Ray file을 Surface source로 세팅 방법
본 자료를 통해 LED의 Ray-file을 Surface source로 세팅하는 방법을 설명 드리겠습니다.
Ray-file은 특성 상 꽤 무거운 용량을 차지하고, 출사각 분포별 광선의 수가 제한되어 있는 반면,
Surface source는 용량이 매우 가벼움에도 불구하고, 오히려 광선의 수가 무제한입니다.
정확하게 측정된 Ray-file을 이미 보유하고 있음에도 굳이 Surface source로 변환하는 이유는
고품질의 렌더링에 신뢰도를 더욱 높여, hot spot 및 dark spot 그리고 누광 등을 효과적으로
사전에 검출하기 위함입니다.
예를 들어, 500만개 광선으로 구성된 Ray-file로 100억 ray 개수의 simulation을 진행한다면,
평균적으로 2,000번 동일한 경로의 광선이 출사되므로, 실사 구현에 다소 부족함이 있습니다.
이러한 사실을 기반으로 현재 완성차 고객사에서 또한 내/외장 램프 렌더링 평가 시에는 LED 광원을
Surface source 포맷으로 정의할 것을 best practices spec으로 제정하고 있기도 합니다.
그럼 시작하겠습니다.
!◈ Overview ◈!
기본적인 Surface source는 광원 형상의 light emitting surface(발광면) 각 표면에서 광선을 균일하게
방출하도록만 설정 가능하므로, 이런 rough한 정의 방식은 광원 사양이 아직 확정되지 않은
수주전 단계 또는 초기 컨셉 스케치 단계에서만 유효할 것입니다.
본격적인 광학 설계 단계에서는 그보다 심화된 Surface source 정의를 필요로 하며,
이를 위해 정밀 측정된 Ray-file 광원에서 직접 추출한 데이터를 적용하여 광원을 훨씬 더 정확성 있게 구현 가능합니다.
지금부터 크게 아래 2가지 단계의 워크플로우로 본 방법을 설명 드리겠습니다 :
Step-1 : 초기 simulation (Ray-file의 출사각별 광 분포 수집)
Step-2 : Simulation 적용 (수집된 Ray-file 광 분포를 Surface source에 세팅)
그리고 본 세팅 방법의 Surface source 생성은 다음 4가지 요소를 필요로 합니다 :
- Flux : LED의 경우 물론 해당 데이터시트에 명시되어 있지만, PCB/LDM 구조에 따라 그 편차가 발생하므로, Ansys Icepak을 통한 방열해석으로 적용가능한 실제 광속 범위 산출을 필히 권장 드립니다.
- Exitance : 초기 simulation(Step-1)의 Irradiance(조도) Sensor로 계측된 데이터
- Intensity : 초기 simulation(Step-1)의 Intensity(광도) sensor로 계측된 데이터
- Spectrum : Ray-file 처럼 LED 제조사 웹사이트를 통해 접수 가능, 또는 Ray-file에서 직접 추출
!◈ 준비물 ◈!
- Speos 포맷으로 측정된 LED 광원 Ray-file (*.ray)
- LED 원점 위치 및 방향 그리고 치수 등을 안내하는 내용의 Ray-file setting 문서 (*.pdf)
- LED 광원 성능이 분석되어 있는 자체 데이터시트 (Ray-file setting 문서와는 별개, *.pdf)
- LED 광원 형상 3D CAD 파일 (*.stp 또는 *.igs)
- 각 파장별 Spectrum 분포 (엑셀 파일이나 텍스트 파일도 가능)
상기 준비물은 일반적으로 LED 제조업체(O사, L사, S사 등)의 웹사이트에서 제공합니다.
또는, 신제품일 경우 각 LED 제조업체의 영업담당자분들께 요청 가능합니다.
Step-1 : 초기 simulation (Ray-file의 출사각별 광 분포 수집)
Step-1.1 : Irradiance Sensor 정의
LED의 최외곽 발광면의 바로 앞(예: 0.1mm)에 Irradiance sensor를 배치합니다.
가시광선 파장대역만 고려해도 되는 대부분의 경우, Type을 Photometric으로 설정합니다.
단, UV/IR(자외선/적외선) 파장대역 또한 고려해야 할 경우, Type을 Radiometric으로 반드시 설정합니다.
Step-1.2 : Intensity Sensor 정의
앞서 Irradiance sensor에서 적용된 동일한 Origin 및 X/Y direction에 Intensity sensor 또한 배치합니다.
