Zemax / 가상 프로토콜 타이핑이 적용된 광학 설계 소프트웨어의 장점과 응용사례

소개

Global Surgical Corporation은 치과와 이비인후과 전문의를 위한 의료 장비를 80년 이상 제조했다. 1965년 파트너십을 통해 외과용 현미경과 액세서리가 출시됐고, 현미경이 의료 분야에서 널리 받아들여짐에 따라 진단과 치료와 수술 응용 분야에서 현미경이 없어서는 안 될 도구가 됐다. 수술이 적은 치료법으로 잠재력을 확대해 시야가 향상됐다.

미주리 주 세인트루이스(St. Louis, Missouri)에 있는 Global가 2015년에 발표한 A-시리즈 치과 현미경으로 업계의 기준을 높였다. A-시리즈(그림 1)는 탁월한 인체 공학, 기동성, 안정성을 갖춘 소형 광학 헤드에 높은 해상도의 색상 보정 이미지를 제공한다.

동공 접안렌즈 개선의 설계 과제

Global Surgical은 고객 만족도를 높이기 위해 2016년 중반에 A-시리즈 현미경을 위한 일련의 대칭 접안렌즈를 다시 설계했다. 프로젝트의 목표는 비용을 유지하거나 줄이면서 시야를 늘리고 유용성을 향상하는 것이다.

주요 과제 중 하나는 눈으로 제한된 광학 장치와 조절 기구장치를 포함한 엄격한 설계 범위였다. 원하는 결과를 얻기 위해 광학 기기가 더 커졌고, 기계와 인체 공학 면에서 적합성과 편안함을 위한 공간이 줄었다. 수요가 많았지만 공급이 부족했다.

광학 엔지니어이자 프로젝트 리더인 Robert Mentzer는 시야를 늘리고 크기 제한을 충족하도록 광학 장치를 조정할 수 있다고 결정했다. 그러나 이 발견은 거의 모든 기계 구성 요소를 변경해야 했으므로 기구 설계 작업이 증가했다.

접안렌즈는 직관적이어야 했다. 광학 엔지니어이자 프로젝트 책임자인 Robert Mentzer는 “접안렌즈는 안경을 쓰는 사람들에게 특히 불편할 수 있습니다. 우리는 항상 적합하고 간단하고 매력적인 해결책이 필요했습니다.”고 말했다.

기계 엔지니어인 Tim Stiefferman은 “유용성 향상은 사용자의 기계 작동을 단순화하고 업무를 방해하거나 방해하지 않는 무언가를 만드는 것을 의미했습니다.”라고 설명했다. 경험으로 볼 때, Mentzer와 Stiefferman은 광 기계 시스템을 설계하는 것이 큰 도전이라는 것을 알았다. 광학 기계 설계의 작은 오류는 심각한 광학 성능 문제를 일으킬 수 있다.

민감한 시스템 사용

그림 2에서 표시한, 접안렌즈에 사용된 Plossl 디자인은 아주 작은 공기 공간을 가진 무색 이중 띠 두 개로 구성됐다. 대물렌즈는 빛을 모으고 초점을 맞춰 이미지를 만든다. 이 유형의 광학 디자인은 망원경과 카메라 그리고 기타 여러 장치에 사용된다.

Plossl 광학 디자인은 렌즈의 표면 전체에 걸쳐 doublet 두 개 사이의 일관된 공역을 유지하는 데 의존한다. 광학 배열의 크기를 줄이기 위해 Mentzer와 Stiefferman은 렌즈 사이의 공간을 최소화해야 했다. 광학과 기계 구성 요소의 조심스러운 공차는 필수였다.

doublet 2개 사이의 공기 공간이 허용 오차 누적을 고려해서 부적절한 경우, 공기 공간이 렌즈 표면에서 달라지거나 악화될 수 있다. 렌즈는 기계적 또는 유리 구성 요소와 접촉해 의사 반사(ghost reflections)를 일으킬 수 있으며 프린징(fringing), 즉 결과적으로 이미지 면에 불스아이(bullseye)가 나타난다. Mentzer와 Stiefferman은 제품의 성능과 원하는 결과를 달성하기 위해 엄격한 공차를 사용하는 비용 증가 사이의 절충을 고려해야 했다.

