- Speaker #0
Bonjour à tous et bienvenue pour un nouvel épisode de SimultiPhysique, le podcast ADDL, partenaire des logiciels de simulation numérique ANSYS. Aujourd'hui, nous allons explorer comment la simulation numérique révolutionne l'optique et la photonique, dans la précision des données aux nouvelles technologies, en passant par la miniaturisation et les matériaux innovants. Nous verrons comment ces avancées façonnent l'avenir du domaine. Pour cela, nous avons le plaisir d'accueillir Gwenaëlle Moisan, responsable d'équipe d'ingénieurs d'applications chez ANSYS depuis 2017. Bonjour Gwenaël, comment ça va ?
- Speaker #1
Bonjour, ça va bien. Je suis ravi d'être avec vous.
- Speaker #0
Du coup, aujourd'hui, on va t'accueillir pour l'optique et la photonique. On a besoin de ton expertise, de faire quelques questions que je vais te poser. Dans la simulation en général et dans le domaine de l'optique également, la précision des simulations dépend fortement de la qualité des données d'entrée. Quels sont les principaux défis liés à l'acquisition de ces données et comment on garantit leur fiabilité ?
- Speaker #1
C'est une très bonne question parce que ANSYS dispose effectivement d'outils de simulation connus pour leur précision, leur fiabilité. On a des modèles mathématiques et physiques implémentés dedans. Mais ce qu'on oublie souvent, c'est que les données de sortie dépendent énormément des données d'entrée. Et donc si on a des données d'entrée approximatives, on peut espérer rien d'autre, rien de plus que des données de sortie approximatives. Voilà pourquoi il est essentiel pour s'assurer d'un bon résultat de simulation de maîtriser ces données d'entrée. Et donc les maîtriser, ça veut dire être sûr que les paramètres qu'on donne au logiciel de simulation modélisent la réalité. Et on a... Pour cela, le meilleur moyen, c'est de les mesurer, de prendre des échantillons, de les mesurer, et ensuite de faire une corrélation de cette mesure avec la réalité. Une contre-mesure, si on veut, qu'on compare avec une simulation, souvent une mise en place très simple, pour valider que la mesure qui a été faite est bonne. D'accord,
- Speaker #0
et du coup, quelles sont les technologies de mesure les plus couramment utilisées, et est-ce qu'il y a encore des limitations sur leur précision ?
- Speaker #1
Donc effectivement, pour... pour acquérir, pour mesurer ces données d'entrée, on se base principalement sur la mesure. Alors, on a aussi dans nos outils la possibilité de créer des données d'entrée en partant de zéro. Mais la meilleure manière, du moins dans le domaine macro, c'est de le mesurer. Je dis dans le domaine macro parce qu'on parle de la simulation optique à différentes échelles. Donc, on a notamment l'échelle photonique dans laquelle on s'intéresse au comportement ondulatoire de la lumière. Et à cette échelle-là, la mesure est d'une, beaucoup plus difficile à faire. et en fait Pas forcément nécessaire puisqu'on se base dans ce type de simulation principalement sur l'indice de réfraction qui se trouve très bien dans la littérature. Donc je reviens à l'optique classique ou l'optique géométrique comme on dit, dans laquelle la mesure est reine si on peut dire, très importante. Et le premier outil qu'on utilise pour acquérir ce type de données, donc des données optiques pour la simulation, le premier outil c'est le goniophotomètre ou le photogoniomètre, il y a un peu deux écoles. Cet outil nous permet d'éclairer un échantillon de matériaux, typiquement une plaque plate, avec un rayon de lumière collimaté, par exemple un laser. Ensuite, on va mesurer la réflexion ou la transmission, en fonction du matériau, de la lumière par cet échantillon, avec un photo-capteur qui est au bout d'un bras qui tourne autour de l'échantillon, pour détecter la lumière de plusieurs angles de réflexion. On va faire cette mesure avec plusieurs angles d'incidence et on sauvegarde. toute cette information dans un fichier, typiquement ce qu'on appelle une BRDF, c'est un acronyme qui signifie Bidirectional Diffusion Function. C'est un outil qu'on voit très utilisé, que ce soit dans les laboratoires de mesure, chez nos clients aussi en interne, avec lesquels on mesure les propriétés optiques de surface, mais aussi de volume. On va peut-être revenir là-dessus, mais on peut vraiment mesurer comment la lumière se comporte en surface, donc elle est réfléchie typiquement, mais aussi transmise. et aussi dans le volume, donc on peut avoir de la diffusion due à des petites particules dans le matériau. Et tout ça, on va le mesurer pour pouvoir bien le modéliser et ensuite avoir une simulation qui soit prédictive. On a encore, là on parlait du goniomètre, on a aussi le spectromètre, qui permet de mesurer le spectre réfléchi par un matériau, transmis d'ailleurs. Donc quand je dis le spectre, c'est l'ensemble des longueurs d'onde qui constituent la lumière, et donc un matériau va absorber certaines de ces longueurs d'onde. en réfléchir, en transmettre d'autres, et en fonction de cette transmission, de cette réflexion, on aura une couleur qui va apparaître. Voilà un peu pour les outils principaux dans le domaine de la mesure optique.
