Brevet FR2819101A1 — publié le 20020705

CAPTEUR PHOTOSENSIBLE EN TECHNOLOGIE DES CIRCUITS INTEGRES L'invention concerne les capteurs photosensibles, notamment les capteurs électroniques d'images en technologie des circuits intégrés CMOS, comportant des pixels photosensibles de faible dimension. Dans les caméras électroniques, un capteur d'image électronique remplace le film sensible des caméras traditionnelles. Ces types de capteurs comportant une surface photosensible sont utilisés dans l'imagerie à faible coût, par exemple dans les caméras numériques, appareils de photo numériques grand public ou capteurs optiques. Dans les réalisations pour les caméras photographiques, la surface photosensible du capteur peut, par exemple, être réalisée par un arrangement de 480 lignes de 640 pixels photosensibles par ligne. Chaque pixel fournit un signal électrique fonction du niveau de l'intensité lumineuse qu'il reçoit. Une électronique de traitement des signaux génère un signal électronique correspondant à l'image lumineuse réelle projetée sur la surface sensible du capteur. La figure 1 montre une réalisation simplifiée d'une caméra électronique 10 utilisant un capteur d'image 12 de type CMOS comportant une surface photosensible 14 de pixels 16. La caméra électronique comporte un système non télécentrique pour des raisons de compacité ayant une lentille 18 et un diaphragme 20 focalisant la lumière des images visées par la caméra sur la surface photosensible 14 du capteur électronique 12. Des rayons r1 de lumière, proches de l'axe optique ZZ'du système optique, ont une incidence sensiblement perpendiculaire à la surface photosensible 14 du capteur alors que des rayons r2, r3 éloignés dudit axe optique ZZ'arrivent sur les bords du capteur avec une certaine inclinaison a par rapport à une normale à cette surface photosensible 14. Les nombreuses couches du substrat nécessaires à la réalisation du capteur d'images conduisent à ce que les pixels 16 du capteur d'images 12 se présentent comme des puits pour la lumière. Une zone photosensible 22 du pixel se situe au niveau du fond de chacun de ces puits. Une bonne focalisation de la lumière sur la zone photosensible du pixel est nécessaire, d'une part, pour d'obtenir un bon rendement du pixel et, d'autre part, pour récupérer en partie de la lumière inutilisée arrivant autour des pixels. A cet effet, les capteurs d'image actuels comportent un réseau de micro-lentilles, chacune des micro-lentilles du réseau, associée à un pixel respectif, effectuant une focalisation de la lumière incidente sur un pixel et autour du pixel, sur la zone photosensible 22 du pixel. La figure 2 montre une vue de détail du capteur d'image 12 de la figure 1 comportant un réseau de micro-lentilles 30 ayant une micro-lentille 32 par pixel. La micro-lentille 32 a pour but de focaliser la lumière arrivant au niveau d'un pixel 16 sur une zone photosensible 22 située dans le fond du pixel. Actuellement, la taille des plus petits pixels, de l'ordre de 5 à 10 micromètres de largeur L pour une profondeur H du pixel du même ordre, se situe aux dimensions limites de la taille des micro-lentilles réalisables. Un tel réseau de micro-lentilles 30 permet d'obtenir une meilleure efficacité du capteur d'images dans une région du capteur proche de l'axe optique ZZ'mais cette efficacité diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de cet axe optique vers la périphérie du capteur. En effet (voir figure 2), les rayons r1 proches de l'axe optique ZZ', sensiblement parallèles à cet axe, sont bien focalisés sur la partie photosensible 22 du pixel, alors que des rayons r2, r3 éloignés du centre du capteur 12 présentent une inclinaison a par rapport à une normale la surface du capteur. L'inclinaison a des rayons lumineux est d'autant plus importante que les pixels visés sont éloignés de l'axe optique ZZ', la zone de focalisation des rayons r2, r3 se déplaçant progressivement vers les bords des pixels. A la périphérie du capteur les rayons ne sont plus focalisés sur la zone photosensible 22 des pixels mais sur les bords du puits du pixel qui fournit alors moins de charges électriques pour une même intensité lumineuse reçue par le pixel. Un autre inconvénient important des capteurs de l'art antérieur réside dans le fait que les rayons r2, r3 éloignés de l'axe optique, arrivant obliquement sur la surface photosensible, peuvent atteindre la zone sensible du pixel voisin provoquant sur ce pixel voisin une modulation parasite ou diaphonie par un rayon de lumière qui ne lui est pas destiné. En effet, les pixels des capteurs optiques ne comportent par des séparations optiques latérales opaques, les parois latérales sont relativement