Brevet FR2123114A1 — publié le 19720908

La présente invention concerne des parfectiormements aux nosaiques opto-électriques comportant une répartition en X, Y d'éléments ttans- ducteurs, ainsi qu'aux dispositifs utilisant de telles mosalques. L'invention est, plus particulièrem-nt, relative à de telles mosaSques réalisées en circuits solides incluant les éléments transducteurs et les connexions y aboutissant ainsi que, des circuits directement associés aux éléments transducteurs et conçus en fonction de 11 exploitation envisagée. Ces derniers circuits peuvent notamment comporter des circuits d'exploration de la matrice en X, Y de transducteurs selon un ordre déterminé qui peut entre, par exemple, un balayage du type ligne par ligne utilisé en télévision.Dans ce concept, des applications par ticulierement envisagées pour l'invention concernant des réalisations de dispositifs de prises de vues ou de visualisation, en circuits solins Des techniques récentes utilisées dans ce but, dans le domaine de la télévision notamment, font apparaitre da multiples difficultés entrainant d'une part, une commercialisation limitée en considération du prix de revient, d'autre part, des performances limitées du point de vue définition, c'est-i-dire du nombre de points déterminé par la grille de transducteurs. Sn conséquence, le champ d'application de telles. mosaques reste réduit. Sn ce qui concerne notamment le remplacement d'un tube de prise de vue, le problème consiste à produire une mosaïque d'éléments photorécepteurs, tels des photodiodes, disposés en lignes et colonnes et associés à des circuits d'exploitation. Ces circuits comportent généralement des cellules d'intégration et des circuits d balayage. Une technologie récente, du type "intégration à grande échelle", consiste à élaborer sur un plan d'un substrat semiconducteur de grandes dinensions, par diffusion et masquages successifs, les différents fonctions r-quises, l'interconnexion de ces fonctions étant obtenue par dépôts de métallisations. Cette technologie présente de multiples inconvénients et, en particulier, un cott élevé lorsque le nombre d'éléments photosensibles est important. De ce fait, la commercialisation dtune mosaïque photosensible bidimensionnelle comportant des circuits d'exploitation intégrés reste limitée à un nombre réduit d'éléments, tel que, 10 x 10 photodiodes. Ceci résulte notamment de la complexité de la structure à réaliser qui introduit un faible rendement de fabrication, un défaut en un point quelconque entraînant le rejet de la mosaïque. D'autres inconvé-iients sont dus au faiblas rapport présenté entre la surface active des photodiodes et la surface totale de la rnosaTque, aux capacités parasites limitant les possibilités de commutation, aux interactions entre circuits proches ainsi que, aux difficultés da maigrisse et de contrôle des caractéristiques des différentes fonctions intégrées. De manière à remédier à ces défauts, la tendance actuelle est orienté vers l'utilisation d'une seule mosaïque linéaire comportant une rangée de photorécepteurs associés à des circuits de décodage intégrés. L'analyse de l'image optique s'obtient en associant cette mosaïque avec un système déflecteur optique à balayage mécanique. La réalisation de la mosaïque est considérablement simplifiée par rapport aux mosaïques bidimensionnelles précitées mais les performances techniques sont limitées du fait que la sensibilité est liée à la valeur de la fréquence image choisie. En effet, une commutation très rapide entraîne une durée d'intégration réduite au détriment de la sensibilité. Dans le cas d1un dispositif de visualisation utilisant une mosaïque bidimensionnelle de photo-émetteurs, la définition obtenue est comparativement plus élevée que pour une mosaïque de photorécepteurs d'un dispositif de prise de vues. Ceci résulte du fait que l'aire présentée par l'écran de visualisation peut être comparativement beaucoup plus importante que celle généralement disponible dans le plan de photoréception d'une camera. En conséquence la technologie utilisée en visualisation est différente, les éléments électroluminescents sont en général