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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Comprendre les propriétés physiques de la lumière et leurs implications en matière de sécurité et de réglementation.

Identifier les risques liés aux rayonnements optiques (UltraViolet – VISible- InfraRouge) et aux types de sources (conventionnelle, LED, LASER).

Savoir mettre en œuvre des bonnes pratiques et moyens de prévention adaptés aux environnements professionnels.

DURÉE
7 heures

PROGRAMME :

Introduction générale : contexte réglementaire et normatif, enjeux de la sécurité optique

Principes et grandeurs physiques de la lumière

Instruments de mesure optique

Risques liés aux rayonnements optiques artificiels : effets des UV, du visible et de l’IR, et des types de sources sur le corps humain. Notions de seuils d’exposition.

Risque photobiologique : évaluer le risque lié aux sources non cohérente, normes en vigueur et grandeurs associées

Focus sur les LASERs : particularités des LASER, classification des risques, réglementation et norme en vigueur, bonnes pratiques et dispositifs de prévention

Sensibilisation et prévention : présentation des grands principes de préventions et des protections collectives et individuelles contre les risques optiques

Visite du laboratoire PISÉO (uniquement pour les sessions en présentiel)

POUR QUI ?
Toute personne amenée à manipuler ou intégrer des sources de lumière ou des LASERs.

PRÉ-REQUIS
Formation scientifique supérieure (Bac+2 minimum) ou expérience professionnelle équivalente

FORMATEUR
Expert PISÉO en évaluation de risques optiques et LASER

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Connaitre les paramètres importants d’un système optique d’imagerie

Déterminer les paramètres dimensionnants d’un système de vision

Connaitre les caractéristiques d’un capteur, les interfaces électroniques d’une caméra et les formats d’un objectif optique

Savoir définir les composants du système de vision qui répondent aux exigences de l’application

Connaître les paramètres d’acquisition d’une caméra

DUREE

7 heures

POUR QUI ?

Toute personne qui doit choisir les composants constituant un système de vision en maîtrisant l’ensemble des paramètres fondamentaux

PRE REQUIS

Formation scientifique ou technique (Bac+2 minimum) en électronique, automatisation, mécatronique ou expérience professionnelle équivalente dans des domaines connexes.

PROGRAMME :
 
INTRODUCTION A L’OPTIQUE
-Paramètres d’un système optique d’imagerie
Focale, grandissement, ouverture numérique
-Principes et grandeurs physiques de la lumière
Rayonnement électromagnétique, flux, intensité, luminance
-Lumière et perception visuelle
-Les différentes sources de lumière artificielle :
Décharge, LED, lasers
-Photométrie et colorimétrie
 
DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME DE VISION
-Identification des paramètres fondamentaux d’un système de vision
-Établissement des relations qui lient ces paramètres entre eux
-Analyse des influences des paramètres entre eux, et de leur effet sur le système de vision
 
CHOIX DU CAPTEUR, DE LA CAMERA ET DE L’OPTIQUE
-Lien avec les paramètres fondamentaux du système de vision concernant :
La caméra : résolution pixel, dimensions de son capteur (format)
L’objectif optique : focale, nombre d’ouverture, format
-Les interfaces électroniques des caméras :
USB
GigE
CoaXPress
et leurs caractéristiques principales :
Débit
Portée
Robustesse
-Les formats des objectifs optiques
-Les paramètres d’acquisition d’une caméra :
Mode continu et mode déclenché
Mode binning et ROI
-Systèmes multi-caméras

FORMATEUR

Expert PISÉO en systèmes de vision industrielle

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Développer un zoom optique multispectral couvrant le visible (VIS), le proche infrarouge (NIR) et l’infrarouge à ondes courtes (SWIR) est un défi technologique majeur. Peu de sociétés savent combiner performance optique, robustesse mécanique et viabilité industrielle sur un spectre aussi large.

PISÉO l’a démontré avec un projet de zoom continu multispectral, illustrant son savoir-faire unique en conception de systèmes optiques complexes, tout en répondant à des spécifications exigeantes : ouverture numérique précise, facteur de zoom x15 en continu, contrôle strict de la distorsion maximale autorisée, performances MTF élevées (Modulation Transfer Function, ou Fonction de Transfert de Modulation : capacité du système à restituer les détails fins avec contraste), tout en respectant des contraintes d’encombrement et de champ de vision (FOV/DOV, c’est-à-dire l’étendue et la profondeur de champ de la scène observable).