Intensity sensor의 반경을 조정할 수 있으나, 이론상 영향은 없으므로 각 유저분들의 편의에 따라 설정하셔도 무방합니다 :
- Orientation(방향)은 반드시 Conoscopic으로 설정합니다.
- Start angle은 반드시 90°로 설정합니다.
- 각각의 단파장에 따른 개별 광도를 추출하기 위해 Type을 Spectral로 설정합니다.
- 적용할 파장 범위가 모두 고려되도록 wavelength(380~780)와 sampling(41) 수를 조정합니다.
- 보다 정확한 변환을 위해, 더 작은 resolution(0.1)으로 더 많은 sampling(1,800)을 설정합니다.
Step-1.3 : Direct Simulation 정의
앞선 단계에서 생성한 두 개 sensor에 추가로 Ray-file을 설정한 후 Direct simulation을 실행합니다.
Simulation에 적용된 Number of rays는 각 Ray-file들에 포함된 광선의 개수와 같아야 합니다.
하지만 일부 경우는 LED 형상이 단순하지 않아 입력된 Number of rays에 비해,
결과에서 정직하게 광선 수가 출력되지 않는 경우가 있습니다.
(LED body 형상에 일부 광선이 흡수되어 lost rays가 발생하는 경우 등등)
이 경우 Ray-file의 광선 수 보다 Direct simulation의 Number of rays가 조금 더 많이 필요할 수도
있습니다.
또한, 특수한 경우, 각각 Surface source 마다 이 단계를 반복합니다.
예를 들어, 각 chip당 별도의 Ray-file이 있는 RGB LED의 경우 Red/Green/Blue 각각 세 번 반복합니다.
Step-2 : Simulation 적용 (수집된 Ray-file 광 분포를 Surface source에 세팅)
Irradiance 및 Intensity sensor의 결과를 input 요소로 적용하여 Surface source를 생성합니다.
이 두 개 sensor에서 추출된 결과 XMP 파일은 SPEOS output files 폴더에서 찾으실 수 있습니다.
Step-2.1 : Exitance 설정
Variable exitance를 True로 설정하고 Irradiance sensor 결과 XMP 파일을 불러옵니다.
Origin과 X/Y direction은 반드시 이전에 sensor들에서 사용했던 것 그대로 동일하게 설정합니다.
Step-2.2 : Intensity
Intensity 부분의 Type을 Library로 설정하고, Intensity sensor 결과 XMP 파일을 불러옵니다.
Origin과 X/Y direction은 반드시 이전에 sensor들에서 사용했던 것 그대로 동일하게 설정합니다.
Step-2.3 : Exit geometry 선택
Exit geometry 또한 경우에 따라 추가합니다.
Exit geometry에 대한 자세한 내용은 별도의 안내 자료로 배포 드리고 현재는 설명을 생략합니다.
참고 : 본 Surface source 세팅법은 하나의 좌표계와 두 개의 XMP 결과 적용으로 충분하므로,
별도의 Emissive face(발광면) 선택은 필요로 하지 않습니다.
Step-2.4 : Spectrum 추가
앞선 Intensity sensor 설정 시 Type을 Colorimetric 또는 Spectral로 선택하지 않고,
별도로 준비된 Spectrum 파일을 Surface source 정의에 추가하셔도 됩니다.
보통 이런 경우는 Ray-file 내에 Spectrum data가 포함되어 있지 않은 경우에만 필요합니다.
Speos spectrum 파일은 윈도우 텍스트문서(메모장) 기반으로도 편집 가능한 형식입니다.
만약 LED 제조업체에서 제공받은 Spectrum data가 정량적인 텍스트가 아닌 그래프 캡쳐라면
Engauge Digitizer(무료)라는 윈도우 앱 도구를 사용하여 추출하실 수 있는 방법도 있습니다.
(검색 엔진으로 찾아서 다운로드 가능)
Step-2.5 : Compute 실행
이렇게 생성된 Surface source를 향후 프로젝트의 Speos simulation 적재적소에 사용하실 수 있습니다.
마지막으로 Compute를 클릭하면 3D view에 디스플레이 형상이 업데이트 됩니다 :
단, 특수한 경우, 각각 Surface source 마다 이 단계를 반복합니다.
예를 들어, 각 chip당 별도의 Ray-file이 있는 RGB LED의 경우 Red/Green/Blue 각각 세 번 반복합니다.
이제, 지금까지 생성하였던 Irradiance sensor, Intensity sensor, Ray-file source 및 Direct simulation은 이만 삭제하셔도 무방합니다.
