Exploring the Facets of Stray Light with Simulation
ANSYS BLOG / JANUARY 9, 2024
Author: Tobias Lauinger / Senior Application Engineer, Ansys
https://www.ansys.com/blog/exploring-facets-of-stray-light-simulation
시뮬레이션을 통한 미광 연구
Ansys 광학 소프트웨어는 엔지니어가 스마트폰 카메라 애플리케이션에서 미광을 줄이거나 차단하도록 도와줍니다.
어디를 가든 휴대폰으로 기억에 남는 단체 사진이나 인생샷을 찍는 사람이 있습니다. 기존 카메라와 휴대폰 카메라 사이의 경계가 계속 모호해짐에 따라 휴대용 기기 제조업체는 이전에는 상상할 수 없었던 화질을 구현하기 위해 소프트웨어와 하드웨어의 최상의 조합을 찾아야 합니다.
물론 스마트폰 카메라는 많은 발전을 이루었습니다. 그래서 휴가 때 사용하던 콤팩트 카메라는 이제 과거로 밀려났습니다. 오늘날 최고 등급의 스마트폰은 거의 DSLR 카메라 성능과 비슷하여 더욱 선명한 이미지 품질을 제공할 수 있습니다.
스마트폰 카메라 시스템은 본질적으로 카메라 구성 요소, 기술 및 시스템의 집합체입니다. 초점 거리와 특성이 다른 여러 개의 렌즈를 사용하는 경우가 많습니다. 일반적인 유형에는 광각, 초광각, 망원 및 매크로 렌즈가 있습니다. 각 렌즈는 고유한 용도가 있으며 사용자는 다양한 사진을 촬영할 수 있습니다.
이러한 핸드헬드 카메라 애플리케이션의 과제는 성능이 뛰어나야 하고 까다로운 조명 조건에 노출되어야 하며 높은 성능을 가져야 한다는 것입니다. 실내 혹은 실외에서 햇빛, 그늘, 그림자에 영향받을 수 있으며, 심지어 가로등, 간판, 지나가는 차량의 헤드램프에서 방출되는 빛의 간섭이 있는 환경 그리고 밤에도 사람들은 일관된 성능을 기대합니다.
Ansys 광학 시뮬레이션 및 설계 소프트웨어의 예측 능력을 활용하면 스마트폰 카메라 시스템은 주변 환경과 관계없이 최고의 성능을 발휘하도록 최적화할 수 있습니다. Ansys Speos 와 Ansys Zemax OpticStudio에는 미광 분석을 수행하는 강력한 기능이 포함되어 있어 광학 시스템의 센서에서 감지되는 미광을 줄이거나 제거하는 데 도움이 됩니다. 두 제품은 이러한 목적을 위해 효율적이고 쉽게 상호 운용할 수 있도록 설계되었습니다.
미광이 있으면 이미지 품질이 저하됩니다
광학 시스템 설계에서 가장 큰 고려 사항 중 하나는 미광입니다. 정의에 따르면, 미광은 카메라 센서에서 원치 않는 산란광 또는 반사광으로, 광학 설계에서 의도하지 않은 것이며 카메라 시스템의 광학 성능과 이미지 품질을 떨어뜨립니다. 또한 미광은 스마트폰 카메라로 촬영한 이미지의 콘트라스트 감소, 블러링, 변색된 이미지의 일반적인 원인입니다.
미광에는 고스트와 눈부심(베일링이라고도 함)이라는 두 가지 유형이 있습니다.
- 고스트는 카메라 시야 가장자리에 가까운 광원에서 나오는 빛이 센서에 도달하기 전에 렌즈 사이에서 원치 않는 정반사가 두 번 이상 발생할 때 이미지에 밝은 점으로 나타나는 반사입니다.
- 눈부심빛 번짐은 카메라의 시스템 내부에서 빛이 산란될 때 발생합니다. 산란은 시스템의 광학 또는 광학 기계 구성 요소에서 발생할 수 있으며 광학 표면 거칠기를 비롯한 여러 요인이나 시스템 설계 결함으로 인해 발생할 수 있습니다.
이는 성능 저하로 이어지는 미광 가능성을 설계 단계 초기에 식별하고 제거해야 하는 휴대용 장치 제조업체에게는 큰 문제입니다. 이를 해결하는 방법은 분석과 제어를 통해 주어진 장치의 센서에서 미광의 영향을 최소화하는 것입니다. 그러나 카메라는 거의 모든 환경에서 사용되기 때문에 다양한 조명 조건에서 미광을 고려하여 설계해야 합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 카메라의 시야 내부 또는 외부에 있을 수 있는 외부 중요 광원 위치를 식별하는 방법을 찾는 것이 중요합니다. 다음 단계는 일반적으로 카메라의 렌즈를 재구성하거나 다른 광학적 특성을 가진 새로운 소재(예: 고흡수 또는 반사 방지 코팅)로 전환하여 미광의 영향을 완화하는 방법을 마련하는 것입니다.
