Incorporate Diffractive Optics and Metalenses into Macroscopic Optical Modeling with Greater Ease
ANSYS BLOG / FEBRUARY 28, 2024
Author: Micheal Cheng / Lead R&D Engineer, Ansys
https://www.ansys.com/blog/incorporate-diffractive-optics-metalenses-into-macroscopic-optics
회절 광학 및 메타렌즈를 거시적 광학 모델링에 더욱 쉽게 통합하기
기술이 발전함에 따라 광학 요소에 대한 수요는 계속 증가하고 있습니다. 그러나 이제 많은 장치와 시스템에 더 작은 기술이 필요합니다. 이에 따라 광학 설계자는 더 작은 광학 부품을 사용하여 대규모 설계를 만들어야 하는 과제를 안고 있습니다.
메타렌즈와 회절 광학 소자(DOE)는 기존 렌즈보다 더 작기 때문에 이 문제에 대한 해결책을 제시합니다. 이러한 방식으로 시스템 크기를 줄이고 일반적으로 더 간단한 조립 프로세스를 가능하게 합니다. 하지만 메타렌즈나 DOE가 포함된 시스템을 모델링하고 설계하는 것은 어려울 수 있습니다.
광학 설계자가 이러한 문제를 해결할 수 있도록 Ansys Zemax OpticStudio 2024 R1은 거시적 광학 모델링에 메타렌즈와 DOE를 보다 쉽게 통합할 수 있도록 향상된 지원을 제공합니다.
산업 전반의 광학 설계 개선
메타렌즈는 유전체 표면에 서브파장 "메타 원자" 패턴을 사용하여 입사광을 조작합니다. 디지털 회절 광학이라고도 하는 DOE는 파장 규모의 미세 구조로 구성되어 있으며 빛의 파동 특성을 활용하여 기능을 수행합니다. 두 광학 부품 모두 평평하고 얇고 가벼워 소형 고성능 시스템을 설계할 때 유리한 선택이 될 수 있습니다.
기본적으로 시스템에서 광학 부품의 크기와 무게를 줄이는 것이 중요한 모든 설계에 사용할 수 있습니다. 여기에는 자율주행 차량의 3D 감지 및 안면 인식 시스템용 라이더, 내시경 및 현미경과 같은 의료 기기, 적외선 및 머신 비전 카메라와 같은 감시 시스템, 휴대폰 카메라, 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 이미지 센서, 증강 현실(AR)/가상 현실(VR) 헤드셋과 같은 디스플레이 및 이미징 시스템, 홀로그래피 등이 포함됩니다.
현재 메타렌즈와 DOE는 라이다 및 편광 이미징 시스템에 사용되는 도트 프로젝터에 가장 일반적으로 사용되고 있지만, 내시경 및 컴팩트 카메라 모듈을 비롯한 다른 애플리케이션에 대한 개발이 증가하고 있습니다. 광학 부품은 도수 안경 설계에도 적합하여 적용 가능성이 더욱 확대되고 있습니다.
더욱 간편하게 광학 시스템 모델링
광학 설계자는 여기에 설명된 최신 릴리스 기능을 통해 광범위한 가능성을 활용할 수 있습니다.
Zemax Ray Database 및 Path Analysis 업데이트
비순차 광선 추적을 실행할 때 생성되는 Zemax 광선 데이터베이스(ZRD) 파일에는 이제 반사, 굴절 및 회절 광학이 있는 시스템에서 광선을 정확하게 추적하는 데 필요한 데이터가 포함됩니다. 새로운 광선 세그먼트 속성에는 플래그인 총 내부 반사(TIR), 렌즈 단위의 광 경로 길이(OPL), 파동 단위의 OPL 및 회절 순서가 포함됩니다.
이제 Zemax 광선 데이터베이스(ZRD)에는 반사, 굴절 및 회절 광학 장치가 있는 시스템에서 광선을 정확하게 추적하는 데 필요한 데이터가 포함됩니다.
이를 확장한 경로 분석 도구(비순차 모드에서만 사용할 수 있음)는 ZRD의 새로운 광선 데이터 정보를 사용하여 기능을 개선합니다. 이제 이 도구는 광선 경로를 따라 물체의 면과 회절 순서를 사용하여 경로 시퀀스를 구성할 수도 있습니다. 즉, 경로 분석은 이제 다른 회절 순서를 따르는 경로와 동일한 물체의 다른 면에 닿는 경로를 구분할 수 있습니다. 최근 업그레이드된 이 도구는 광학 시스템 내에서 광선이 따라가는 물리적 경로를 분리할 수 있습니다. 구성 요소 수준의 미광과 같이 광학 구성 요소에서 발생하는 고스트 반사에 의해 생성되는 미광을 연구하는 데 활용할 수 있습니다.
