란 평가 툴 지원
Microfacet 모델링을 사용하여 거친 표면을 모델링하는 기능
설계자가 이미징 광선이나 반사 및 산란 조도를 분리하는 데 도움이 될 수 있는 광선과 표면의 상호 작용을 추적하고 고스트 및 플레어의 기여도를 식별하는 리시버 필터
기준화된 Power Range를 지정하여 각 경로에서 수집된 총 파워를 기준으로 분석 결과를 광선 경로의 하위 집합으로 필터링하는 옵션
다각형 및 표면 기반 도형에 대한 옵션과 전역 좌표로 조준 영역을 배치하는 기능을 통해 조준 영역을 지정할 때 유연성을 제공하는 Scattering Aiming
거울과 같은 광학 표면을 오염시킬 수 있는 먼지 및 기타 미립자의 영향을 모델링하기 위한 Contamination Scattering

Finalizing Your Design in CODE V

CODE V에서 귀사의 제품 설계를 마무리 하십시오

마지막으로, 특정 surface pair에서 고스트 이미지의 크기를 제어하기 위해 CODE V에서 디자인을 더욱 최적화할 수 있으며, 이는 제공된 매크로 함수 @GHOST에서 사용자 정의 제약 조건을 사용하여 쉽게 수행할 수 있습니다. 또한 실제 광선 제약 조건을 사용하여 굴절된 광선을 표면 surface normal에서 멀리 유지함으로써 센서-렌즈 고스트를 제어할 수도 있습니다.

To Learn More

더 알아보기

아래의 내용을 통해 미광 분석에 대한 더 많은 인사이트와 CODE V 및 LightTools의 최신 기능을 확인해보십시오.

Synopsys 용어 사전: Stray Light (미광)

Application note: 렌즈 시스템의 고스트 이미지 감소

블로그: LightTools 2023.03 신 기능 업데이트

영상 보기: https://www.youtube.com/watch?v=GszcLGQXIWk

블로그: 광학 설계 워크플로우와 효율성을 개선하는 새로 업데이트 된 CODE V

영상 보기 : https://www.youtube.com/watch?v=nBEtP3gK934

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