Zemax의 가상 프로토타이핑을 이용한 고품질 초기 설계

Mentzer는 Zemax의 업계 선도적인 광학 설계 소프트웨어인 OpticStudio에서 접안렌즈용 광학 모델을 만들었다. 그는 디자인 파일을 Stiefferman에게 보냈고, Stiefferman은 Zemax가 개발한 광학기계 개발용 SOLIDWORKS^® 인증 골드 파트너 추가 기능인 LensMechanix에 로드했다. LensMechanix는 SOLIDWORKS의 광학 기계 설계를 패키징, 분석, 검증하는 기계 엔지니어를 위해 특별히 설계된 최초의 소프트웨어이다.

LensMechanix에 로드된 OpticStudio 디자인 파일에는 기계적 패키지를 설계하는 데 필요한 모든 데이터가 포함된다. 이전에는 Stiefferman이 STEP 파일을 사용해 수동으로 치수, 공차, 재료, 마감재를 추가해야 했다. 그 수작업을 없앰으로써 즉시 기계적 구조를 구축할 수 있게 됐다.

Zemax의 가상 프로토타이핑 도구인 OpticStudio와 LensMechanix (그림 3 참조)는 엔지니어 사이의 작업 흐름과 커뮤니케이션을 간소화해 Global이 더 높은 신뢰도의 디자인을 더욱 신속하게 얻을 수 있도록 도왔다. Mentzer는 “짧은 회의에서 필드 스톱, 안구, 여행 범위 따위의 중요한 요소를 설명했습니다. Tim과 저는 도면을 보면서 지루해하지 않았습니다.”고 말했다.

Mentzer와 Stiefferman은 중요한 설계 데이터를 잃지 않고 OpticStudio와 SOLIDWORKS 사이에서 설계를 통과시켰다. Mentzer는 “기계 엔지니어와 의사소통하는 게 훨씬 쉬워졌습니다. 그것은 제가 OpticStudio에 머물 수 있게 해줬고, Tim은 LensMechanix와 그의 CNC 기계에 머물게 했습니다.”고 말했다.

Zemax의 가상 프로토타이핑 이전의 오래된 작업 흐름

수년 동안 광학과 기계 엔지니어는 광학 설계와 기계 CAD(computer-aided design) 소프트웨어 사이의 비호환성으로 인해 공동 작업에 어려움을 겪었다. 시험과 고난을 통해 작업 흐름이 발전했다. 엔지니어와 설계자는 파일 가져오기와 내보내기, 수동으로 형상을 재구성하기, 작은 광선 샘플을 사용한 광 경로 근사화를 포함한 해결책을 공동으로 작성했다.

광학 설계에서 기계 설계로 전환할 때, 광학 데이터의 무결성을 유지하는 것은 종종 기업에게 어려운 과제이다.

광학 엔지니어용 툴박스가 확장됐지만 기계 엔지니어는 기계 성능이 광학 성능에 미치는 영향을 분석하고 검증할 수 있는 도구가 부족했다. 일반적으로 기계 엔지니어는 광학 시스템을 STEP, IGES, 또는 STL 파일 형식으로 SOLIDWORKS로 가져오고, 대략적인 광 전파(light propagation)를 위해 광선 묶음에 의존한다. 이러한 파일 형식은 설계의 정확성을 떨어뜨린다. 또한 파일 변환 중에 광학 공차, 코팅, 재료 데이터를 제거한다.

