공차는 종종 의료 기기용으로 설계된 광학 시스템의 제조/조립 요구 사항을 이해하는 데 필수적인 단계입니다. 공차 시뮬레이션을 위한 광학 설계 소프트웨어의 사용은 허용될 수 있는 특정 제조/정렬 오류와 그 한계를 식별하는 데 유용한 도구입니다.

제맥스 옵틱스튜디오® 광학 의료 기기의 설계를 용이하게 할 수 있는 인기 있는 광학 설계 소프트웨어입니다. 이 소프트웨어에는 공차 오류가 광학 시스템 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션하기 위한 다목적 도구가 포함되어 있습니다. 이 블로그에서는 Zemax OpticStudio의 순차 모드에서 공차에 대한 기본 개요를 제공합니다.

엔지니어링 공차는 부품 또는 조립품 제조 시 오류가 발생할 수 있는 여지를 정의합니다. 공차는 의료 기기의 광학 설계에서 중요한 부분입니다. 렌즈 스택과 같은 광학 시스템은 작은 제조 오류에도 매우 민감할 수 있습니다. 여기에는 장착된 옵틱의 위치/방향의 위치 또는 각도 오류와 같은 조립 오류뿐만 아니라 렌즈의 이상적인 모양과의 편차와 같은 광학 요소 제조 오류가 포함될 수 있습니다. 시스템을 제조할 수 있는지 확인하고 가장 중요한 허용 오차를 이해하기 위해 광학 시스템을 개발할 때 허용 가능한 허용 오차를 조사해야 하는 경우가 종종 있습니다.

제맥스 옵틱스튜디오® 정의된 공차 한계 내에서 제조/조립 오류를 시뮬레이션하는 도구를 포함합니다. OpticStudio의 공차 도구는 몬테카를로 방식, 설계된 시스템의 많은 변형이 다양한 표면 또는 정렬 오류로 시뮬레이션되고 각 변형의 성능은 일부 정의된 기준에 따라 평가됩니다. 시스템의 많은 변형에 대해 이러한 시뮬레이션을 수행함으로써 시스템 성능에 대한 다양한 정렬/표면 매개변수의 영향을 평가할 수 있습니다. 또한 공차 오류의 결합된 영향이 통계적으로 설명되므로 제조된 장치의 다양한 백분위수에 대한 예상 성능을 평가할 수 있습니다.

매개변수 정의

OpticStudio에서 설계된 시스템의 공차를 측정하는 첫 번째 단계는 조사할 매개변수와 공차 한계를 정의하는 것입니다.

소프트웨어의 순차 모드(설계된 요소 또는 어셈블리의 각 광학 표면이 이전 표면을 참조하여 정의됨)에서 허용 오차 한계는 사전 정의된 다양한 매개변수에 대해 정의될 수 있습니다. 여기에는 굴절률, 아베수, 곡률 반경, 표면/요소의 편심, 표면/요소의 기울기, 재료/에어 갭의 두께 및 표면 불규칙성의 크기(즉, 표면의 이상적인 형태로부터의 편차)가 포함됩니다. . 사용자는 허용 오차를 위해 디자인의 다른 매개변수를 정의할 수도 있습니다(예: 비구면 광학 표면의 원추형 매개변수의 변화).

허용되는 가장 일반적인 매개변수와 그 한계는 OpticStudio의 허용 오차 마법사를 사용하여 정의할 수 있습니다. 공차 마법사를 통해 정의할 수 있는 매개변수는 다음과 같습니다.

그림 1: OpticStudio의 공차 마법사

또한 사용자가 공차 분석에 포함할 모델 표면을 정의할 수 있는 "옵션" 상자에 유의하십시오. 사용자는 제조된 광학 표면의 정확도를 평가하는 일반적인 간섭계 방법과 관련된 테스트 파장을 정의할 수도 있습니다. "프린지"의 일부 공차 한계 정의도 이 방법과 관련이 있습니다. 방법에 대한 간략한 개요를 찾을 수 있습니다. 여기에서 지금 확인해 보세요..

