S-plane 편집기

Zemax OpticStudio, CODE V, OSLO와 같은 많은 광학 설계 패키지는 렌즈 시스템을 기술하기 위해 S-plane 편집기를 사용합니다. 여기서 S는 surface를 의미합니다. 즉, S-plane 편집기는 기본적으로 빛이 통과하는 표면들을 광축을 따라 만나는 순서대로 나열한 표입니다. 각 행은 곡률, 다음 표면까지의 두께, 직경, 재료가 지정된 하나의 표면에 대응합니다.

같은 개념이 OghmaNano의 Optical Workbench에서도 사용됩니다. 빛은 왼쪽에서 오른쪽으로 진행한다고 가정합니다. 즉, 공기에서 시작해 첫 번째 렌즈의 한 표면을 통과하면서 굴절률이 바뀌고, 렌즈 두께를 통과한 뒤 두 번째 표면을 빠져나오며, 적층 내 각 렌즈에 대해 이 과정이 반복됩니다. S-plane 표를 편집하면 표면 기준으로 완전한 광학 시스템을 정의할 수 있습니다.

S-plane editor로 정의된 망원 렌즈 스택이 3D Optical Workbench에서 렌더링된 모습. — 미국 특허 문헌(US 3 942 876, 1976)의 200 mm 망원 단렌즈가 Optical Workbench에서 렌더링된 모습입니다. 렌즈 스택은 S-plane 편집기를 사용하여 정의됩니다.

다중 요소 렌즈의 표면을 나열하는 S-plane editor 표. — S-plane 편집기 표입니다. 색상이 있는 각 행 쌍은 광학 시스템 내 한 렌즈의 두 표면을 나타냅니다.

S-plane 보기는 본질적으로 1차원적(축을 따라 배열된 표면) 이지만, OghmaNano는 설계상 순수한 1D 전파 모델이 아니라 완전한 3D 광선 추적 환경입니다. 따라서 S-plane 편집기는 실제 3D 장면에 대한 편리하고 문헌 표준적인 보기로 작동합니다. S-plane 표의 렌즈 정의는 3D 렌즈 객체로 변환되어 ??에서 보이듯이 메인 시뮬레이션 창 안에 존재합니다.

S-plane 편집기 열기

S-plane 편집기는 Optical Workbench 메인 창에서 접근합니다. Device structure 탭에서 왼쪽 툴바의 S plane 아이콘을 클릭합니다 (Layer editor 바로 아래, ?? 참조). 그러면 S-plane 편집기 창이 열리며, 여기서 렌즈 스택을 생성, 편집, 정리할 수 있습니다.

S-plane 표

S-plane 편집기는 렌즈 시스템을 표면 표로 제시합니다 (??). 각 두 행은 하나의 실제 렌즈에 대응합니다. 즉, 입사 표면과 출사 표면입니다. 열에는 핵심 광학 파라미터가 담깁니다:

Name — 영역 라벨(공기, Lens 1, Lens 2, …).
Optical material — 굴절률 모델 또는 유리 재질 지정.
Lens type — 구면, 비구면 등.
Gap 또는 Thickness — 다음 표면까지의 거리.
r0 — 표면의 곡률 반경.
Diameter — 표면의 유효 개구.
id 및 보조 열 — 내부 식별자 및 옵션.

S-plane 표에서 값을 편집하면 대응하는 3D 렌즈 기하가 Optical Workbench 보기에서 즉시 업데이트됩니다. 색상은 일관되게 사용되므로, 예를 들어 Lens 1로 표시된 빨간 행은 3D 장면의 빨간 렌즈에, 주황색 행은 주황색 렌즈에 각각 대응합니다.

렌즈 그룹과 3D 배치

OghmaNano에서 각 S-plane 표는 lens group이라 불리는 3D 객체와 연결됩니다. lens group은 단순히 특정 S-plane 정의에 속하는 모든 렌즈를 담는 컨테이너입니다. 3D 보기에서 lens group은 ??에 보이는 것처럼 빨간 경계 상자로 나타납니다. 바깥 빨간 상자는 전체 시뮬레이션 부피를 나타내고, 안쪽 빨간 상자는 lens group입니다. Shift를 누른 채 클릭 및 드래그하는 방식으로 3D에서 lens group을 이동하면, 해당 S-plane 표에 정의된 모든 렌즈가 함께 이동합니다. 이는 더 큰 장면 안에서 전체 광학 어셈블리를 손쉽게 재배치할 수 있게 합니다.

S-plane 편집기에서 New를 클릭하면 자체 S-plane 표를 가진 새로운 lens group이 생성됩니다. 따라서 하나의 시뮬레이션 안에 여러 개의 독립적인 S-plane을 둘 수 있으며, 각각은 자체 3D lens group 안에 배치됩니다. 이는 목적 렌즈군과 접안 렌즈군이 분리된 망원경이나, 여러 렌즈 블록을 갖는 카메라 모듈과 같은 복합 광학 시스템을 모델링할 때 유용합니다.

S-plane 보기와 3D 세계

중요한 점은 OghmaNano에서 S-plane 편집기는 3D 세계의 파생된 보기라는 것입니다. 3D 렌즈 객체와 그 메쉬가 광선 추적기에 의해 사용되는 기본 표현이며, S-plane 표는 이 객체들로부터 추출되어 동기화 상태를 유지하는 구조화된 표면별 기술입니다.

S-plane 정의에 대응하는 lens group box를 보여주는 3D view. — 대응하는 3D 보기입니다. 바깥 빨간 상자는 전체 시뮬레이션 창이고, 안쪽 빨간 상자는 S-plane으로 정의된 렌즈를 담고 있는 **lens group**입니다.

이러한 하이브리드 접근은 두 세계의 장점을 결합합니다:

렌즈가 임의의 기하와 상호작용할 수 있는 명시적 메쉬로 표현되는 완전한 3D 시뮬레이션 환경을 유지할 수 있습니다.
동시에, 광학 문헌과 전통적인 설계 도구에서 렌즈 설계가 일반적으로 제시되는 방식과 일치하는 표준 S-plane 인터페이스를 얻을 수 있습니다.

망원경, 카메라 렌즈 또는 기타 축대칭 시스템을 설계할 때는 S-plane 표에서 시작하는 것이 가장 편리한 경우가 많습니다. 즉, 표면, 곡률 반경, 두께를 지정한 뒤 결과 3D 배치를 확인하는 방식입니다. 더 복잡한 3D 광학 구조의 경우에는 S-plane으로 정의된 lens group을 CAD / Mesh editor 및 Shape database의 CAD 기반 또는 이미지 기반 메쉬와 결합할 수 있습니다.