그래야 현재 LED 프로젝트 파일에 Surface source만 남겨 놓음으로써, 다른 프로젝트에 적용할 때
용량을 더 가볍게 관리할 수 있기 때문입니다.
!◈ 세팅 시 추가 유의사항 ◈!
Flux는 intensity file의 계측값 그대로 설정하거나, 데이터시트에서 참조하여 수동 설정 가능합니다.
수동 설정의 경우, Flux 부분의 From intensity file을 False로 설정하고 검토된 값을 입력합니다.
LED의 경우 물론 해당 데이터시트에 명시되어 있지만, PCB/LDM 구조에 따라 그 편차가 발생하므로, Ansys Icepak을 통한 방열해석으로 적용가능한 실제 광속 범위 산출을 필히 권장 드립니다.
!◈ 다량의 광원 배열 응용 방법 ◈!
- 본 세팅 방법으로 생성된 Surface source 또한 Ray-file의 경우와 마찬가지로 Speos Pattern
기능을 활용하여 수많은 개별 좌표계(Origin)을 통해 다중 정의 자동화도 물론 가능합니다.
- 그러나 Surface source를 Speos Pattern 기능으로 활용하려면 먼저 Speos Light Box 형식으로
변환하는 과정이 한번 더 필요합니다.
- 그리고 꼭 광원 Pattern 배열 목적이 아니어도, Light Box로 각각의 Surface source를 묶어 놓으면 마치 Ray-file 포맷처럼 꽤 compact하게 Surface source 관리를 간소화 시킬 수도 있습니다.
- 또한 Light Box를 더욱 응용한다면 “하위 모듈 광학계”의 광 분포 결과를 만들어,
이를 더 복잡한 “상위 어셈블리 광학계”에 재활용함으로써 simulation compute 소요시간을
효과적으로 단축할 수도 있습니다.
(Light Box 활용법은 별도의 안내 자료로 공유 드리고 지금은 생략하고 넘어가겠습니다.)
- 하지만 꼭 Speos Pattern 및 Light Box 구현 없이도 SpaceClaim의 Design 탭 내에 있는
Pattern 기능을 적용하여 일정 간격으로 Surface source를 얼마든지 배열할 수 있습니다.
이상 Speos에서 Ray-file을 Surface source로 세팅하는 방법 안내를 마치겠습니다.
Speos 광원 변환 관련 더욱 자세한 내용은 폐사 주관 “Speos 중급” 교육에서 예제 중심으로 다루고 있습니다. 관심 있으신 분은 한번 수강하셔도 좋을 것 같습니다.
추가로 궁금 하신 부분 있으시면 아래의 연락처로 연락 바랍니다.
㈜래디언트솔루션은 광학 이론, 설계, 해석, 측정 평가, 생산라인 검사 자문까지 End-to-End Service가 가능한
광학 전문 ANSYS 채널 파트너로서 광학 설계, 측정, 검사 시스템 개발, 암실 구축까지
당사의 기술력을 기반으로 한 고객 맞춤형 광학 Full Service 제공하고 있습니다.
Ansys Speos에 대한 자세한 사양 및 기술 지원 정보는 이메일 radiant@radiantsolution.co.kr,
또는 02-2065-0726으로 연락 주시기 바랍니다.
감사합니다.
Ansys Optics Products Sales
담당자 (Direct) : 02-6096-5706
대표전화 : 02-2065-0726
E-mail: optical@radiantsolution.co.kr
Ray file을 Surface source로 세팅 방법
본 자료를 통해 LED의 Ray-file을 Surface source로 세팅하는 방법을 설명 드리겠습니다.
Ray-file은 특성 상 꽤 무거운 용량을 차지하고, 출사각 분포별 광선의 수가 제한되어 있는 반면,
Surface source는 용량이 매우 가벼움에도 불구하고, 오히려 광선의 수가 무제한입니다.
정확하게 측정된 Ray-file을 이미 보유하고 있음에도 굳이 Surface source로 변환하는 이유는
고품질의 렌더링에 신뢰도를 더욱 높여, hot spot 및 dark spot 그리고 누광 등을 효과적으로
사전에 검출하기 위함입니다.
예를 들어, 500만개 광선으로 구성된 Ray-file로 100억 ray 개수의 simulation을 진행한다면,
평균적으로 2,000번 동일한 경로의 광선이 출사되므로, 실사 구현에 다소 부족함이 있습니다.