- Speaker #0
Est-ce qu'il y a encore des limitations avec ces outils, notables, ou du moins, ils sont assez précis dans la reutilisation ?
- Speaker #1
Alors, il y a toujours une précision, toujours une limite, effectivement. l'une des limitations sera par exemple la... précision angulaire, lorsqu'on mesure notamment la réflexion de la lumière, on a une réflexion dite spéculaire, c'est-à-dire que la lumière est réfléchie comme sur un miroir. On se trouve à un angle très précis, on passe quelques degrés plus à gauche, quelques degrés plus à droite, et on perd le faisceau. Et donc si on a un outil qui mesure avec une précision angulaire bien plus importante que le pic spéculaire, on va le rater ce pic. Donc c'est important de connaître, d'observer son matériau lorsqu'on performe une mesure, de comprendre quelle est la nature de ce matériau, quelles sont ses propriétés, et d'adapter la mesure pour ne pas rater les éléments importants qui nous intéressent. Donc ça c'est un premier élément. Ensuite il y a des phénomènes un peu plus complexes, mais pas impossibles à modéliser, puisqu'on les modélise. Tous les phénomènes d'anisotropie, donc si on a un comportement différent en fonction de la direction d'incidence, c'est aussi possible de le mesurer, mais il faut bien le prendre en compte. Les phénomènes d'iridescence, donc si on a cette fois-ci, la couleur change en fonction de l'orientation, pareil, c'est quelque chose qui peut tout à fait être pris en compte, mais il faut être sûr que ça soit mesuré. Une autre limitation, c'est notamment dans les matériaux diffusants, donc les matériaux qui diffusent dans le volume le rayon entre dans le matériau, il va être diffusé en interagissant avec les particules, et cette mesure va être faite à une épaisseur donnée. Donc typiquement, on mesure à 1 mm, 2 mm, 3 mm. Qu'est-ce qui se passe si on utilise le même matériau appliqué à une géométrie qui fait 10 cm d'épaisseur ? Donc là, ça va être une limitation de la mesure, elle a été faite entre temps et temps, et donc sera utilisable dans la simulation, ou utilisable avec certitude entre les limites avec lesquelles elle a été mesurée.
- Speaker #0
Du coup, on a un petit peu... abordé avec le BRDF, mais effectivement, il existe une grande variété de formats de fichiers pour stocker les données et les résultats. C'est quoi les formats les plus adaptés et comment on gère les échanges entre les différents logiciels ?