juxtaposés en lignes et colonnes pour occuper sensiblement la totalité de l'aire de l'écran, et les circuits d'exploration peuvent se trouver située à l'arrière des éléments transducteurs. L'ensemble constitue une structure complexe et de coût élevé. Un objet de la présente invention est la réalisation d'une mosaique en X, Y d'éléments transducteurs opto-électriques pouvant être associés à des circuits d'exploitation sous forme intégrée et qui remédie aux inconvénients cités. En particulier, l'application à une caméra de télévision d'une telle mosaïque solide équipée de photorécepteurs, permet d'obtenir une définition comparativement plus élevée dans des conditions de coût modéré. Suivant l'invention, une mosaïque en X, Y est constituée au moyen d'un empilement en escalier de plaquettes présentant chacun dans la zone non -recouverte une rangée de transducteurs opto-électriques, la partie recouverte pouvant comporter des circuits d'exploitation associés auxdits transducteurs et réalisés sous forme intégrée. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent : - la figure 1, un schéma simplifié partiel d'une mosaïque linéaire du type comportant une rangée de transducteurs opto-électriquesassociés à des circuits d'exploitation sous forme intégrée. - les figures 2 et 3, une vue d'élévation at une vue de dessus d'une mosaïque bidimentionnelle conforme à l'invention. - la figure 4, une vue perspective d'une mosaïque opto-électrique en X, Y selon l'invention. - la figure 5, un schéma simplifié d'un montage d'une mosaïque bidimensionnelle selon l'invention de manière à constituer un dispositif opto-électrique de prise d vues. - les figures 6 et 7, des schémas relatifs à une forme de réalisation des circuits électriques d'exploration pouvant être inclus dans un dispositif selon la figure 5. - la figure 8, un schéma simplifié d'un équipement de télévision en circuit fwraé comportant des mosaïques selon la présente invention. Une mosaïque bidimensionnelle conforme à l'invention est obtenue par un assemblage da mosaïques élémantaires du type mosaïque linéaire comportant une rangée d'éléments transducteurs opto-électriques ainsi que les connexions destinées à relier ces éléments à des réa isation circuits nrmetes. Leur pat être obtenus selon des techniques de microcircuits sur une face d'une plaquette parallélépipédique qui peut âtre un substrat en matériau semiconducteur, tel du silicium La figure t représente une mosaïque linéaire d'un type pouvant entre utilisé pour constituer l'assemblage et dans laquelle, les éléments transducteurs, tels D1, .. D Du,., se trouvent associés à des circuits dits "d'exploitation" CE réalisés sous forme de circuits intégrés. Le substrat 5 est constitué par une plaquette, ou pastille, de grandes dirnensions. Les éléments transducteurs sont alignés selon une longueur d'une face large du substrat et à proximité d'un bord de cette face. Il est entendu que les éléments transducteurs opto-élactriques sont du type photorécept-ur ou photo-émetteur, selon l'application prévue. Les circuits associés CE comportent généralement des circuits de balayage de la ligne de transducteurs. Des bornes de raccordement extérieur sont prévues pour effectuer les liaisons fonctionnelesnécossaires ; alimentation , signaux de commande et signal video d'exploitation, entre la plaquette et des circuits annexes d'exploitation. L procédé d'assemblage selon l'invention est représenté sur la figure 2. Les mosaïques linéaires constituées par des plaquettes identiques sont empilées en escalier, en ménageant comme surface non recouverte, pour chacune des plaquettes internes à la pile, celle corraspondant à la rangéa correspondante d'éléments transducteurs. Le nombre de mosaïques linéaires Mol,.. Mj.. Mn, ainsi empilées est égal au nombre n da lignes envisagées. Le nombre de colonnes est égal au nombre p de transducteurs portés par une ligne et la définition de la mosaïque, ou nombre de points, est égal au nombre total de transducteurs soit n > Lt et L2 de la figure 1 sont réalisées les plus faibles possibles, par exemple inférieures à une dizaine de microns, et la côtv L4 est