자유형 광학이란?

광학 구성 요소는 다양한 형태와 크기로 제공됩니다. 기존의 렌즈는 형태가 구 모양이며 원래 오랜 세월 동안 제작이 가능한 유일한 광학 표면 유형이었습니다. 시간이 지남에 따라 복잡한 곡률과 고급 광학 속성을 갖춘 비구형 광학 표면이 등장했습니다.

자유형 광학은 전통적으로 많은 수의 렌즈 또는 축외 구성 요소가 있는 광학 시스템에 이상적인 접근 방식입니다. 최신 렌즈 설계, 광학 엔지니어링, 광학 제조를 통해 혁신적이고 더 복잡한 요소를 구축하여 더 나은 광학 성능을 실현하는 동시에 압축도 발전시킬 수 있습니다.

많은 새로운 광학 시스템은 작아야 하지만, 광학 시스템에서 여러 렌즈를 압축하면 광학적 품질과 이미지 품질에 영향을 줄 수 있습니다. 자유형 광학 접근 방식은 구면 렌즈보다 더 나은 광학 성능을 제공하며 광학 소자의 렌즈, 반사경 또는 거울 수를 줄일 수 있습니다. 이를 통해 제조업체는 더 작은 광학 구성 요소를 만들 수 있으며, 광학적 수차 제거도 가능합니다. 이러한 이점 때문에 항공우주, 자동차 및 가전제품 산업에서 자유형 광학이 사용되고 있습니다.

자유형 광학의 몇 가지 주요 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 헤드업 디스플레이(HUD)
• 망원경
• 영상 시스템
• Beam shaping 및 조명 응용 분야
• 차량 헤드라이트
• 적외선 렌즈
• AR/VR 헤드셋
• 회절 광학
• 수차 파면

광학 시스템의 현재 상태를 최적화하고 개선하기 위해 자유형 광학 설계를 구현하는 경우가 있지만, 많은 응용 분야에서 자유형 표면 없이는 상업적으로 적용하지 못할 것입니다.

예를 들어 위성에 사용되는 망원경은 빛을 유도하기 위해 여러 개의 거울이 필요합니다. 망원경의 크기를 줄일 때 자유형 표면을 사용하지 않으면 이미지 품질이 저하됩니다. 이 때문에 자유형 광학 없이 첨단 망원경을 개발하는 것은 거의 불가능합니다. 

또한 HUD도 훌륭한 성능을 발휘하려면 자유형 광학이 필요합니다. 반사 광학 구성 요소가 차량 대시보드 아래에는 맞지 않기 때문입니다. 이러한 시스템에는 오늘날 사용되는 것보다 훨씬 더 많은 거울이 필요하며 시스템이 지정된 공간에 맞지 않을 가능성이 큽니다.

자유형 광학은 더 적은 구성 요소를 사용하면서 도로 반대편에 있는 운전자에게 조명을 비추지 않는 최적의 광선 경로를 제공함으로써 차량의 외부 조명에도 유용하게 사용되고 있습니다. 또한 자동차 거울에도 사용되어 운전자에게 넓은 시야를 제공하며, 고성능 및 소형 구성 요소에 대한 요구로 인해 AR/VR 헤드셋에 널리 사용되고 있습니다. 따라서 자유형 광학이 없다면 많은 새로운 광학 기술이 불가능할 것입니다.

오늘날 개발 중인 비구형 표면의 수는 증가하고 있으며, 그 어느 때보다 더 복잡한 형상을 사용할 수 있습니다. 비구면 표면(비구면)은 최초로 개발된 비구형 렌즈 유형이었습니다. 오늘날에는 첨단 광학 및 포토닉스 응용 분야에서 더 다양하게 활용되도록 비대칭 자유형 표면을 설계하고 제조할 수 있습니다.

자유형 광학은 대칭이 부족하고 곡률이 일정하지 않은 고성능 광학 표면으로, 비구면보다 기하학적으로 더 복잡합니다. 자유형 광학은 광범위한 분류로, 렌즈의 표면 형상에 대한 수학적 설명을 기반으로 명명된 여러 다양한 유형의 자유형 표면을 포괄합니다.

이러한 각 자유형 표면 클래스 내에는 여러 표면 형상이 존재할 수 있습니다(수학적 함수를 따르는 한). 

오늘날 사용되는 몇 가지 일반적인 자유형 표면은 다음과 같습니다.

• XY 다항식
• Zernike
• Chebychev
• Q-type freeform

광학 시스템에 사용되는 자유형 유형은 시스템 요구 사항과 최종 응용 분야에 따라 결정됩니다. 자유형 렌즈 표면 프로파일의 잠재적인 x 및 y 변화로 인해 많은 XY 다항식을 생성할 수 있습니다. 

Zernike freeform은 다양한 모듈식 “bricks”을 결합하여 의도한 응용 분야에 따라 자유도가 서로 다른 자유형 패턴이 생성되기 때문에 설계자들에게 주로 사용됩니다. 가능한 조합 범위 덕분에 Zernike는 많은 자유형 광학 응용 분야에서 매우 다양한 용도로 선택할 수 있는 옵션이 됩니다.

