앤시스 스페오스를 활용한 라이트 가이드 설계와 해석

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공사례

이번 호에서는 국제 조명 위원회(CIE)의 CIE 171:2006 테스트를 거쳐 광학 모델링 소프트웨어로서 정확성을 인증받은 앤시스 스페오스(Ansys Speos)를 활용하여, 최근 자동차 램프에 많이 적용되고 있는 라이트 가이드(light guide)의 설계 방법 및 해석 방법에 대하여 소개하고자 한다.

■ 최낙정
태성에스엔이 SBU팀 매니저로 광학 프로그램에 대한 기술 지원을 담당하고 있다.
홈페이지 | www.tsne.co.kr

앤시스 스페오스 소개

앤시스 스페오스(Ansys Speos)는 자동차, 전자 제품, 조명, 레이저 및 머신 비전, 항공 우주, 생물 의학 연구 분야의 글로벌 기업이 사용하는 광학 시스템 최적화 및 검증을 위한 전문 해석 솔루션이다. 광학 부품의 정밀한 해석을 위해 인간의 시각 능력을 반영하여 해석 및 다양한 분석 기능을 제공하며, 광 성능 분석에 기본이 되는 광도, 조도, 휘도 분석 이외에도 색상, 재료, 질감, 눈부심 효과 등이 고려된 가시성 분석이 가능하다.

▲ 앤시스 스페오스를 통해 해석된 자동차 점등 이미지

또한, OPD(Optical Part Desing) 기능을 활용하여 라이트 가이드, 프리폼 렌즈(freeform lens) 등 다양한 형태의 렌즈를 손쉽게 설계하고, GPU를 사용한 시뮬레이션이 가능하기 때문에 설계부터 해석까지 시간과 비용을 절감할 수 있다.

▲ 앤시스 스페오스에서 제공하는 다양한 OPD 기능

라이트 가이드란

라이트 가이드(light guide)는 기본적으로 사용자가 원하는 목표 지점까지 광손실을 최소화하여 빛을 보내기 위한 광학 구조물이다. 램버시안 분포로 나오는 빛을 믹싱(mixing)하여 균일하게 만들어 주는 역할을 하기도 하고, 사용자의 목적에 따라 프리즘 옵틱을 적용하여 광원부를 노출시키지 않고 사용자가 원하는 빔 패턴을 만들 수 있어 심미성과 성능을 모두 확보해야 할 때 많이 사용되고 있다.

▲ 자동차 DRL(Daytime Running Lamp)에 적용된 라이트 가이드

라이트 가이드의 설계 과정

앤시스 스페오스를 활용하면 라이트 가이드를 손쉽게 설계할 수 있다. 기본적으로 라이트 가이드를 생성하기 위해서는 형상 프로파일(profile)과 가이드 커브(guide curve)를 정의해야 한다. 해당 인자를 통해서 원하는 형상으로 라이트 가이드의 베이스를 만들어 줄 수 있다.

라이트 가이드의 베이스를 만들었다면, 빔 패턴을 사용자의 목적에 맞게 만들기 위해서 프리즘 옵틱을 설계해야 한다. 프리즘 옵틱의 설계의 경우 설계 인자가 약 10개 정도 되어 사용자가 원하는 빔 패턴을 만드는데 용이하게 활용할 수 있다. 또한, 효율을 향상시키거나 LED 적용 개수에 따라 라이트 가이드의 입사부 형상에 변화를 주기도 한다.

라이트 가이드의 초기 설계가 완료되었다면, 각 부품에 대한 물성치와 광원, 센서에 대한 정의를 완료한 후 시뮬레이션을 통해 원하는 수준의 광학 성능이 나왔는지 초기 성능 분석을 진행한다. 초기 성능 분석을 통해 만족하지 못한 성능을 보완해주기 위해 스페오스 내에 있는 최적화 도구를 활용하여 최적화 타깃(target) 값을 정의하고 설계 주요 파라미터들을 선정하여 각 파라미터에 대한 최적화를 진행한다.

최적화 완료 후 다시 한 번 시뮬레이션을 진행하여 원하는 수준의 배광 성능이 나왔는지, 점등 필링은 괜찮은지 등을 확인하고 최종적으로 라이트 가이드에 대한 설계를 완료한다.

▲ 앤시스 스페오스를 활용한 라이트 가이드 설계 단계