PISÉO est un partenaire reconnu pour le développement de systèmes optiques complexes, capable d’intervenir à chaque étape : de l’idée initiale au produit prêt pour le marché. S’engager avec PISÉO, c’est bénéficier d’un accompagnement rigoureux, d’une expertise pointue et d’une capacité à transformer des défis techniques en solutions concrètes et fiables.

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En effet, le dispositif en question utilisait un concept optique reposant sur la projection d’une image via deux miroirs courbes et un hublot de sortie, renvoyée ensuite sur le pare-brise. Ce système devait répondre à des critères stricts imposés par le client, tels que l’encombrement global et les caractéristiques de visibilité, tout en maintenant une haute qualité d’image. Afin d’atteindre les objectifs du constructeur automobile, le client a fait appel à PISÉO pour optimiser son affichage tête haute. Après une analyse critique du système existant (performances et construction),  les ingénieurs de PISÉO ont réalisé une conception optique qui a permis de résoudre les problématiques constatées.

Conception optique du système HUD

Pour répondre aux besoins spécifiques du client, les ingénieurs de PISÉO ont utilisé le logiciel de conception optique et de simulation Zemax OpticStudio. L’intervention principale a porté sur les miroirs, un facteur clé permettant de respecter les contraintes d’encombrement tout en conservant une haute qualité d’image.

Les ingénieurs de PISÉO ont ainsi modélisé le système optique dans Zemax, optimisé la conception grâce leur grande expérience du domaine et simulé les performances atteignables. Ce travail a également permis d’anticiper et de corriger des problèmes récurrents dans les systèmes de réalité augmentée, tels que les images fantômes, la gestion de la luminance pour une visibilité de jour comme de nuit, et la minimisation de la distorsion. Cette conception optique a été réalisée en tenant de la faisabilité industrielle des optiques et du coût objectif.

Les systèmes d’affichage tête haute (HUD) sont des dispositifs optiques complexes qui doivent répondre à de nombreuses contraintes techniques, notamment lorsqu’ils équipent des véhicules.

Grâce à son expertise et ses moyens techniques, PISÉO a accompagné ce client de l’étude de faisabilité à l’industrialisation, démontrant ainsi sa capacité à concevoir des systèmes optiques embarquables, optimisés et industrialisables à faible coût. Ces solutions répondent aux exigences strictes des constructeurs automobiles.

N’hésitez à nous consulter pour tout projet de conception et d’optimisation de systèmes optiques. Nous saurons répondre à vos besoins et à vos attentes de l’idée à la fabrication.

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Confier la gestion du risque laser à PISÉO, c’est choisir l’excellence technique, la sécurité maximale pour vos produits et la conformité à la réglementation.

N’hésitez pas à nous consulter pour toute question relative à la sécurité LASER de vos dispositifs.

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La collaboration avec un industriel du secteur, engagé dans le développement d’un capteur d’empreintes digitales souple et de grande taille, basé sur une technologie organique, en est une démonstration concrète. Ce capteur de nouvelle génération ouvre la voie à des applications critiques : contrôle d’identité multi-doigts en environnements sensibles, authentification renforcée sur dispositifs mobiles, etc.

Pour que ce capteur tienne toutes ses promesses, il a fallu relever un défi qui allait bien au-delà d’un simple éclairage : concevoir un système optique sur mesure adapté à des contraintes mécaniques et électroniques particulièrement fortes. C’est pour résoudre cette équation exigeante que PISÉO a été choisi.

Un défi optique et biométrique de haute technicité

Contrairement aux capteurs classiques, ce dispositif devait fonctionner dans un espace restreint, sans source lumineuse frontale, tout en assurant une image nette et homogène, quelles que soient les conditions.

Le projet a présenté plusieurs contraintes techniques majeures :

• Large surface à illuminer : Le capteur étant beaucoup plus grand qu’un capteur d’empreinte standard, il fallait garantir un éclairage uniforme du centre jusqu’aux bords, sans zones d’ombre ni variations excessives.
  
  
• Épaisseur et intégration : Le capteur souple devait s’intégrer dans un dispositif compact. Le système d’illumination ne pouvait pas utiliser de sources au-dessus du doigt (pas de LED frontale), il devait éclairer latéralement ou en arrière-plan, à la manière des écrans de liseuses électroniques qui sont rétroéclairés par la tranche.
  