Zernike 구성 요소는 사실상 원형이므로 좌우로 강한 표면이나 상하로 비대칭적인 직사각형 표면이 필요한 렌즈는 XY 다항식 및 Chebychev 표면 프로파일을 더 많이 사용합니다. Q형 자유형은 Ansys 소프트웨어 솔루션으로 설계할 수 있는 새로운 자유형 렌즈 설계입니다. 이 설계는 최종 사용자의 직접 요청으로 인해 개발되었습니다.

자유형 광학은 시뮬레이션을 통해 설계되지만, 렌즈를 복잡한 표면 모양으로 제작하는 데 사용되는 재료에 따라 서로 다른 제조 공정이 필요합니다. 금속을 포함하는 기판과 같은 많은 자유형 광학의 경우 이러한 렌즈를 제작하는 데 사용되는 툴로는 CNC 기계 가공 및 다이아몬드 선삭(다이아몬드 가공이라고도 함)이 있습니다.

다이아몬드 선삭에서는 뾰족한 다이아몬드 끝이 사면팔방으로 매우 빠르게 회전하여 렌즈에서 원치 않는 재료를 제거하고 렌즈의 표면 프로파일을 정의합니다. 플라스틱 광학의 경우 다양한 사출 성형 옵션(다이아몬드 선삭 금형 삽입 포함)을 사용하여 특정 형상을 갖춘 자유형 표면을 만들 수 있습니다. 그런 다음, 계측 및 간섭계 기법을 통해 표면 거칠기와 기타 표면 및 광학 속성을 결정하여 렌즈가 잘 작동하고 원하는 광학적 특성을 포함하도록 합니다.

주요 제조 과제는 설계 방법에 설명된 속성에 대한 공정 공차에 있습니다. 시뮬레이션된 설계는 높은 수준의 최적화를 갖추고 있으며 광학 시스템의 이상적인 버전입니다. 이러한 구성 요소를 제조하기 시작하면 제조 공정의 공차가 최종 생성물의 속성과 표면 모양에 영향을 미칠 수 있습니다. 

사용한 기법에 따라 다양한 제조 제약조건이 존재합니다. 설계 프로세스는 견고해야 하며 설계 단계에서 이러한 잠재적 공차를 고려하여 광학 구성 요소의 설계와 제조된 구성 요소 간에 성능 차이가 없는지 확인해야 합니다.

고급 시뮬레이션 툴을 사용하여 구면, 비구면 또는 자유형 등 모든 종류의 광학 소자를 설계할 수 있습니다. Ansys Zemax OpticStudio 소프트웨어, Ansys Speos 소프트웨어 등의 Ansys 솔루션으로 다양한 응용 분야에 맞게 다양한 유형의 자유형 표면을 쉽게 시뮬레이션할 수 있습니다. 현재 자유형 선택은 엔지니어가 수동으로 완료하지만, 향후에는 AI 알고리즘이 자유형 선택 프로세스를 자동으로 처리할 수 있습니다.

OpticStudio 소프트웨어는 설계 내에서 각 표면을 수동으로 선택하지 않고도 영상 시스템 설계를 지원하는 순차 모드를 기본으로 제공하므로 자유형 광학 시스템을 설계하는 데 효율적인 툴입니다. Speos 소프트웨어를 사용하면 설계를 통해 복잡한 조명 패턴을 결정할 수 있습니다.

OpticStudio 소프트웨어에는 자유형 표면에 대한 기본 제약조건이 포함되어 있어 설계 시 제조업체의 역량과 공차 및 특정 제조 공정을 보상할 수 있습니다. 또한 OpticStudio 소프트웨어에는 최적화 및 공차에 대해 특정 수학 함수에 의존하지 않는 진정한 자유형 옵션도 포함되어 있어 엔지니어는 설계 시 그리드 제어점을 조작하여 진정한 자유형 표면을 만들 수 있습니다. 

Ansys 시뮬레이션은 자유형 광학이 노출되는 더 광범위한 환경 매개변수(예: 국부 압력 및 온도)도 고려하므로 더 거시적으로 판단할 수 있습니다.

고급 시뮬레이션 툴을 사용하면 엔지니어가 자유형 설계의 매개변수를 변경하여 광학 구성 요소의 실제 성능에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다. 예를 들어 제조 공정으로 인해 발생할 수 있는 불규칙성을 처리할 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 시스템이 품질 관리를 통과하고 원하는 성능 목표를 달성하는지 확인하고 해당 제품을 대규모로 제조할 수 있는지 파악할 수 있습니다.

Ansys에는 자유형의 광학적 우발성을 모두 모델링할 수 있는 광범위한 시뮬레이션 툴이 있습니다. Ansys 솔루션이 제공하는 강력한 방법을 통해 물리적 제품의 제조 측면과 제작 중에 존재할 수 있는 공차 및 민감도를 고려하면서 광학 구성 요소를 설계할 수 있습니다. 

지금 바로 기술 팀에 문의하여 Ansys 소프트웨어 솔루션이 자유형 광학을 개발하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보십시오.

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