Brevet FR2875299A1 — publié le 20060317

COMPOSANT DE DETECTION DE RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES L'invention concerne un composant de détection de rayonnements électromagnétiques, notamment dans le domaine du visible et de l'infrarouge. Ces composants intègrent traditionnellement un circuit de détection du rayonnement en question, classiquement déposé sur un substrat de nature appropriée, par exemple de type semi-conducteur (silicium monocristallin, germanium, etc...), destiné à transformer ledit rayonnement en signaux électriques, ledit circuit de détection étant associé à un circuit de lecture, apte à exploiter ces signaux en vue de les restituer notamment sous forme visuelle. Dans le cadre de l'application de certains de ces composants, notamment pour la détection de rayonnement infrarouge, ces composants doivent être immergés en atmosphère neutre (gaz rare), voire même sous vide plus ou moins poussé. A cet effet, un tel composant est encapsulé dans un boîtier assurant l'herméticité requise, ledit boîtier étant alors muni d'une fenêtre positionnée en regard du circuit de détection du rayonnement en question, et transparente à ce dernier, hermétiquement scellée sur ledit boîtier. En outre, pour des raisons d'optique, et notamment de formation de l'image à acquérir, un ou plusieurs systèmes optiques situés en amont de ladite fenêtre, sont également nécessaires. Ces systèmes optiques sont classiquement constitués d'une ou plusieurs lentilles, intégrées au sein d'une structure qui doit permettre le centrage du ou desdits systèmes optiques par rapport à l'axe optique du circuit de détection. Par ailleurs, dans le cadre de l'intégration de ce type de composant dans des dispositifs plus complexes, tels que par exemple une caméra, on associe également un système optique supplémentaire, en général un objectif, ainsi qu'une carte électronique externe par rapport au composant proprement dit, et destinée à traiter les signaux détectés. On a par exemple représenté en relation avec la figure 1 un composant de l'art antérieur dépourvu de tout système optique amont. Celui-ci se compose essentiellement d'un ensemble hybridé ou monolithique (2) associant un circuit de détection et un circuit de lecture, encapsulé dans un boîtier (1). Une partie au moins de l'une des faces dudit boîtier est fermée hermétiquement par une fenêtre (5), typiquement constituée par une lame à faces parallèles, et transparente au rayonnement à détecter. Le dit boîtier (1) associé à la fenêtre (5) définit une enceinte étanche (4), à l'intérieur de laquelle est situé ledit ensemble hybridé ou monolithique (2). Les signaux détectés par ce dernier sont transférés à l'extérieur du boîtier (1) au moyen de connexions (3) (voir figure 2, qui concerne également un dispositif de l'art antérieur). Dans l'exemple décrit en relation avec la figure 1, le circuit de détection (2) est solidarisé, par exemple par collage, sur un module thermoélectrique (13), du type PELTIER, lui-même fixé par brasure sur un support ou socle (12), réalisé en un matériau diélectrique ou métallique. La mise en oeuvre d'un tel module PELTIER est typique des dispositifs de détection non refroidis à base par exemple de micro-bolomètres. Le boîtier proprement dit est défini par ce socle (12) et par des parois latérales (17) s'étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au socle (12). Ces parois latérales (17) se prolongent par un capot (9), en l'espèce sensiblement horizontal, à l'extrémité libre duquel est rapporté de manière hermétique ladite fenêtre (5). On a représenté en relation avec la figure 2, un exemple d'intégration de systèmes optiques et d'un composant de détection optique, connu de l'art antérieur. Ainsi, ledit boîtier (1), défini par le socle (12) et par une paroi latérale (17), se prolonge par un organe de maintien et de centrage (6) de trois lentilles (7), respectivement positionnées en fonction de leur distance focale, par rapport à la surface supérieure du circuit de détection (2). Cet organe de maintien et de centrage (6) est lui-même reçu dans un support (20), scellé hermétiquement sur la paroi latérale (17) définissant ledit boîtier, et en outre, sur lequel est solidarisée de manière hermétique la fenêtre (5). Ce support (20) présente par exemple sur sa paroi interne un pas de vis de réglage du tirage, destiné à coopérer avec la paroi externe de l'organe de maintien et de centrage (6). Un fois le réglage réalisé lors de la fabrication, le