sensiblement égale à L2 + L3, L3 étant la largeur de la ligne de transducteurs qui peut âtre, par exemple,de l'ordre de 200 microns. Pour de multiples applications, il est utile de disposer de la grille en X, Y des éléments trnsducteurs située sur un plan. Ce résultat est obtenu en associant des moyens da transposition optique aux n lignes répartis sur autant de plans parallèles. Une solution représentée sur la figure 4 consiste à utiliser un bloc 1 de fibres optiques de direction orthogonale aux plans des lignes de transductcurs. Le bloc 1 peut être façonné à la partie inférieure de manière à $oser les marches successives de la structure en escalier; il se termine à la partie supérieure opposée selon un plan 2 constituant le plan d transposition optique. Chaque transducteur se troupe ainsi reporté sur une aire élémentaire 3 de ce plan par la colonna de fibres4 correspondante. La figura 5 représante un schéma simplifié d'un montage d'un tal ensemble on prévision d'une application à la prise de vues opto-électrique. Le plan de transposition 2 précité constitue le plan focal image d'un champ observé par un objectif optique 11. L'image lumineusa produita sur ce plan est transférée par le bloc de fibres optiques 10. Dans la version représentée la construction de ce bloc est simplifiée, la partie proche des transducteurs est constituée par un plan incliné à 45 degré et les creux de la structure en escalier peuvent Stre comblés par un matériau 12 adaptateur d'indices utilisé en optique. Les transducteurs sont constitués d'éléments photosensibles tels des photodiodes. Un substrat de céramique 13 est utilisé d'une part, comme moyen de calage mécanique, d'autre part comme support du calage d'interconnexion.Le circuit.d'interconnexion peut y lustre déposé selon les techniques des "couches minces ou épaisses" Les liaisons entre ce circuit et les bornes des différentes plaquettes s'affactuent au moyen de fils conducteurs soudés en extrémité tel que 14, et les liaisons avec l'extérieur par d'autres fils de connexions symbolisés n 15. Le positionnement latérel des bornes de raccordement extérieur représenté en traits pleins sur la figure 1 n'est pas limitatif. Selon la varianta tracée en pointillé, ces bornes sont ramenées vers le bord latéral portant la ligne de transducteurs, et en prolongement de cette ligne, de manière a apparaitre visibles après empilement des plaquettes et à autoriser un raccordement aisé. Les autres éléments représentés comportent des organes de calage et d maintien, tels que céux repérés en 16, 17, 18 et un organe d'assemblage constitué par un boîtier 19.Les plaquettes M1 à Mn, ainsi que les isolants intercallaires, sont préalablement positionnés, et maintenus entre eux par collage pour constituer un bloc rigide avec le substrat 13, auquel les liaisons de sortie ont été rapportées. La figure 6 représente un schéma des circuits d'exploitation intégrés CE pouvant âtre associés à une mosaïque linéaire de photodiodes. Chacune de ces dernières est connecté à un premier circuit 20j d'intégration, tel un élément capacitif, dont la sortie est connectée à un circuit interrupteur ou circuit porte analogique, 21j, tel un transistor à effet de champ. Les p sorties de ces circuits interrupteurs sont reliées à une sortie vidta commune 22. La commande successive de fermeture des circuits interrupteurs au cours d'un balayage ligne cotrespondant à la mosaïque considérée est obtenu par un dispositif 23, tel un registre à décalage à p étages affichant 1 pour un étage et 0 pour les p-1 étages restants. Ce dispositif 23 reçoît des signaux de corssmande et en particulier un signal d'horloge. Un exemple de distribution des signaux de commande permettant le balayage ligne par ligne de ensemble des mosaïques linéaires est représenté sur un schéma simplifié à la figure 7. Le signal d'horloge en 30 est appliqué simultanément à tous les étages des différents registres 23-1 à 23-n affectés respectivement aux différentes mosaïques. Un second signal est appliqué en 31, composé d'une impulsion dite impulsion de démarrage. Cette impulsion est transmise à travers un circuit porte OU, par la connexion 