Shape 데이터베이스 튜토리얼 (파트 A): 이미지에서 3D 형상 생성

OghmaNano의 Shape 데이터베이스는 시뮬레이션 전반에서 재사용할 수 있는 기하학적 물체의 저장소입니다. 이는 단순한 해석 함수로 쉽게 설명할 수 없는 형상에 특히 유용합니다. 예를 들어 AFM에서 유도된 표면 거칠기, 2D 이미지에서 생성된 포토닉 결정, 또는 가져온 CAD 형상이 여기에 해당합니다. 형상이 한 번 생성되어 여기에 저장되면, Optical Workbench의 물체에 연결하여 광선 추적, FDTD 또는 기타 광학 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다.

이 첫 번째 파트에서는 내장된 2D 패턴으로부터 간단한 데모 구조를 만들고, 이를 3D 삼각형 메시로 변환한 뒤, 메시 해상도가 시각적 품질과 시뮬레이션 계산 비용에 어떤 영향을 미치는지 살펴봅니다.

1단계: Shape 데이터베이스 열기

아무 시뮬레이션에서나 시작합니다(예: Reflection from film 광선 추적 데모). 리본에서 Databases 탭을 클릭한 다음 ??에 강조 표시된 대로 Shape database를 클릭합니다. 그러면 Shape 데이터베이스 창이 열립니다 (??).

2단계: 새 Shape 항목 만들기

새 형상을 만들려면 Shape 데이터베이스 창의 흰색 영역에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 ??에 표시된 대로 컨텍스트 메뉴에서 New → New shape를 선택합니다.

New shape name을 묻는 대화상자가 나타납니다. demo를 입력하고 OK를 클릭합니다. 그러면 새 형상에 대한 Shape 편집기 창이 열립니다 (??).

3단계: 기본 Shape 편집기 보기 확인

Shape 편집기는 왼쪽에 3D 보기, 오른쪽에 2D 이미지를 표시합니다 (??). 기본 2D 패턴은 검은 배경 위에 흰 원이 배열된 단순한 형태로, 포토닉 결정 또는 기둥 배열을 나타냅니다. 처음에는 3D 보기에는 평평한 격자만 포함되어 있습니다.

Shape 편집기 상단의 도구 모음에는 이 튜토리얼에서 중요한 세 가지 버튼이 있습니다:

• Show Mesh – 기존 3D 메시 표시를 전환합니다.
• Edit Mesh – 메시 구성 창을 엽니다.
• Build Mesh – 2D 이미지를 3D 삼각형 메시로 변환합니다.

4단계: 첫 메시 생성

Build Mesh (파란 삼각형 아이콘)를 클릭합니다. 오른쪽 패턴이 왼쪽 보기의 3D 기둥 배열로 변환되며, 2D 형상을 근사하기 위한 삼각형 표면 메시가 생성됩니다 (??).

마우스를 사용해 3D 보기를 회전하고 확대/축소합니다. 기둥이 상당히 각져 보인다는 것을 아마 알 수 있을 것입니다. 원형보다는 삼각형에 더 가깝습니다. 이는 초기 메시 해상도가 의도적으로 낮게 설정되어, 메시를 가볍게 유지하기 위해 비교적 적은 수의 삼각형만 사용하기 때문입니다.

5단계: 메시 해상도 세분화

형상의 충실도를 높이려면 Shape 편집기 도구 모음에서 Edit Mesh를 클릭합니다. 그러면 Configure mesh 창이 열립니다 (??).

중요한 필드는 다음과 같습니다:

• x-triangles / y-triangles: 각 방향에서 메시를 시작하는 데 사용되는 삼각형 수입니다 (예: 20 × 20 또는 40 × 40).
• Method: 메시 생성 전략입니다. 기본 Node reduce 방법은 정규 격자에서 시작한 다음 형상을 표현하는 데 필요하지 않은 삼각형을 제거합니다.
• Min allowable angle: 지나치게 가느다란 삼각형을 방지하는 품질 제약입니다.

20에서 40으로 x-triangles와 y-triangles 모두의 해상도를 높인 다음 OK를 클릭하여 대화상자를 닫고 다시 Build Mesh를 클릭해 보십시오. 이 과정을 몇 번 반복하면서, 40 × 40 또는 50 × 50과 같은 값을 실험하고 3D 기둥의 형상이 어떻게 변하는지 확인하십시오.

Node reduce 방법에서는 알고리즘이 전체 삼각형 격자에서 시작한 다음 형상을 표현하는 데 중요하지 않은 삼각형을 제거한다는 점을 기억하십시오. 따라서 최종 메시는 원시 x-triangles × y-triangles 곱이 시사하는 것보다 더 적은 수의 삼각형을 포함합니다.

6단계: 세분화된 메시와 비교

해상도를 높이고 다시 생성한 후에는 ??와 유사한 메시를 얻어야 합니다. 이제 기둥은 훨씬 더 원형에 가깝게 보이며, 삼각형 면도 더 작고 더 균일하게 분포합니다.

7단계: 메시 생성 방법 선택

많은 패턴에서 Node reduce 알고리즘은 잘 작동합니다. 중복된 삼각형을 제거하고 형상을 간결하게 유지하기 때문입니다. 그러나 일부 표면, 특히 AFM 높이 맵이나 기타 거친 표면의 경우 삼각형을 버리면 세부 정보가 손실될 수 있습니다. 이런 경우에는 노드 수를 줄이지 않는 방법을 사용하는 것이 더 나을 수 있습니다 (가능하다면 Method 드롭다운의 no-reduction 또는 uniform grid 옵션 등). 이렇게 하면 전체 이미지에 걸쳐 정규 삼각형 격자가 유지됩니다.

어떤 방법을 선택하든 정확도와 속도의 균형을 맞추는 것이 중요합니다. 추가되는 모든 삼각형은 이후 광학 시뮬레이션 비용에 기여합니다. 실제로 실행 시간은 종종 전체 삼각형 수에 대해 선형보다 더 빠르게 증가하므로:

• 형상의 핵심 특징을 여전히 포착할 수 있는 가장 작은 메시를 사용하십시오.
• 혹시 모르니 극도로 미세한 메시를 사용하려는 유혹은 피하십시오. 이는 광선 추적 또는 FDTD 계산을 극적으로 느리게 만들 수 있습니다.
• 데이터베이스에 복잡한 형상의 “고해상도” 버전과 “경량” 버전을 모두 보관해 두면 각 연구에 적절한 것을 선택할 수 있습니다.