positionnement de l'organe (6) au sein du support (20) est fixé au moyen d'un point de colle. On conçoit que selon une telle configuration, que l'on rencontre par ailleurs fréquemment au sein des imageurs traditionnels dans le domaine de la téléphonie mobile, et autres PDA (personnal digital assistant), il est nécessaire de prévoir une étape de maintien mécanique desdites lentilles, outre une étape de centrage de celles- ci, complexifiant le processus de réalisation du composant, et par voie de conséquence, surenchérissant son coût de fabrication. Parmi les systèmes optiques mis en oeuvre, on rencontre classiquement l'objectif dit de Petzval , constitué de deux lentilles, en général convergentes, séparées par un intervalle dont l'ordre de grandeur est la moitié de la distance focale du système. L'avantage d'un tel objectif réside principalement dans le fait qu'il permet de corriger les aberrations pour des systèmes à grand champ, avec des nombres d'ouvertures relativement élevés, se révélant ainsi tout à fait intéressant dans le cadre des dispositifs de détection infrarouges. Dans le domaine de la détection infrarouge, le détecteur mis en oeuvre est souvent de nature bolométrique, et est composé d'un circuit de lecture généralement réalisé selon une technologie CMOS, sur lequel sont déposées puis gravées différentes couches, réalisant ainsi une structure dite monolithique . Selon cette technologie, on forme une membrane suspendue, afin de constituer une cavité résonnante autour de la longueur d'ondes recherchée. Le matériau bolométrique, qui constitue l'une des couches supérieures de la cavité, est réalisé en un matériau dont la résistance électrique varie avec la température. La scène à détecter est mesurée en termes de variation de température apparente, observée à travers l'optique positionnée en amont du détecteur proprement dit, et qui crée donc une variation de température de la membrane supérieure et corollairement, une variation du courant électrique circulant entre les deux plots soutenant chaque pixel (pour picture element ou élément d'image ) de cette membrane supérieure matricielle. Des moyens classiques d'adressage viennent intégrer, échantillonner et multiplexer ce courant électrique, de façon à fournir un signal image de la scène. Dans le cadre d'un tel détecteur bolométrique, ou plus précisément d'une telle matrice de détecteurs bolométriques, la membrane supérieure doit être isolée thermiquement du substrat de lecture, afin que puisse s'établir une différence de température entre la membrane et le substrat. A cet effet, on enferme le composant électronique en question dans un boîtier, dans lequel un vide relativement poussé est réalisé (104 à 10-Z millibars). Alternativement, on peut laisser une faible pression de gaz rare à faible conductivité thermique ou de gaz lourd, tel que le Xénon. Dans les deux cas, le boîtier doit être fermé hermétiquement par une fenêtre transparente au rayonnement de la bande spectrale désirée. Quel que soit le détecteur constitutif du composant en question mis en place, la mise en oeuvre d'une part, d'une fenêtre transparente au rayonnement à détecter, hermétiquement rapportée ou scellée sur le boîtier, et d'autre part d'un système optique, induit une complexification du processus de réalisation de l'ensemble, outre une augmentation de l'encombrement. Or, dans le cadre de la mise en oeuvre de ces systèmes particuliers, on cherche le plus possible à réduire cet encombrement pour aboutir à une miniaturisation la plus grande possible, compte-tenu de l'intégration d'un tel système dans des dispositifs plus complexes. L'un des objectifs de la présente invention vise à pallier ces inconvénients. Elle propose un composant de détection de rayonnement électromagnétique, notamment infrarouge comprenant: - un boîtier contenant un ou plusieurs circuits électroniques de détection optique, et pourvu d'une partie transparente au rayonnement électromagnétique à 20 détecter; - un système optique, destiné à modifier le front d'onde qui le traverse. Il se caractérise en ce que la partie transparente au rayonnement électromagnétique à détecter est constitué par le système optique luimême. En d'autres termes, une partie des parois du volume scellé, constitutif du boîtier et refermant le ou les circuits électroniques de détection, est constituée par un élément optique actif, c'est à dire susceptible d'affecter la propagation du rayonnement électromagnétique à détecter, et plus généralement