- Speaker #1
Alors, il y a effectivement plusieurs formats et d'ailleurs, une multitude de formats. Il n'y a pas vraiment de standard dans l'industrie, pas au niveau des propriétés optiques. Dans le logiciel Speos, par exemple, on distingue les propriétés optiques de surface, qu'on appelle les surface Optical Property, SOP, et on les distingue des propriétés de volume, qu'on appelle VOP en acronyme. Pour ces deux catégories, on va avoir différents fichiers. On commence avec le plus simple, le volume. Le plus simple en termes de nombre de fichiers, on n'a qu'un seul fichier, c'est le point matériel. C'est un fichier format texte, donc on peut lire avec n'importe quel éditeur de texte. Et ce qui se cache à l'intérieur seront des informations telles que la variation de l'indice de réfraction en fonction des... longueur d'onde, et ensuite la présence ou non de diffusion volumique, d'absorption, tout cela à nouveau spectral, c'est-à-dire défini en fonction du spectre visible ou qui peut aller jusque dans l'infrarouge ou dans l'ultraviolet. Donc on a un seul format pour le volume, avec différentes options dedans. Pour ce qui est de la surface, on a plusieurs formats. On a effectivement parlé de la BRDF. Alors la BRDF, c'est un acronyme qui est présent dans le champ de l'optique. Ce n'est pas propre à ANSYS ou à SPEOS. La difficulté, c'est qu'un nom d'extension, on a des fichiers .brdf, mais que le format, la structure du fichier à l'intérieur, elle dépend des différents logiciels. Par exemple, ANSYS possède plusieurs logiciels de simulation, on a notamment Zemax Optic Studio, très utilisé dans le design de composants optiques, tels que les lentilles. Il y a un fichier .brdf dans ce logiciel, mais la structure du format sera légèrement différente de celle dans Speos. dans lequel on a aussi un point BRDF, mais la structure sera, comme je viens de le dire, un peu différente. Structurellement, fondamentalement, c'est toujours la même chose. On a des informations de réflexion, de transmission. La différence majeure sera une transformation du référentiel. Le fichier n'est pas orienté de la même manière, pour faire simple. On a des outils d'ailleurs pour traduire ou convertir un fichier dans un autre. Quand c'est le cas, par exemple, lorsqu'on utilise... Le modèle d'échange ODX, donc Optical Design Exchange, entre les deux logiciels, entre Zemax Optics Studio et Speos, les matériaux sont automatiquement convertis pour passer dans l'un ou l'autre logiciel. Donc voilà, ce n'est pas non plus sorcier, il y a une transformation effectuée et ça se fait très bien. Donc ça c'était pour la BRDF. Et ensuite, je mentionnais différentes particularités. Donc on a le fichier anisotropique BSDF, on a le fichier BSDF 180. Toutes ces variations de la BSDF sont adaptées lorsqu'il y a une anisotropie, lorsque la BSDF n'a pas le même comportement dans un sens. Lorsqu'on la retourne, elle n'a pas le même comportement, donc ce sera la BSDF 180. Et on a aussi le fichier unpolished, ce qu'on appelle, c'est tout ce qui va être les grainages, les textures de surface. Dans ce cas-là, c'est juste une distribution statistique de normal qu'on vient appliquer au matériau, en combinaison avec une propriété optique de volume. Tous ces formats se basent sur des mesures, comme on l'a dit juste avant. Et on a aussi le fichier... Point scattering, et donc là je le mentionnais, on peut aussi créer un matériau à la main, entre guillemets, dans Speos ou dans un tableur. Et si on a des informations, par exemple, qui viennent d'une mesure qu'on a traduit, on peut les formater nous-mêmes, manuellement. On n'est pas obligé de passer par la case mesure, même si c'est ce qui est le plus recommandé.
- Speaker #0
Dans l'optique et la photonique, en même de manière générale, il y a une tendance vers la miniaturisation, notamment avec l'usage de micro-textures. Quels sont les impacts de cette évolution sur la simulation et quels sont les défis qui en découlent ?
