Qu'est-ce que la conception optomécanique ?

La conception optomécanique est la sous-discipline de la conception optique axée sur l'intégration des composants optiques dans les structures mécaniques qui les maintiennent ou les déplacent. Elle cherche en parallèle à limiter l'impact des charges structurelles, dynamiques et thermiques sur les performances optiques. À l'intersection de la conception optique et de la conception mécanique, elle a pour ambition de produire des dispositifs optiques manufacturables, rentables et robustes.

La conception qui en résulte doit répondre à un large éventail d'exigences. On citera le coût des composants, le coût et le calendrier de fabrication, le coût et le calendrier d'assemblage, la fiabilité mécanique, les efforts de maintenance, la taille, le poids, l'emballage et l'expédition, la facilité d'alignement et les performances optiques.

La conception optomécanique diffère de la conception d'un système optique sur une table optique, dont l'objectif est simplement de prototyper l'optique ou d'explorer un nouveau domaine des sciences optiques. L'optomécanique se concentre sur la partie mécanique des produits utilisés à l'extérieur d'un laboratoire d'optique, généralement par des personnes qui ne sont pas des ingénieurs optiques ou des chercheurs. Chaque appareil optique, de l'appareil photo de votre smartphone aux miroirs et aux objectifs du télescope spatial James Webb, nécessite une optomécanique approfondie, assurant que le produit dans son ensemble atteint ou dépasse tous ses objectifs de conception.

Une fois que le trajet de la lumière du dispositif optique a été défini et caractérisé à l'aide d'un outil de conception et d'analyse de système optique, tel qu'Ansys Zemax OpticStudio, le processus de conception optomécanique peut commencer, en utilisant la géométrie optique comme point de départ. 

Chaque dispositif optique aura des exigences et des étapes de conception différentes, mais qui appartiendront généralement à l'une des cinq catégories suivantes.

1. Sélection des matériaux

La première étape consiste à définir les matériaux nécessaires pour fabriquer chaque pièce optique et mécanique du système. Les lentilles peuvent être constituées de verre ou de polymères, tandis que les miroirs et les composants mécaniques disposent d'une multitude d'options. 

Les différences dans le coefficient de dilatation thermique (CTE) pouvant causer des problèmes d'alignement, de contrainte et de fatigue mécanique, il est important de choisir des matériaux ayant des CTE similaires. L'aluminium et l'acier inoxydable comptent parmi les matériaux les plus populaires pour les composants structurels. Le verre ou les polymères renforcés de fibres de carbone peuvent fournir des propriétés proches avec un poids plus faible, et les matériaux composites offrent une rigidité très élevée et un faible CTE. Même lorsqu'ils utilisent des composants standard, les ingénieurs concepteurs doivent connaître les matériaux utilisés dans ces sous-assemblages.

Une fois les matériaux de base sélectionnés, ils définissent le post-traitement à appliquer. Celui-ci peut consister en un revêtement, une anodisation, une finition de surface ou un traitement thermique. Chaque étape impacte les caractéristiques mécaniques et optiques des pièces traitées.

Dans le choix des matériaux, ceux des adhésifs et les fixations constituent également des points importants de la conception. Les incompatibilités thermiques entre les fixations et le matériau qu'elles maintiennent peuvent entraîner une charge importante. Des adhésifs inadaptés peuvent dégazer, ce qui risque de créer un dépôt sur les surfaces optiques. En outre, s'ils ne sont pas assez résistants pour l'application, les lentilles qu'ils immobilisent peuvent se désaligner.

2. Conception structurelle

Pour qu'une conception optique fonctionne correctement, les composants situés sur le trajet de la lumière doivent rester dans leur orientation et leur emplacement nominaux. Le concepteur optomécanique doit décider quels sont les composants mécaniques les plus appropriés pour fixer chaque composant optique et la manière dont la structure mécanique s'articule pour former un assemblage. Le tolérancement joue un rôle essentiel dans cette étape. 

En outre, si des caractéristiques optiques nécessitent un mouvement contrôlé pendant le fonctionnement, des mécanismes d'actionnement doivent être choisis et conçus. Les méthodes d'actionnement standard recourent à des vis-mères et à billes, des interfaces filetées de précision, des bobines mobiles et des solénoïdes. Des engrenages de précision, des cames et des moteurs électriques peuvent également être employés à cet effet. En optique adaptative, un miroir est déformé par des actionneurs mécaniques qui modifient ainsi ses propriétés optiques, corrigeant souvent les aberrations optiques. 

Si la plupart des objets entrant dans la conception structurelle maintiennent ou déplacent des optiques, certains les protègent également des contaminations, des charges thermiques et de la lumière externe indésirable. Cette protection est typiquement assurée par des barillets, des déflecteurs ou des boîtiers.

