Comment PISÉO transforme un montage de laboratoire en équipement industriel fiable pour le contrôle non destructif

Dans l’industrie des semi-conducteurs et de la photonique intégrée, la performance finale d’un composant dépend directement de la qualité du matériau utilisé. Lorsqu’un défaut cristallin est détecté trop tard, après des étapes de fabrication coûteuses, les pertes industrielles deviennent irrécupérables.

Identifier ces défauts en amont constitue donc un enjeu stratégique majeur. Encore faut-il disposer d’un système de mesure capable de dépasser le cadre expérimental pour devenir un outil fiable, reproductible et exploitable en environnement industriel.

C’est précisément sur ce point critique, le passage de la preuve scientifique à l’équipement industriel, que PISÉO apporte sa valeur.

Une métrologie basée sur la réflectométrie non linéaire

La solution repose sur une technique avancée de réflectométrie non linéaire exploitant la génération de seconde harmonique (GSH).

Le matériau est illuminé avec un laser femtoseconde infrarouge tandis que la réponse optique générée au double de la fréquence fondamentale est analysée. Les variations observées, combinées à l’analyse des états de polarisation, révèlent des signatures directement liées à l’organisation cristalline.

Contrairement aux approches optiques conventionnelles, cette méthode permet de détecter des défauts structuraux invisibles tout en conservant un caractère totalement non destructif.

PISÉO, partenaire d’industrialisation des technologies photoniques

Transformer une innovation scientifique en avantage industriel durable exige bien plus qu’une expertise optique. Cela nécessite une maîtrise conjointe de l’optique, de la mécanique de précision et de l’ingénierie système.

C’est précisément le rôle que PISÉO assume auprès de ses partenaires industriels : concevoir, sécuriser et industrialiser des systèmes optiques complexes capables de fonctionner de manière fiable dans des environnements exigeants.

Choisir PISÉO, c’est s’appuyer sur un partenaire capable de transformer une technologie issue du laboratoire en équipement industriel opérationnel, robuste et durable.

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Assemblage et validation

Le banc de caractérisation a été intégralement assemblé au sein du laboratoire optique de PISÉO. De nombreux tests électro-optique ont été réalisés de manière rigoureuse pour vérifier la reproductibilité et la répétabilité des mesures (R&R). Des calculs d’incertitudes ont également été effectués pour apprécier la précision atteinte par les mesures. Les résultats de ces travaux ont ainsi permis la recette du banc en laboratoire.

Comme les clients de PISÉO, faites confiance à ses experts pour le développement et la fabrication de bancs de caractérisation optique complexes et ultra-précis.

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Source LASER VCSEL pour test électro optique

Les bancs de test électro-optique pour capteur d’imagerie utilisent habituellement des LED.

Dans le cas de notre client, les exigences de fréquence de fonctionnement étaient telles que seules des sources de type diode LASER, notamment les VCSEL, avaient la dynamique temporelle nécessaire pour y répondre.

Grâce à leur partenaire Yole Group, les experts PISÉO ont rapidement pu identifier des fournisseurs de « die » de VCSEL aux Etats-Unis et en Asie susceptibles de répondre aux besoins. Le composant retenu a ensuite été assemblé avec des techniques de micro-électronique chez notre partenaire Serma Microelectronics. Il a ensuite été testé de manière intensive par nos soins dans notre laboratoire optique.

Enfin, ces composants étant généralement utilisés pour des liaisons de télécommunication par fibre optique, notre choix pour les piloter s’est rapidement porté vers un driver de type télécom.

Conception et ingénierie optique

Les sources LASER, utilisées pour leur réponse dynamique temporelle, ont des profils d’émission très particuliers nécessitant de concevoir un système optique spécifique pour répondre aux besoins de l’application. Aussi, les ingénieurs de PISÉO spécialisés en conception et ingénierie optique ont défini un système très précis à plusieurs étages permettant de créer un éclairement maitrisé du point de vue des caractéristiques spatiales et d’incidence.

Pour cela, ils ont d’abord caractérisé le faisceau de la source au moyen d’un beam-profiler dans le laboratoire optique de PISÉO.

A partir des résultats de mesure ils ont ensuite spécifié un système intégrant une géométrie optique et des matériaux permettant d’atteindre les objectifs recherchés. Outre leurs connaissances propres en conception optique, nos ingénieurs ont utilisé le logiciel Zemax Optics Studio pour réaliser ces travaux.

Réalisation et validation des modules en plusieurs exemplaires

Plusieurs modules de test électro-optique ont ainsi été assemblés en salle blanche puis calibrés et testés au sein du laboratoire optique de PISÉO selon un protocole et un plan de test rigoureux. De nombreux essais de R&R, de fiabilité et de durée de vie ont été menés permettant, en accord avec le client, de valider totalement la conception et la fabrication des modules.

Comme les clients de PISÉO, faites confiance à ses experts pour le développement et la fabrication de bancs de test optique complexes, innovants et robustes.

