4 Steps to Precisely Analyze Stray Light for Cameras Using Zemax Import and Speos Analytics
ANSYS BLOG / March 7, 2023
Author : Tobias Lauinger / Senior Application Engineer, Ansys
https://www.ansys.com/blog/analyzing-camera-stray-light-in-zemax-speos
Zemax Import 및 Speos Analytics를 사용하여 카메라의 미광을 정밀하게 분석하는 4단계
우주 기반 망원경, 나노급 카메라, 자동차의 헤드업 디스플레이(HUD) 등 많은 광학 제품 설계의 주요 과제는 그 어느 때보다 선명한 이미지를 구현하는 것입니다. 이러한 이미지 품질은 해상도와 콘트라스트로 측정됩니다. 미광은 원치 않는 밝은 지점을 발생시켜 이미지 대비와 시스템의 다이나믹 레인지를 감소시킬 수 있습니다.
스마트폰 카메라의 경우, 미광은 이미지가 흐릿해지고 변색되는 일반적인 원인입니다. 카메라는 거의 모든 환경에서 사용하기 때문에 어두운 실내, 화창한 날의 야외 놀이터, 가로등, 움직이는 차량의 헤드램프, 조명이 켜진 표지판으로 가득한 복잡한 야간 도로 등 다양한 기존 조명 조건에서 미광을 고려한 설계가 필수적입니다.
스마트폰 카메라를 더 작고 가볍게 만들어야 하는 시장의 지속적인 요구에 따라 광학 팀은 우수한 이미지 품질을 유지하기 위해 설계에서 미광을 식별하고 해결하는 데 도움이 되는 도구와 프로토콜이 필요합니다.
미광이란 무엇이며 어떻게 해결하나요?
그림 1. 광학 분야의 미광 분석은 원치 않는 빛의 경로를 파악하여 광학 시스템의 센서에 부딪히지 않도록 방지하는 작업입니다.
광학 시스템을 설계할 때 빛이 센서로 향하는 경로에 따라 원하는 광학 시스템을 설계합니다. 미광은 센서에 도달하는 원치 않는 산란광 또는 스펙트럼광으로, 이미지를 왜곡하고 씻어내어 광학 설계의 이미지 품질을 저하시켜 센서의 전체 다이나믹 레인지를 효과적으로 감소시킵니다.
이 문제를 해결하기 위해 카메라 시야의 내부 또는 외부에 있을 수 있는 외부의 중요 광원 위치를 식별하는 방법을 모색합니다. 그런 다음 일반적으로 카메라의 렌즈를 재구성하거나 광학 특성이 다른 새로운 재료를 교체하여 미광의 영향을 개선하는 방법을 설계합니다.
Ansys Speos와 Ansys Zemax OpticStudio에는 광학 시스템의 센서에서 미광을 줄이거나 제거하는 데 도움이 되는 미광 분석을 수행하는 강력한 기능이 포함되어 있습니다. 두 제품은 이러한 목적을 위해 효율적이고 쉽게 상호 운용되도록 설계되었습니다.
- OpticStudio를 사용하면 고정밀 분석을 실행하고 광학 시스템을 설계 및 최적화하여 박막 코팅과 광학적 형상이 '이상화된' 시스템의 광학 성능에 미치는 영향을 고려할 수 있습니다.
- Zemax Import 툴을 사용하면 OpticStudio 데이터를 Speos로 자동으로 가져오고, 관련 파라미터를 데이터에 적용하고, 추가 시뮬레이션 기반 분석을 통해 미광 영향과 관련하여 설계를 계속 개선할 수 있습니다.
두 소프트웨어 패키지 간의 상호 운용성이 일반적으로 어떻게 작동하는지 간략하게 살펴보겠습니다.
스마트폰 카메라 렌즈의 미광을 분석하는 쉬운 4단계 워크플로우
1. 렌즈 설계를 생성하고 Speos로 가져옵니다.