susceptible de modifier le front d'onde qui le traverse, ne serait-ce qu'en direction, en fonction du type de détecteur mis en oeuvre, et notamment du type de radiation à détecter. Bref, la fenêtre classiquement connue et mise en place généralement au niveau de la face supérieure du boîtier, et le plus souvent constituée d'un simple élément à faces planes essentiellement parallèles, est remplacée par une lentille, et de manière générale par un système optique actif, qui outre ses fonctions optiques (autres que simple transparence), assure également une fonction d'herméticité, voire, de manière plus accessoire, une fonction mécanique de rigidification de partie dudit boîtier et donc de protection. Outre la simplification de réalisation du composant résultant de cet agencement particulier de par la réduction du nombre d'éléments alors mis en oeuvre, il convient également de souligner l'avantage décisif procuré par celui-ci, consistant de facto par l'optimisation de l'ouverture, et corollairement, lors de la mise en oeuvre de détecteurs bolométriques (donc en imagerie infrarouge), l'augmentation de la résolution thermique et donc, des capacités de détection. L'invention permet ainsi de conserver les fonctionnalités des différents éléments entrant dans la constitution des composants de l'art antérieur, tout en aboutissant à une 10 simplification de réalisation de ceux-ci. Selon l'invention, le système optique est constitué par exemple: d'une lentille convergente, faisant simplement fonction d'objectif; d'une lame plane au niveau de l'une de ses faces, et comportant sur l'autre face un élément diffractif tel qu'un réseau de diffraction, destiné par exemple à assurer la correction du chromatisme; d'une combinaison de ces deux types de système optique, afin de permettre de réaliser la correction du chromatisme du matériau si celui-ci est dispersif, ou d'athermaliser l'ensemble de l'édifice dans le cas d'un matériau faiblement dispersif, tel qu'en Germanium pour l'infra rouge lointain (LWIR) ; d'une lentille réalisée selon les technologies classiques (par exemple polissage ou moulage) de telle sorte à corriger la courbure de champ de l'objectif disposé en amont, et notamment celui de la caméra dans laquelle est susceptible de venir s'intégrer le système optique de l'invention; - d'une lame plane sur l'une de ses faces et comportant sur l'autre face un réseau de microlentilles; un tel système optique permet d'assurer une fonction interférométrique type Shack-Hartmann, dans le but, par exemple, d'analyser le faisceau ou le front d'onde (métrologie optique) ; d'une lame plane sur l'une de ses faces, et comportant sur l'autre face un 30 élément diffractif ou réseau de diffraction; un tel système optique permet une analyse spectroscopique de la scène détectée. Selon l'invention, afin de tenir compte des dispersions dimensionnelles de fabrication desdits systèmes optiques et des différents éléments entrant dans sa constitution, notamment en terme de tolérance au niveau de leur distance focale, on intercale une cale ou entretoise au sein du boîtier pour pouvoir disposer du tirage souhaité, c'est à dire de la distance séparant le dernier dioptre dudit système optique et le circuit de détection. Cette cale ou entretoise est insérée au niveau de l'une des interfaces des pièces constitutives du boîtier, et notamment: soit au fond du boîtier, entre le socle et le ou les circuits de détection optique, contre l'une ou l'autre des faces du support constituant le module thermoélectrique, s'il en est muni: c'est alors la hauteur du plan focal qui est ajustée; - soit à l'interface système optique capot latéral définissant le boîtier, donc en position supérieure au sein de celui-ci; soit à l'interface entre la paroi latérale et le capot supérieur du boîtier, ou à 10 l'interface entre la paroi latérale et le socle du boîtier. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif mais non limitatifs, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est, comme déjà dit, une représentation schématique en section d'un composant de l'art antérieur dépourvu de tout système optique. La figure 2 est également une représentation schématique en section d'un composant de l'art antérieur avec intégration du système optique. La figure 3 est une représentation schématique en section d'un composant selon une première forme de réalisation de l'invention. La figure 4 est une représentation schématique en section selon une seconde forme de réalisation de l'invention. On a représenté en relation avec la figure 3, une vue en section d'un détecteur infrarouge non refroidi, mettant en oeuvre les caractéristiques de la présente invention. Celui-ci peut comporter un support (13). Dans le cas des détecteurs infra rouges non refroidis, ce support (13) est constitué au moins en partie par un module thermoélectrique, classiquement dénommé élément Peltier , destiné à réguler la température du plan focal. Cet élément Peltier (13) est surmonté d'un circuit de lecture et de détection (2). Le circuit de détection (2) est par exemple réalisé de manière monolithique ou hybridé sur un circuit de lecture, typiquement élaboré selon une technologie CMOS. L'ensemble constituant le circuit de lecture et de détection est collé par exemple au moyen d'une colle époxy sur le support (13) ou brasé sur ce dernier. Le circuit de lecture communique avec l'extérieur du boîtier, décrit ci-après plus en détail, au moyen de connexions métalliques traversantes (16), et ce, de manière connue. Ledit boîtier comprend un socle (12) réalisé en un matériau diélectrique ou métallique, voire mixte, sur lequel est solidarisé par brasage, ou de manière monolithique, une partie (17) essentiellement perpendiculaire audit socle (12), et donc en l'espèce sensiblement verticale, et propre à constituer l'embase dudit boîtier. Cette partie (17), éventuellement elle-même constituée de plusieurs éléments brasés entre eux, est munie en sa partie supérieure d'une zone de réception (10) d'un système optique (8), caractérisant l'invention. Optionnellement, et tel que par ailleurs représenté au sein de la figure 3, la partie (17) se prolonge par un capot (9), latéral dans la configuration décrite, et non plus horizontal comme dans l'art antérieur ou dans la forme de réalisation de la figure 4. Celui-ci est destiné à définir la zone de réception (10) indépendamment des dimensions de l'embase (17). Ce capot (9) est typiquement métallique, et est brasé sur l'embase (17). Selon une variante représentée en figure 4, le capot (9) et l'embase (17) constituent un seul élément monolithique. Selon une caractéristique de l'invention, le boîtier est obturé au niveau de sa face supérieure par un système optique (8), venant se positionner au niveau desdites zones de réception (10) précitées. Ce système optique (8) est essentiellement transparent au rayonnement électromagnétique à détecter. Ledit système optique (8) est scellé de manière hermétique à ce niveau. Ce système optique peut être constitué d'un simple objectif, avantageusement réduit à une lentille convergente de facture traditionnelle, dont la distance focale est choisie 30 pour correspondre au tirage du composant. Cependant, et dans un souci de réduction des coûts de réalisation du composant, et pour tenir compte des tolérances de fabrication, dimensionnelles notamment, tant dudit système optique, que des caractéristiques du boîtier (typiquement plus ou moins 500 m), et pour aboutir au caractère reproductible des caractéristiques techniques et physiques du composant, on ajuste le positionnement dudit système optique au moyen de cales ou d'entretoises selon différents modes envisageables. Tout d'abord et lorsque la dissipation thermique par le socle (12) le permet, cette cale (14) est positionnée au niveau du support (13), et notamment sous ce dernier, donc au fond et à l'intérieur du boîtier au contact du socle (12) . Cette cale, identifiée dans ce cas par la référence (18), peut également être intercalée au niveau de l'interface boîtier/système optique, donc au niveau des zones de réception (10) des parois latérales (17) ou du capot (9) dudit boîtier. La solidarisation de cette cale, quel que soit son lieu d'implantation au sein du boîtier, est réalisée par brasage. On confère de ce fait l'herméticité requise au niveau de la liaison boîtier / système optique. Enfin, cette cale, identifiée alors par la référence (11), peut être interposée au niveau de l'interface embase (17) et capot latéral (9) constitutifs du boîtier, ou au niveau de l'interface entre la paroi latérale (17) et le socle (12), comme suggéré sur la figure 4. De manière générale, cette cale peut être insérée au niveau de tout interface mécanique d'assemblage entre le système optique (8) et le socle du boîtier, toujours par soudure hermétique. De manière connue, un écran physique (19), destiné à délimiter l'angle de vue et constituant également une pupille pour le système optique (8), est avantageusement