transparentes et les rayons de lumière obliques peuvent balayer des pixels contigus. Afin de pallier les inconvénients des capteurs photosensibles de l'art antérieur, l'invention propose un capteur photosensible, notamment en technologie CMOS, comportant un substrat ayant un réseau de pixels formant une surface photosensible recevant des rayons lumineux, caractérisé en ce qu'il comporte, dans le trajet des rayons lumineux, une couche holographique ayant un hologramme enregistré, la couche holographique ayant une fonction optique correspondant à l'inverse d'une fonction de diffusion spatiale de manière à rapprocher de la normale à la surface photosensible, les rayons lumineux arrivant sur la couche sous des incidences obliques dispersées. Dans une version plus sophistiquée la fonction de rapprochement à la normale de la surface photosensible agit pour concentrer vers un pixel les rayons incidents arrivant sur une surface entourant le pixel. L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'un capteur photosensible, notamment en technologie CMOS, comportant un substrat ayant un réseau de pixels formant une surface sensible recevant des rayons lumineux, caractérisé en ce que l'on dépose, sur la surface du capteur, dans le trajet des rayons lumineux, une couche holographique ayant un hologramme enregistré, la couche holographique ayant une fonction optique correspondant à l'inverse d'une fonction de diffusion spatiale de manière à rapprocher de la normale à la surface photosensible, les rayons lumineux arrivant sur la couche sous des incidences obliques dispersées. Dans une première réalisation du capteur d'images selon l'invention, on dépose une couche support de l'hologramme sur la surface du capteur puis on enregistre l'hologramme sur la couche holographique solidaire du capteur. Dans une autre réalisation du capteur d'images selon l'invention, la couche holographique comportant l'hologramme est réalisée à part, puis la couche est reportée sur le substrat du capteur photosensible. La couche holographique, supportée par exemple par un substrat transparent à la lumière, comporte un motif holographique enregistré dans son volume. Le motif enregistré produit la fonction optique souhaitée. La couche holographique peut être réalisée sur un film de polycarbonate, de polyester, sur une lame de verre ou sur tout autre support holographique par transmission. L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisations de capteurs photosensibles selon l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent un capteur d'images de l'art antérieur ; - la figure 3 représente un capteur d'images selon l'invention comportant une couche holographique sur le capteur ; - la figure 4a montre un enregistrement holographique dans la masse de la couche holographique ; - la figure 4b montre un enregistrement holographique en relief sur la couche holographique ; - la figure 5 représente une première variante de réalisation du capteur d'images de la figure 3. - la figure 6 représente une autre réalisation du capteur d'images selon l'invention. La figure 3 représente une première réalisation d'un capteur d'images 40 électronique selon l'invention utilisé par exemple dans une caméra électronique. Le capteur d'images comporte essentiellement un substrat 42 ayant un réseau de pixels 44 en technologie CMOS formant une surface photosensible et une couche holographique 48, déposée sur le substrat 42, produisant une fonction optique souhaitée. Le procédé de réalisation du capteur d'image selon l'invention comporte au moins les étapes suivantes : - réalisation sur le substrat 42 du réseau de pixels 44, en technologie CMOS, formant la surface photosensible ; - dépôt de la couche holographique 48 sur le substrat ; - enregistrement dans la couche holographique 48 d'un l'hologramme ayant une fonction optique tendant à rapprocher vers une normale à la surface à la couche holographique des rayons lumineux arrivant sur la surface de la couche sous des incidences obliques dispersées. La couche holographique 48 comporte un motif d'interférence holographique produisant la fonction optique souhaitée. Un tel hologramme ayant une fonction optique tendant à rapprocher vers une normale à la surface de la couche holographique 48 des rayons lumineux r1, r2, r3 arrivant sur la couche sous des incidences obliques dispersées peut, par exemple, être obtenu en produisant des motifs holographiques dans la masse de la couche holographique d'une suite d'interférences entre deux ondes de lumière cohérente, chacune des interférences étant produite par l'interférence d'une première onde arrivant par exemple d'un côté de la couche avec un angle déterminé par rapport à cette couche