또 다른 중요한 옵션은 이미지 평면에서 초점을 최적화하기 위해 시스템의 각 시뮬레이션 변형에 대해 이미지 평면을 축 방향으로 이동할 수 있는 "초점 보정 사용"입니다. 이 옵션은 이미지 평면의 축 거리(예: 렌즈에 대한 카메라 센서의 위치 ) 시스템 구축 후 약간의 조정이 필요합니다.

공차 마법사 외부에서 "공차 데이터 편집기"를 사용하여 덜 일반적인 공차 매개변수를 정의할 수 있습니다. 또한 이미지 평면의 축 거리 이외의 매개 변수는 초점을 개선하기 위해 변경되는 추가 보정기로 동일한 편집기에서 정의할 수 있습니다.

성과 기준

OpticStudio가 설계된 시스템의 각 변형 성능을 평가하려면 성능 기준을 정의해야 합니다. 이 정의는 Monte Carlo 시뮬레이션을 시작하기 전에 공차 도구에서 수행됩니다. 성능 기준의 몇 가지 일반적인 예에는 RMS 스폿 크기(즉, 점 모양의 광원에서 나온 빛이 이미지 평면에 초점을 맞추는 평균 제곱근 스폿 크기) 및 사용자 정의에서 MTF(변조 전달 함수)가 포함됩니다. 주파수(주어진 공간 주파수에 대해 이미징 시스템이 초점을 맞춘 이미지의 대비를 유지할 수 있는 정도의 척도). 여러 가중 기준의 조합일 수 있는 사용 정의 메리트 함수도 사용할 수 있습니다. 동일한 장점 함수는 OpticStudio의 최적화 도구를 사용할 때 성능 기준을 정의하는 데에도 사용됩니다.

성능 기준에 대한 몇 가지 다른 설정도 사용할 수 있습니다. 사용자는 공차 시뮬레이션("샘플링")에 사용되는 광선의 수를 늘리거나 줄이는 옵션이 있습니다. 숫자가 낮을수록 빠르지만 덜 정확하고 그 반대의 경우. 사용자는 또한 초점 보정에 대해 변경할 매개변수(축 초점만, 모든 사용자 정의 보정기 또는 보정기 없음)와 보정기에 사용할 최적화 방법("Comp", "Cycles"에서 실행할 사이클 수를 정의함)을 선택할 수 있습니다. 초점 보정 최적화). 설계된 시스템에 여러 구성이 있는 경우 사용자는 허용되는 구성("구성")을 정의할 수 있습니다. 마지막으로, 사용자는 공차에서 평가할 정의된 필드 포인트와 광축에 대한 대칭("필드")을 정의할 수 있습니다.

그림 2: 기본 설정을 보여주는 OpticStudio 공차 도구의 기준 탭.

공차 설정

각 공차 매개변수에 따라 성능 기준이 어떻게 달라지는지를 평가하기 위해 다양한 모드를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 "민감도" 모드는 정의된 각 공차 한계에서 성능 기준의 변화를 계산합니다. 아래에서 이 모드를 사용할 것입니다. 다른 모드에 대한 자세한 내용은 OpticStudio의 도움말 시스템에서 찾을 수 있습니다. 다항식 옵션을 사용하면 허용 오차 매개변수의 여러 값에서 민감도를 평가하고 3에 맞출 수 있습니다.^rd 또는 5^th "캐시" 옵션을 통해 일부 공차 값이 변경될 때 후속 민감도 분석 속도를 높이는 데 사용할 수 있는 차수 다항식.

몇 가지 다른 옵션이 포함되어 있습니다. 사용자는 성능 기준의 변경이 계산되는 방식("변경")을 정의할 수 있습니다. 명목 기준 값의 선형 변화 또는 제곱합 제곱근 차이로. 사용자는 공차를 평가할 때 광선 조준(시뮬레이트된 광선이 시스템의 정지 표면을 정확하게 채우도록 하기 위해 Zemax에서 사용하는 반복 방법)을 강제로 사용할 수 있습니다. 마지막으로 사용자는 시스템의 각 필드 및 구성에 대한 성능 기준의 변경 사항을 개별적으로 평가하도록 선택할 수 있지만 그렇지 않은 경우 모든 필드 및 구성에 대한 변경 사항은 평균으로 계산됩니다.