경로 분석 도구는 ZRD의 새로운 광선 데이터 정보를 사용하여 복잡한 시스템에서 기능, 인사이트 및 데이터 사용성을 개선합니다
새로운 위상 기울기 맵 및 위상 기울기 제어 피연산자
회절 격자와 같이 광선에 위상 변화를 추가하는 표면에 사용할 수 있는 두 가지 새로운 위상 슬로프 분석이 추가되었습니다. 또한 두 개의 새로운 장점 함수 피연산자(PSLP 및 QSLP)는 최적화 중에 위상 기울기를 제한하여 위상 기울기 값을 제조 가능한 범위 내에 유지하고 사용자가 표면의 위상 기울기를 제어할 수 있도록 합니다.
보다 구체적으로 PSLP 피연산자는 위상 표면의 특정 XY 위치에서 위상 기울기를 반환하고, QSLP 피연산자는 최대 및 최소값과 같은 전체 위상 기울기 데이터 세트에 대한 데이터를 반환합니다. 예를 들어, 사용자는 표면의 어느 위치에서든 최대 위상 기울기를 주어진 값보다 작도록 제한하여 회절 요소를 제조할 수 있도록 할 수 있습니다.
새로운 위상 기울기 맵과 제어 피연산자를 사용하면 회절 및 위상 표면이 추가하는 위상 기울기를 쉽게 분석하고 제어하여 회절 광학 장치의 제조 가능성을 유지할 수 있습니다
그라데이션 복굴절 렌즈를 통한 추적 시 단일 레이 트레이스에 레이 세그먼트 데이터 추가
싱글 레이 트레이스 분석에 새로운 옵션이 추가되었습니다: 광선 세그먼트 표시. 이 기능을 통해 설계자는 광선이 그라데이션 복굴절 렌즈를 통해 전파되는 방식을 분석하고 시스템 동작에 대해 더 많이 이해하여 설계를 개선할 수 있습니다. 이 기능은 특히 액정 렌즈 구성 요소 설계에 유용하며, OpticStudio 2023 R2에 추가된 사용자 정의 동적 링크 라이브러리(DLL) 기능을 확장하여 복굴절 렌즈를 모델링할 수 있습니다. 사용자 정의 복굴절 DLL을 사용하면 그라데이션 복굴절 머티리얼의 위치 x, y, z에 따라 수정 축을 사용자 정의할 수 있습니다.
추가 광선 세그먼트 데이터를 통해 설계자는 그라데이션 복굴절 렌즈를 통해 전파되는 광선을 더욱 자세히 분석할 수 있습니다
OpticStudio 및 Ansys Lumerical에서 메타렌즈를 직접 모델링할 수 있는 새로운 DLL
새로운 DLL을 사용하면 OpticStudio에서 대규모 메타렌즈 구성 요소를 모델링할 수 있습니다.
사용자는 먼저 Ansys Lumerical에서 메타 원자 데이터를 시뮬레이션하고 생성한 다음 DLL을 사용하여 해당 데이터를 OpticStudio에 공급합니다. Lumerical에서는 단위 셀의 파라미터(예: 나노로드의 반경)를 스윕하여 파라메트릭 나노 요소 응답의 데이터베이스를 생성합니다. 이 데이터와 목표 위상 프로파일을 기반으로 대형 메타렌즈가 정의됩니다. 데이터베이스는 모든 셀의 위상 및 진폭에 대해 가능한 개별 값 목록을 가리키는 인덱스가 포함된 맵이 포함된 파일에 기록됩니다. 입력은 파일 확장자가 .pmap 및 .aph인 파일 쌍 또는 확장자 파일 이름이 .h5인 단일 파일입니다. 그런 다음 이 데이터는 다운로드 패키지에 포함된 Zemax 플러그인에서 Ray Tracing으로 시뮬레이션할 수 있는 거시적 광학 시스템에 대형 렌즈를 통합하는 데 사용됩니다.
Get Started Today
메타렌즈와 DOE는 다기능 기능과 컴팩트한 폼 팩터로 광학 분야에 혁신을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. OpticStudio의 업데이트된 기능과 통합된 광학 워크플로우를 통해 설계자는 설계 변형을 원활하게 캡처하고 DOE와 메타렌즈를 거시적 광학 모델에 보다 쉽게 통합할 수 있습니다.