Le poids et la taille jouent également un rôle essentiel dans cette partie du processus de conception. La conception structurelle commence par la localisation des composants optiques et de l'enveloppe, y compris la masse, dans laquelle le dispositif doit s'insérer. Les ingénieurs évaluent les charges externes, qui s'exercent sous forme de forces, d'accélérations et de changements de température, afin de voir dans quelle mesure chaque composant bougera ou se déformera. Ils s'assurent en outre que la structure ne subira pas de rupture ou de déformation permanente. Ils modifient également la conception pour empêcher la pénétration de contaminants indésirables tels que la poussière, les produits chimiques, l'humidité et la lumière. 

La gestion thermique est une autre partie importante de la conception structurelle. Les sources lumineuses comme les lasers génèrent en effet souvent de la chaleur, et les capteurs ont généralement des plages de température de fonctionnement très spécifiques. Les limites de température admissibles doivent être respectées, et un refroidissement passif, actif et cryogénique est parfois nécessaire.

3. Conception de l'interface lentille-monture

Une fois que les équipes de conception ont décidé comment maintenir en place ou positionner les optiques, elles doivent définir comment connecter chaque lentille à la structure. La conception de la monture de lentille optique est un problème mécanique particulier, dont la résolution fait appel à des méthodes éprouvées. Les dispositifs de retenue tels que les circlips, les ressorts d'arrêt, les bagues d'écartement, les collerettes et les montures sur bord présentent chacun des avantages et des inconvénients. Les ingénieurs doivent comprendre le chargement, les coûts et les tolérances optiques de chaque approche pour choisir la bonne. 

La conception de l'interface lentille-monture est souvent un processus interactif entre le concepteur de la lentille et l'ingénieur mécanique. En effet, de nombreux systèmes de montage dépendent de la courbure et de la surface optique de précision polie de la lentille pour immobiliser axialement sa position et l'empêcher de tourner en dehors de l'axe optique. 

La haute précision de chaque surface permet un positionnement précis. Les tolérances inférieures sur les bords rodés ou les biseaux sont moins strictes, ce qui les rend moins propres à maintenir les lentilles en place. Dans certaines conceptions, les élastomères ou les adhésifs constituent des interfaces efficaces entre la lentille et le matériel de support.

4. Autre conception d'interface de composants optiques

Pour être efficace, une conception doit également définir l'interface optomécanique des composants, en plus des lentilles. Les sources optiques et les détecteurs constituent une partie importante du trajet de la lumière, et leur position par rapport aux autres composants est critique. Ils sont souvent montés sur un circuit imprimé (PCB) ou insérés dans leur propre boîtier. Les ingénieurs doivent donc comprendre leurs exigences de montage et ajuster la conception en conséquence. 

Lorsque les lentilles sont des cylindres minces, les miroirs et les prismes peuvent se présenter sous des formes variées qui déterminent ensuite les options dont disposent les ingénieurs pour les maintenir en place. Les miroirs sont particulièrement sensibles à la distorsion. C'est pourquoi leurs systèmes de montage visent à éviter tout cintrage. Quant aux prismes, ils peuvent être encombrants et sont très sensibles à l'angle de leurs surfaces optiques par rapport à l'axe de la lumière. Les brides et les vis sont des accessoires de montage courants pour ces types de composants, tout comme les adhésifs ou les élastomères. 

5. Conception axée sur le coût, la faisabilité, l'assemblage et l'alignement optique

La dernière catégorie de tâches de conception vise à examiner le coût des différentes solutions de conception, leur impact sur la fabricabilité du système optique, le processus d'assemblage et la façon d'aligner les composants optiques. Tous ces facteurs influent sur la viabilité commerciale globale du produit utilisant le système optique. 

L'équipe doit travailler avec les ingénieurs fabrication et qualité non seulement pour réduire le coût de chaque pièce, mais aussi pour créer des processus préliminaires visant à nettoyer, assembler, aligner et fixer l'emplacement des composants optiques de manière automatisée et reproductible. En outre, l'exportation de la conception vers PanDao peut aider à identifier la chaîne de fabrication optimale et les fournisseurs pendant la phase de conception, garantissant ainsi des solutions rentables et manufacturables.

Pour les projets de plus grande envergure, des équipes d'ingénieurs en mécanique, optique et optomécanique collaborent pour intégrer l'optomécanique dans le processus de conception. Dans des équipes plus petites, les ingénieurs doivent adopter une approche multidisciplinaire et comprendre le comportement optique et mécanique. 