그림 3: OpticStudio의 Tolerancing Tool의 설정 탭

Monte Carlo 탭을 사용하면 결과 보고에 사용할 통계적 분포와 함께 공차 시뮬레이션에서 테스트할 시스템의 변형 수를 설정할 수 있습니다. 또한 사용자는 분석을 위해 저장할 가변 시스템의 수를 정의할 수 있으며 정의된 성능 기준에 따라 테스트된 최고 및 최악의 시스템을 저장할 수 있습니다. 마지막으로 "Overlay Monte Carlo Graphics" 옵션은 다양한 성능 메트릭에 대한 공차 오류의 영향을 이해하는 데 유용할 수 있는 각 열린 분석 창(예: 표준 스팟 다이어그램)에서 각 가변 시스템에 대한 분석 결과를 오버레이합니다.

그림 4: OpticStudio 공차 도구의 Monte Carlo 옵션

예: 단순한 비구면

작은 시야에 걸쳐 주어진 거리에서 단색 조명 아래 물체를 이미지화하는 데 사용되는 간단한 맞춤형 비구면의 예를 생각해 보십시오. 0.5개의 필드 포인트가 정의되었습니다. 하나는 광축에, 다른 하나는 광축 위 4mm에 있습니다. 비구면의 매개변수(곡률 반경, 원추형 및 XNUMX^th 및 6^th 주문 비구면 항)은 모든 필드에서 평균 초점 스폿 크기를 최소화하도록 최적화되었습니다. 위의 그림에 표시된 공차 매개변수와 한계, 기준 및 설정을 사용하여 이 시스템에서 공차 분석을 실행합니다. 최적화된 비구면은 아래와 같습니다.

그림 5: 맞춤형 비구면 디자인

공차 시뮬레이션이 완료되면 OpticStudio는 요약 보고서와 함께 공차 데이터를 반환합니다. 요약에는 성능 기준 값(이 경우 밀리미터 단위로 시뮬레이션된 모든 필드의 평균 RMS 스폿 크기)이 각 개별 공차 매개변수에 의해 어떻게 영향을 받는지 보여주는 민감도 분석이 포함되며, 표시되는 가장 영향력 있는 성능 매개변수의 식별과 함께 표시됩니다. 아래(그림 6).

그림 6: 몬테카를로 시뮬레이션에 따른 가장 영향력 있는 공차 파라미터

이러한 각 매개변수(공차 피연산자 코드로 나열됨)에 대해 성능 기준의 변경 사항과 결과 기준 값이 표시됩니다. 테스트된 것 중 가장 영향력 있는 매개변수는 음의 각도와 양의 각도(TETX 및 TETY; 피연산자 뒤의 두 숫자는 기울어진 첫 번째 표면과 마지막 표면을 나타냅니다. 단일 표면 또는 요소 또는 요소 그룹에 해당하는 여러 표면).

요약은 또한 시뮬레이션된 허용 시스템의 성능에 대한 다양한 통계 측정을 보여줍니다(그림 7). 시뮬레이션된 시스템의 성능 기준 값 측면에서 최고, 최악, 평균 및 표준 편차가 시뮬레이션된 시스템의 다양한 백분위수에 의해 충족된 성능과 함께 제공됩니다.