OpticStudio가 광학 설계에 어떤 이점을 제공하는지 알아보려면 지금 바로 OpticStudio 무료 체험판을 요청하세요.
Ansys Optics Products Sales
담당자 (Direct) : 02-6096-5705
대표전화 : 02-2065-0726
E-mail: optical@radiantsolution.co.kr
Incorporate Diffractive Optics and Metalenses into Macroscopic Optical Modeling with Greater Ease
ANSYS BLOG / FEBRUARY 28, 2024
Author: Micheal Cheng / Lead R&D Engineer, Ansys
https://www.ansys.com/blog/incorporate-diffractive-optics-metalenses-into-macroscopic-optics
회절 광학 및 메타렌즈를 거시적 광학 모델링에 더욱 쉽게 통합하기
기술이 발전함에 따라 광학 요소에 대한 수요는 계속 증가하고 있습니다. 그러나 이제 많은 장치와 시스템에 더 작은 기술이 필요합니다. 이에 따라 광학 설계자는 더 작은 광학 부품을 사용하여 대규모 설계를 만들어야 하는 과제를 안고 있습니다.
메타렌즈와 회절 광학 소자(DOE)는 기존 렌즈보다 더 작기 때문에 이 문제에 대한 해결책을 제시합니다. 이러한 방식으로 시스템 크기를 줄이고 일반적으로 더 간단한 조립 프로세스를 가능하게 합니다. 하지만 메타렌즈나 DOE가 포함된 시스템을 모델링하고 설계하는 것은 어려울 수 있습니다.
광학 설계자가 이러한 문제를 해결할 수 있도록 Ansys Zemax OpticStudio 2024 R1은 거시적 광학 모델링에 메타렌즈와 DOE를 보다 쉽게 통합할 수 있도록 향상된 지원을 제공합니다.
산업 전반의 광학 설계 개선
메타렌즈는 유전체 표면에 서브파장 "메타 원자" 패턴을 사용하여 입사광을 조작합니다. 디지털 회절 광학이라고도 하는 DOE는 파장 규모의 미세 구조로 구성되어 있으며 빛의 파동 특성을 활용하여 기능을 수행합니다. 두 광학 부품 모두 평평하고 얇고 가벼워 소형 고성능 시스템을 설계할 때 유리한 선택이 될 수 있습니다.
기본적으로 시스템에서 광학 부품의 크기와 무게를 줄이는 것이 중요한 모든 설계에 사용할 수 있습니다. 여기에는 자율주행 차량의 3D 감지 및 안면 인식 시스템용 라이더, 내시경 및 현미경과 같은 의료 기기, 적외선 및 머신 비전 카메라와 같은 감시 시스템, 휴대폰 카메라, 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 이미지 센서, 증강 현실(AR)/가상 현실(VR) 헤드셋과 같은 디스플레이 및 이미징 시스템, 홀로그래피 등이 포함됩니다.
현재 메타렌즈와 DOE는 라이다 및 편광 이미징 시스템에 사용되는 도트 프로젝터에 가장 일반적으로 사용되고 있지만, 내시경 및 컴팩트 카메라 모듈을 비롯한 다른 애플리케이션에 대한 개발이 증가하고 있습니다. 광학 부품은 도수 안경 설계에도 적합하여 적용 가능성이 더욱 확대되고 있습니다.
더욱 간편하게 광학 시스템 모델링
광학 설계자는 여기에 설명된 최신 릴리스 기능을 통해 광범위한 가능성을 활용할 수 있습니다.
Zemax Ray Database 및 Path Analysis 업데이트
비순차 광선 추적을 실행할 때 생성되는 Zemax 광선 데이터베이스(ZRD) 파일에는 이제 반사, 굴절 및 회절 광학이 있는 시스템에서 광선을 정확하게 추적하는 데 필요한 데이터가 포함됩니다. 새로운 광선 세그먼트 속성에는 플래그인 총 내부 반사(TIR), 렌즈 단위의 광 경로 길이(OPL), 파동 단위의 OPL 및 회절 순서가 포함됩니다.
이제 Zemax 광선 데이터베이스(ZRD)에는 반사, 굴절 및 회절 광학 장치가 있는 시스템에서 광선을 정확하게 추적하는 데 필요한 데이터가 포함됩니다.