  
• Technologie organique et empilement optique : Le capteur est constitué de couches optiques et électroniques innovantes (polymères organiques, films minces, etc.). Un guide de lumière devait être intégré pour répartir la lumière des LED sous l’empreinte. Le guide, en contact direct avec d’autres couches sans espace d’air, modifiait radicalement la propagation et l’extraction de la lumière. De plus, un filtre angulaire était ajouté au-dessus du capteur pour ne laisser passer que les rayons lumineux quasiment perpendiculaires, condition indispensable pour obtenir une image nette de l’empreinte.
  
  
• Conditions d’utilisation exigeantes : Le système devait fonctionner dans divers environnements (par ex. lumière ambiante variable) tout en maintenant un contraste élevé entre les crêtes et les vallées de l’empreinte. Il fallait également éviter que de la lumière parasite ou des réflexions indésirables ne viennent flouter l’image.
  
  

Face à une telle complexité, une approche empirique aurait été chronophage et incertaine. Il fallait une compréhension fine des phénomènes optiques en jeu pour aboutir à une solution fiable et optimisée. C’est là que PISÉO a fait la différence, en mobilisant son expertise en conception optique et en modélisation avancée pour répondre à l’exigence technique.

Une solution d’éclairage conçue sur mesure

L’approche de PISÉO a consisté à décomposer le problème en sous-systèmes optiques et à optimiser chacun d’eux, tout en assurant leur bon fonctionnement global.

Les principaux éléments du système d’illumination ont été :

• LEDs latérales : choisies pour leur angle d’émission et leur efficacité sans lentille. Le couplage avec le guide optique a été soigneusement ajusté pour limiter les pertes.
  
  
• Guide de lumière intégré : doté de microstructures de quelques microns, inspirées du rétroéclairage d’écrans plats. Objectif : distribuer la lumière uniformément et selon un angle précis.
  
  
• Filtre angulaire multicouche : modélisé pour bloquer les rayons trop inclinés et ne laisser passer que la lumière réfléchie directement par les crêtes de l’empreinte.
  
  

Modélisation 3D du système complet : L’une des forces de PISÉO dans ce projet a été d’utiliser des outils de simulation optique avancés pour créer un jumeau numérique du capteur biométrique. Chaque élément – LED, guide de lumière avec ses micro-structures, filtre angulaire, et même le doigt – a été modélisé afin de prédire le comportement du système. Cette approche a permis de tester virtuellement de nombreuses configurations et d’identifier les solutions optimales avant même la fabrication de prototypes physiques.

Intégration du doigt humain dans le modèle

Modéliser un doigt humain ne se limite pas à reproduire un motif 2D : il faut prendre en compte sa topographie complexe (crêtes et vallées) et ses propriétés optiques (diffusion à travers les couches de la peau). Pour cela, PISÉO a mené une campagne de mesures photométriques, utilisant un goniomètre optique pour analyser la réflexion lumineuse sur de vrais doigts.

Les données recueillies ont révélé une double réponse : une réflexion due à l’humidité naturelle de la peau, et une diffusion plus large. Ces caractéristiques ont été traduites en BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function – fonction de diffusion) et intégrées dans le modèle optique.

Résultat : la simulation a généré des images d’empreintes très proches de la réalité. Comparées aux images physiques, elles ont confirmé la précision du modèle. Même le traitement d’image du client (par soustraction de référence) a pu être simulé avec succès, révélant les détails de l’empreinte.

Cette modélisation avancée, validée expérimentalement, a renforcé la confiance du client et permis de fiabiliser le développement dès les phases amont.

Dans un monde où la supériorité technologique est un enjeu stratégique, PISÉO transforme les contraintes opérationnelles en solutions concrètes. Pour vos systèmes de détection optiques, vos systèmes d’authentification ou vos dispositifs optroniques embarqués, PISÉO est un partenaire engagé au service de la performance et de la sécurité

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Utilisation des matériaux dans la conception optique

La conception optique de systèmes performants requiert une maîtrise parfaite des propriétés optiques des matériaux.

Une grande partie des projets d’ingénierie réalisés par PISÉO font appel à de la conception optique. Pour ceci, nos experts imaginent des systèmes permettant de répondre aux exigences les plus pointues de nos clients, puis les modélisent et en évaluent les performances grâce à des logiciels de simulation optique qui intègrent les propriétés optiques des matériaux. Les compétences et les moyens qu’ils mobilisent ainsi leur permettent d’envisager différents matériaux et de leur proposer rapidement des choix pertinents pour leurs systèmes optiques.

Qu’il s’agisse de développer des systèmes optiques de précision, de garantir une efficacité lumineuse maximale, ou de répondre à des normes de performance et sécuritaires strictes, PISÉO s’engage à vous fournir des solutions sur mesure et optimales.