OpticStudio 시뮬레이션 및 미광 도구를 사용하여 광학 설계를 위한 렌즈 시스템을 구축하고 개선할 수 있습니다. OpticStudio는 렌즈 파라미터 데이터를 Zemax OpticStudio(ZOS) 파일 형식으로 저장하며, Zemax Import를 사용하여 Speos에 자동으로 업로드할 수 있습니다. 이러한 자동화는 시간이 오래 걸리고 잠재적인 인적 오류가 발생할 수 있는 수동 데이터 전송에 비해 효율성과 정확성을 높여줍니다.
그림 2. Zemax Import는 OpticStudio의 렌즈 시스템 설계(왼쪽)와 Speos의 각 렌즈의 파라미터화된 기본 뷰(오른쪽) 간의 데이터 전송을 자동화합니다.
Speos의 투사 렌즈 기능은 데이터 파일의 모든 렌즈 파라미터에 액세스할 수 있는 기본 CAD(컴퓨터 지원 설계) 지오메트리를 기반으로 각 렌즈를 다시 생성합니다. Speos는 모든 데이터를 기본 형식으로 변환하고 광학 속성을 렌즈에 적용합니다.
2. 미광을 유발할 수 있는 조명 조건을 감지합니다.
카메라 시야각(FOV) 내의 광원, 시야각 너머의 시스템 기계 하우징에서 발생할 수 있는 빛 누출 등 설계에 영향을 미칠 수 있는 미광 조건을 파악하고 연구하기 위해 Speos의 LXP(Light Expert) 기능을 사용할 수 있습니다.
그림 3. 인쇄 회로 기판(PCB)과 카메라 하우징 사이의 에어갭으로 인한 빛 누출.
역광선 추적(1단계에서 생성된 이미지에서 시스템을 통해 장면으로 광선을 보내는 방식)을 사용하면 하나의 시뮬레이션 내에서 가능한 모든 중요 광원 위치를 감지할 수 있습니다. Speos의 강력한 LXP 기능을 사용하면 이러한 중요 광선 경로를 표시할 수 있습니다.
3. (선택 사항) 알려진 광원을 기반으로 추가 시뮬레이션을 수행합니다.
광학 설계에서 전달된 파라미터화된 데이터에 의해 도출된 분석 외에도 시스템 사용자에게 존재할 가능성이 있는 다른 조건을 기반으로 추가 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 4는 전체 시스템 미광 분석 시뮬레이션을 보여줍니다. 카메라의 FOV 외부에 있는 중요한 광원을 식별하고 완화한 후에는 정확한 스펙트럼 태양광을 사용하여 FOV 내의 태양 위치를 정의하여 이미저의 미광 패턴을 시뮬레이션할 수 있습니다.
그림 4. 제안된 광학 설계의 카메라 FOV 내에서 0도부터 15도까지 네 가지 태양 위치에 대한 전체 시스템 미광 시뮬레이션.
참고: 이러한 시뮬레이션의 경우 필요한 계산을 실행할 수 있는 추가 처리 능력이 있는 것이 좋습니다. Speos는 고성능 컴퓨팅(HPC) 환경에서 최적으로 작동하도록 설계되었지만, HPC가 없는 경우 최근 Speos의 개발로 특정 그래픽 처리 장치(GPU)를 사용하여 분석 성능을 최적화할 수도 있습니다.
4. 미광 경로 시퀀스 분석 및 완화 적용하기
Speos 시퀀스 감지 뷰어와 함께 LXP 시뮬레이션의 분석 결과를 사용하여 디자인에서 미광을 생성하는 가장 중요한 광선 경로 시퀀스와 오브젝트 상호 작용을 식별할 수 있습니다. Speos의 시퀀스 감지 툴에는 에너지 기여도에 따라 정렬된 모든 감지된 광선 경로 시퀀스 및 오브젝트 상호 작용에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 그런 다음 반사 방지 코팅을 적용하거나 다른 재료 특성을 변경하는 등 설계를 추가로 변경하여 이러한 미광의 위험을 완화하고 수정 조치를 적용할 수 있습니다.