et d'une seconde onde arrivant par l'autre coté de la couche avec un angle d'interférence par rapport à la surface de la couche qui sera changé à chaque interférence, la variation de cet angle d'interférence balayant un angle solide des ondes incidentes obliques dispersées que l'on souhaite rapprocher de la normale à la surface de la couche. Dans la réalisation de la figure 3, des rayons de lumière r1, r2, r3, en provenance de l'optique de la caméra arrivent avec une incidence oblique d'angle, par rapport à la normale à la surface du capteur d'image, variant en fonction de la position d'arrivée des rayons sur la surface sensible du capteur. Les rayons r1, r2, r3 en traversant la couche holographique sont rapprochés de la normale à la surface sensible du capteur. En particulier, les rayons arrivant au niveau des pixels situés à proximité des bords du capteur et présentant la plus grande inclinaison par rapport à la normale du capteur, sont rapprochés de cette normale par l'action optique de la couche holographique 48. Ce rapprochement, des rayons lumineux r1, r2, r3 de la normale au capteur, se traduit par une augmentation sensible de l'éclairement des pixels situés à proximité des bords du capteur et une amélioration de leur rendement. Parmi les avantages du rapprochement des rayons de lumière de la normale au capteur on peut citer : - l'homogénéisation de la sensibilité du capteur quel que soit l'endroit de la surface sensible considéré du capteur ; - la diminution de la diaphonie entre pixels, particulièrement sur les bords du capteur, l'éclairement parasite par des rayons lumineux destinés aux pixels voisins étant sensiblement réduit. L'enregistrement de l'hologramme peut être effectué dans le volume d'une couche holographique photosensible. La figure 4a montre un tel enregistrement du motif holographique dans la masse de la couche holographique 48 du capteur d'images de la figure 3 selon l'invention A cet effet, une couche photosensible 54 est exposée à deux ondes de lumière cohérentes V1 et V2 produisant un motif d'interférences 58 dans la couche photorésistive 54. Le motif holographique 58 produit la fonction optique souhaitée. L'enregistrement de l'hologramme dans la couche holographique peut être réalisé selon d'autres façons connues, soit : - par l'impression du motif holographique en relief sur une couche thermoplastique. La figure 4b montre un tel type d'enregistrement au cours duquel, un motif holographique 60 en relief est estampé par compression de la surface d'une couche 62 thermoplastique fixée sur un support 56, par une matrice en matériau dur comportant un motif complémentaire en relief du motif à imprimer. Le support 56 peut être aussi le substrat 42 du capteur d'images électronique. - soit par l'exposition à un rayonnement d'une couche photorésistive produisant le motif d'interférence holographique. La couche photorésistive est alors développée pour obtenir un motif en relief sur la surface de la couche holographique. La réalisation du capteur d'images de la figure 3 selon l'invention apporte une nette amélioration des performances par rapport aux capteurs de l'art antérieur par un effet de canalisation des rayons lumineux vers les zones sensibles des pixels en particulier une amélioration du rapport signal à bruit du signal électronique généré par le capteur. La figure 5 représente une variante de la réalisation du capteur d'images de la figure 3 apportant une amélioration supplémentaire du rendement des pixels. Dans cette variante, la couche holographique, en plus de l'effet de rapprochement à une normale au capteur des rayons lumineux vers la zone sensible des pixels, comporte un autre effet supplémentaire de concentration des rayons vers la zone sensible 22 des pixels. En effet, dans la réalisation de la figure 3, des rayons r4, r5, r6 éclairent des parties entourant la zone sensible des pixels qui ne produisent pas de charges électriques utiles pour la génération du signal électrique représentant l'image. Dans cette variante, un capteur d'images 70 comporte le substrat 42 ayant le réseau de pixels 44 en technologie CMOS formant une surface photosensible et une couche holographique 74 sur le substrat 42, la fonction optique de concentration de la couche holographique agissant pour concentrer vers un pixel les rayons incidents arrivant sur une surface entourant le pixel. La figure 6 montre une autre réalisation du capteur photosensible 80 selon l'invention comportant une couche holographique 82 ayant les enregistrements des motifs holographiques des couches des réalisations précédemment décrites. Dans cette autre réalisation de la figure 6, la couche holographique comportant l'hologramme est réalisée