Ansys Optics는 단일 워크플로우에서 다른 관점 제공
Ansys 광학 소프트웨어는 휴대폰과 같은 광학 제품의 디지털 모델링을 통해 빛의 거동과 전파를 시뮬레이션할 수 있으므로, 보다 정확하고 견고한 카메라 설계가 가능합니다. 엔지니어는 여러 Ansys 제품의 기능을 이용해 카메라 시스템에서 미광의 전파를 식별, 이해, 분석 및 제어할 수 있습니다. OpticStudio를 사용하면 성능과 고스트 미광 모두에 대한 박막 코팅의 영향을 고려하여 광학 시스템을 최적화하기 위한 고정밀 분석과 설계를 할 수 있습니다. 이를 통해 매끄러운 광학 표면에서 프레넬 반사의 영향을 최소화하고, 고스트 초점의 위치를 최적화하며, 반사 방지 코팅을 적용할 최상의 표면을 결정할 수 있습니다.
새로운 Optical Design Exchange(.odx) 형식을 사용하면 Zemax lens 데이터를 Speos로 원활하게 전환하여 원활하게 빛 번짐 등의 미광분석을 할 수 있습니다. OpticStudio의 "Export Optical Design To Speos" 도구를 사용하면 설계자가 Speos로 바로 가져올 광학 설계 파일을 생성할 수 있습니다. 이 파일에는 Speos 3D 환경 내에서 정확하게 재현하기 위해 렌즈 디자인, 스펙트럼 재료 및 코팅 특성, 정지 표면 및 센서에 대한 필수 정보가 포함되어 있습니다.
Ansys Zemax OpticStudio and Speos Optical design exchange
Speos CAD-agnostic Direct Design Modeler 를 사용하면 엔지니어가 최적화된 렌즈 스택 외에도 광학 기계 구성 요소를 가져오고 고려할 수 있습니다. CAD 정리, 신속한 설계 수정 및 재료 최적화를 위한 기능을 제공합니다. 물리 기반의 광선 추적 알고리즘과 LXP(Light Expert) 지원, 시퀀스 감지, 광선 경로 필터링, 다중 센서 분석, 3D 조도 분석 및 자동화를 포함한 고급 미광 분석 기능으로 고정밀 광학 시스템의 설계와 미광 분석을 위한 포괄적인 워크플로우를 수행할 수 있습니다.
Ansys Optics 툴을 사용하여 카메라 시스템의 미광을 분석할 때는 여러 단계를 거칩니다. 이 예에서는 스마트폰 카메라를 주간에 사용할 때 햇빛으로 발생하는 미광을 조사하는 전체적인 프로세스를 보여줍니다. 이러한 경우 다음 5단계를 완료해야 합니다.
Stray light analysis workflow
1. 광학 설계 및 최적화 여기에는 MTF(Modulation Transfer Function) 및 PSF(Point Spread Function)와 같은 측정 기준을 사용하여 주 경로 성능을 기반으로 렌즈 시스템을 설계 및 최적화하고 공차를 설정하는 작업이 포함됩니다.
2. 고스트 이미지 최적화 및 분석: 프레넬 반사의 영향을 최소화하고 반사 방지 코팅을 적용할 중요한 렌즈 표면을 결정하는 데 중점을 둡니다.
3. 시스템 수준 미광 분석 및 시각화: 이 단계에는 "Optical Design Exchange"(.odx)를 사용하여 Zemax에서 Speos로 전송하고 광학 시스템을 시스템 수준의 미광을 분석하여 렌즈 배럴, 장착 형상 및 하우징과 같은 광학 기계 부품을 통합하는 작업이 포함됩니다. 그런 다음 의도된 FOV(Field Of View) 안팎의 잠재적인 중요 소스 위치를 모두 확인하고 전체 시스템의 빛샘 현상을 평가합니다.
4. 미광 경로 분석: 광학 기계 구성 요소의 산란에 특히 초점을 맞춰 미광을 유발하는 가장 중요한 물체를 식별하기 위해 시퀀스 필터링을 적용합니다.
5. 미광 최소화: 앞의 단계에서 중요한 것으로 확인된 표면의 설계와 재료를 수정하여 시스템 내 미광을 최소화합니다.
