Virtual Prototyping of Optical Systems: Leveraging ImSym and Optical Scattering Data

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새롭게 설계한 광학 시스템을 본격적으로 양산하기 전은 물론이고, 소규모 생산 단계에 들어가기 전에도 정확한 프로토타입을 통한 시스템 검증은 필수적입니다.

The Importance of BSDF Measurements in Virtual Prototyping

가상 프로토타이핑에서 BSDF 측정의 중요성

가상 프로토타입 설계에 BSDF(Bidirectional Scattering Distribution Function) 측정 데이터를 적용하면, 엔지니어는 기술적 니즈를 충족하는 신뢰도 높은 고품질의 광학 제품을 보다 효과적으로 설계할 수 있습니다. BSDF는 광원이 입사하는 각도와 파장에 따라 재질의 표면에서 빛이 어떻게 산란되는지를 정량적으로 설명하는 핵심 함수입니다.

실제 모델링에서는 이러한 산란 현상을 보통 반사 성분과 투과 성분으로 나누며, 이들은 각각 BRDF(양방향 반사 분포 함수)와 BTDF(양방향 투과 분포 함수)로 따로 처리됩니다.

다음 이미지는 재질의 거칠기와 빛 반사 간의 관계를 보여줍니다. 반사광의 방향을 측정하고 BSDF값을 얻으면, 표면의 거칠기를 정밀하게 모델링할 수 있습니다.

End-to-End Virtual Prototyping with ImSym

ImSym을 활용한 엔드 투 엔드 가상 프로토타이핑

ImSym – Imaging System Simulator는 광학 엔지니어가 이미징 시스템을 설계하고 검증하는 방식을 완전히 바꿔주는 소프트웨어입니다. 이 도구는 광학, 센스, 이미지 신호 처리 (ISP)를 포함한 전체 이미징 체인을 물리 기반으로 정밀하게 모델링 해 엔드 투 엔드 가상 프로토타입을 제공합니다.

다음의 예시에서 볼 수 있듯이, BSDF 측정 데이터를 ImSym 시뮬레이션에 통합하여 이미징 시스템 모델의 표면 및 재질과 상호작용 할 때 빛이 어떻게 반응하는지 정확하게 시각화 할 수 있습니다. 

Using ImSym with BSDF Data for Machine Vision Design

머신비전 설계를 위한 ImSym과 BSDF 데이터 활용

오늘날의 제조 현장에서는 머신비전 기술을 활용해 제품을 검사하고 미세한 결함이나 불균형을 자동으로 탐지합니다. 이러한 머신비전 광학계를 가상으로 프로토타이핑하면, 예를 들어 필요한 카메라 속도를 판단하거나 센서에 도달하는 원치 않는 미광(stray light) 문제를 사전에 분석하는 데 효과적입니다.

본 예시에서는 인쇄 회로 기판 (PCB) 검사에 사용될 머신비전 카메라를 시뮬레이션해보겠습니다. 머신비전 카메라 시뮬레이션의 ImSym 워크플로우는 다음과 같은 단계로 구성됩니다.

• Scene Object (장면 객체): PCB 이미지 파일을 기반으로, 주변광 조건에 해당하는 환경을 설정하고, 그 위에 광원을 추가하는 방식으로 시작합니다. 이 단계에서는 PCB의 기하 구조와 재질 특성을 명확하게 정의하는 것을 포함하며, 이는 정확한 광학 시뮬레이션을 위한 핵심 요소입니다.
• Lens System (렌즈 시스템): 광학 시스템에 사용되는 렌즈 시스템을 모델링합니다. ImSym은 비구면 렌즈와 자유 곡면 광학을 포함한 복잡한 렌즈 조합을 모델링할 수 있는 고급 기능을 포함한 도구를 제공합니다. 초점 거리, 구경 크기, 렌즈 재질 등 다양한 특성을 가진 렌즈를 선택할 수 있으며, 이를 통해 광학 성능을 최적화하고 원하는 이미징 결과를 얻기 위해 적절한 렌즈를 선택할 수 있습니다.
• Stray Light Analysis (미광 분석): 광학 시스템의 미광 특성을 모델링하고 분석합니다. ImSym은 광학 시스템과 조명 조건에서의 미광 특성을 평가하는 데 필요한 분석 도구와 기법을 제공합니다. 미광 분석은 단순한 1차 모델부터, 매우 정밀한 실제 광기계 하우징까지 다양한 복잡도로 수행할 수 있습니다. 
• Detector (센서): 광학 시스템에 사용되는 센서의 속성을 정의합니다. 이는 CCD, CMOS와 같은 센서 종류, 해상도, 감도 및 기타 필요한 특성들을 포함한 정확한 센서 모델링 작업을 의미합니다. 센서를 정밀하게 모델링하는 것은 광학 시스템이 빛을 수신하고 처리하는 방식을 시뮬레이션하는 데 필수적입니다.
• Image Signal Processing (이미지 신호 처리): 이미지 신호 처리(ISP) 파이프라인을 시뮬레이션합니다. 여기에는 노이즈 제거, 색상 보정, 이미지 향상 등의 단계가 포함됩니다. 이러한 신호 처리 과정을 모델링하면, 최종 이미지가 각 처리 알고리즘에 의해 어떻게 영향을 받는지를 예측하고, 이미지 퀄리티를 개선할 수 있도록 최적화할 수 있습니다.
• Simulation (최종 이미지 시뮬레이션): ImSym으로 모델링한 광학 시스템이 생성한 최종 이미지를 눈으로 확인합니다. 이를 통해 시스템의 성능을 시각적으로 표현할 수 있으며, 이미지 품질을 평가하고 잠재적인 문제를 식별할 수 있습니다. 이미지를 분석하고 필요한 설계 조정을 통해 원하는 시스템 성능에 도달할 수 있습니다.