33,à une entrée du premier étage d'un premier registre 23-1 et d'autre part, par la connexion 34, à tous les autres étages des registres 23-1 à 23-n. Les circuits sont déterminés de manière à produire sous l'effet de ce signal de démarrage, la remise à zéro des différents stages à l'exception du premier étage du premier registre qui se trouve placé à l'état 1. Les registres sont connectés en cascade, leur sorti étant connectée à l'entrée du registre suivant et ainsi de suite jusqu'au dernier 23n qui se trouve raccordé à l'entrée du premier registre 23-1 par l'intermédiaire du circuit porte 32. A chaque période d'horloge, l'état 1 unique est décalé d'un étage au suivant. Au cours de la n x pièmepériode d'horloge suivant l'impulsion de démarrage, l'état 1 est prélevé à la sort-ie du registre 23n et transféré à nouveau à l'étage 1 du premier registre, produisant en même temps une commande de remise à zéro des autres étages des registres ,et le cycle recommence de même ainsi de suite. Sizultanément, le signal de sortie du dernier étage d'ordre p du registre 23n est récupéré on 35 pour constituer un signal de synchronisation image ou trame. Le premier signal de trame étant constitué par le signal de démarrage, cette récupération peut âtra effectuée à travers un circuit porte OU, 36. Des circuits complémentaires non représentés assurent, selon des techniques connues, la stabilité de fonctionnement en remédiant à tout bas culenent intempestif d'étage provoqué par un signal parasite. Une mosaSque bidimcnsionnelle conforme à l'invention paut etre utilisée comme dispositif de visualisation en utilisant comme éléments transducteurs des photo-émetteurstels des diodes électroluminescentes. Les circuits d'xplortion associes éventuellement dans l'assemblage peuvent comporter comme précédemment, un circuit du type registre connandant successivement la fermeture de ports analogiques, chacune d'elle permettant la transmission d'un signal video au transducteur correspondant. La liaison peut comporter éventuellement un circuit aj-lificateur connecté par sa sortie audit photo-émetteur. Une application intéressante illustrés sur la figure 8, est la constitution d'un ensemble de télévision en circuit fermée Il comporte un dispositif de prises da vues 50 du type décrit at un dispositif de visualisation 51 réalisé selon le m3me procédé et ayant la m9me définition. Des éléments annexes comprennent un circuit de commande 52, un circuit d'alimentation 53, un circuit oscillateur à quartz 54 délivrant le signal d'horloge, et un circuit générateur de l'impulsion de dénarrage 55. Le circuit de commanda permet la mise en route de l'alimentation puis, le déclenche--ent du circuit générateur 55.Les liaisons 56 et 57 entre les deux dispositifs 50 et 51 transmettent respectivement les signaux video et de synchronisation trame. Les équipements annexes et le dispositif de visualisation-peuvert se trouver groupés dans un ensemble 58 à portée d'un opérateur. Un dispositif de prise de vues conforme à l'invention peut entre utilisé comme caméra de télévision chaque fois que le poids, le volume, la robustesse, la sensibilité et la fiabilité constituent des impératifs techniques. C'est le cas notamment pour des caméras embarquées à bord de satellite ou d'engins où, de plus, une alimen- tation à basse tension et à basse puissance est désirée. Au stade actuel de latechnique, une mosaïque linéaire (fiv.1) put comporter aisément 100 éléments transducteurs, ce qui permet de réaliser une mosaïque bidimensionnelle de 100 x 100 éléments et un dispositif d prise de vue ou de visualisation dont la définition équivaut à 10.000 points. Ce niveau de définition est largement suffisant pour envisager l'exploitation de ces dispositifs dans le domaine de la transLlission d'image par liaisons téléphoniques, moyennant l'adjonction de circuits d'adaptation permettant notamment le transfert des signaux entre les stations en c ommunication. Parmi les avantages présentés par la présente invention compa- rativU ent à l'art connu, on peut citer une amélioration importante du du randement de fabrication, l'élimination par suite de défaut étant