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Simulation optique à CADFEM

Point lumineux virtuel

L'esthétique, la qualité, la fiabilité et la demande en énergie sont autant d'exigences liées aux propriétés optiques de nombreux produits. Il ne s'agit pas seulement de luminaires, de capteurs ou de caméras, mais aussi de nombreux autres objets dans lesquels des composants optiques sont installés et remplissent des fonctions importantes. La simulation permet de s'assurer que cela est fait de manière efficace.

La simulation joue un rôle clé dans le développement de produits uniques, durables et innovants, permettant de gagner du temps et de l'argent par rapport aux processus de développement traditionnels. Grâce à la simulation, les idées peuvent être testées instantanément, les variantes peuvent être comparées objectivement et les moindres détails peuvent être analysés. Les résultats essentiels pour l'étape de développement suivante sont obtenus de manière fiable et le nombre de tests avec des prototypes réels souvent coûteux est réduit au minimum.

Ce qui s'applique à la mécanique, aux fluides ou aux champs électromagnétiques est également possible en optique et offre les même avantages pour le développement de produits qui fonctionnent avec la lumière sous une forme ou une autre. Qu'il s'agisse d'un luminaire, d'un capteur optique, d'une caméra ou d'un laser, si le comportement de la lumière est connu à l'avance, les modifications nécessaires de la géométrie, du matériau ou des sources lumineuses peuvent être introduites à un stade précoce.

Outils de simulation pour diverses applications

Les défis de la simulation sont aussi divers que les applications dans le domaine de l'optique et de la photonique. Afin de répondre aux diverses exigences, Ansys propose de nombreux outils de simulation, qui couvrent un large éventail d'applications de simulation optique.   

En tant qu’Ansys Elite Channel Partner, CADFEM met ces outils logiciels à disposition dans son portefeuille. Ils sont proposés accompagnés par les experts de CADFEM avec des conseils et des services. "La simulation est plus qu'un logiciel" va même un peu plus loin dans ce domaine - au siège de CADFEM, il y a un laboratoire d'optique où les paramètres des matériaux, qui sont extrêmement importants surtout pour les simulations optiques macroscopiques, sont déterminés de manière experte.  

Si l'on veut reproduire de manière réaliste une grande variété d'applications optiques, la simulation doit être basée sur la physique.

Dr. rer. nat. Ervand Kandelaki, Business Development Manager, CADFEM Germany GmbH

Photonique: Ansys Lumerical

La lumière trouve son origine et se transforme en divers états d'énergie dans le monde microscopique. Dans ces phénomènes, regroupés sous le terme de photonique, il est crucial de considérer le caractère ondulatoire de la lumière. Pour des problèmes particuliers, il est également utile d'appliquer des méthodes de physique quantique dans le calcul. Dans la gamme de produits Ansys, les outils luminiques, qui sont des produits Ansys depuis l'acquisition en 2020, sont précisément adaptés à ce type de simulation. Les propriétés des revêtements, des lasers ou des fibres optiques peuvent être étudiées en détail avec Ansys Lumerical.

Conception optique: Ansys Zemax OpticStudio

L'une des tâches principales de nombreux systèmes optiques est de représenter la réalité d'une manière visuellement perceptible. C'est sur ce point que porte le développement des systèmes de lentilles, des caméras et des objectifs. Ces systèmes d'imagerie doivent être conçus avec précision afin de garantir un alignement correct du guidage du faisceau et de respecter les spécifications techniques respectives.

Cette discipline technique particulière est désignée sous le nom de conception optique. Fin 2021, la gamme de simulations Ansys dans le domaine de l'optique et de la photonique a été largement étendue grâce à l'acquisition de la société Zemax. Zemax OpticStudio s'est fait un nom en tant qu'outil de conception de systèmes de lentilles et de caméras.

Optique macroscopique: Ansys Speos

Alors que le monde de la photonique se présente dans de petites dimensions d'environ un micromètre et que les systèmes d'imagerie comme les caméras doivent être réglés dans la gamme des millimètres, nous vivons dans un monde aux dimensions bien plus grandes. Si nous franchissons maintenant l'étape suivante dans la hiérarchie des échelles physiques, nous entrons dans le domaine de la simulation optique macroscopique. Ici, la question est de savoir comment les différents phénomènes de réflexion, d'absorption, de réfraction et de diffusion interagissent dans des systèmes complexes.

02:50 minLa simulation optique avec Ansys SPEOS est source d'innovation

Souvent, la luminosité et l'uniformité de la distribution lumineuse sont importantes, mais dans certains cas, la visualisation des objets en termes de perception humaine présente également un intérêt explicite. Ces deux aspects peuvent être analysés à l'aide de l'outil phare Ansys Speos pour la simulation optique générale. Les récents développements technologiques ont permis à Speos d'augmenter considérablement ses performances. Il s'agit notamment de la technologie de calcul par le GPU, qui complète le solveur CPU établi pour fournir des résultats de simulation complets basés sur le GPU en quelques fractions du temps d'exécution habituel.

Nous effectuons des mesures et des modélisations de matériaux optiques pour nos clients avec des échantillons qu'ils nous ont fournis afin qu'ils puissent effectuer des simulations optiques correctes avec Ansys Speos et d'autres programmes similaires

Matthias Noak, Chef du laboratoire d'optique, CADFEM Germany GmbH

Modèles de matériaux optiques : Laboratoire d'optique CADFEM

La précision de la simulation optique, en particulier pour les systèmes macroscopiques complexes, dépend fortement de la qualité des modèles de matériaux utilisés. Dans une large mesure, cela s'applique également aux simulations de Speos. En ce qui concerne les surfaces, la représentation physique de la réflexion en fonction de l'angle, qui est définie en utilisant la fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle (BRDF), est souvent importante. En outre, les propriétés de transmission et de diffusion jouent également un rôle décisif.

Dans d'autres cas, il est essentiel de modéliser les propriétés optiques en volume, par exemple dans les plastiques optiques. Pour les systèmes à couche unique, les caractéristiques optiques peuvent être calculées avec les simulations microscopiques d'Ansys Lumerical. Cependant, un modèle de matériau optique approprié ne peut généralement être créé qu'à partir de données issues de mesures. C’est pour cela que le laboratoire optique CADFEM a été mis en place au siège de la société à Grafing-Schammach. Là, les mesures et la modélisation des matériaux optiques peuvent être effectuées avec des échantillons réels. Ainsi, les clients de CADFEM ont la possibilité d'utiliser le modèle exact du matériau dans les simulations Speos, même pour les matériaux complexes.

Avec le nouveau laboratoire d'optique, CADFEM a repris les services de modélisation des matériaux optiques, qui étaient auparavant proposés par Ansys elle-même. 

Résumé

Dans l'ensemble, les sujets mentionnés ci-dessus ont des conséquences importantes sur le potentiel de la simulation optique. Qu'il s'agisse du développement de dispositifs microscopiques en photonique, de systèmes d'imagerie avec des lentilles conçues de manière détaillée ou de systèmes optiques macroscopiques avec des situations d'illumination complexes, CADFEM fournit la solution de simulation appropriée aux différents défis. Cette solution comprend une expertise dans l'application de la puissante boîte à outils Ansys, soutenue par une modélisation précise des matériaux.

Auteurs : Thorsten Reimann; Ervand Kandelaki; Alexander Kunz (CADFEM Germany GmbH)
Images: © CADFEM (Labor); Ansys (Software)
Publié : Novembre 2022

 

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Business Development Manager
Dr. rer. nat. Ervand Kandelaki