이러한 사실을 기반으로 현재 완성차 고객사에서 또한 내/외장 램프 렌더링 평가 시에는 LED 광원을
Surface source 포맷으로 정의할 것을 best practices spec으로 제정하고 있기도 합니다.
그럼 시작하겠습니다.
!◈ Overview ◈!
기본적인 Surface source는 광원 형상의 light emitting surface(발광면) 각 표면에서 광선을 균일하게
방출하도록만 설정 가능하므로, 이런 rough한 정의 방식은 광원 사양이 아직 확정되지 않은
수주전 단계 또는 초기 컨셉 스케치 단계에서만 유효할 것입니다.
본격적인 광학 설계 단계에서는 그보다 심화된 Surface source 정의를 필요로 하며,
이를 위해 정밀 측정된 Ray-file 광원에서 직접 추출한 데이터를 적용하여 광원을 훨씬 더 정확성 있게 구현 가능합니다.
지금부터 크게 아래 2가지 단계의 워크플로우로 본 방법을 설명 드리겠습니다 :
Step-1 : 초기 simulation (Ray-file의 출사각별 광 분포 수집)
Step-2 : Simulation 적용 (수집된 Ray-file 광 분포를 Surface source에 세팅)
그리고 본 세팅 방법의 Surface source 생성은 다음 4가지 요소를 필요로 합니다 :
!◈ 준비물 ◈!
상기 준비물은 일반적으로 LED 제조업체(O사, L사, S사 등)의 웹사이트에서 제공합니다.
또는, 신제품일 경우 각 LED 제조업체의 영업담당자분들께 요청 가능합니다.
Step-1 : 초기 simulation (Ray-file의 출사각별 광 분포 수집)
Step-1.1 : Irradiance Sensor 정의
LED의 최외곽 발광면의 바로 앞(예: 0.1mm)에 Irradiance sensor를 배치합니다.
가시광선 파장대역만 고려해도 되는 대부분의 경우, Type을 Photometric으로 설정합니다.
단, UV/IR(자외선/적외선) 파장대역 또한 고려해야 할 경우, Type을 Radiometric으로 반드시 설정합니다.
Step-1.2 : Intensity Sensor 정의
앞서 Irradiance sensor에서 적용된 동일한 Origin 및 X/Y direction에 Intensity sensor 또한 배치합니다.
Intensity sensor의 반경을 조정할 수 있으나, 이론상 영향은 없으므로 각 유저분들의 편의에 따라 설정하셔도 무방합니다 :
Step-1.3 : Direct Simulation 정의
앞선 단계에서 생성한 두 개 sensor에 추가로 Ray-file을 설정한 후 Direct simulation을 실행합니다.
Simulation에 적용된 Number of rays는 각 Ray-file들에 포함된 광선의 개수와 같아야 합니다.
하지만 일부 경우는 LED 형상이 단순하지 않아 입력된 Number of rays에 비해,
결과에서 정직하게 광선 수가 출력되지 않는 경우가 있습니다.
(LED body 형상에 일부 광선이 흡수되어 lost rays가 발생하는 경우 등등)
이 경우 Ray-file의 광선 수 보다 Direct simulation의 Number of rays가 조금 더 많이 필요할 수도
있습니다.
또한, 특수한 경우, 각각 Surface source 마다 이 단계를 반복합니다.
예를 들어, 각 chip당 별도의 Ray-file이 있는 RGB LED의 경우 Red/Green/Blue 각각 세 번 반복합니다.
Step-2 : Simulation 적용 (수집된 Ray-file 광 분포를 Surface source에 세팅)
Irradiance 및 Intensity sensor의 결과를 input 요소로 적용하여 Surface source를 생성합니다.
이 두 개 sensor에서 추출된 결과 XMP 파일은 SPEOS output files 폴더에서 찾으실 수 있습니다.
Step-2.1 : Exitance 설정
Variable exitance를 True로 설정하고 Irradiance sensor 결과 XMP 파일을 불러옵니다.
Origin과 X/Y direction은 반드시 이전에 sensor들에서 사용했던 것 그대로 동일하게 설정합니다.
Step-2.2 : Intensity
Intensity 부분의 Type을 Library로 설정하고, Intensity sensor 결과 XMP 파일을 불러옵니다.
Origin과 X/Y direction은 반드시 이전에 sensor들에서 사용했던 것 그대로 동일하게 설정합니다.
Step-2.3 : Exit geometry 선택
Exit geometry 또한 경우에 따라 추가합니다.
