Les choix technologiques réalisés suite aux réflexions précédentes sont récapitulés ci- dessous. Une étude approfondie de l’architecture du capteur sera proposée dans le chapitre suivant.
La détection des particules déposées sur une surface témoin sera une détection optique. La surface de dépôt est transparente et le détecteur est positionné sous la surface. La lumière mesurée sera la lumière transmise par les particules, ce qui revient à mesurer l’obscurcissement du capteur par les particules. L’utilisation d’un faisceau laser très focalisé augmentera la résolution du capteur pour détecter des particules entre 1 et 20 µm. La mesure d’une baisse de flux lumineux correspondra à la détection de la présence d’une particule sur la surface. Couplé à un système de balayage qui permettra de couvrir l’intégralité de la surface de dépôt, ce principe de détection permettra de remonter au nombre de particules et à leur taille. En effet, l’analyse du signal fournira deux données lorsque le faisceau lumineux sera intercepté par une particule sédimentée : une baisse du flux lumineux indiquera la présence d’une particule tandis que la durée de la baisse du flux lumineux sera rapportée à la vitesse de balayage, permettant ainsi de connaître la taille de la particule.
Conclusion
III.5.
Les études réalisées au cours de ce chapitre ont permis d’établir un cahier des charges en concordance avec l’application visée. Les principales spécifications définies impliquent une mesure de particules de 1 à 20 µm de diamètre avec une sensibilité de 10%, sur une surface de dépôt de 1 à 2 cm². Le capteur fournira des informations sur la granulométrie des particules et sur leur concentration surfacique afin de répondre aux exigences de la norme ISO 14644-9. De plus, le capteur devra répondre à des exigences en termes d’autonomie (en maintenance et en énergie), de mesure en temps-réel et de communication sans fil. Enfin, le capteur devra être miniaturisé afin de pouvoir réaliser une mesure locale, au plus près des zones critiques, sans gêner la réalisation des opérations en salle propre.
L’objectif final est de réaliser un suivi du taux de contamination des satellites et de tous les éléments le constituant. La démarche prônée vise la gestion des anomalies en fournissant un système d’alerte lorsque des événements de contamination ont lieu. En fournissant une cartographie de la sédimentation réelle des particules dans les zones critiques des salles propres, le capteur développé permettra une meilleure compréhension des actions et des paramètres environnementaux donnant lieu à une contamination des surfaces.
Le capteur sera composé d’une cellule de mesure couplée à un système composé d’une source lumineuse focalisée, d’un système de balayage permettant au faisceau de couvrir l’intégralité de la surface de dépôt transparente et d’un détecteur multi-pixels située sous celle-ci. La source de lumière est une diode laser pour répondre aux exigences de compacité du capteur et d’autonomie en énergie. Le faisceau lumineux émis par la diode laser doit être focalisé par un système optique lui-même compact permettant d’obtenir un spot de l’ordre du micromètre.
. DEVELOPPEMENT DE LA CELLULE DE
IV
Introduction
IV.1.
Après avoir construit au chapitre précédent le cahier des charges d’un système de détection des particules sédimentées à faible encombrement, autonome en énergie et fonctionnant en temps- réel (Annexe B), nous avons ensuite proposé une architecture de la cellule de mesure.
Dans ce chapitre, nous nous concentrerons essentiellement sur la résolution des problèmes concernant l’optique de focalisation. Pour cela, nous aborderons des notions d’optique afin de mieux appréhender les enjeux de ce développement. Nous définirons par la suite les spécifications précises du système optique afin d’identifier les limites et contraintes. Le développement du système de focalisation se base sur un modèle numérique qui sera défini à la fin de la première partie de ce chapitre. La seconde partie résumera les simulations effectuées afin de déterminer la solution la plus appropriée. Ces simulations sont divisées en deux axes : l’étude de solutions basées sur l’utilisation d’une à plusieurs lentilles simples d’une part, et l’étude de solutions basées sur l’utilisation d’une à plusieurs lentilles asphériques. Les choix technologiques qui découlent de ces simulations seront effectués à la fin de la seconde partie. La troisième partie de ce chapitre se concentrera sur la conception opto-mécanique de la cellule de mesure en s’appuyant sur les simulations numériques effectuées précédemment.
Définition du système optique de focalisation
IV.2.
IV.2.1. Les bases de l’optique géométrique
Nous nous intéressons ici aux bases de l’optique géométrique, discipline rassemblant toutes les connaissances nécessaires à l’élaboration d’un système optique de focalisation. L’optique géométrique considère que l’énergie lumineuse est véhiculée suivant des trajets lumineux formés par une succession de rayons lumineux. Plus précisément, nous traiterons de l’optique paraxiale qui repose sur le caractère linéaire de l’approximation de Gauss. L’approximation de Gauss permet de considérer que tous les rayons optiques sont peu inclinés par rapport à l’axe optique. Ces rayons sont appelés « rayons paraxiaux ». Ainsi, l’optique paraxiale est utilisée pour définir des systèmes optiques centrés quelconques. L’axe optique est défini comme l’axe contenant tous les centres de courbures des surfaces du système (il est généralement orienté de gauche à droite, son sens indiquant la direction de propagation de la lumière9). Il est représenté sur la Figure 61 qui schématise un des élément optique les plus simples : la lentille convergente. Un système optique est un ensemble de surfaces qui réfléchissent (miroirs) ou réfractent (dioptres10) les rayons lumineux.
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L’axe optique représente en réalité le rayon lumineux passant par le centre du système et qui n’est pas dévié.
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