그림 7: 몬테카를로 모의 시스템의 통계적 측정

필수 성능 메트릭을 알고 있는 경우 이러한 메트릭을 사용하여 조립된 시스템의 몇 퍼센트가 필요한 성능을 충족할 가능성이 있는지 평가할 수 있습니다. 예를 들어 비구면이 카메라 센서에 이미징되는 경우 설계자는 RMS 스폿 크기가 픽셀 크기의 몇 배보다 크지 않도록 요구할 수 있습니다. 그런 다음 설계자는 표시된 통계를 기반으로 해당 성능을 충족할 것으로 예상되는 수율 백분율을 볼 수 있습니다. 수율이 허용할 수 없는 것으로 확인되면 설계자는 제조에 대한 허용 오차 중 일부, 특히 가장 영향이 큰 것으로 확인된 허용 오차를 강화하려고 할 수 있습니다. 반면에 공차가 필요한 것보다 훨씬 더 엄격한 것으로 확인되면 설계자는 제조 비용이나 주기 시간을 줄이기 위해 일부 공차를 완화할 수 있습니다.

포커스 보상이 허용되었기 때문에 이 시스템의 제조에는 시뮬레이션된 성능을 달성하기 위해 포커스가 "다이얼 인"되는 단계 및/또는 최종 시스템에서 조절기가 필요합니다. 보상기 통계를 살펴보면 초점면 위치가 최대 ±0.140mm 또는 렌즈 후면에서 초점면까지의 거리(명목상 0.6mm)의 약 25%까지 달라질 수 있다고 예상됩니다.

보다 직관적인 보기

일반적으로 잘 정의된 정량적 성능 기준을 사용하여 공차가 있는 제조 시스템이 적용에 필요한 성능을 충족하는지 확인해야 합니다. 이를 염두에 두고 Monte Carlo 시뮬레이션 중에 저장된 시스템에 대한 분석을 실행하여 공차 오류의 영향에 대한 보다 직관적인 그림을 얻을 수도 있습니다.

예를 들어 폭이 1mm인 물체를 이미징하기 위해 설계된 비구면을 사용하는 것을 고려하십시오. OpticStudio의 기하학적 이미지 분석 기능을 사용하여 명목 시스템뿐만 아니라 Monte Carlo 시뮬레이션 중에 저장된 일부 시스템(예: 성능이 가장 낮은 시스템)에서 결과 이미지를 시뮬레이션할 수 있습니다. 여기서 우리는 1mm 높이의 단색 문자 "F"의 이미징을 시뮬레이션합니다. 이미지 거리가 물체 거리보다 작기 때문에 물체에 비해 이미지가 축소됩니다. 공칭 시스템과 최악의 성능 시스템에 대한 결과 이미지가 표시됩니다.

그림 8: 높이 1mm, 공칭 시스템(왼쪽)과 몬테카를로 시뮬레이션에서 성능이 가장 낮은 시스템(오른쪽)의 단색 "F" 시뮬레이션 이미지

우리는 최악의 성능 시스템에 의해 형성된 이미지가 명목 시스템에 비해 상당히 흐릿하지만 글자를 읽을 수 없을 정도로 충분하지 않다는 것을 알 수 있습니다. 렌즈 시스템의 (다소 비현실적인) 적용이 단순히 1mm 높이의 고대비 단색 텍스트를 검출기에 읽기 쉽게 이미지화하는 것이고 양적 세부 사항이 중요하지 않은 경우 지정된 허용 한계가 적절할 가능성이 높다고 결론을 내릴 수 있습니다.

요약

이 블로그에서는 Zemax OpticStudio의 순차 모드에서 공차 도구의 기본 개요를 제공했습니다. 이 도구는 정렬 및/또는 제조 매개변수가 정의된 허용 한계 내에서 변경될 때 설계된 광학 시스템의 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션합니다. 그런 다음 특정 매개변수에 대한 시스템의 민감도를 평가할 수 있으며 많은 조립된 시스템의 예상 성능을 통계적으로 측정할 수 있습니다.

이미지: StarFish 의료

Ryan Field는 광학 엔지니어 StarFish Medical에서 Ryan은 토론토 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았습니다. 박사후 연구원으로서 그는 외과 용 고출력 피코 초 적외선 레이저 시스템과 가정용 재료의 분광계 개발에 참여했습니다.



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• 출처: https://starfishmedical.com/blog/tolerancing-simulation-for-medical-device-optical-systems/