- Speaker #1
Tout à fait. Il y a une tendance à la miniaturisation dans l'optique. L'optique se trouve dans plusieurs industries, que ce soit dans la technologie de pointe, dans l'automobile, dans l'aéronautique, avec la question de poids notamment. On voit cette tendance qui est de vouloir créer des systèmes qui sont plus petits, dont les composants sont plus petits, etc. plusieurs avantages. On a notamment la réduction de la taille, donc on a des systèmes qui prennent moins de place tout simplement, qui sont moins lourds. Ça introduit des défis évidemment nouveaux. On va concentrer par exemple beaucoup d'énergie sur une zone beaucoup plus petite, donc typiquement ça va chauffer. Et d'un point de vue aussi de conception, on va concentrer une partie du dessin sur une zone beaucoup plus petite, donc il faut faire tout passer dans un volume beaucoup plus réduit. Associé à cette tendance de miniaturisation, ce qu'on voit aussi c'est la tendance d'appliquer cet élément miniaturisé. Par exemple, si on prend un feu arrière de voiture, on a un volume plus faible, mais on va voir que cette miniaturisation va être appliquée à une zone beaucoup plus étendue. On va voir par exemple ce qui se fait en ce moment à l'arrière d'une voiture, le guide de lumière qui va traverser intégralement l'arrière de la voiture. Et donc ça aussi, c'est un défi de gérer. Ce sont ces deux échelles qui cohabitent à la fois la miniaturisation et l'étendue sur une zone plus grande. Chez ANSYS, avec nos produits et nos revendeurs, on a les outils pour adresser ces différentes échelles. On en parlait un peu en adressant les formats, mais lorsqu'on miniaturise, passer une certaine échelle, on quitte le domaine de l'optique classique, géométrique, et on entre dans le domaine de la photonique, dans laquelle la lumière se comporte comme une onde. à une échelle macro, elle se comporte comme une particule qui se déplace en ligne droite, etc. On a les outils pour simuler les deux types de comportements et là à nouveau un défi c'est de faire communiquer ces outils entre eux pour qu'une simulation faite au niveau photonique puisse avoir une utilité ou qu'on puisse voir l'impact macro d'une simulation qui a été faite initialement à l'échelle nano. Pour parler un peu plus en termes d'exemple C'est ce qu'on voit notamment dans tout ce qui va être revêtement. coating en anglais, des revêtements, des traitements de surface. On a une modélisation très précise à l'échelle du nano, du micro parfois, qui permet de comprendre comment se comporte la lumière à cette échelle-là. Mais ce qui nous intéresse in fine, c'est bien sûr le comportement final du produit. Donc qu'est-ce que va voir l'utilisateur ou la caméra qui va observer cette scène ? Et donc là, c'est typiquement ce qu'on va faire plutôt dans Zemax Optic Studio ou dans ANSYS POS lorsqu'on intègre tout le système.
- Speaker #0
Ça a répondu un petit peu aussi à ma question d'après, justement, pour les domaines d'application. Donc, c'est super. Est-ce que tu as d'autres exemples ? Est-ce qu'il y a d'autres choses qu'on devrait savoir sur l'optique, la photonique et les matériaux en optique et photonique, peut-être ? Pour un petit mot de la fin.
- Speaker #1
Oui, tout à fait. On a parlé un petit peu des revêtements dans la question précédente, mais d'autres types d'applications, c'est tout ce qui touche à la plasmonique, les microprismes aussi, les réseaux de diffraction. On voit toutes ces technologies dites de la photonique être implémentées dans différentes industries, que ce soit la technologie de pointe, tout ce qui est réalité augmentée, réalité virtuelle, mais aussi dans l'automobile, des revêtements plasmoniques pour sélectionner une longueur d'onde et augmenter par exemple le contraste sur un écran virtuel type HUD, vision tête haute. Et la suite numéricale, j'ai parlé des noms de produits un peu tout à l'heure en parlant de Zemax Optic Studio, de Speos, mais ça, ça va être toute la suite numéricale avec tous les différents solvers qui en font partie, qui vont adresser ces problèmes à l'échelle nano, qui vont être capables de les simuler, en simulant les propriétés ondulatoires de la lumière, et d'exporter l'information pertinente pour la réutiliser dans Zemax Optic Studio, dans Speos, à une échelle beaucoup plus macro. Voilà, donc, qu'est-ce qu'on peut retenir, c'est que... Les matériaux sont souvent des problèmes complexes, passionnants aussi, parce qu'on plonge vraiment dans la matière, dans la structure de la matière. Et ce qui est très intéressant, c'est de voir l'effet qu'ont des éléments disposés à l'échelle nano, et voir ces effets à l'échelle macro, lorsque vous et moi regardons un produit fini avec nos yeux humains.
- Speaker #0
Super, en tout cas, merci beaucoup pour toutes ces explications. J'espère que cet épisode vous a plu et que vous rejoindrez très vite. Merci et bonne journée.
- Speaker #1
Merci.