Le workflow type d'un système optique, incluant l'optomécanique, peut se décomposer comme suit :

1. Conception optique

   La première étape consiste à optimiser les composants optiques du système, tels que les lentilles, les miroirs, les prismes, les sources et les détecteurs. À cette étape, les ingénieurs définissent les propriétés, la forme, l'emplacement et la position relative de chacun de ces composants. Ils calculent ensuite les performances optiques, prédisent comment la lumière change à mesure qu'elle se déplace à travers les éléments optiques, et font varier la géométrie et les positions jusqu'à ce que les performances optiques répondent aux exigences de conception.

2. Conception de systèmes optomécaniques

   La conception optomécanique globale se concentre sur la conception de la structure destinée à maintenir ces composants, à contrôler leur mouvement mécanique s'ils doivent être actionnés pendant le fonctionnement, ou à les protéger de l'environnement extérieur et de la lumière parasite. L'équipe de conception optomécanique a également pour mission de calculer et limiter les coûts, à maximiser la fabricabilité et à prendre en compte les besoins en matière d'assemblage et d'alignement.

3. Charges optomécaniques et réponse

   Ensuite, les ingénieurs déterminent et appliquent des charges environnementales telles que la gravité, les changements de température, les vibrations, l'accélération et la force pendant l'assemblage et le fonctionnement. Puis ils calculent le degré de déflexion de la structure mécanique, ainsi que la déformation des composants optiques ou leur déplacement par rapport à leur position nominale.

4. Évaluation de l'impact sur la conception optique

   Durant cette phase, la performance optique est réévaluée avec les composants optiques déformés ou déplacés afin de déterminer si la performance se situe toujours dans une plage acceptable.

5. Itération entre les conceptions optique et optomécanique

   Si les performances optiques obtenues ne respectent pas les tolérances autorisées, les ingénieurs procèdent à des itérations sur les conceptions optique et optomécanique jusqu'à ce que le coût et les performances optiques soient acceptables. Des simulations précises et conformes en termes de temps, des données de test significatives et des communications claires entre les différentes disciplines contribuent à l'efficacité et à l'efficience des itérations.

L'impact de chaque option de conception sur le budget et le calendrier doit être minimisé, tout en maintenant les performances du système optique dans des valeurs admissibles. Atteindre cet objectif est le défi fondamental de l'optomécanique. 

Les facteurs liés à la conception optique prédomineront dans un contexte de laboratoire, où une maquette peut être créée et modifiée à la main. Cependant, lorsque celle-ci est placée dans un produit et que les ingénieurs doivent conduire la conception jusqu'à sa version optimale, ils sont amenés à concilier des exigences contradictoires. Les équipes qui parviennent à surmonter ces défis s'appuient sur un processus de conception robuste, combiné à la simulation. 

Un processus de conception coopératif, multidisciplinaire et itératif

L'industrie a développé la sous-discipline de l'optomécanique en réponse au besoin d'un processus de conception plus itératif et multidisciplinaire. Auparavant, les ingénieurs optiques développaient une conception optique et l'envoyaient à une équipe d'ingénieurs mécaniques pour comprendre comment maintenir, déplacer et protéger l'optique. Cette approche disjointe aboutissait souvent à une conception qui ne répondait pas aux spécifications optiques, ou à des corrections coûteuses intervenant tard dans le processus de conception. 

Pour résoudre ce problème, les entreprises forment des équipes multidisciplinaires, avec des ingénieurs qui comprennent les aspects mécaniques uniques des systèmes optiques et les bases de l'optique, et factoriseront ces deux domaines dans leurs décisions de conception. Une communication claire, fréquente et concise est essentielle au succès de toute équipe multidisciplinaire. 

En outre, le processus de conception doit être itératif, permettant l'évaluation des modifications de conception dans les deux domaines. Des outils doivent être mis en place pour que les informations de géométrie et de tolérance puissent être transmises d'une discipline à l'autre. La conception du système optique suit généralement un processus comprenant les études conceptuelles, la conception préliminaire et la conception finale, chacune de ces étapes étant assortie d'itérations. Les équipes efficaces mettent à profit la simulation, le prototypage, les tests, les revues de conception et la documentation technique appropriée pour identifier et résoudre les problèmes dès le début du processus de conception. 

Conception optomécanique pilotée par la simulation

Les simulations optique et mécanique sont essentielles pour relever et surmonter les défis de l'optomécanique. La création d'une représentation virtuelle de la conception permet aux ingénieurs de comprendre rapidement ses performances d'un point de vue optique et mécanique, ainsi que la façon dont ces deux aspects interagissent. 

Dans un workflow de simulation type pour la conception optomécanique, la géométrie dérivée d'une simulation optique est utilisée comme base et transmise aux outils de conception mécanique. La conception de la monture et du boîtier est alors définie avec précision. 

