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Laboratoire des Systèmes Photoniques EA 3426 N° d’ordre : École Doctorale Mathé

Laboratoire des Systèmes Photoniques EA 3426 N° d’ordre : École Doctorale Mathématiques, Sciences de l'Information et de l'Ingénieur ULP – INSA – ENGEES THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Sciences pour l’Ingénieur Spécialité : Photonique et Opto-Mécatronique par Mandiaye NDAO DEVELOPMENT OF AN OPTOMECHATRONIC ANGLE SENSOR BASED ON PLASTIC DIGITAL DIFFRACTIVE OPTICS Proposition, Implementation and Evaluation of Different “Bottom-Up” and “Top-Down” Design Approaches, Complex System Modeling and Proposition of a New Paradigm Shift toward Functional Virtual Prototyping for the “Meet-In- the-Middle” ii Avant-Propos Du Composant au Système, Chronique d’une Evolution et d’une Révolution Lorsque j’ai décidé de rédiger cette thèse, deux alternatives s’ouvraient à moi. Soit rédiger un mémoire dédié à la photonique, la micro-optique, l’optique diffractive et aux différents outils mathématiques et numériques utilisés ou alors remettre le sujet dans son contexte et prendre du recul sur le travail qui a été accompli. Au fur et à mesure de l’avancement de la thèse la deuxième approche apparaissait de plus en plus comme la plus pertinente et la plus « naturelle ». Après de multiple réflexions, je me suis finalement rendu compte que la réponse à mes interrogations était inhérente à la nature même du domaine abordé : l’Optomécatronique (Fusion de la Photonique / Optique et de la Mécatronique). En effet, l’optomécatronique est un domaine émergent (moins de 10 ans), qui par définition est « une » discipline transversale qui se nourrit de toutes les branches de la physique mais aussi de toutes les branches technologiques pour répondre de la manière la plus efficace (performance, compacité, coût) à des problèmes techniques complexes. Au regard de cette définition, l’optomécatronique apparait aussi comme étant une discipline exogène, fortement orientée vers l’innovation « Technologique » et aussi révolutionnaire plutôt qu’évolutionnaire comme nous le verrons dans la suite (en référence à la pente de progression des autres domaines que nous qualifierons ici de classique). Dans ce contexte, j’ai finalement décidé d’aborder la problématique avec une triple approche qui peut être résumée en: Quoi ?, Comment ? Et surtout Pourquoi ? Les trois interrogations exposées ici peuvent se décliner de manière naturelle en 4 domaines qui d’habitude sont abordés de manière disjointe, mais qui ici apparaissent comme reliés et même à fusionner : • Quoi et Pourquoi : La Physique • Quoi et Comment : La Technologie • Quoi et Pourquoi : Le Management de l’Innovation • Quoi et Comment : La Stratégie Cette évolution de manière de penser ne s’est pas faite d’une manière directe, mais plutôt de manière continue au fur et à mesure de l’avancement. En effet au iii démarrage de cette thèse (en fin 2004), j’étais plutôt orienté modélisation physique et conception d’éléments diffractifs (après deux stages dans le domaine). La première révolution s’est faite en relation même avec le type d’application abordé cette fois ci : une application de masse et surtout dans l’automobile. Ces deux aspects présentent des défis qui ne peuvent être levés qu’en abordant la problématique technologique, c'est-à-dire du process de fabrication, de manière profonde car les objectifs de performance, coût et surtout de fiabilité sont primordiaux. Cette première révolution s’est ensuite amplifiée par le fait de mon changement de statut. En effet, en cours de thèse, je suis passé du Laboratoire des Systèmes Photoniques (après 20 mois) à DELPHI, où j’occupe aujourd’hui le poste d’Expert en Développement Technologique. Cette expérience industrielle « in- situ » très riche m’a notamment fait comprendre l’importance des notions de « Design for Manufacturing » et « Design for Assembly » qui sont très souvent les grandes faiblesses de l’optique (classique) vue de l’industrie (de masse). Ensuite une deuxième révolution est survenue, car au fur et à mesure de l’avancement je me rendais de plus en plus compte que la physique et la technologie à elles seules ne permettaient pas d’expliquer et surtout de trouver des réponses aux problèmes auxquelles nous étions confrontés. Cette deuxième révolution est venue du fait que notre objectif affiché été de réaliser une innovation discontinue. En effet ce type d’activité impose de se poser la question de la stratégie de développement technologique à prendre pour converger dans des délais raisonnables (2-3 ans) vers une solution technique acceptable, mais aussi celle des infrastructures et de l’environnement (partenaires, fournisseurs) qui assurent la faisabilité et la viabilité de notre concept technologique. En fait c’est cette particularité qui constitue la différence principale entre une activité inventive et une activité « innovative » où la finalité est de réaliser un produit qui répond à un besoin identifié (du marché) et à certaines contraintes. Ceci étant dit, les