Agence de l’innovation de défense
A quoi sert de développer une caméra ultra-performante si la qualité des images est altérée par la pluie, le brouillard, la boue...? La structure remarquable des ailes du papillon Greta Oto a inspiré les équipes du projet F-MARS pour réaliser des optiques innovantes. Celles-ci évitent l’accumulation d’eau ou de salissures à leur surface et garantissent un comportement antireflets. La bonne qualité d’image est ainsi préservée de jour comme de nuit et quelles que soient les conditions météorologiques. Ce projet est porté par Thales Research & Technology (TRT), en partenariat avec le Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS) de l’Ecole Polytechnique et du laboratoire de Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH) de l’ESPCI Paris.
L’enjeu du projet de recherche F-MARS est de proposer une solution pérenne, inspirée du biomimétisme, pour éviter l’accumulation d’eau sur l’optique frontale des capteurs optroniques: jumelles de vision nocturne, systèmes de veille et de détection panoramique, imageurs multi-spectraux, lidars etc.
Celle-ci vise à apporter simultanément à la surface d’une optique des propriétés antireflets et super-hydrophobes, compatibles des exigences et environnements liés aux théâtres opérationnels militaires (pluie, vent, sable, durée de vie…).
L’approche innovante du projet F-MARS se base sur l’utilisation de méta-matériaux, inspirés des ailes du papillon Greta Oto (voir figure 1 ci-dessous) et dont la surface nano-structurée les rend transparentes dans le domaine visible et anti-pluie. Ces méta-matériaux, ou matériaux artificiels, permettent donc à eux seuls de combiner plusieurs fonctionnalités optiques et fluidiques. Cette voie technologique présente plusieurs avantages. Elle est tout d’abord compatible de tous les matériaux optiques, pour des applications allant du visible à l’infra-rouge, et est également compatible des procédés industriels disponibles. La structuration de ces matériaux permet ensuite de s’affranchir des problèmes de délamination[1] rencontrés avec les couches minces optiques et permet de combiner un antireflet ultra-performant (large bande spectrale, grand angle de vision) avec des propriétés super-hydrophobes et autonettoyantes. Enfin, cette technique minimise l’utilisation par les opérationnels de substances non REACH[2].
Figure 1 : Zoom sur la composition des ailes de papillon Greta Oto
Le projet F-MARS a permis plusieurs avancées technologiques :
De nouveaux procédés technologiques de nano-structuration de matériaux optiques ont été développés : silice et verre borosilicate (N-BK7) pour des applications dans le domaine du visible (vision diurne), silicium et germanium pour des applications respectivement dans le moyen et le lointain infra-rouge (vision nocturne). La technique de lithographie utilisée est la nanoimpression, qui permet d’obtenir des résolutions inférieures à 200nm sur de grandes surfaces. Dans le cadre du projet F-MARS, les fenêtres optiques nanostructurées ont des diamètres allant jusqu’à 3 pouces et possèdent d’une part des propriétés superhydrophobes, auto-nettoyantes, anti-pluie et anti-buée, et d’autre part des propriétés antireflets.
L’implémentation de ces hublots optiques en environnement sévère est rendue possible par des procédés d’encapsulation, c’est-à-dire le revêtement des nanostructures par un matériau de grande dureté de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres d’épaisseur (voir figure 2 ci-dessous). Ceux-ci ont permis d’augmenter significativement la résistance mécanique des nanostructures, sans détériorer les performances optiques et fluidiques. La fonction protectrice de ces revêtements, notamment contre des phénomènes de sablo-érosion, a été calculée par simulation numérique et démontrée expérimentalement.
Le travail de thèse CIFRE-DGA de Vincent Fauvel, menée à TRT et à l’institut FEMTO-ST, intitulée « Elaboration et caractérisation mécanique par nano-indentation de fenêtres optiques nanostructurées », a permis l’identification fiable, par modélisation numérique, des propriétés élasto-plastiques des matériaux utilisés pour l’encapsulation des nanostructures.
Enfin les aspects fluidiques ont été étudiés d’un point de vue théorique au laboratoire PMMH-ESPCI et ont déterminé une géométrie de structure optimale pour l’obtention d’une fonction anti-buée performante.
Image 2 : fenêtre encapsulée
Les applications des recherches réalisées dans le cadre du projet F-MARS sont nombreuses et duales. Les performances obtenues présentent un grand intérêt pour les capteurs opérant dans les domaines visibles ou infra-rouge qui équiperont les services de mobilité autonome (matériels ferroviaires, automobiles, etc.), pour les systèmes de surveillance maritime et terrestre, ainsi que pour l’ensemble des capteurs optroniques. Les résultats de recherche pourraient par ailleurs satisfaire les besoins exprimés dans l’instrumentation spatiale d’observation terrestre.
[1] Phénomène de vieillissement des matériaux
[2] Entrée en vigueur le 1er juin 2007, REACH est le règlement Européen qui régit l'enregistrement, l'évaluation, l'autorisation et les restrictions concernant la fabrication et l’utilisation des substances chimiques. Il vise à prévenir les risques sanitaires et environnementaux liés à l'utilisation de certaines substances en instituant un système d'information afin de mieux encadrer leur utilisation.
Droits : AID
