Ansys 2024 R1의 광학 시뮬레이션 개선 사항

소형화는 오늘날 광학 산업의 주요 설계 목표 중 하나입니다. 최신 릴리스 Ansys 2024 R1에서는 광학 솔버에 기능을 추가하여 소형화를 더 빠르고 쉽고 경제적으로 만들 수 있습니다. 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 내시경 카메라를 더 작게 만들어 의료 시술 중 조직 손상 가능성을 줄입니다.
• 증강현실 안경의 착용감을 편안하게 만들어(더 가볍고 컴팩트하면서 균형 잡히고 스타일리시하게) 조종사나 외과의사가 장시간 착용할 수 있도록 합니다.
• 휴대 전화에서 카메라 렌즈의 무게와 물리적 설치 공간을 줄여 휴대 전화에 사용자 디스플레이 및 임베디드 인공지능(AI) 컴포넌트를 위한 더 많은 공간을 확보합니다.    

Ansys 광학 시뮬레이션 솔루션의 새로운 기능은 Ansys Lumerical , Ansys Zemax OpticStudio 및 Ansys Speos의 워크플로를 크게 개선하여 엔지니어가 납품 기한을 맞출 수 있도록 했습니다.

메타렌즈의 과제

소형화의 한 가지 핵심은 메타렌즈 개발입니다. 메타렌즈는 전자기파를 조작하여 빛을 특정 패턴으로 집중시키거나 확산시킬 수 있는 서브파장 메타 원자로 구성된 얇고 평평한 광학 컴포넌트입니다. 전반적으로, 메타렌즈는 기존의 유리 기반 렌즈보다 훨씬 작고 가벼운 장치를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

그러나 자율주행 자동차 카메라, AR/VR 헤드셋 또는 내시경과 같은 대규모 시스템에서 메타렌즈가 작동하도록 하려면 세 계층의 설계 및 분석이 필요합니다. 이러한 계층은 개별 메타 원자의 나노스케일에서 메타렌즈 자체의 매크로 스케일, 메타렌즈를 완전한 시스템으로 통합하는 단계까지 이어집니다. 

Ansys 광학 시뮬레이션 소프트웨어는 세 가지 수준 모두에서 완벽한 엔드 투 엔드 솔루션을 제공하며, 2024 R1에서는 메타렌즈 설계 프로세스를 더 빠르고 쉽게 만들기 위해 소프트웨어 제품군에 이 기능을 추가했습니다.

파장 규모에서 작동하는 Lumerical을 시작으로, 엔지니어는 메타 원자의 형태, 재료 및 배열을 정의한 다음 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)를 사용하여 메타렌즈의 모든 메타 원자 변형을 시뮬레이션할 수 있습니다. 그런 다음 OpticStudio에서 모델링 및 시뮬레이션을 위해 메타렌즈 구조를 HDF5(.h5) 데이터 파일로 내보낼 수 있습니다. 여기에서 메타렌즈는 광파를 기하학적 광선으로 보다 간단하게 모델링할 수 있는 대규모 거시적 시스템의 많은 컴포넌트 중 하나로 처리됩니다.

그런 다음 설계자는 다른 컴포넌트와 함께 하나 이상의 메타렌즈가 포함된 전체 광학 시스템을 시뮬레이션하고 스폿 크기, 변조 전달 함수(MTF) 및 포인트 스프레드 함수(PSF)와 같은 성능 메트릭을 해석할 수 있습니다. 원하는 광학 이미징 품질이 달성되면 OpticStudio의 "Export Reduced-order Model to Speos" 기능을 사용하여 시스템 수준 시뮬레이션을 위해 전체 광학 시스템(모든 메타렌즈 포함)을 Speos로 내보낼 수 있습니다. 그런 다음 Speos에서 인공 및 자연 광원과 렌즈 마운트, 미광 완화 등에 사용되는 사실적인 광기계 컴포넌트를 사용하여 3D 환경에서 전체 광학 시스템을 시뮬레이션할 수 있습니다.