기계 형상이 광학 성능에 영향을 미치지 않는지를 신속하고 정확하게 확인하지 않으면, 기계 엔지니어가 광학 엔지니어에게 의존하거나 물리적 프로토타입을 제작해 문제를 확인한다. 기계 엔지니어가 STEP 파일을 광학 엔지니어에게 유효성 검사를 위해 보내면, 광학 엔지니어는 일관성이 없는 전체 좌표계(global coordinate systems)를 처리하고 설계 정확성을 잃어버리게 된다. 또한 기계 엔지니어가 SOLIDWORKS에서 만든 어셈블리를 다시 만들기 위해 수동으로 기계 구성 요소를 찾아야 한다.

번거로움과 추가 작업을 피하기 위해 많은 엔지니어링 팀에서는 스크린 샷, 펜과 종이 또는 실제 프로토타입을 사용해 디자인을 검증한다. 이러한 기법이 더 단순해 보일 수도 있지만, 부정확성으로 인해 오류가 발생하며 비용이 급증하고 일정에 영향을 끼칠 수 있다.

LensMechanix를 사용해 기계 설계 문제를 조기에 발견하기

LensMechanix가 이 모든 것을 바꾼다. LensMechanix는 광학 구성 요소를 나타내는 데 STEP, IGES 또는 STL 파일을 사용하는 대신 OpticStudio에서 렌즈 데이터를 SOLIDWORKS 어셈블리로 로드한다. 네이티브 SOLIDWORKS 형식의 모든 광학 구성 요소 데이터에 즉시 액세스할 수 있는 Stiefferman은 LensMechanix에서 광학 구성 요소 구성 기하학을 노출했으며 몇 분 안에 광학 기계 시스템을 설계하기 시작했다.

Stiefferman은 기계 설계를 마무리한 후 LensMechanix를 사용해 SOLIDWORKS의 전체 시스템을 통해 광선 추적을 실행해 그림 4와 같이 시스템을 통해 빛이 어떻게 이동하는지 살펴봤다.

그런 다음 광학 성능에 대한 기계 형상의 영향을 평가할 수 있었다. 광 경로를 잘라 내거나, 빛을 비추거나, 다른 문제를 일으키지 않았는지 확인해야 한다. 또한 그는 기계 부품 수를 줄이고 전반적인 패키지 크기를 최소화할 수 있었다.

Stiefferman은 “LensMechanix 이전에는 필요한 모든 설계 데이터를 확보하기 어려웠습니다. 종이와 STEP 파일의 경우 전체 설계가 전달되지 않았습니다. 이전 프로젝트에서는 실제 프로토타입을 작성하고 실험실에서 제품을 실험한 다음에만 오류를 발견할 수 있었습니다. 제품 개발주기 후반에 오류를 잡아내면 시장과 프로젝트 비용을 위한 시간이 늘어나는 경우가 많습니다.”고 설명했다.

LensMechanix는 Stiefferman이 설계 공정 초기에 오류를 포착하고 수정할 수 있게 했다. Mentzer는 “LensMechanix는 제 디자인이 광학 성능에 어떤 영향을 줬는지 명확하게 알려줬습니다. 우리는 SOLIDWORKS에서 정확한 광학 디자인을 사용했습니다. 전 광축이나 깨끗한 조리개와 같은 기계 부품이 필요한 정확한 위치를 알아야 했습니다. 접안렌즈에는 많은 민감한 부분이 있어 LensMechanix의 훌륭한 프로젝트로 만들었지만, 지금까지는 필요한 기계 공학 설계 도구가 없었습니다.”고 말했다.

Stiefferman는 “모든 데이터를 SOLIDWORKS로 가져와서 광선이 광학 혹은 기계 구성 요소와 어떻게 상호 작용하는지를 보면서 제가 할 수 있는 것과 없는 것을 결정할 수 있습니다. 이제는 광학이 제 디자인 환경에서 제 언어를 사용하고 있습니다. 단일 디자인 파일에 포함할 수 있는 데이터 패키지는 LensMechanix에 의존해야 했던 20가지 이상의 도면보다 훨씬 뛰어납니다.”하고 설명했다.