Les ingénieurs utilisent des progiciels de simulation structurelle, cinématique, de dynamique des fluides numérique (CFD) et thermique tels que le logiciel d'analyse par éléments finis de structure Ansys Mechanical. Celui-ci s'appuie sur la méthode d'analyse par éléments finis (FEA) pour simuler divers aspects de la conception mécanique. Ils appliquent ensuite des charges environnementales telles que des forces, des accélérations, des chocs, des vibrations et des changements de température et calculent la réaction de l'assemblage.

Une fois que le comportement du système sous charge a été estimé, les ingénieurs renvoient la distorsion physique résultante et les tolérances calculées à l'outil de simulation optique, afin qu'elles soient exécutées et vérifiées par les ingénieurs optiques. Ceux-ci détermineront alors si les performances optiques sont dans les limites acceptables.

Un workflow de simulation plus efficace utilise un outil comme Zemax OpticStudio pour la conception au niveau des composants, qui s'intègre directement à la CAO mécanique. Son workflow incorpore directement dans le logiciel de conception optique un nombre croissant de fonctionnalités de conception optomécanique et de simulation. Zemax OpticStudio Enterprise fait passer ce workflow à la vitesse supérieure avec des outils de chargement, d'ajustement et de visualisation multiphysiques intégrés.

Les ingénieurs peuvent également utiliser des outils de conception et de validation optiques au niveau système, tels que le logiciel de CAO intégré de simulation optique et d'éclairage Ansys Speos, pour évaluer d'autres facteurs optomécaniques. Speos évalue la lumière parasite réfléchie par les composants mécaniques, le blocage de la lumière par les composants optomécaniques, ou le vignettage, qui est la gradation de la saturation ou de la luminosité en périphérie du trajet du faisceau. Une validation au niveau du système peut également examiner la qualité et la forme du foyer et le diamètre du spot au niveau du détecteur. 

L'optomécanique a connu une évolution rapide au cours de ces dernières années, en réponse à l'utilisation accrue des systèmes optiques dans un large éventail d'industries. Celles-ci recourent toujours plus aux caméras et autres capteurs dans de multiples applications :

• Produits de consommation
• Dispositifs médicaux
• Photographie
• Métrologie
• Communication optique
• Automatisation de la fabrication
• Internet des objets (IoT)
• Observation de la Terre
• Applications aérospatiales et de défense
• Capteurs pour automobiles
• Systèmes autonomes lidar et caméras optiques
• Instruments scientifiques
• Astronomie

Cette liste évolue constamment sous l'effet de différents facteurs : les avancées récentes dans les méthodes de fabrication, les progrès en science des matériaux, la miniaturisation et des ressources informatiques accrues – capables de gérer le traitement et le stockage des informations optiques.

Tous ces changements rendent nécessaires des améliorations en optomécanique. 

Nous avons recensé quelques tendances que les ingénieurs doivent connaître et auxquelles ils doivent se préparer : 

Miniaturisation continue

Les améliorations apportées aux matériaux et aux procédés de fabrication poussent toujours plus loin la miniaturisation des assemblages optiques et des composants optomécaniques qui les supportent. Plus les pièces se réduisent, et plus la complexité et la précision des composants structurels doivent s'améliorer.

Les modèles plus petits sont également plus sensibles aux changements de température. La miniaturisation rend aussi les tests physiques plus difficiles, augmentant ainsi le besoin de simulation pour prototyper virtuellement les conceptions optomécaniques.

Évolution de l'optique adaptative

Modifier activement la forme et, par conséquent, les propriétés optiques des lentilles et des miroirs, est un moyen prometteur de compenser les distorsions causées par les charges mécaniques et thermiques. Ces ajustements en temps réel nécessitent un logiciel de contrôle exceptionnel, couplé à un actionnement électromécanique rapide et précis.

Concevoir correctement des optiques adaptatives efficaces et abordables nécessite un processus de conception optique éprouvé qui inclut un workflow optomécanique puissant.

Fabrication additive

L'utilisation de la fabrication additive (AM), également appelée impression 3D, apporte aux ingénieurs optomécaniques de nouvelles libertés de conception pour créer des géométries complexes, qui peuvent considérablement améliorer la robustesse mécanique et la gestion thermique.

L'AM permet la création d'assemblages complexes en tant que pièces uniques ou l'intégration du refroidissement dans la structure. Les systèmes d'AM actuels peuvent créer des pièces en métal, en polymère et en polymère renforcé de fibres de carbone haute précision. 

Environnements d'exploitation plus exigeants

La croissance des applications de systèmes optiques implique également l'utilisation d'instruments optiques dans des environnements plus difficiles. Les appareils ne se trouvant plus dans un environnement contrôlé, les variations de température et les charges augmentent.

Les applications optiques dans les véhicules autonomes en sont un bon exemple. Les concepteurs automobiles multiplient les caméras et les capteurs LiDAR, qui détectent les vibrations violentes et les températures extrêmes subies par les véhicules. 

Ressources connexes