Exit geometry에 대한 자세한 내용은 별도의 안내 자료로 배포 드리고 현재는 설명을 생략합니다.
참고 : 본 Surface source 세팅법은 하나의 좌표계와 두 개의 XMP 결과 적용으로 충분하므로,
별도의 Emissive face(발광면) 선택은 필요로 하지 않습니다.
Step-2.4 : Spectrum 추가
앞선 Intensity sensor 설정 시 Type을 Colorimetric 또는 Spectral로 선택하지 않고,
별도로 준비된 Spectrum 파일을 Surface source 정의에 추가하셔도 됩니다.
보통 이런 경우는 Ray-file 내에 Spectrum data가 포함되어 있지 않은 경우에만 필요합니다.
Speos spectrum 파일은 윈도우 텍스트문서(메모장) 기반으로도 편집 가능한 형식입니다.
만약 LED 제조업체에서 제공받은 Spectrum data가 정량적인 텍스트가 아닌 그래프 캡쳐라면
Engauge Digitizer(무료)라는 윈도우 앱 도구를 사용하여 추출하실 수 있는 방법도 있습니다.
(검색 엔진으로 찾아서 다운로드 가능)
Step-2.5 : Compute 실행
이렇게 생성된 Surface source를 향후 프로젝트의 Speos simulation 적재적소에 사용하실 수 있습니다.
마지막으로 Compute를 클릭하면 3D view에 디스플레이 형상이 업데이트 됩니다 :
단, 특수한 경우, 각각 Surface source 마다 이 단계를 반복합니다.
예를 들어, 각 chip당 별도의 Ray-file이 있는 RGB LED의 경우 Red/Green/Blue 각각 세 번 반복합니다.
이제, 지금까지 생성하였던 Irradiance sensor, Intensity sensor, Ray-file source 및 Direct simulation은 이만 삭제하셔도 무방합니다.
그래야 현재 LED 프로젝트 파일에 Surface source만 남겨 놓음으로써, 다른 프로젝트에 적용할 때
용량을 더 가볍게 관리할 수 있기 때문입니다.
!◈ 세팅 시 추가 유의사항 ◈!
Flux는 intensity file의 계측값 그대로 설정하거나, 데이터시트에서 참조하여 수동 설정 가능합니다.
수동 설정의 경우, Flux 부분의 From intensity file을 False로 설정하고 검토된 값을 입력합니다.
LED의 경우 물론 해당 데이터시트에 명시되어 있지만, PCB/LDM 구조에 따라 그 편차가 발생하므로, Ansys Icepak을 통한 방열해석으로 적용가능한 실제 광속 범위 산출을 필히 권장 드립니다.
!◈ 다량의 광원 배열 응용 방법 ◈!
기능을 활용하여 수많은 개별 좌표계(Origin)을 통해 다중 정의 자동화도 물론 가능합니다.
변환하는 과정이 한번 더 필요합니다.
이를 더 복잡한 “상위 어셈블리 광학계”에 재활용함으로써 simulation compute 소요시간을
효과적으로 단축할 수도 있습니다.
(Light Box 활용법은 별도의 안내 자료로 공유 드리고 지금은 생략하고 넘어가겠습니다.)
Pattern 기능을 적용하여 일정 간격으로 Surface source를 얼마든지 배열할 수 있습니다.
이상 Speos에서 Ray-file을 Surface source로 세팅하는 방법 안내를 마치겠습니다.
Speos 광원 변환 관련 더욱 자세한 내용은 폐사 주관 “Speos 중급” 교육에서 예제 중심으로 다루고 있습니다. 관심 있으신 분은 한번 수강하셔도 좋을 것 같습니다.
추가로 궁금 하신 부분 있으시면 아래의 연락처로 연락 바랍니다.
㈜래디언트솔루션은 광학 이론, 설계, 해석, 측정 평가, 생산라인 검사 자문까지 End-to-End Service가 가능한
광학 전문 ANSYS 채널 파트너로서 광학 설계, 측정, 검사 시스템 개발, 암실 구축까지
당사의 기술력을 기반으로 한 고객 맞춤형 광학 Full Service 제공하고 있습니다.
Ansys Speos에 대한 자세한 사양 및 기술 지원 정보는 이메일 radiant@radiantsolution.co.kr,
또는 02-2065-0726으로 연락 주시기 바랍니다.
감사합니다.
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대표전화 : 02-2065-0726
E-mail: optical@radiantsolution.co.kr