Optimisation de structures diffractives pour des applications en sécurité visuelle – ODISSEA

Les hologrammes de sécurité utilisés pour l'authentification de documents comme, par exemple, les passeports ou les permis de conduire, sont composés de réseaux de diffraction. De plus, leur réponse chromatique résulte directement de l'interaction des réseaux avec la lumière. Ce mécanisme de génération de couleur est connu sous le nom de « coloration structurelle » et présente plusieurs avantages par rapport à la coloration à base de pigments, le plus important est qu'il ne dépend que de la connaissance des paramètres opto-géométriques qui caractérisent le réseau de diffraction. Ce fait suggère la possibilité de générer des couleurs spécifiques grâce à l'optimisation de la géométrie du réseau et cet objectif peut être atteint en utilisant des techniques modernes d'optimisation et d'apprentissage automatique, telles que les algorithmes génétiques et les réseaux de neurones. Ces derniers peuvent s’avérer efficaces pour la résolution de ce type de problèmes d'optimisation et peuvent aussi tenir compte des restrictions de faisabilité, généralement imposées par les procédés de fabrication.

Les résultats obtenus dans ce projet peuvent être classés en deux ensembles principaux. Le premier concerne l'application de l'optimisation métaheuristique combinée aux réseaux de neurones pour adapter, avant la fabrication, la réponse chromatique et visuelle des hologrammes utilisés pour les applications de sécurité optique des documents. L'outil de calcul développé ouvre la possibilité de prendre en compte les contraintes de faisabilité imposées par le procédé de fabrication en série de notre partenaire industriel. Le deuxième ensemble de résultats peut être considéré comme plus fondamental, car il répond à plusieurs questions ouvertes concernant la réponse chromatique des structures diffractives existantes fabriquées par notre partenaire industriel. C'est-à-dire qu’il fournit une explication de l'origine de certains effets observés. De plus, cela a permis d'améliorer les capacités de la méthode modale de Fourier et de la méthode différentielle pour la modélisation complexe de réseaux de diffraction et leur application pour la génération de couleurs.

En ce qui concerne l’aspect applicatif du projet, l’utilisation des techniques d’optimisation modernes, combinées avec l’Intelligence Artificielle, ouvre la voie à notre partenaire industriel pour la conception des structures diffractives optimales satisfaisant entièrement les contraintes de fabrication. Cette approche permet de définir et contrôler la réponse visuelle d’une structure diffractive avant fabrication, ce qui évite des pertes de temps et le gaspillage de matériaux pour la fabrication des prototypes. L’outil de calcul développé est totalement générique et son structure modulaire permet d’étendre son utilisation pour d’autres applications autour de la sécurité de documents.

En ce qui concerne l’aspect plus exploratoire, il n’y a pas de restrictions pour étendre l’application des outils numériques développés dans des domaines autres que la sécurité des documents. En particulier, la nouvelle implémentation de la méthode MD-FFF est une solution efficace pour simuler des structures très diverses. Ces résultats nous encouragent à développer une solution 3D pour concurrencer les méthodes plus classiques.

Autres perspectives exploratoires du projet ODISSEA sont le développement d’une imagerie ou holographie de sécurité dite fantôme, où des images ou des hologrammes peuvent être créés grâce à la lumière quantique, notamment à l’intrication quantique, De même, module d’optimisation multi-objectifs développé peut être utilisé pour l’étude des problèmes multi-physiques. Notamment, la caractérisation et l’optimisation des propriétés mécaniques et optiques des structures bio-inspirées telles que les nacres artificielles dont la dureté et la transparence sont des exemples des propriétés souvent exploitées pour des applications industrielles.

Les résultats de ce projet ont été rapportés dans 6 publications internationales à comité de lecture, 7 conférences internationales, 5 conférences nationales et 1 brevet publié. Il est à noter que 4 des publications évaluées par des pairs concernent l'optimisation des réseaux de diffraction pour la reproduction des couleurs ; alors que 2 sont directement liés aux améliorations de la méthode électromagnétique utilisée pour calculer les spectres diffractés générés par les réseaux de diffraction.

Dans un récent rapport, l’agence de police européenne et le bureau de l’harmonisation du marché interne ont pointé les conséquences économiques (200 milliards de dollar par an ) et sanitaires désastreuses de la contrefaçon des biens matériels. Suite aux effroyables événements qui ont eu lieu récemment en Europe, il est évident que les passeports ou cartes d’identité se trouvent parmi les produits les plus contrefaits. Les faussaires, paradoxalement, ont aussi profité des méthodes de fabrication et de caractérisation efficaces qui ont permis d'importantes avancées dans la lutte anti-contrefaçon. Ceci a forcé les industriels à accentuer le développement de méthodes optiques de sécurité des documents. La course contre les contrefacteurs requiert la recherche de systèmes de sécurité optiques avec des designs complexes, des matériaux spécifiques tout en évitant l’utilisation d’équipements trop spécialisés utilisés dans les laboratoires. Odissea s’insère dans ce contexte.

Il s’agit de développer un outil numérique qui servira de brique de base essentielle pour réaliser puis caractériser les systèmes induisant une image diffractive variable (DOVID), propriété requise pour les applications de sécurité. Pour cela, nous devrons coupler des méthodes numériques rigoureuses avec des techniques d’optimisation. Une sélection d’outils numériques, commerciaux ou développés en interne , devra être faîte en les comparant grâce à la modélisation d’une structure diffractive périodique de référence fournie par SURYS. En combinant le code le plus efficace avec la technique d’optimisation, nous développerons des DOVIDs originaux et efficaces, adaptés à une production de masse avec un nombre limité de couches tout en utilisant des propriétés plasmoniques de structures résonantes seules ou couplées avec un guide d’onde par exemple. Pour converger rapidement, des structures vont être réalisées. Le consortium va alors s’appuyer sur les procédés de fabrication de SURYS (la nanoimpression par embossage, procédé roll-to-roll, déposition par évaporation ou pulvérisation …) complétés des procédés de prototypages rapides disponibles à l’UTT. La structure réalisée doit être parfaitement connue ou avoir des cotes optiques et géométriques très proches de la structure simulée pour assurer une parfaite cohésion entre expérience et théorie. D’autres voies de recherche complémentaires vont être explorées grâce à l’expertise des partenaires dans l’étude de la réponse optique spectrale de nanoparticules résonantes ou l’effet de la rugosité sur la surface d’une couche parfaitement adaptée pour une production de masse.

D’un point de vue plus fondamental, nous souhaitons plus particulièrement explorer lapossibilité de combiner des structures périodiques plasmoniques avec des guides d’ondes optiques pour avoir des designs plus efficaces dans le domaine de la sécurité. Cette voie est rendue possible grâce à l’expertise des partenaires académiques dans le domaine de l’optique de champ proche intégrée. Nous explorerons les possibilités et limites des d techniques holographiques, qui sont habituellement utilisées sur substrat souple comme les polymères, sur des substrats rigides comme le verre dans lesquels peuvent être intégrés des guides d’ondes de surface. On cherchera ici à mettre à profit les membranes nano-structurées avec le faible coût de l’optique intégrée sur verre.