Qu'est-ce qu'une optique freeform ?

Les composants optiques se présentent sous de nombreuses formes et tailles. Les lentilles traditionnelles ont une forme sphérique et pendant de nombreuses années, ont été le seul type de surface optique qui pouvait être fabriqué. Au fil du temps, des surfaces optiques non sphériques ont émergé, présentant des courbures complexes et des propriétés optiques avancées.

L'optique freeform est l'approche idéale pour les systèmes optiques qui ont traditionnellement un grand nombre de lentilles ou de composants hors axe. La conception moderne des lentilles, l'ingénierie optique et la fabrication optique permettent de construire des éléments innovants et plus complexes, et ainsi d'obtenir de meilleures performances optiques tout en gagnant en compacité.

De nombreux nouveaux systèmes optiques doivent être de petite taille, mais le compactage de plusieurs lentilles dans un système optique peut affecter sa qualité optique et d'image. L'approche de l'optique freeform offre de meilleures performances optiques que les lentilles sphériques. En outre, elle peut réduire le nombre de lentilles, de réflecteurs ou de miroirs dans un élément optique. Elle permet aux fabricants de créer des composants optiques plus petits et fournit un excellent moyen de supprimer les aberrations optiques. Ces avantages ont encouragé l'adoption des optiques freeform dans les industries aérospatiale, automobile et électronique grand public.

Voici quelques applications clés de l'optique freeform :

• Affichages tête haute (HUD)
• Télescopes
• Systèmes d'imagerie
• Applications de mise en forme de faisceau et d'éclairage
• Phares de véhicule
• Lentilles infrarouges
• Casques AR/VR
• Optique diffractive
• Fronts d'onde atténués

Si la conception d'optique freeform est parfois privilégiée pour optimiser et améliorer le statu quo des systèmes optiques, sans elle de nombreuses applications ne seraient pas réalisables commercialement.

Par exemple, les télescopes utilisés sur les satellites nécessitent plusieurs miroirs pour guider la lumière. Si des surfaces freeform ne sont pas utilisées pour réduire la taille du télescope, la qualité de l'image en pâtira. C'est pourquoi il est presque impossible de développer des télescopes avancés sans optique freeform. 

Les HUD nécessitent également des optiques freeform pour fonctionner correctement, car leurs composants optiques réfléchissants ne rentreraient pas sous le tableau de bord d'un véhicule. Ces systèmes exigeraient en outre beaucoup plus de miroirs que ceux utilisés aujourd'hui qui n'auraient que peu de chances de tenir dans l'espace imparti.

Les optiques freeform ont aussi trouvé un emploi dans l'éclairage extérieur des véhicules. Elles optimisent le trajet de faisceau lumineux afin qu'il n'éclaire pas les conducteurs de l'autre côté de la route, tout en utilisant moins de composants. Intégrées aux rétroviseurs automobiles, elles fournissent un large champ de vision au conducteur. Elles sont aussi devenues omniprésentes dans les casques AR/VR qui ont besoin de composants haute performance et compacts. Ainsi, sans optique freeform, de nombreuses technologies optiques émergentes s'avéreraient impossibles.

Le nombre de surfaces non sphériques en développement est en pleine expansion, avec davantage de géométries complexes disponibles que jamais auparavant. Les surfaces asphériques (asphères) ont été le premier type de lentille non sphérique à être développé. Aujourd'hui, des surfaces freeform non symétriques peuvent être conçues et fabriquées de manière à offrir plus de polyvalence pour les applications optiques et photoniques avancées.

Les optiques freeform sont des surfaces optiques hautes performances asymétriques et présentant une courbure non constante, qui sont géométriquement plus complexes que les asphères. Il s'agit d'une classification large qui englobe de nombreux types différents de surfaces freeform, nommés en fonction de la description mathématique de la géométrie de surface de la lentille.

Chacune de ces classes peut accueillir des géométries de surface variées, sous réserve qu'elles suivent la fonction mathématique correspondante. 

Voici quelques-unes des surfaces freeform les plus couramment utilisées aujourd'hui :

• Polynômes XY
• Zernike
• Chebychev
• Freeform de type-q

Le type de freeform utilisé pour un système optique est régi par les besoins du système et de l'application finale. De nombreux polynômes XY peuvent être créés en raison des variations potentielles de x et y dans le profil de surface de la lentille freeform. 

Les freeforms de Zernike sont très populaires parmi les concepteurs, car elles sont créées en combinant différentes « briques » modulaires pour former un motif de freeform avec différents degrés de liberté en fonction de l'application prévue. La richesse de combinaisons possibles en fait une option très polyvalente pour de nombreuses applications d'optiques freeform.