2024 R1에서 .h5 파일은 여러 입사각에 대한 정보와 전송, 편광 및 상에 대한 정보를 포함하도록 업데이트되었습니다. 또한 파일 크기가 이전 버전보다 5배나 줄어들어 데이터 교환이 더욱 쉬워졌습니다. 메타렌즈의 직접 모델링을 위해 .h5 파일의 확장 데이터를 OpticStudio로 읽어들이기 위한 새로운 DLL이 개발되었습니다. 

시스템 수준 워크플로

소형화 광학은 여전히 거시적 광학 시스템에 통합될 것이며, 따라서 시스템 수준 설계와 시뮬레이션은 워크플로에서 중요한 부분으로 남아있습니다. 컴포넌트 수준에서 시스템 수준으로 빠르고 효율적인 데이터 교환을 가능하게 하고 시스템 수준에서 빠른 분석 및 설계를 지원하는 툴은 설계에 필수적입니다.

이를 위해 광학 설계 데이터(예: 렌즈 형상 및 광학 속성)를 OpticStudio에서 Speos로 가져오기 위한 간소화된 워크플로를 개발했습니다. 또한 카메라 센서의 주 광선 시퀀스에 대한 새롭고 신속한 해석은 현재 Speos에서 사용할 수 있는 새로운 광학 설계 교환과 호환됩니다.

또한, GPU 가속 버전의 LSWM(Lumerical Subwavelength Model) 플러그인은 증강현실 응용 분야를 위해 Speos GPU​와 완벽하게 호환됩니다. GPU 가속화에 대한 지원을 추가하면 일반적인 노트북의 경우 시뮬레이션 시간을 20배, GPU 클러스터에서 실행할 경우 100배 이상 단축할 수 있습니다.

솔루션별 제품 개선 사항

Lumerical의 향상된 기능은 다음과 같습니다.

• 더 빠른 메싱 및 다중 GPU 확장 메모리 용량으로 Lumerical FDTD (Finite-Difference Time-Domain) 솔버의 GPU 가속화 개선.
• SLURM 스케줄러를 기반으로 하며, Amazon AWS 및 Microsoft Azure 클러스터에 Lumerical 제품, 특히 FDTD를 배포하는 새로운 확장 가능한 클러스터 솔루션.
• 컴포넌트 설계를 위한 새로운 Klayout 및 Lumerical Multiphysics(CHARGE, HEAT 또는 FEM) 직접 브리지.
• CHARGE 및 MQW 솔버를 사용한 완벽한 2D 광전자 마이크로 LED 시뮬레이션을 수행할 수 있는 새로운 기능(예: 레이어 상호 혼합, 변형률 유도 편광, 질화물 녹색 및 청색 재료 지원).
• 레이저 광원의 노이즈 스펙트럼을​ 분석하는 새로운 주파수 노이즈 스펙트럼 분석기 Lumerical INTERCONNECT.
• 모든 Lumerical 솔버의 사용자 인터페이스를 위한 새로운 다크 모드.

OpticStudio의 향상된 기능은 다음과 같습니다. 

• 메타렌즈 및 기타 홀로그램 요소의 제조 적합성을 확보하기 위한 상 제약 조건 최적화의 새로운 피연산자.
• OpticStudio에서 이러한 메타렌즈의 직접 모델링을 가능하게 하는, Lumerical에서 설계된 메타렌즈에서 데이터를 읽는 새로운 DLL.
• OpticStudio 렌즈 설계에서 지원되는 형상 및 광학 파라미터를 .odx 파일로 내보내고 이를 직접 Speos로 가져올 수 있는 Speos의 새로운 Export Optical Design 툴.

Speos의 향상된 기능은 다음과 같습니다.

• Speos Live Preview에서 향상된 편안함과 보다 직관적인 환경을 제공하는 새로운 사용자 인터페이스
• 기하학적 수차 및 색수차를 고려하여 Speos에서 보다 정확한 카메라를 획득할 수 있는, OpticStudio에서 설계된 카메라 센서를 위한 향상된 차수 감소 모델(ROM)
• 완벽한 몰입형 결과 환경을 위한 새로운 헤드 마운트 디스플레이(HMD) 추적 호환성

Ansys Optics 솔버의 최신 개선 사항에 대해 자세히 알아보려면 웨비나 "Ansys 2024 R1의 새로운 광학 기능"을 시청하십시오.