Illustration of the 20th most energetic stray light paths sorted by energy hitting the sensor.
Ansys Optics 소프트웨어를 사용하여 스마트폰 카메라 시스템의 미광을 분석하는 방법에 대한 워크플로우를 포함하는 더욱 포괄적인 단계별 가이드를 보려면 전체 기사를 읽어보시기 바랍니다.
Ansys Optics Products Sales
담당자 (Direct) : 02-6096-5705
대표전화 : 02-2065-0726
E-mail: optical@radiantsolution.co.kr
Exploring the Facets of Stray Light with Simulation
ANSYS BLOG / JANUARY 9, 2024
Author: Tobias Lauinger / Senior Application Engineer, Ansys
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시뮬레이션을 통한 미광 연구
Ansys 광학 소프트웨어는 엔지니어가 스마트폰 카메라 애플리케이션에서 미광을 줄이거나 차단하도록 도와줍니다.
어디를 가든 휴대폰으로 기억에 남는 단체 사진이나 인생샷을 찍는 사람이 있습니다. 기존 카메라와 휴대폰 카메라 사이의 경계가 계속 모호해짐에 따라 휴대용 기기 제조업체는 이전에는 상상할 수 없었던 화질을 구현하기 위해 소프트웨어와 하드웨어의 최상의 조합을 찾아야 합니다.
물론 스마트폰 카메라는 많은 발전을 이루었습니다. 그래서 휴가 때 사용하던 콤팩트 카메라는 이제 과거로 밀려났습니다. 오늘날 최고 등급의 스마트폰은 거의 DSLR 카메라 성능과 비슷하여 더욱 선명한 이미지 품질을 제공할 수 있습니다.
스마트폰 카메라 시스템은 본질적으로 카메라 구성 요소, 기술 및 시스템의 집합체입니다. 초점 거리와 특성이 다른 여러 개의 렌즈를 사용하는 경우가 많습니다. 일반적인 유형에는 광각, 초광각, 망원 및 매크로 렌즈가 있습니다. 각 렌즈는 고유한 용도가 있으며 사용자는 다양한 사진을 촬영할 수 있습니다.
이러한 핸드헬드 카메라 애플리케이션의 과제는 성능이 뛰어나야 하고 까다로운 조명 조건에 노출되어야 하며 높은 성능을 가져야 한다는 것입니다. 실내 혹은 실외에서 햇빛, 그늘, 그림자에 영향받을 수 있으며, 심지어 가로등, 간판, 지나가는 차량의 헤드램프에서 방출되는 빛의 간섭이 있는 환경 그리고 밤에도 사람들은 일관된 성능을 기대합니다.
Ansys 광학 시뮬레이션 및 설계 소프트웨어의 예측 능력을 활용하면 스마트폰 카메라 시스템은 주변 환경과 관계없이 최고의 성능을 발휘하도록 최적화할 수 있습니다. Ansys Speos 와 Ansys Zemax OpticStudio에는 미광 분석을 수행하는 강력한 기능이 포함되어 있어 광학 시스템의 센서에서 감지되는 미광을 줄이거나 제거하는 데 도움이 됩니다. 두 제품은 이러한 목적을 위해 효율적이고 쉽게 상호 운용할 수 있도록 설계되었습니다.
미광이 있으면 이미지 품질이 저하됩니다
광학 시스템 설계에서 가장 큰 고려 사항 중 하나는 미광입니다. 정의에 따르면, 미광은 카메라 센서에서 원치 않는 산란광 또는 반사광으로, 광학 설계에서 의도하지 않은 것이며 카메라 시스템의 광학 성능과 이미지 품질을 떨어뜨립니다. 또한 미광은 스마트폰 카메라로 촬영한 이미지의 콘트라스트 감소, 블러링, 변색된 이미지의 일반적인 원인입니다.
미광에는 고스트와 눈부심(베일링이라고도 함)이라는 두 가지 유형이 있습니다.
이는 성능 저하로 이어지는 미광 가능성을 설계 단계 초기에 식별하고 제거해야 하는 휴대용 장치 제조업체에게는 큰 문제입니다. 이를 해결하는 방법은 분석과 제어를 통해 주어진 장치의 센서에서 미광의 영향을 최소화하는 것입니다. 그러나 카메라는 거의 모든 환경에서 사용되기 때문에 다양한 조명 조건에서 미광을 고려하여 설계해야 합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 카메라의 시야 내부 또는 외부에 있을 수 있는 외부 중요 광원 위치를 식별하는 방법을 찾는 것이 중요합니다. 다음 단계는 일반적으로 카메라의 렌즈를 재구성하거나 다른 광학적 특성을 가진 새로운 소재(예: 고흡수 또는 반사 방지 코팅)로 전환하여 미광의 영향을 완화하는 방법을 마련하는 것입니다.