Contactez nous dès aujourd’hui pour nous faire part de vos besoins et découvrir comment nos solutions peuvent répondre à vos attentes les plus exigeantes.

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Dans ce cadre, l’objectif principal de la mission confiée aux ingénieurs de PISÉO a donc été d’identifier les différentes sources de lumière parasite, de quantifier leur influence et de proposer des actions pour la réduire.

Le système spatial VEM, un défi optique sensible à la lumière parasite

L’instrument Venus Emissivity Mapper (VEM) (appelé VenSpec-M sur la mission EnVision) est un imageur multispectral conçu pour cartographier la surface de Vénus ainsi que sa basse atmosphère. Cette cartographie est réalisée grâce à l’observation à travers des fenêtres atmosphériques étroites situées dans le domaine spectral proche infrarouge. Le VEM permettra ainsi de détecter des émissions thermiques telles que l’activité volcanique, la composition des roches de surface, la présence d’eau et la formation de nuages à la surface de Vénus.
Le design optique de l’instrument comprend une lentille unique pour former une image de la surface de Vénus sur un assemblage de filtres composé de 14 bandes spectrales individuelles, et un système optique relais à deux lentilles pour reformer cette image filtrée spectralement sur un détecteur InGaAs.
Étant donné le faible niveau d’intensité du signal scientifique que l’instrument vise à détecter, toute contribution externe au rapport signal/bruit effectif doit être étudiée et, si possible, atténuée. L’une des principales sources de perturbation, comme dans la plupart des instruments optiques, est la lumière parasite.

Cette dernière peut créer des effets indésirables tels que :
 
• Effet de voile : réduction du contraste des images,
• Halo lumineux : dispersion parasite autour des sources intenses,
• Images fantômes : réflexions internes non contrôlées,
• Effets d’étoile : artefacts lumineux déformant l’interprétation des données.
 
La maîtrise de la lumière parasite est donc cruciale pour garantir la fiabilité des images produites par le capteur et éviter toute erreur d’interprétation scientifique. En associant ingénierie mécanique, optique avancée et stratégies de simulation, le système VEM illustre une approche de pointe pour relever les défis des environnements spatiaux et cartographier la surface des planètes.

Sources de la lumière parasite du VEM

En collaboration avec le LESIA et le DLR, les ingénieurs de PISÉO ont identifiés de nombreuses sources de lumière parasite pouvant potentiellement affecter la qualité de la détection assurée par le capteur. Il a donc été nécessaire de quantifier leur contribution afin d’évaluer les performances atteignables par le système dans ses conditions de fonctionnement prévues.
 
Les différentes sources de lumière parasite identifiées :
 
• Réflexions sur les lentilles : Les lentilles, même traitées peuvent générer du rayonnement parasite détecté par le capteur.
• Réflexions sur les éléments mécaniques : En fonction de leur géométries et malgré l’utilisation d’un baffle les élément mécaniques internes peuvent générer des rayonnement indésirables.
• Réflexions sur le capteur : Les capteurs InGaAs comme celui utilisé dans le VEM peuvent réfléchir jusqu’à 30% du rayonnement infrarouge.
• Interférences (« crosstalk ») entre les filtres : L’emplacement des 14 bandes spectrales IR est déterminant pour minimiser ces interférences.
• Matériaux et traitements : Les propriétés optiques des matériaux employés et leurs traitements, notamment leur diffusion, influencent significativement la propagation de la lumière dans les systèmes optiques.
• Contamination par la poussière : Les particules générées lors du décollage augmentent la diffusion du rayonnement.
• Influence solaire : L’éblouissement par le soleil, en fonction de l’orientation et de la date de lancement, peut saturer le capteur.
 
Afin de quantifier précisément la contribution de ces sources à la lumière parasite le système optique du VEM a été modélisé dans un outil de tracé de rayons puissant et des simulation réalisées.