간소화된 정보 교환으로 제품 개발 시간 단축

Stiefferman은 광학 기계 시스템을 분석하고 검증한 다음, LensMechanix에서 원래의 광학 설계와 새로운 기계 구성 요소를 포함하는 OpticStudio 출력 파일을 만들었다. 그는 출력 파일을 Mentzer로 보내 OpticStudio에 로드하고 필요에 따라 추가 분석을 수행했다. 통합 설계된 OpticStudio 파일은 Mentzer와 Stiefferman이 설계 공정의 초기 단계에서 완벽한 모델을 얻을 수 있도록 도왔다.

결과적으로 그들은 접안렌즈를 프로토타이핑하고, 일정보다 몇 달 앞당겨 마케팅 팀과 디자인 검토를 할 수 있었다. Manner는 “우리는 일정 기간보다 3개월 앞선 평가를 위해 완벽한 기능의 물리적 프로토타입을 마케팅에 사용했습니다.”고 말했다.

최초의 프로토타입이 거둔 성공.

접안렌즈를 프로토타입으로 만들기 위해 Stiefferman은 각 부분의 여러 조각을 만들었다. 이 세트에서 엔지니어들은 마케팅 팀에게 원래의 A-시리즈 접안렌즈와 나란히 비교해 보여줬다. 그림 6은 초기 물리적 프로토타입을 보여준다.

첫 번째 프로토타입은 마케팅팀에게 호평을 받았다. 그들의 피드백은 대부분 외관에 대한 것이었다. 예를 들어, 그들은 아이컵(eyecups)을 위해 더 부드러운 재료를 원했으며, 접안렌즈가 눈에 더 가깝기를 바랐다.

Mentzer는 “프로젝트가 일찍 시작됐을 뿐만 아니라 광학 설계, 디옵터(diopters), 비네팅(vignetting)과 같은 프로토토압이 일반적으로 비난을 받는 사항은 없었습니다. 첫 번째 물리적 프로토타입은 큰 성공이었습니다.”고 말했다.

LensMechanix는 완벽한 광 기계 시스템을 통해 빛이 어떻게 움직이는지 시각화하고 광학 성능에 미치는 잠재적인 영향을 확인했다. 이로써 엔지니어가 플라스틱이 아닌 마케팅을 위해 금속으로 중요한 구성 요소를 제작할 수 있는 자신감을 갖게 됐다.

Stiefferman은 “플라스틱 모델은 깨지기 쉬우며 설계 검토 중에 끊임없이 파손됩니다. LensMechanix 덕분에 3D 인쇄를 최소화하고 곧장 금속으로 갈 수 있었습니다. 이젠 내구성이 훨씬 뛰어난 고화질 프로토타입으로 제작할 수 있습니다.”고 말했다.

Zemax Virtual Prototyping을 사용해 문제를 해결하면 재료와 생산 공정의 한계 때문에, 3D 인쇄되거나 고속 CNC 가공 프로토타입을 사용해 많은 성능 문제를 발견할 수 없으므로 중요한 이점을 제공한다. 또한 금속 원형은 값비싸고 생산하는 데 많은 시간이 필요하다.

Stiefferman은 “OpticStudio에서 LensMechanix로 이전하는 것은 명백히 최고입니다. 도면과 라인 작업뿐만 아니라 기계 설계도 크게 향상됐습니다. 저는 이미 모든 광학 장치를 공간에 고정해서 기계적으로 출발했습니다. SOLIDWORKS에서 렌즈를 다시 그리거나 사양시트에서 데이터를 가져올 필요가 없었습니다.

그뿐만 아니라 가속은 환상적입니다. 종이가 없고 STEP 파일이나 광선 번들 객체(ray bundle objects)가 없습니다. LensMechanix는 사용하기 매우 쉬웠습니다. 이제 우리는 광학 콘셉트에서 치과 의사 사무실로 더 빨리 이동할 수 있습니다.”고 말했다.

자료 제공 : Zemax(www.Zemax.com)

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