다음의 이미지는 머신비전 카메라의 초기 ImSym 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. PCB상의 일부 홀에는 빨간 원이 표시되어 있어 정상적으로 감지되었음을 나타냅니다. 반면, 감지되지 않은 홀은 표시 없이 남아 있습니다. 이러한 오류는 PCB에 있는 구리 표면의 정반사로 인해 발생합니다. 강한 반사광이 카메라 센서의 픽셀을 포화시키면서, 홀이 정확히 감지되지 않도록 만듭니다. 구리는 반사율이 매우높아 강한 눈부심을 유발하며, 이로 인해 카메라 센서가 압도되어 중요한 디테일이 가려지고 홀을 정확히 식별할 수 없게 되는 문제가 생기는 것입니다.

이 문제를 해결하는 한 가지 방법은, ImSym 시뮬레이션에 녹색 PCB와 구리 표면의 광 산란 측정값(BSDF)을 포함하는 것입니다. 이렇게 하면, 빛과 PCB 간 상호 작용을 보다 현실적인 방식으로 표현할 수 있습니다. 시뮬레이션은 정반사와 확산 반사를 모두 고려할 수 있으며, 이를 통해 빛이 구리 표면에 닿았을 때 어떻게 거동하는지를 포괄적으로 묘사할 수 있습니다. 이러한 데이터는 센서와 ISP 모델의 설정을 추가로 조정할 수 있는 인사이트를 제공하며, 이를 통해 PCB의 디테일을 보다 정확하게 감지할 수 있도록 도와줍니다. 

Synopsys Mini-Diff V2 를 사용해 해당 BSDF 데이터를 획득할 수 있습니다. 

구리의 반사는 순수한 정반사만이 아니며, 반사 피크 주변에 확산의 성질도 포함되어 있는 것으로 나타났습니다. 이는 구리 표면의 반사 특성이 처음 예상했던 것보다 더 복잡함을 의미합니다.

정반사는 거울처럼 빛을 되돌리는 반사 방식이고, 여기에 빛이 여러 방향으로 산란되는 확산 성분이 함께 존재합니다. 이러한 확산 반사는 PCB 상의 홀처럼 감지해야 할 세부 요소를 흐리게 하거나 가리는 원인이 될 수 있습니다.

Mini-Diff V2로 측정한 BSDF 데이터를 ImSym 모델에 반영하고, 센서 및 ISP 파라미터를 조정하면 포화 현상(oversaturation)을 완화하고, PCB의 미세한 디테일까지 안정적으로 감지할 수 있습니다. 그 결과, 검사 과정의 정확성과 신뢰도가 크게 향상되며, 품질 관리 효율이 개선되고 PCB 제조의 일관성도 높아집니다. 모든 PCB의 홀이 감지되어 업데이트된 ImSym 시뮬레이션은 아래와 같습니다.

정 반사와 확산 반사의 주 성분을 모두 이해하고 고려하는 것은 센싱 알고리즘의 정확도를 향상시키고, PCB를 정밀하게 검사하기 위해 매우 중요한 요소입니다.

Accelerating Imaging Design Innovation

이미징 시스템 설계 혁신 가속화

ImSym은 광학 시스템의 가상 프로토타입을 모델링할 수 있도록 지원하며, 초기 단계에서 문제를 사전에 식별하고, 이미지 퀄리티 및 신호 처리 과정을 직접 테스트할 수 있게 해줍니다. 이러한 선제적 접근 방식은 문제를 조기에 발견함으로써 개발 시간과 비용을 절감하는 데에 매우 효과적입니다.

ImSym은 전체 이미지 획득 체인(image acquisition chain)을 모델링 할 수 있으며, 정확도가 서로 다른 구성요소 모델도 유연하게 통합할 수 있습니다. Synopsys의 광 산란 측정 장비를 통해 획득한 BSDF 데이터는 빛과 재질 간의 상호 작용을 정밀하게 설명해주며, 이러한 실측 데이터를 ImSym에 통합함으로써 실제 프로토타입을 매우 가깝게 재현한 버추얼 트윈(virtual twin) 수준의 신뢰도 높은 가상 프로토타입을 구현할 수 있습니다.