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Les applications de la luminescence sont larges et variées : horlogerie et cadrans lumineux, signalisation et sécurité, marquage et repérage, imagerie médicale… Ces applications revêtent des exigences diverses dont certaines doivent répondre à des exigences réglementaires ou normatives dont, entre autres, la norme ISO 17398. Aussi, il convient de pouvoir caractériser précisément la rémanence des objets chargés en matériau phosphorescent.

Forts de leur expertise en luminescence, en conception de systèmes d’éclairage LED (ultraviolet, visible, infrarouge) et en métrologie optique, les experts PISÉO ont conçu et réalisé un banc de test pour caractériser la luminescence d’échantillons de natures et de tailles variées dont les usages prévoient une exposition à la lumière du jour. Ce banc de test qui intègre une caméra de vidéo-luminancemétrie et un illuminateur multi-spectral équipe actuellement le laboratoire de PISÉO. Il permet ainsi de caractériser des échantillons clients sous forme de service. Ce banc peut également être répliqué ou adapté pour tout client qui souhaiterait en faire l’acquisition.

Conception du banc de test de luminescence

Avant de concevoir le banc, les experts PISÉO ont spécifié les performances radiométriques à atteindre sur les échantillons à tester, et défini les modalités d’enregistrement de l’évolution de la luminescence dans le temps après avoir été chargés en énergie. Ils ont également spécifié des fonctionnalités comme, par exemple, le pilotage des sources lumineuses qui permettent de créer l’éclairement énergétique et le spectre lumineux souhaité en fonction du type d’échantillons testés. Ils ont ensuite évalué l’offre du marché des LED UV et visible et sélectionné des composants susceptibles de leur permettre, via une combinaisons appropriée, de créer un rayonnement proche de celui du soleil. Une fois l’ensemble des requis définis et le concept imaginé, ils ont procédé au dimensionnement de l’illuminateur multi-spectral LED par calcul et simulation optique.

Le banc a ensuite été conçu dans les détails. La partie mécanique a été intégralement conçue chez PISÉO au moyen du logiciel de CAO Solidworks. Par ailleurs, l’illuminateur LED intégré au banc qui nécessite une puissance par unité de surface importante a fait l’objet d’une étude thermique. Les résultats de cette dernière ont abouti à la définition des composants de refroidissement (radiateur, ventilateurs). La partie électronique quant à elle a été développée chez un partenaire qui dispose des moyens à partir du cahier des charges de PISÉO. La caméra de vidéo-luminance qui permet d’enregistrer les niveaux de luminance et leur uniformité dans le temps était un équipement étalonné déjà disponible au sein du laboratoire de PISÉO. Le logiciel de traitement des images est celui de la caméra.

Réalisation et validation du banc de test de luminescence

Une fois les composants et sous-ensembles spécifiés et approvisionnés, le banc de test a pu être assemblé et testé au sein du laboratoire de PISÉO. Un plan de test détaillé a été défini pour vérifier les performances et les fonctionnalités par rapport aux objectifs initiaux du banc. Des mesures d’éclairement énergétique et de distribution spectrale ont été réalisées au moyen du spectroradiomètre Instrument Systems CAS 140D étalonné sous accréditation ISO 17025 du laboratoire de PISEO. Les essais de répétabilité et de reproductibilité menés ont conduit in fine à la validation du banc de test.

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La complexité de ce banc était liée aux particularités des composants à tester, se traduisant par des contraintes technologiques fortes. Le dimensionnement et la mise en place d’un tel banc fait appel à des connaissances approfondies dans plusieurs domaines : interactions physiques lumière – matière, technologies optiques, manipulation de composants optiques de précision, technologies LASER.

Ce Client, n’ayant pas les compétences en ingénierie de banc de test optique, a fait appel à PISÉO pour le réaliser. Le projet a été segmenté en trois parties : spécification, conception et réalisation, validation.

Spécification du banc de mesure LASER

La lumière LASER possède des propriétés bien particulières, telles qu’une longueur d’onde précise et une émission de lumière cohérente et dirigée. Les composants à tester, du fait de leur structure, répondent différemment aux stimulus de lumière en fonction de ces propriétés. Le banc de mesure doit donc être capable de maitriser des grandeurs telles que la puissance, la direction du faisceau, la polarisation, la modulation, le profil temporel.

Compte tenu des exigences relatives aux caractéristiques photo-électriques du composant, les experts en conception et fabrication de bancs optiques de PISÉO ont été amenés à bâtir une spécification précise du banc de mesure assortie de propositions d’architecture s’appuyant sur des dimensionnements optiques et électriques. La démarche s’est avérée itérative du fait de la découverte du comportement du composant à tester en parallèle de la spécification du banc et de la prise en compte de facteurs externes tels que des limites d’efforts technique et financier, ou bien des limites dimensionnelles. La spécification détaillée finale du banc résulte de ces itérations et des compromis réalisés entre les paramètres à tester, les précisions requises et la faisabilité technologique. De nombreuses interactions conduites par PISÉO avec le client et les fabricants potentiels des équipements du banc ont également été nécessaires pour aboutir à une spécification démontrée faisable.