이를 확장한 경로 분석 도구(비순차 모드에서만 사용할 수 있음)는 ZRD의 새로운 광선 데이터 정보를 사용하여 기능을 개선합니다. 이제 이 도구는 광선 경로를 따라 물체의 면과 회절 순서를 사용하여 경로 시퀀스를 구성할 수도 있습니다. 즉, 경로 분석은 이제 다른 회절 순서를 따르는 경로와 동일한 물체의 다른 면에 닿는 경로를 구분할 수 있습니다. 최근 업그레이드된 이 도구는 광학 시스템 내에서 광선이 따라가는 물리적 경로를 분리할 수 있습니다. 구성 요소 수준의 미광과 같이 광학 구성 요소에서 발생하는 고스트 반사에 의해 생성되는 미광을 연구하는 데 활용할 수 있습니다.
경로 분석 도구는 ZRD의 새로운 광선 데이터 정보를 사용하여 복잡한 시스템에서 기능, 인사이트 및 데이터 사용성을 개선합니다
새로운 위상 기울기 맵 및 위상 기울기 제어 피연산자
회절 격자와 같이 광선에 위상 변화를 추가하는 표면에 사용할 수 있는 두 가지 새로운 위상 슬로프 분석이 추가되었습니다. 또한 두 개의 새로운 장점 함수 피연산자(PSLP 및 QSLP)는 최적화 중에 위상 기울기를 제한하여 위상 기울기 값을 제조 가능한 범위 내에 유지하고 사용자가 표면의 위상 기울기를 제어할 수 있도록 합니다.
보다 구체적으로 PSLP 피연산자는 위상 표면의 특정 XY 위치에서 위상 기울기를 반환하고, QSLP 피연산자는 최대 및 최소값과 같은 전체 위상 기울기 데이터 세트에 대한 데이터를 반환합니다. 예를 들어, 사용자는 표면의 어느 위치에서든 최대 위상 기울기를 주어진 값보다 작도록 제한하여 회절 요소를 제조할 수 있도록 할 수 있습니다.
그라데이션 복굴절 렌즈를 통한 추적 시 단일 레이 트레이스에 레이 세그먼트 데이터 추가
싱글 레이 트레이스 분석에 새로운 옵션이 추가되었습니다: 광선 세그먼트 표시. 이 기능을 통해 설계자는 광선이 그라데이션 복굴절 렌즈를 통해 전파되는 방식을 분석하고 시스템 동작에 대해 더 많이 이해하여 설계를 개선할 수 있습니다. 이 기능은 특히 액정 렌즈 구성 요소 설계에 유용하며, OpticStudio 2023 R2에 추가된 사용자 정의 동적 링크 라이브러리(DLL) 기능을 확장하여 복굴절 렌즈를 모델링할 수 있습니다. 사용자 정의 복굴절 DLL을 사용하면 그라데이션 복굴절 머티리얼의 위치 x, y, z에 따라 수정 축을 사용자 정의할 수 있습니다.
추가 광선 세그먼트 데이터를 통해 설계자는 그라데이션 복굴절 렌즈를 통해 전파되는 광선을 더욱 자세히 분석할 수 있습니다
OpticStudio 및 Ansys Lumerical에서 메타렌즈를 직접 모델링할 수 있는 새로운 DLL
새로운 DLL을 사용하면 OpticStudio에서 대규모 메타렌즈 구성 요소를 모델링할 수 있습니다.
사용자는 먼저 Ansys Lumerical에서 메타 원자 데이터를 시뮬레이션하고 생성한 다음 DLL을 사용하여 해당 데이터를 OpticStudio에 공급합니다. Lumerical에서는 단위 셀의 파라미터(예: 나노로드의 반경)를 스윕하여 파라메트릭 나노 요소 응답의 데이터베이스를 생성합니다. 이 데이터와 목표 위상 프로파일을 기반으로 대형 메타렌즈가 정의됩니다. 데이터베이스는 모든 셀의 위상 및 진폭에 대해 가능한 개별 값 목록을 가리키는 인덱스가 포함된 맵이 포함된 파일에 기록됩니다. 입력은 파일 확장자가 .pmap 및 .aph인 파일 쌍 또는 확장자 파일 이름이 .h5인 단일 파일입니다. 그런 다음 이 데이터는 다운로드 패키지에 포함된 Zemax 플러그인에서 Ray Tracing으로 시뮬레이션할 수 있는 거시적 광학 시스템에 대형 렌즈를 통합하는 데 사용됩니다.
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메타렌즈와 DOE는 다기능 기능과 컴팩트한 폼 팩터로 광학 분야에 혁신을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. OpticStudio의 업데이트된 기능과 통합된 광학 워크플로우를 통해 설계자는 설계 변형을 원활하게 캡처하고 DOE와 메타렌즈를 거시적 광학 모델에 보다 쉽게 통합할 수 있습니다.
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