Simulation optique Zemax : gagner du temps, de la performance et de la précision

L’intégration de solutions photoniques peut aujourd’hui difficilement se passer de modélisation et de simulation optique. A l’instar de l’aéronautique, de l’automobile ou de l’architecture, le recours à la simulation et la modélisation informatique permettent à l’ingénierie optique de progresser plus vite, plus loin et à moindre coût. Devenue centrale dans le process de conception d’Evosens, la modélisation optique, avec le logiciel Zemax OpticStudio notamment, est un outil puissant, qui permet de concevoir des équipements plus précis, plus efficaces avec un meilleur compromis technico-economique.

La simulation optique, c’est quoi ?

L’optique est une des branches de la physique qui s’intéresse à l’étude de la lumière et à ses interactions. Largement étudiée, la science de l’optique a permis de créer des modèles permettant d’anticiper les effets de la lumière dans des environnements différents. C’est sur ces modèles que reposent la modélisation et la simulation optique, c’est à dire l’étude numérique de la lumière et de ses interactions, généralement dans le but de développer des équipements techniques intégrant ou une composante optique ou photonique.

L’avantage de la modélisation optique est qu’elle permet de concevoir, de tester ou d’améliorer directement sur informatique des équipements optiques. Cela présente à la fois un gain de temps et de performance. Elle permet aussi d’identifier pour un équipement optique ou photonique le meilleur compromis technico-économique.

La simulation optique s’applique à de nombreux domaines. On retrouve notamment :

• La simulation de sources lumineuses (A) (diagramme de rayonnement, propriété du rayonnement, façonner les faisceaux, optimiser leur homogénéité, directivité, rendu colorimétrique). Cela permet notamment d’optimiser tous les composants comprenant une source lumineuse spécifique (depuis la lampe frontale très puissante jusqu’au laser de dissuasion en passant par les optiques de phares).

• La simulation de la propagation de la lumière (B) (tracés de rayons, guidage, mise en forme de faisceaux, efficacité). Ce type de modélisation permet notamment d’anticiper et d’optimiser le comportement du rayonnement selon le milieu environnant (gaz, liquide), la puissance, le spectre, etc. C’est notamment important dans le spatial où le comportement de la lumière est différent de celui sur la terre ferme.

• La modélisation et le calcul de systèmes optiques imageurs (C) (grandissement, résolution, réduction ou compensation de défauts, masquer les lumières parasites…). Cette partie est notamment importante pour la conception d’interfaces homme-machine ou d’ équipements permettant de restituer une image de manière enrichie.

• La simulation des différentes propriétés de la lumière associées et les milieux interagissant avec elle (propriétés ondulatoires, effets non linéaires, colorimétrie). Par exemple, Evosens a conçu pour une entreprise de l’agroalimentaire un système permettant de détecter des impuretés dans un liquide. Dans ce système, la modélisation optique avec Zemax OpticStudio a permis de concevoir la lentille de détection en fonction de la diffusion de la lumière dans le liquide.

• Le calcul pour assurer la sécurité face aux dangers de certains rayonnements optiques (Sécurité laser, UV, brûlures).

La simulation optique est au cœur des compétences d’Evosens. Sous la houlette de l’expert Zemax, Marc Derrien, les ingénieurs de l’équipe utilisent ce logiciel quotidiennement pour la conception et l’intégration d’équipements photoniques. Cette utilisation est complétée si besoin par de la programmation informatique pure pour approfondir certains aspects non pris en charge par ce logiciel.

Quand et pourquoi faire appel à la simulation optique ?

Spécialisé en ingénierie optique et dans l’intégration de solutions photoniques, Evosens intervient à tous les stades des projets optiques et photoniques, depuis la faisabilité jusqu’à la production, en passant par la conception, le prototypage et l’industrialisation. La simulation optique, quant à elle peut être mobilisée à 3 étapes du process :

• En amont des projets, on retrouve la simulation optique dans l’étude de faisabilité. Elle va permette de valider ou orienter des concepts, de faire des premiers choix, d’évaluer les coûts de développement et les risques éventuels. Cette étape est essentielle car elle permet de confirmer la faisabilité d’un concept et d’estimer les coûts pour sa mise en œuvre.

• C’est lors de la phase de conception que la simulation optique prend toute son importance. En effet, cette étape est consacrée au design mécanique, optique, électronique, et informatique de l’équipement. Nos équipes disposent d’une solide expertise sur le logiciel Zemax OpticStudio. Grâce à la simulation optique, les équipes d’Evosens peuvent choisir, positionner et dimensionner les composants optiques (sources, lentilles, doublets, triplets, miroirs, prismes, homogénéiseurs, détecteurs, matrice…).
Ils peuvent également tenir compte lors de la conception des autres éléments qui pourraient interagir et influer sur les performances de l’équipement (baisse du rendement ou dilatation liée à la chaleur, échauffement par rayonnement).

La simulation optique avec Zemax OpticStudio permet également d’intégrer dans les calculs les incertitudes liées aux équipements optiques ou mécaniques. C’est notamment le cas dans les systèmes optiques d’imagerie (objectif, zoom), pour lesquels il est nécessaire de positionner précisément les optiques (lentilles) sélectionnées ou dimensionnées en modélisation optique. Ces positions et leur précision sont définies lors de la simulation optique. Les tolérances de fabrication sont ainsi réparties entre les dimensions des optiques et les dimensions des pièces mécaniques dans des coûts réalistes et compétitifs.

• Enfin, lors du prototypage (c’est à dire le montage des premiers équipements à visée de test et de réglage), la simulation optique constitue un référentiel utile pour les techniciens et ingénieurs d’Evosens, pour analyser les résultats, affiner certains points de conception et ajuster les réglages.

Quelques exemples concrets de simulation optique avec le logiciel Zemax OpticStudiO

Pour concevoir la lampe frontale parmi les plus puissantes au monde (Black Swan – 4 et 5) Evosens a eu recours à la simulation optique, avec le logiciel Zemax OpticStudio, pour la collimation de la lumière (1), la conception de l’optique (2) ou encore la diffusion de la lumière, selon trois niveaux de distance (3).

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