Les élément optique diffractant

Les élément optique diffractant

Un élément optique diffractant (EOD) est un élément conçu pour modifier par diffraction la répartition spatiale d’un faisceau incident. Un EOD diffracte un faisceau incident pour générer un effet désiré sur le faisceau résultant. Les EOD sont la base de la grande majorité des hologrammes de sécurité. En comparaison des éléments optiques réfractifs, les EOD ont une épaisseur très faible (typiquement d’une dizaine de nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres) et peuvent ainsi être créés sous forme de film flexible. Cette souplesse permet d’intégrer plus facilement les hologrammes de sécurité sur un document ou un objet. La diffraction peut s’effectuer en transmission ou en réflexion. Elle est due à des structures tridimensionnelles (d’un ordre de grandeur nanoscopique ou microscopique) jouant le rôle d’obstacles de phase ou d’amplitude pour les ondes incidentes. Les différents fronts d’onde issus de cette diffraction interfèrent ensemble et forment une figure de diffraction.

Nous appelons communément ces structures tridimensionnelles, structures optiques. Les structures optiques sont habituellement inscrites sur une surface assimilable à un plan. Concernant les structures optiques, nous appellerons la dimension perpendiculaire à ce plan, profondeur ou épaisseur des structures optiques. Nous appellerons les dimensions longitudinales à ce plan, tailles des structures optiques. Les EOD reposent sur les phénomènes de diffraction. La conception et la fabrication des EOD nécessitent donc une bonne connaissance de ce phénomène et de ces modélisations. Nous verrons dans cette section une brève introduction à la diffraction, en commençant par l’origine de ce phénomène.

Origine du phénomène de diffraction

La dualité onde-corpuscule de la lumière fait apparaitre deux comportements distincts. D’un côté, la nature corpusculaire repose sur l’optique géométrique et les tracés de rayons. De l’autre, la nature ondulatoire repose sur l’électromagnétisme dont les équations Maxwell-Lorentz constituent le fondement. Le phénomène de diffraction vient de la nature ondulatoire de la lumière. Il émane de la limitation d’une onde à s’étendre latéralement. Ce phénomène apparait quand une onde rencontre des obstacles de phase ou d’amplitude répétitive ou abruptes en comparaison de sa longueur d’onde [17, chapitre 1]. En optique, il est couramment défini comme un phénomène engendré par «un obstacle ayant une taille du même ordre de grandeur que la longueur d’onde de la lumière incidente». Nous nous intéressons ici seulement à la diffraction des ondes lumineuses, mais ces notions restent valides dans tout le domaine ondulatoire.

Binaire et multiniveaux

Un EOD peut être binaire ou multiniveaux. Ce caractère se définit par le type des structures optiques de l’EOD. Le profil des structures peut être binaire avec seulement deux niveaux distincts, ou alors multiniveaux avec plus de deux niveaux distincts. Le nombre de niveaux est souvent noté N ∈ N, il est au moins égal à deux, N > 2 . Quand N → ∞, le profile des structures optiques est continue. Dans la figure 1.12, nous pouvons observer trois profils de réseaux de diffraction, un réseau binaire (N = 2), un réseau échelette avec 4 niveaux (N = 4) et un réseau échelette avec un profil continu (N → ∞). Les réseaux échelette sont une des structures optiques diffractives les plus utilisées dans ces travaux de thèse de doctorat.

La capacité à produire n’importe quelle distribution lumineuse à partir d’un EOD est un atout majeur pour créer de nouveaux effets visuels sophistiqués dans les hologrammes de sécurité, comme nous le verrons dans le chapitre 4. La maitrise de la gravure d’un profil multiniveaux est plus complexe que celle d’un profil binaire. Grâce à cette complexité supplémentaire, les EOD multiniveaux sont moins répandus et correspondent donc à un niveau de sécurité plus élevé par apport aux EOD binaires.

Efficacité de diffraction 

Afin d’obtenir des effets visuels forts grâce à des EOD, l’efficacité de diffraction des EOD doit être maximale afin de dévier au maximum la lumière incidente de la manière désirée lors de la conception et de la fabrication de l’EOD. Un EOD permet rarement d’obtenir parfaitement la figure de diffraction désirée. Nous pouvons observer un bruit autour et sur la figure de diffraction. Ce bruit est dû aux défauts de fabrication et aux approximations consentis pour du calcul des EOD lors de la conception. Ce bruit diminue l’efficacité de diffraction des EOD.

Nous pouvons définir un critère d’efficacité de diffraction, qui permettra de caractériser simplement les EOD réalisés. L’efficacité de diffraction η se calcule en considérant l’intensité lumineuse de la figure de diffraction désirée par rapport à l’intensité lumineuse incidente à l’EOD.

Il n’est pas toujours aisé ou possible de mesurer l’intensité lumineuse de la figure de diffraction désirée. En effet, l’ordre zéro (part de la lumière incidente non diffractée) ou le bruit entourant la figure de diffraction sont parfois indissociables de la figure de diffraction produite . À l’IMTA, nous avons pris l’habitude d’approximer l’efficacité de diffraction par le complément du pourcentage de l’intensité lumineuse de l’ordre zéro dans l’énergie lumineuse totale .

Surys

Présentation 

Le groupe Surys est un des leadeurs mondiaux dans la fabrication des laminas de sécurité pour l’authentification des documents d’identité, carte d’identité, permis de conduire, passeport, etc. Au-delà de son expertise pour les documents d’identité, Surys propose un large éventail de solutions pour l’authentification. Anciennement nommé Hologram Industries, le groupe adopte le nom Surys en 2015, pour refléter la diversité de ses offres. Nous aborderons ci-dessous les quatre marchés (documents d’identités, véhicules, documents fiduciaires, protection des marques) pour lesquels Surys commercialise des produits. En 2017, l’ensemble de ces marchés sont évalués à environ 180 milliards GBP [2].