Caractérisation des performances du banc de test en laboratoire

Ce banc de test LASER a été validé à partir de trois niveaux de tests et caractérisation de la performance :

• Caractérisation du faisceau produit aux différentes étapes de sa mise en forme. Cette approche s’appuie sur les instruments de mesure précis et flexibles de PISÉO : spectroradiomètres, projecteurs de profils, capteurs étalonnés de référence, mesureurs de puissance, amplificateurs transimpédance, oscilloscope HF etc. Ils permettent d’apprécier les multiples caractéristiques du faisceau, telles que la puissance, la temporalité des impulsions, polarisation et direction du faisceau etc.

• Calcul d’incertitudes par des méthodes analytiques, justifiant la précision de mesure des différents paramètres.

• Méthodes statistiques pratiques (R&R), appliquées aux différentes conditions d’usage du banc de test.

L’étape de caractérisation a ainsi permis d’optimiser les réglages et de garantir l’alignement requis de la partie optique du banc, de définir les paramètres d’acquisition des signaux mesurés, de parfaire les procédures de test, et de préciser la « check-list » de vérification du bon fonctionnement du banc de test en amont d’une campagne de test.

Les calculs d’incertitudes permettent, in-fine, de donner confiance aux valeurs mesurées produites lors des essais de production. Les validations pratiques montrent le niveau de robustesse des mesures effectuées dans les conditions de laboratoire.

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Les bancs de test sont des outils essentiels pour mesurer les performances optiques des dispositifs médicaux tels que les systèmes d’illumination utilisés notamment dans les applications médicales, plus précisément de chirurgie.

Après avoir développé un projecteur de lumière intégré à un robot chirurgical de type endoscope, le Client a souhaité pouvoir mesurer l’éclairement relatif délivré par ce projecteur lors de sa fabrication. Un banc de mesure optique spécifique a ainsi été conçu et réalisé à cet effet par PISÉO.

Pour répondre aux besoins du Client, le banc de test a été conçu pour gérer la pluralité des profils d’éclairement produits par le projecteur, qui utilise des sources de lumière de type LED qui ont des angles de lobe d’émission variés, mais aussi des sources de lumière de type laser dont le faisceau est collimaté. L’ensemble des longueurs d’onde émises par ces différentes sources de lumière, dont le spectre s’étend entre 400 nm et 850 nm a donc dû être pris en compte pour concevoir et réaliser ce banc de test.

Calibration géométrique et radiométrique du banc

L’objectif de la caméra utilisée sur ce banc générant de la distorsion et de la courbure de champ, il a été nécessaire de réaliser dans un premier temps un étalonnage géométrique pour corriger les aberrations optiques de ce dernier.

Pour cela, une mire à damier a été utilisée qui a permis de caractériser l’aberration optique du système et de calculer les coefficients de correction à utiliser par les algorithmes de traitement des images capturées.  Cette calibration géométrique ainsi effectuée permet de dresser une cartographie d’éclairement répondant à la précision requise par le Client.

Dans un second temps, un étalonnage radiométrique a été effectué afin de prendre en compte les caractéristiques de diffusion de l’écran dépoli intégré au banc de mesure, la transmission optique de l’objectif, son vignettage, la sensibilité, ainsi que la réponse spectrale du capteur de la caméra.

Pour cela les appareils de mesure du laboratoire de PISÉO étalonnés sous accréditation ISO-17025, et plus particulièrement le spectroradiomètre CAS140D, ont été utilisés pour établir une cartographie d’éclairement de référence.

Des images de l’écran dépoli ont ensuite été acquises par la caméra du banc, avec des temps d’intégration différents pour pouvoir traiter des profils d’éclairement dont les variations seraient supérieures à la dynamique de la caméra. Ces images ont été traitées par un algorithme de traitement d’image développé par les experts de PISÉO. Il permet de calculer les coefficients de correction radiométrique spécifiques au banc de mesure, en comparant la cartographie d’éclairement calculée à la cartographie de référence mesurée.

Cet étalonnage radiométrique a été validé pour toutes les longueurs d’onde du spectre lumineux utilisé, englobant le domaine visible et proche infrarouge, entre 400 nm et 850 nm.

Validation du banc de test

Une fois le banc de mesures assemblé, les ingénieurs de PISÉO ont effectué une série de tests pour en vérifier les performances.

Les procédures décrivant les étalonnages géométrique et radiométrique ont été déroulées. Les vérifications ont porté sur les calculs des profils d’éclairement produits par une source de lumière diffuse et par une source de lumière collimatée qui ont été comparés aux profils mesurés par les appareils de mesure du laboratoire de PISÉO. La différence constatée étant inférieure à la précision requise par le Client, le banc de mesure a été validé.

A l’issue de ces tests, les calibrations géométriques et radiométriques ont été enregistrées dans le banc de mesure. Une gestion par numéro de série a été mise en place pour gérer les différents exemplaires du banc de mesure. Un mode d’emploi, un dossier de fabrication ainsi qu’un rapport technique rassemblant tous les résultats des tests effectués sur le banc ont été constitués pour permettre au Client de comprendre les performances de son dispositif.

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