Modélisation du système et simulation

Le LESIA a utilisé Zemax pour concevoir un système optique imageant, en optimisant la formation des images sur le capteur tout en minimisant les aberrations optiques. Cependant, bien que les ingénieurs de PISÉO disposent également de Zemax, l’analyse des rayons parasites, en dehors de l’image principale, a été réalisée avec LightTools, un logiciel de simulation non séquentiel plus adapté. Ce dernier permet de modéliser des sources et des surfaces pour étudier les cartes d’irradiance et les indicatrices d’intensité, identifiant ainsi les contributions des rayons parasites, y compris les « images fantômes ».
Les ingénieurs de PISÉO ont exploité cet outil au maximum de ses possibilités pour déterminer l’origine des rayons parasites, évaluer leur énergie par rapport à l’image principale et proposer des actions correctives. Le module « Imaging module » de LightTools, utilisé en version beta, a permis d’isoler les chemins critiques de lumière parasite et d’optimiser les résultats en se concentrant sur les trajectoires les plus pertinentes, garantissant un bon rapport signal/bruit.
 
La simulation optique a utilisé une source en champ lointain pour représenter le champ de vision de l’instrument. Une approche combinant une lentille idéale et une source ponctuelle, positionnée à trois emplacements stratégiques (axe optique, bord horizontal et vertical), a permis d’analyser avec précision les rayons parasites par rapport à l’image principale. Ces analyses ont mis en évidence des distorsions et des aberrations dues à un champ de vision excessivement large, provoquant des artefacts et des asymétries sur le capteur. Une optimisation de la conception optique a ensuite corrigé ces défauts, alignant les performances simulées avec les exigences du système.
 
Les lentilles ont été modélisées avec précision dans LightTools en intégrant les caractéristiques des matériaux et les propriétés optiques, notamment les pertes de Fresnel et les réflexions internes. Les filtres ont été simulés à partir d’un modèle mécanique, avec des traitements de surface spécifiques basés sur les données spectrales de transmittance fournies par CILAS. Les surfaces des filtres et des bandes spectrales ont été modélisées avec des traitements distincts pour garantir une grande précision. Le diaphragme, traité avec une peinture noire absorbante validée par le CNES, a été conçu pour absorber les rayons non réfléchis.
 
Par ailleurs, l’analyse de la lumière parasite, avec un seuil précis, a révélé que les réflexions internes dans la fenêtre en saphir, les lentilles, et les interférences entre filtres étaient les principales sources de perturbation. Des revêtements anti-réfléchissants ont été optimisés pour réduire ces réflexions, et des études ont évalué l’impact de la poussière et de la rugosité de surface. Les cartes d’irradiance ont permis d’identifier les zones critiques et d’affiner les traitements pour minimiser la lumière parasite.
 
L’analyse de l’impact du système mécanique sur la lumière parasite a révélé que les réflexions internes peuvent provoquer des images fantômes. PISÉO a utilisé et ajusté un modèle mathématique de diffusion, complété par des mesures de BRDF à 850 nm et 1550 nm. Ces données ont permis d’évaluer précisément les matériaux absorbants et de sélectionner le plus adapté pour réduire la lumière parasite.
 
Enfin, l’analyse a évalué la lumière parasite « hors axe », causée par la contribution du soleil. Le déflecteur asymétrique utilisé pour la mission VERITAS a été modélisé pour simuler les interactions entre rayons visibles et infrarouges. Une source plane uniforme a été adoptée pour améliorer l’efficacité des simulations, réduisant le seuil de détection et allégeant les temps de calcul. Ces optimisations ont permis de choisir un matériau et une conception adaptés pour réduire efficacement la lumière parasite.

L’analyse approfondie de la lumière parasite réalisée par PISÉO pour le LESIA démontre l’importance de l’expertise de la conception optique et des outils avancés de simulation et de modélisation pour garantir les performances des instruments optiques dans des environnements spatiaux extrêmes. En identifiant les sources critiques de lumière parasite et en proposant des solutions adaptées, comme l’optimisation des revêtements, des matériaux absorbants, et des éléments mécaniques tels que le baffle et le déflecteur, cette étude contribue à assurer la fiabilité des mesures scientifiques des missions VERITAS et EnVision.

Vous êtes impliqué dans le développement de systèmes optiques avancés ou confronté à des défis liés à la lumière parasite ? Contactez les experts de PISÉO pour bénéficier de solutions sur mesure et garantir les performances de vos systèmes optiques, même dans les conditions les plus exigeantes.

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Grâce à l’expertise de ses ingénieurs en conception optique et à ses moyens avancés de simulation et de caractérisation, PISÉO a relevé avec succès le défi technique. L’équipe a fourni rapidement des résultats conformes aux attentes du constructeur, aidant ainsi le client à remporter son marché.

Si vous souhaitez concevoir et réaliser une solution de projection d’image de haute qualité, tout en tenant compte de vos contraintes industrielles et économiques, n’hésitez pas à nous contacter pour nous parler de votre projet.

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