Documents d’identité
Les documents d’identité sont le cœur de métier de Surys. Depuis trente ans, l’entreprise approvisionne les gouvernements et les autorités. Elle possède une véritable expertise pour ces documents. Elle propose un large panel de solutions, du lamina de sécurité aux outils de contrôle. Le lamina de sécurité couvre les informations personnelles du porteur (photographie, nom, prénom, etc.). Une modification des informations personnelles entrainera une altération du lamina de sécurité .

Véhicule
L’immatriculation des véhicules est obligatoire dans la grande majorité des pays. Elle permet d’enregistrer la correspondance entre le véhicule et son propriétaire. Un véhicule non immatriculé ou volé ne peut pas en théorie circuler. Surys propose des solutions contre la falsification et la contrefaçon de certificats, de plaques d’immatriculations et de vignettes .

Documents fiduciaires
Pour garantir la valeur des documents fiduciaires, les banques centrales du monde entier doivent mettre en place des techniques pour distinguer les valeurs qu’elles ont émises de celles qui sont contrefaites. Pour cela, elles font appel aux sécurités les plus élevées. Elles peuvent ainsi garantir la valeur et les transactions des billets  de banque, des timbres fiscaux, des cartes de crédit.

Protection des marques et des produits

Les produits et les marques font l’objet de contrefaçons. Que ce soit pour des raisons économiques, d’image, de responsabilités ou de santé, les marques cherchent à garantir aux clients l’authenticité des produits. Pour les entreprises, les produits contrefaits peuvent entrainer une baisse de leurs chiffres d’affaires. Ils peuvent aussi donner une mauvaise image de la marque, si leurs qualités de fabrication ou d’élaboration ne sont pas similaires à celles des produits originaux. Les marques courent également le risque que les produits contrefaits représentent un danger pour les utilisateurs. Ce dernier risque est particulièrement pris en considération dans le domaine des produits pharmaceutiques. Ainsi pour exemple, certains pays, ou zones économiques imposent des marquages de sécurité et de traçabilité sur les boites de médicaments. Surys propose des solutions pour authentifier et sceller les produits. L’authentification peut être automatisée grâce à un smartphone .

Les besoins de l’entreprise pour innover

Surys est positionné dans un secteur très innovant et concurrentiel. Pour lutter contre la contrefaçon et la concurrence, l’entreprise se doit de mener une politique de recherche ambitieuse. L’invention de nouvelles technologies permettant d’améliorer la sécurité ou l’attractivité des hologrammes revêt un caractère primordial. Surys mène des recherches à la fois dans le domaine de l’optique, des matériaux et du numérique afin d’assurer la sécurité de tous les composants des laminas de sécurité (effets optiques, films plastiques, colles, usages par les utilisateurs). La transposition dans les procédés industriels de l’entreprise de nouvelles technologies nécessite de nombreuses innovations toutes aussi importantes. Plusieurs années peuvent s’écouler entre l’invention d’une nouvelle technologie et sa commercialisation. Surys est connue pour sa réactivité et sa flexibilité. Dans ce contexte, Surys a autant besoin des recherches plus fondamentales que des recherches appliquées orientées vers les produits finaux.

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Table des matières

1 Introduction générale
1.1 Les hologrammes de sécurité
1.1.1 De l’utilité des hologrammes de sécurité
1.1.2 Le marché des hologrammes de sécurité
1.1.3 Les contraintes et les objectifs
1.1.4 La fabrication
1.2 Les élément optique diffractant
1.2.1 Origine du phénomène de diffraction
1.2.2 Binaire et multiniveaux
1.2.3 Efficacité de diffraction
1.3 Surys
1.3.1 Présentation
1.3.2 Les besoins de l’entreprise pour innover
1.4 Conclusion
2 Transfert du phototraceur IMTA
3 Simulation
3.1 Modèles de simulations
3.1.1 Modèles basés sur le tracé de rayons
3.1.2 Modèle basé sur la théorie scalaire de la diffraction
3.1.3 Modèle rigoureux
3.2 Structures optiques à simuler
3.2.1 Réseaux microscopiques
3.2.2 Structures de type Fresnel
3.2.3 EOD
3.2.4 Filtre GMRG ou effet Diffractive Identification Device (DID™)
3.2.5 Combinaisons «micro/nano»
3.3 Modèle hybride de simulation
3.3.1 Principe de notre modèle hybride
3.3.2 Implémentation de notre modèle hybride
3.4 Résultats de notre outil de simulation
3.4.1 Réseau 2 400 lignes par millimètre
3.4.2 Effet «Wave graphique +»
3.4.3 DID™
3.4.4 EOD
3.5 Conclusion
4 Nouveaux effets optiques
4.1 Caractéristiques attendues
4.2 Les effets déjà existants
4.2.1 L’effet «Reliefs 3D»
4.2.2 L’effet «Wave»
4.2.3 L’effet DID™
4.3 Agencement des nouvelles structures optiques
4.3.1 Effet «Wave graphique»
4.3.2 Effet «Wave +»
4.3.3 Effet «Wave graphique +»
4.3.4 L’entrelacement
4.4 Les structures multiéchelles, combinaisons «nano/micro»
4.5 Conclusion
5 Conclusion générale

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