Ansys Optics는 단일 워크플로우에서 다른 관점 제공
Ansys 광학 소프트웨어는 휴대폰과 같은 광학 제품의 디지털 모델링을 통해 빛의 거동과 전파를 시뮬레이션할 수 있으므로, 보다 정확하고 견고한 카메라 설계가 가능합니다. 엔지니어는 여러 Ansys 제품의 기능을 이용해 카메라 시스템에서 미광의 전파를 식별, 이해, 분석 및 제어할 수 있습니다. OpticStudio를 사용하면 성능과 고스트 미광 모두에 대한 박막 코팅의 영향을 고려하여 광학 시스템을 최적화하기 위한 고정밀 분석과 설계를 할 수 있습니다. 이를 통해 매끄러운 광학 표면에서 프레넬 반사의 영향을 최소화하고, 고스트 초점의 위치를 최적화하며, 반사 방지 코팅을 적용할 최상의 표면을 결정할 수 있습니다.
새로운 Optical Design Exchange(.odx) 형식을 사용하면 Zemax lens 데이터를 Speos로 원활하게 전환하여 원활하게 빛 번짐 등의 미광분석을 할 수 있습니다. OpticStudio의 "Export Optical Design To Speos" 도구를 사용하면 설계자가 Speos로 바로 가져올 광학 설계 파일을 생성할 수 있습니다. 이 파일에는 Speos 3D 환경 내에서 정확하게 재현하기 위해 렌즈 디자인, 스펙트럼 재료 및 코팅 특성, 정지 표면 및 센서에 대한 필수 정보가 포함되어 있습니다.
Ansys Zemax OpticStudio and Speos Optical design exchange
Speos CAD-agnostic Direct Design Modeler 를 사용하면 엔지니어가 최적화된 렌즈 스택 외에도 광학 기계 구성 요소를 가져오고 고려할 수 있습니다. CAD 정리, 신속한 설계 수정 및 재료 최적화를 위한 기능을 제공합니다. 물리 기반의 광선 추적 알고리즘과 LXP(Light Expert) 지원, 시퀀스 감지, 광선 경로 필터링, 다중 센서 분석, 3D 조도 분석 및 자동화를 포함한 고급 미광 분석 기능으로 고정밀 광학 시스템의 설계와 미광 분석을 위한 포괄적인 워크플로우를 수행할 수 있습니다.
Ansys Optics 툴을 사용하여 카메라 시스템의 미광을 분석할 때는 여러 단계를 거칩니다. 이 예에서는 스마트폰 카메라를 주간에 사용할 때 햇빛으로 발생하는 미광을 조사하는 전체적인 프로세스를 보여줍니다. 이러한 경우 다음 5단계를 완료해야 합니다.
Stray light analysis workflow
1. 광학 설계 및 최적화 여기에는 MTF(Modulation Transfer Function) 및 PSF(Point Spread Function)와 같은 측정 기준을 사용하여 주 경로 성능을 기반으로 렌즈 시스템을 설계 및 최적화하고 공차를 설정하는 작업이 포함됩니다.
2. 고스트 이미지 최적화 및 분석: 프레넬 반사의 영향을 최소화하고 반사 방지 코팅을 적용할 중요한 렌즈 표면을 결정하는 데 중점을 둡니다.
3. 시스템 수준 미광 분석 및 시각화: 이 단계에는 "Optical Design Exchange"(.odx)를 사용하여 Zemax에서 Speos로 전송하고 광학 시스템을 시스템 수준의 미광을 분석하여 렌즈 배럴, 장착 형상 및 하우징과 같은 광학 기계 부품을 통합하는 작업이 포함됩니다. 그런 다음 의도된 FOV(Field Of View) 안팎의 잠재적인 중요 소스 위치를 모두 확인하고 전체 시스템의 빛샘 현상을 평가합니다.
4. 미광 경로 분석: 광학 기계 구성 요소의 산란에 특히 초점을 맞춰 미광을 유발하는 가장 중요한 물체를 식별하기 위해 시퀀스 필터링을 적용합니다.
5. 미광 최소화: 앞의 단계에서 중요한 것으로 확인된 표면의 설계와 재료를 수정하여 시스템 내 미광을 최소화합니다.
Illustration of the 20th most energetic stray light paths sorted by energy hitting the sensor.
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