à part, puis est reporté sur le substrat 42 du capteur photosensible. Selon la réalisation de la figure 6, un capteur photosensible 80 selon l'invention comporte au moins les étapes de fabrication suivantes : - réalisation sur le substrat 42 du réseau de pixels 44 en technologie CMOS formant la surface photosensible ; - réalisation sur un support 86 transparent à la lumière de la couche holographique 82 ; - enregistrement de l'hologramme sur la couche support de l'hologramme selon des techniques connues, soit par thermoformatage, soit par révélation photographique. - dépôt sur la surface du substrat, dans le trajet des rayons lumineux, du support 86 comportant la couche holographique Comme pour les réalisations de capteurs des figures 3 et 5, les rayons r4, r5, r6 arrivant sur une surface entourant le pixel peuvent être concentrés, dans cette variante de la figure 6, par la couche holographique, vers la zone sensible du pixel. Le motif d'interférence holographique est le résultat la combinaison de deux ondes en lumière cohérente dans la couche sensible, une première onde incidente venant directement de la source de lumière cohérente et une seconde onde venant de la même source mais éclairant l'objet dont on veut enregistrer l'hologramme correspondant à la fonction optique souhaitée. C'est un enregistrement par voie naturelle. L'hologramme peut être de type synthétique. Dans ce cas, le motif holographique d'interférence peut être réalisé par calcul à l'ordinateur, ce qui comporte l'avantage de pouvoir obtenir des motifs holographiques correspondant à des fonctions optiques qui ne peuvent pas être obtenues à l'aide d'un enregistrement par voie naturelle Les hologrammes synthétiques sont utilisés pour réaliser des fonctions optiques de filtrage de fréquence, de visualisation ou pour la réalisation d'éléments optiques. Des enregistrements de motifs holographiques peuvent être aussi obtenus par combinaison d'hologrammes naturels et d'hologrammes synthétiques. L'hologramme enregistré dans la couche holographique du capteur d'images selon l'invention permet une souplesse et une facilité d'obtention de différentes fonctions optiques nécessaires aux capteurs optiques. Mais d'autres possibilités sont encore offertes par des hologrammes comme le filtrage des couleurs des caméras couleur. A cet effet, la couche holographique, en plus des fonctions optiques des réalisations décrites, comporte des fonctions de filtrage optique des trois couleurs fondamentales rouge, vert et bleu. Dans les capteurs d'images pour les caméras photographiques ou vidéofréquences, on cherche à produire un signal électrique correspondant à la lumière visible provenant de l'objet à visualiser. Il n'est donc pas souhaitable d'éclairer les pixels du capteur par de la lumière non visible. A cet effet dans une troisième variante du capteur d'image selon l'invention, la couche holographique comporte un hologramme produisant une fonction optique de filtrage des rayons infrarouges non utiles pour la caméra. L'application du capteur selon l'invention, n'est pas limitative aux capteurs d'image des caméras. Dans certains types de capteurs optiques, la lumière est transmise à un pixels photosensible par l'intermédiaire d'une fibre optique dont l'extrémité de sortie est située face à ce pixel. La lumière se déplace dans la fibre optique par réflexion sur les parois de la fibre. La lumière sortant à l'extrémité de la fibre présente un angle non nul par rapport à la normale à la zone sensible du pixel. La couche holographique, telle que décrite dans l'invention, rapproche la lumière en sortie de la fibre de cette normale à la zone sensible du pixel avec les avantages cités précédemment. REVENDICATIONS 1. Capteur photosensible, notamment en technologie CMOS, comportant un substrat ayant un réseau de pixels (16,44) formant une surface photosensible recevant des rayons lumineux (r1, r2, r3, r4, r5, r6), caractérisé en ce qu'il comporte, dans le trajet des rayons lumineux, une couche holographique (48,74, 82) ayant un hologramme enregistré, la couche holographique ayant une fonction optique correspondant à l'inverse d'une fonction de diffusion spatiale de manière à rapprocher de la normale à la surface photosensible, les rayons lumineux arrivant sur la couche sous des incidences obliques dispersées. 2. Capteur photosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction de rapprochement à la normale de la surface photosensible agit pour concentrer vers un pixel (44) les rayons incidents arrivant sur une surface entourant le pixel. 3. Capteur photosensible selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche holographique, comporte des fonctions de filtrage optique des trois couleurs fondamentales rouge, vert et bleu, des caméras couleur. 