deux activités présentées ci-dessus ne sont pas indépendantes et sont souvent exécutées dans un ordre séquentiel : tout d’abord une invention, qui est convertie par la suite en produit par l’activité d’innovation. Cette dernière remarque explique entre autres l’importance des collaborations entre industriels et universités en vue de traduire les résultats de la recherche fondamentale et appliquée en produit (innovation). Cette approche s’illustre bien à travers le projet DIANE qui est une collaboration entre DELPHI, un équipementier automobile spécialisé entre autres dans la mécatronique et l’université Louis Pasteur de Strasbourg, dont l’expertise iv en photonique est reconnue au niveau mondial à travers son Laboratoire des Systèmes Photoniques (LSP). La création récente des Pôles de Compétitivité vient confirmer la nature potentiellement « gagnante » de ce type de partenariat. Ensuite une troisième révolution est survenue : Comment gérer de la manière la plus efficace la complexité grandissante de la conception des systèmes ? En effet les méthodes classiques de conceptions inspirées du fameux cycle en V proposent de faire une conception descendante des spécifications système à la définition des composants et de remonter par la suite en faisant des vérifications et des validations de concept. Cette approche est très élégante et a fait ses preuves dans la conception de systèmes très performants qui peuvent être illustrés par de nombreux exemples provenant de l’industrie. Cependant dans le cadre des systèmes complexes multidisciplinaires, comme nous le verrons dans la suite, cette approche montre ses limites car elle mène souvent à de multiples boucles d’itération Conception/Fabrication/Test et Validation, faisant de fait exploser les budgets et les durées de développement. Dans le nouveau contexte industriel très compétitif et drainé par l’innovation, une nouvelle approche capable de maitriser ces enjeux s’impose. Dans cette optique, une nouvelle approche multi-niveaux Top-Down /Bottom-Up révolutionnaire appelée Prototypage Virtuel apparait comme étant une solution efficace au problème de conception, modélisation et simulation en allant plus loin en proposant le T-CAD (Technology CAD) ou Conception Technologique Assistée par Ordinateur. Nous verrons par la suite la force de cette approche, qui devrait très vite diffuser dans la communauté et dans les milieux ingénieur et de la R&D. Au passage je remercie grandement le Dr Yannick Hervé avec qui les longues discussions sur la modélisation multi niveaux & Multi- abstraction, le prototypage virtuel fonctionnel et le VHDL-AMS m’ont permis de changer radicalement ma vision système. Plongé dans cet environnement très exogène (multidisciplinaire, multi- industrie, multi-échelle physique) et divers (multiculturel privée/public, recherche/innovation), je me suis attelé à répondre aux défis posés en proposant une approche système « originale » avec plusieurs niveaux d’abstraction, tout en prenant en compte les aspects transverses tels que les technologies et les process de fabrication, mais aussi le management de l’innovation. En mon sens, un nouveau paradigme «RiD » (Recherche, Innovation et Developpement) s’impose aujourd’hui pour répondre au défi de l’intégration technologique transversale et v verticale et aussi celui de la transversalité nécessaire pour bien appréhender la « notion de produit ». Les pages qui suivent relatent les différents défis affrontés, les solutions qui ont été proposées et enfin un bilan général. Mandiaye NDAO Atlanta, le 11 juillet 2007 vi Remerciements / Acknowledgements Je ne saurais ouvrir cette thèse sans remercier les personnes qui m’ont aidé, accompagné et encadré au cours de ce travail de recherche. Tout d’abord mes pensées vont à mon Directeur de Thèse le Pr Patrick Meyrueis qui m’a donné cette opportunité unique de travailler dans un contexte de recherche appliquée avec une finalité industrielle et qui m’a suivi de près et envoyé partout à l’international (Séminaires scientifiques, Voyages d’étude …) pour voir en pratique comment se faisaient les choses, mais aussi échanger avec les meilleurs experts et professionnels des domaines abordés. Ensuite mes pensées vont vers Dr Bernard Kress, mon co- encadrant de thèse et mentor en optique diffractive. Merci aussi aux divers membres du jury d’avoir acceptés d’évaluer mon travail de thèse. Enfin merci à toutes les personnes qui ont contribuées de près ou de loin au bon déroulement et à la réussite de cette thèse. • Laurent Tupinier, France Advanced Engineering Manager (DELPHI Mechatronics, Illkich, FRANCE) • Olivier Marroux, Project Manager (DELPHI Mechatronics, Illkich, FRANCE) • Johann Michel, Electronics & Hardware Engineer (DELPHI Mechatronics, Illkich, FRANCE) • Laurent Geyl, Product & Validation Engineer (DELPHI Mechatronics, Illkich, FRANCE) • Paul Antoine Thrischler, Software Engineer (DELPHI Mechatronics, Illkich, FRANCE) • Dominique Dagostino, Mechanical Prototypist (DELPHI Mechatronics, Illkich, FRANCE) • uploads/Science et Technologie/ cyber.pdf