Les blocs de construction Zernike sont de nature circulaire. C'est pourquoi les lentilles qui nécessitent de solides surfaces gauche et droite ou des surfaces rectangulaires asymétriques supérieure et inférieure reposent davantage sur les polynômes XY et les profils de surface de Chebychev. Les freeforms quadratiques sont une conception de lentille freeform très récente qui peut être conçue avec les solutions logicielles Ansys. Celles-ci ont été développées en réponse à des demandes directes des utilisateurs finaux.

Les optiques freeform sont conçues par simulation. En revanche, elles nécessitent des procédés de fabrication différents en fonction des matériaux utilisés pour produire les lentilles avec des formes de surface complexes. Pour de nombreuses optiques freeform, telles que les substrats comprenant des métaux, les outils utilisés pour fabriquer ces lentilles incluent l'usinage CNC et le tournage au diamant (également connu sous le nom d'usinage diamant).

Dans le tournage au diamant, la pointe d'un diamant tourne très rapidement dans toutes les directions pour enlever tout matériau indésirable sur la lentille et définir le profil de surface de la lentille. Pour l'optique plastique, différentes options de moulage par injection (y compris des inserts de moule usinés au diamant) peuvent être utilisées pour créer des surfaces freeform avec des géométries spécifiques. La rugosité de surface et d'autres propriétés de surface et optiques sont ensuite déterminées par des techniques de métrologie et d'interférométrie afin d'assurer que la lentille fonctionne bien et présente les caractéristiques optiques souhaitées.

Le principal défi de fabrication réside dans la tolérance du procédé par rapport aux propriétés décrites dans la méthode de conception. Une conception simulée a un haut niveau d'optimisation et constitue une version idéale d'un système optique. Lorsque ces composants passent à la fabrication, les tolérances du processus peuvent affecter les propriétés et la forme de surface du produit final. 

Il existe différentes contraintes de fabrication selon la technique utilisée. Le processus de conception doit être robuste et il faut tenir compte de ces tolérances potentielles pendant l'étape de conception pour s'assurer qu'il n'y a pas d'écart de performance entre la conception et les composants fabriqués.

Des outils de simulation de pointe peuvent être utilisés pour concevoir n'importe quel type d'élément optique : sphérique, asphérique ou freeform. Les solutions Ansys telles que le logiciel Ansys Zemax OpticStudio et le logiciel Ansys Speos peuvent facilement simuler différents types de surfaces freeform pour différentes applications. Si le choix de la freeform est pour l'instant effectué manuellement par les ingénieurs, le processus de sélection pourrait se trouver géré automatiquement par des algorithmes d'IA à l'avenir.

Le logiciel OpticStudio est un outil efficace pour concevoir des systèmes optiques freeform. En effet, il contient un mode séquentiel intégré qui permet la conception de systèmes d'imagerie sans avoir à choisir manuellement chaque surface dans la conception. Le logiciel Speos peut être utilisé pour déterminer des modèles d'éclairage complexes à travers une conception.

Le logiciel OpticStudio inclut des contraintes intégrées pour les surfaces freeform qui permettent à la conception de compenser les capacités et les tolérances du fabricant et du processus de fabrication spécifique. Le logiciel OpticStudio contient également une véritable option freeform qui ne repose pas sur une fonction mathématique spécifique pour l'optimisation et la tolérance. Il permet ainsi aux ingénieurs de créer une surface freeform en manipulant les points de contrôle de la grille dans la conception. 

Afin de créer une vue d'ensemble, les simulations Ansys prennent également en compte les paramètres environnementaux plus larges auxquels les optiques freeform sont exposées, tels que la pression et la température locales.

Les outils de simulation avancés permettent aux ingénieurs de modifier les paramètres d'une conception freeform pour voir comment elle affecte les performances réelles d'un composant optique. Ils prendront notamment en compte les irrégularités qui pourraient résulter du processus de fabrication. La simulation permet aux ingénieurs de voir si leurs systèmes passeront le contrôle qualité, d'atteindre les objectifs de performance souhaités et de déterminer si leurs produits peuvent être fabriqués à grande échelle.

Ansys dispose d'une large gamme d'outils de simulation pour modéliser toutes les éventualités des optiques freeform. Les solutions Ansys offrent un moyen robuste de concevoir des composants optiques qui tiennent compte des aspects de fabrication du produit physique, ainsi que des éventuelles tolérances et sensibilités pendant la fabrication. 

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