4. Capteur photosensible selon l'une des revendications 1, à 3, caractérisé en ce que la couche holographique comporte un hologramme produisant une fonction optique de filtrage des rayons infrarouges. 5. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible, notamment en technologie CMOS, comportant un substrat (42) ayant un réseau de pixels (44) formant une surface sensible recevant des rayons lumineux (r1, r2, r3, r4, r5, r6), caractérisé en ce que l'on dépose sur la surface du capteur, dans le trajet des rayons lumineux, une couche holographique (48,74, 82) ayant un hologramme enregistré, la couche holographique ayant une fonction optique correspondant à l'inverse d'une fonction de diffusion spatiale de manière à rapprocher de la normale à la surface photosensible, les rayons lumineux arrivant sur la couche sous des incidences obliques dispersées. 6. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'hologramme enregistré est obtenu en produisant des motifs holographiques dans la masse de la couche holographique (48,74, 82) d'une suite d'interférences entre deux ondes de lumière cohérente, chacune des interférences étant produite par l'interférence une première onde arrivant d'un côté de la couche avec un angle déterminé par rapport à cette couche et d'une seconde onde arrivant par l'autre côté de la couche avec un angle d'interférence par rapport à la surface de la couche qui sera changé à chaque interférence, la variation de cet angle d'interférence balayant un angle solide des ondes incidentes obliques dispersées que l'on souhaite rapprocher de la normale à la surface de la couche. 7. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce la couche holographique (82) comportant l'hologramme est réalisée à part, puis la couche est reportée sur le substrat (42) du capteur photosensible. 8. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la couche holographique (48, 74) peut être réalisée sur un film de polycarbonate, de Polyester, sur une lame de verre ou sur tout autre support holographique par transmission. 9. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'on dépose une couche holographique (48) support de l'hologramme sur la surface du capteur d'images puis on réalise l'hologramme sur la couche holographique solidaire du capteur. 10. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dépôt sur le substrat (42) du capteur d'une couche holographique (48) support de l'hologramme est effectué lors de la fabrication des galettes de silicium comportant une pluralité de capteurs photosensibles. 11. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon la revendication 10 caractérisé en ce que la couche holographique (62, 82) est une couche thermoplastique, l'enregistrement de l'hologramme étant effectué par thermoformattage. 12. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon la revendication 10 caractérisé en ce que la couche holographique est une couche en gélatine photosensible l'enregistrement de l'hologramme étant effectué par révélation photographique. 13. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon l'une des revendications 5 a 9, caractérisé en ce que l'enregistrement de l'hologramme dans la couche holographique (48, 74, 82) est réalisé par l'impression du motif holographique en relief sur une couche thermoplastique fixée sur le support (50, 56) par une matrice en matériau dur comportant un motif complémentaire en relief du motif à imprimer, 14. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon l'une des revendications 5 a 9, caractérisé en ce que l'enregistrement de l'hologramme dans la couche holographique (62, 82) est réalisé par l'exposition à un rayonnement d'une couche photorésistive produisant le motif d'interférence holographique, la couche photorésistive étant alors développée pour obtenir un motif en relief (60) sur la surface de la couche holographique. 15. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon les revendications 5 à 13, caractérisé en ce que le motif d'interférence holographique est le résultat de la combinaison de deux ondes en lumière cohérente (V1, V2) dans la couche holographique (48, 58, 74, 82), une première onde incidente venant directement de la source de lumière cohérente et une seconde onde venant de la même source mais éclairant l'objet dont on veut enregistrer l'hologramme correspondant à la fonction optique souhaitée 16. Procédé de réalisation d'un capteur photosensible selon l'une des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que l'hologramme peut être de type synthétique, le motif holographique d'interférence étant réalisé par calcul à l'ordinateur.