1. 광학 시뮬레이션 소개

 

 

광학의 분야는 다양하고 그 분야들을 연구하기 위해 이제는 컴퓨터로 진행하는 수치해석이 필요합니다.

개인의 니즈에 따른 공학 수식이 적용된 MATLAB 코드나 COMSOL 등을 활용해서 해석 할 수 있습니다

하지만 보다 전문적인 상용 프로그램이 존재합니다.

 

제가 모든 광학 분야를 알지 못하기에 다양하고 많은 상용 프로그램을 모르나

이번 포스팅을 통해 제 전문 분야에서 사용하는 (했던) 광학 시뮬레이션이 무엇인지 간단하게 소개하고

앞으로의 포스팅에서는 (정말) 간단한 사용법과 응용분야 등을 소개하고자 합니다.

참고로 저는 대학교, 대학원에서 배우고 현재 기업체에 근무하면서 업무차원에서 사용하고 있습니다.

 

 

1. Ansys의 Lumerical

Lumerical을 통해서 나노 포토닉스 소자를 설계하고 분석 할 수 있습니다. Lumerical은 다양한 Solver를 포함하고 있습니다. Maxwell 방정식 기반의 FDTD... Multiphysics의 CHARGE 등 다양한 조건의 시뮬레이션이 가능하죠.

특히 FDTD는 FDM을 이용해서 시간 공간 영역에 근사적으로 샘플링 하여 전자기파를 해석하고, 시간 영역 솔루션 이지만 FFT 및 DFT를 사용하여 주파수 조건의 분석도 가능 합니다. 간단하게 FieldTracing이라고 생각하시면 됩니다.

 

2. Ansys의 Zemax

Zemax는 RayTracing으로 렌즈 및 광학계를 설계하고 분석 할 수 있습니다.

순차 광선 추적 모드 및 비순차 광선 추적 모드를 제공하는 통합형 광학 소프트웨어로 결상 광학계와 조명 광학계를 포함한 폭넓은 시스템 설계 및 해석 시뮬레이션이 가능합니다. 최적화 및 공차 분석이 상당히 간편하고 강력합니다.

 

Lumerical과 Zemax는 Ansys에게 인수되면서 DynamicLink라는 기능이 생겼는데 (원래 있었을 수 도 있습니다...)

이를 통해서 설계를 소자에서 시스템레벨까지 할 수 있습니다. 상기 두 프로그램은 연단위 구독시스템입니다.

 

 

3. LightTrans의 Virtuallab Fusion

RayTracing부터 FieldTracing까지 한번에 가능한 Maxwell 방정식 기반의 시뮬레이션 프로그램입니다.

나노에서 미터 크기에 이르는 다양한 광학 소자들을 하나의 플랫폼에서 시뮬레이션 할 수 있으며 레이저 시스템, Imaging 시스템, Metrology, Light Shaping, VR/MR등 파동광학 해석이 원스톱으로 가능하고 물론 그만큼 가격이 비싸죠.

MATLAB과 비슷하게 기본 프로그램에 ToolBox를 구입해야지 특정 솔버 기능이 해제되는 시스템입니다.

다만 한번 구매시 영구적으로 사용 할 수 있습니다. 물론 유지보수는 별도입니다.

 

개인적으로는 상당히 파워풀하다고 생각하고 있습니다. 구성은 LabView와 상당히 비슷합니다.

다만 구조 설계가 나름 쉬우면서도 어렵습니다. 이전에 보고되지 않았던 신규 구조를 만들기 생각보다 어렵습니다.

하지만 기존 널리 사용되는 구조를 사용할 경우 관련 예제 구조가 많아 적용만 시키면 되어 상당히 쉽습니다.

 

 

4. Synopsys의 Code V 

앞서 소개한 Ansys의 Zemax와 동일한 기능을 가지고 있습니다. Code V와 Zemax 모두 장단점이 있습니다만은 사용하는 연구실 및 기업체에 따라서 나눠집니다. 왜냐하면 각자 가지고 있는 포맷이 다르기 때문이죠. 물론 호환하여 사용한다곤 하는데 한번 들어버린 습관 고치기 힘든 것 같습니다. 마찬가지로 연단위 구독제로서 Zemax 보다 비쌉니다.

 

 

 

5. Thin Flim Center의 Essential Macleod

광학 박막 전문 설계 및 분석 프로그램으로써 매크로나 스크립트를 이용해서 사용자의 니즈에 맞는 박막을 설계하고 광학 상수 및 어드미턴스를 구하는 것 부터 시작해서 투과율, 색상 등의 목표 값이 주어지면 자동으로 최적화 및 역설계를 진행하는 등의 분석이 가능하고 이론적 설계가 완료되면 사용중인 증착기 특성을 적용한 실제 가공 공정 프로파일 추출로 수율을 알아 볼 수 도 있습니다. 유지보수는 별도이며 구매시 영구 사용가능한 제품입니다.

 

6. Others

이외에도 학부 수준으로 사용했던 조명설계 프로그램인 LightTools. 정말 간편하지만 정말 무거운 LabVeiw. 전부 다 가능하지만 그로인해 전부 다 수식 지정해야하는 COMSOL 등이 있습니다. 그리고 데이터 분석을 위한 MATLAB 및 Python도 있겠네요. Speos같은 비전 프로그램도 있고 제가 모르는 다른 프로그램이 존재 하겠지만 여기서 소개는 마치겠습니다.