ramené au niveau d'une mosaïque élémentaire correspondant à une ligne. De plus, la fabrication peut être envisagée pour une srio importante de mosaSque élémentaires et la procédure de contrôla se trouve simplifiée, ce qui contribue complémentairerlent à diminuer le prix de revient. Considérée à sensibilité équivalente, la définition ou nombre de points atteint une valeur élevée. Be dispositif réalisé en circuits solides est entièremallt statique et procure une fiabilité élevée. PEVENDICATIONS t. Mosaïque opto-électrique en circuitssolides comportant une répartition en X, Y d'éléments transducteurs, caractérisé en ce qu'elle comporte une pluralité n ( ,.. M AI ) de plaquettes parallélépipédiques empilées en escalier, chaque plaquette comportant, sur une face large, une mosaSque linéaire solide constituée par une pluralité p de transducteurs (D1.. D .. Dp) localisés parallélement et à proximité d'un bord de ladite face, ledit empilement ménageant, pour chaque plaquette interne à la pile, une aire découverte comportant la ligne correspondante de transducteurs. 2. Mosaïque opto-électrique bidimensionnelle selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune desdites plaquettes est constituée en matériau semiconducteur et comporte complémentairement sous forme de circuits intégrés, des circuits d'exploitation (CE) associés à la ligne de transducteurs et localisés dans l'aire de ladite face recouverte par l'empilement. 3. Mosaïque opto-électrique bidimensionnelle selon la revendication 1 ou 2,caractérisée en ce que des moyens optiques de transposition d'image sont associés PUX n lignes de p transducteurs, permettant le report optique sur un même plan des n x p transducteurs. 4. Mosaïque opto-électrique bidimensionnelle selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens optiques comportent un bloc (1) de fibres optiques de direction orthogonale auxdites plaquettes, lesdites fibres aboutissant par une extrémité sur un plan (2) constituant le plan de transposition et de direction parallèle aux plaquettes. 5. Mosaïque opto-électrique bidimensionnelle selon la revendication 1 ou 2, ou 3,caractérisée en ce que l'empilage desdites plaquettes est effectué avec interposition de feuilles isolantes (I,.. I .. 1n-i) entre plaquettes successives, chacune desdites feuilles recouvrant sur une plaquette une fraction ou la totalité de l'aire de ladite face extérieure à celle ménagée par l'empilement. 6. Mosaique opto-électronique bidimensionnelle selon la revendication 1 ou 2, ou 3 ou 4, ou 5, caractérisée en ce que des moyens d'interconnexion desdites plaquettes comportent un circuit d'interconnexion déposé sur une face plane d'un substrat de céramique (13), des liaisons filaires (14) entre ledit circuit d'interconnexion et lesdites plaquettes, ainsi que des liaisons filaires complémentaires (15) entre ledit circuit d'interconnexion et des dispositifs extérieurs d'exploitation. 7. Monarque opto-électrique bidimensionnelle selon la revendication 3 ou 4, ou 5, ou 6, caractérisée en ce que ledit plan de transposition est positionné dans le plan focal image d'un objectif optique (il) associé afin de constituer un dispositif de prises de vues, lesdits transducteurs étant des éléments photosensibles tels des photodiodes. 8. MosaSque opto-électronique dibimensionnelle selon la revendication 3, ou 4, ou 5, ou 6, caractérisée en ce que ledit plan de transposition constitue 1 écran d'un dispositif de visualisation, lesdits transducteurs étant des éléments photo-émetteurs tels des diodes électroluminescentes. 9. MosaTque opto-électrique bidimensionnelle selon la revendication 2 combinée avec l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que lesdits circuits d'exploration groupent des moyens de balayage ligne par ligne de la mosaïque. 10. Mosaïque opto-électrique bidimensionnelle selon l'une des revendications 2, 5, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisée en ce que lesdites plaquettes comportent des bornes de raccordement extérieur disposées respectivement sur ladite aire découverte et en prolongement de part et d'autre de la ligne correspondante de transducteurs.