Ansys Optics Products Sales
담당자 (Direct) : 02-6096-5705
대표전화 : 02-2065-0726
E-mail: optical@radiantsolution.co.kr
4 Steps to Precisely Analyze Stray Light for Cameras Using Zemax Import and Speos Analytics
ANSYS BLOG / March 7, 2023
Author : Tobias Lauinger / Senior Application Engineer, Ansys
https://www.ansys.com/blog/analyzing-camera-stray-light-in-zemax-speos
Zemax Import 및 Speos Analytics를 사용하여 카메라의 미광을 정밀하게 분석하는 4단계
우주 기반 망원경, 나노급 카메라, 자동차의 헤드업 디스플레이(HUD) 등 많은 광학 제품 설계의 주요 과제는 그 어느 때보다 선명한 이미지를 구현하는 것입니다. 이러한 이미지 품질은 해상도와 콘트라스트로 측정됩니다. 미광은 원치 않는 밝은 지점을 발생시켜 이미지 대비와 시스템의 다이나믹 레인지를 감소시킬 수 있습니다.
스마트폰 카메라의 경우, 미광은 이미지가 흐릿해지고 변색되는 일반적인 원인입니다. 카메라는 거의 모든 환경에서 사용하기 때문에 어두운 실내, 화창한 날의 야외 놀이터, 가로등, 움직이는 차량의 헤드램프, 조명이 켜진 표지판으로 가득한 복잡한 야간 도로 등 다양한 기존 조명 조건에서 미광을 고려한 설계가 필수적입니다.
스마트폰 카메라를 더 작고 가볍게 만들어야 하는 시장의 지속적인 요구에 따라 광학 팀은 우수한 이미지 품질을 유지하기 위해 설계에서 미광을 식별하고 해결하는 데 도움이 되는 도구와 프로토콜이 필요합니다.
미광이란 무엇이며 어떻게 해결하나요?
그림 1. 광학 분야의 미광 분석은 원치 않는 빛의 경로를 파악하여 광학 시스템의 센서에 부딪히지 않도록 방지하는 작업입니다.
광학 시스템을 설계할 때 빛이 센서로 향하는 경로에 따라 원하는 광학 시스템을 설계합니다. 미광은 센서에 도달하는 원치 않는 산란광 또는 스펙트럼광으로, 이미지를 왜곡하고 씻어내어 광학 설계의 이미지 품질을 저하시켜 센서의 전체 다이나믹 레인지를 효과적으로 감소시킵니다.
이 문제를 해결하기 위해 카메라 시야의 내부 또는 외부에 있을 수 있는 외부의 중요 광원 위치를 식별하는 방법을 모색합니다. 그런 다음 일반적으로 카메라의 렌즈를 재구성하거나 광학 특성이 다른 새로운 재료를 교체하여 미광의 영향을 개선하는 방법을 설계합니다.
Ansys Speos와 Ansys Zemax OpticStudio에는 광학 시스템의 센서에서 미광을 줄이거나 제거하는 데 도움이 되는 미광 분석을 수행하는 강력한 기능이 포함되어 있습니다. 두 제품은 이러한 목적을 위해 효율적이고 쉽게 상호 운용되도록 설계되었습니다.
두 소프트웨어 패키지 간의 상호 운용성이 일반적으로 어떻게 작동하는지 간략하게 살펴보겠습니다.
스마트폰 카메라 렌즈의 미광을 분석하는 쉬운 4단계 워크플로우
1. 렌즈 설계를 생성하고 Speos로 가져옵니다.
OpticStudio 시뮬레이션 및 미광 도구를 사용하여 광학 설계를 위한 렌즈 시스템을 구축하고 개선할 수 있습니다. OpticStudio는 렌즈 파라미터 데이터를 Zemax OpticStudio(ZOS) 파일 형식으로 저장하며, Zemax Import를 사용하여 Speos에 자동으로 업로드할 수 있습니다. 이러한 자동화는 시간이 오래 걸리고 잠재적인 인적 오류가 발생할 수 있는 수동 데이터 전송에 비해 효율성과 정확성을 높여줍니다.
그림 2. Zemax Import는 OpticStudio의 렌즈 시스템 설계(왼쪽)와 Speos의 각 렌즈의 파라미터화된 기본 뷰(오른쪽) 간의 데이터 전송을 자동화합니다.
Speos의 투사 렌즈 기능은 데이터 파일의 모든 렌즈 파라미터에 액세스할 수 있는 기본 CAD(컴퓨터 지원 설계) 지오메트리를 기반으로 각 렌즈를 다시 생성합니다. Speos는 모든 데이터를 기본 형식으로 변환하고 광학 속성을 렌즈에 적용합니다.
2. 미광을 유발할 수 있는 조명 조건을 감지합니다.
카메라 시야각(FOV) 내의 광원, 시야각 너머의 시스템 기계 하우징에서 발생할 수 있는 빛 누출 등 설계에 영향을 미칠 수 있는 미광 조건을 파악하고 연구하기 위해 Speos의 LXP(Light Expert) 기능을 사용할 수 있습니다.
그림 3. 인쇄 회로 기판(PCB)과 카메라 하우징 사이의 에어갭으로 인한 빛 누출.
역광선 추적(1단계에서 생성된 이미지에서 시스템을 통해 장면으로 광선을 보내는 방식)을 사용하면 하나의 시뮬레이션 내에서 가능한 모든 중요 광원 위치를 감지할 수 있습니다. Speos의 강력한 LXP 기능을 사용하면 이러한 중요 광선 경로를 표시할 수 있습니다.
3. (선택 사항) 알려진 광원을 기반으로 추가 시뮬레이션을 수행합니다.
광학 설계에서 전달된 파라미터화된 데이터에 의해 도출된 분석 외에도 시스템 사용자에게 존재할 가능성이 있는 다른 조건을 기반으로 추가 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 4는 전체 시스템 미광 분석 시뮬레이션을 보여줍니다. 카메라의 FOV 외부에 있는 중요한 광원을 식별하고 완화한 후에는 정확한 스펙트럼 태양광을 사용하여 FOV 내의 태양 위치를 정의하여 이미저의 미광 패턴을 시뮬레이션할 수 있습니다.
그림 4. 제안된 광학 설계의 카메라 FOV 내에서 0도부터 15도까지 네 가지 태양 위치에 대한 전체 시스템 미광 시뮬레이션.
참고: 이러한 시뮬레이션의 경우 필요한 계산을 실행할 수 있는 추가 처리 능력이 있는 것이 좋습니다. Speos는 고성능 컴퓨팅(HPC) 환경에서 최적으로 작동하도록 설계되었지만, HPC가 없는 경우 최근 Speos의 개발로 특정 그래픽 처리 장치(GPU)를 사용하여 분석 성능을 최적화할 수도 있습니다.
4. 미광 경로 시퀀스 분석 및 완화 적용하기
Speos 시퀀스 감지 뷰어와 함께 LXP 시뮬레이션의 분석 결과를 사용하여 디자인에서 미광을 생성하는 가장 중요한 광선 경로 시퀀스와 오브젝트 상호 작용을 식별할 수 있습니다. Speos의 시퀀스 감지 툴에는 에너지 기여도에 따라 정렬된 모든 감지된 광선 경로 시퀀스 및 오브젝트 상호 작용에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 그런 다음 반사 방지 코팅을 적용하거나 다른 재료 특성을 변경하는 등 설계를 추가로 변경하여 이러한 미광의 위험을 완화하고 수정 조치를 적용할 수 있습니다.
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