solidarisé au support (13). Dans la configuration selon laquelle le support (13) est un module thermoélectrique, l'écran (19) est naturellement porté à la température de la face supérieure dudit module, constituant ainsi avantageusement une pupille thermalisée. La lentille constitutive du système optique (8) peut en outre, subir des traitements optiques anti-reflet d'une part, et passe-haut ou passe-bande d'autre part, classiquement réalisés au niveau des fenêtres transparentes mises en oeuvre dans les dispositifs de l'art antérieur Ce faisant, de par le remplacement de la fenêtres classique des composants de l'art antérieur par une lentille optimisée en termes de qualité optique, le dispositif de l'invention présente l'avantage d'une amélioration de la résolution thermique, puisqu'il est possible de disposer d'un système plus ouvert (champ plus important) dans un encombrement plus réduit, tout en bénéficiant optionnellement d'une pupille thermalisée, tout particulièrement appréciable pour ce type de composant. En outre sur le plan de la transmission optique, on aboutit également à une optimisation avec le dispositif de l'invention, puisque le nombre d'éléments optiques mis en oeuvre est réduit. On a représenté en relation avec la figure 4 une autre forme de réalisation de l'invention, qui se prête à de nombreux arrangements optiques. Ainsi, alors que le composant représenté sur la figure 3 se suffit à luimême, celui représenté sur la figure 4 fait partie d'un imageur plus complexe, pour lequel la mise en oeuvre d'un objectif est nécessaire. Dans cette configuration, on dispose d'un système optique actif en amont du boîtier objet de l'invention, et en l'espèce constitué par un objectif. Typiquement, l'élément optique actif intégré au boîtier, est une lentille dite de champ susceptible de pouvoir corriger notamment la courbure éventuelle de l'objectif positionné en amont, tout particulièrement dans le cadre de l'intégration du composant dans une caméra ou de tout autre dispositif d'imagerie. La puissance de la lentille mise en oeuvre dans cette configuration ne présente en l'espèce qu'une faible incidence, par sa fonction, sur la puissance globale du système optique complet, mais elle contribue à améliorer de manière significative le bord de champ, notamment si en amont, l'objectif est allégé à une simple lentille. La définition de la lentille de champ est alors directement dépendante de l'objectif 25 disposé en amont. On conçoit dès lors tout l'intérêt du composant conforme à l'invention. On soulignera tout d'abord une réduction significative du coût de réalisation de tels 30 composants, inhérent à la réduction du nombre d'éléments mis en oeuvre pour sa constitution. On soulignera également la diminution de l'encombrement et du poids de ces composants, également inhérent à la réduction du nombre d'éléments entrant dans sa constitution. On notera aussi l'amélioration de la transmission globale le long du trajet optique, du fait du nombre réduit de dioptres. Enfin, on mentionnera la possibilité d'intégrer des fonctions supplémentaires au niveau de la traditionnelle fenêtre transparente de fermeture du boîtier. Les exemples décrits l'ont été en relation avec la détection de rayonnement infrarouge. Dans ce domaine, elle est applicable tant aux détecteurs refroidis, qu'aux détecteurs non refroidis (bolomètres ou autres). Il convient de souligner que l'invention est également d'application dans le domaine de détection dans le visible. Dans ce domaine, il n'est généralement pas nécessaire de recourir à la brasure au niveau des assemblages mécaniques. En effet, un collage peut s'avérer suffisant pour assurer l0 l'intégrité et la fonctionnalité du composant. 11 REVENDICATIONS 1. Composant de détection de rayonnement électromagnétique, notamment infrarouge comprenant: un boîtier (9, 12, 17) contenant un ou plusieurs circuits électroniques de détection optiques (2), et pourvu d'une partie transparente au rayonnement électromagnétique à détecter; un système optique (8) destiné à modifier le front d'onde qui le traverse; caractérisé en ce que la partie transparente au rayonnement électromagnétique à détecter est constitué par le système optique (8). 2. Composant de détection de rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique (8) remplit limitativement une fonction optique, outre la fonction d'herméticité, et est constitué d'un élément choisi dans le groupe comprenant: une lentille convergente, faisant fonction d'objectif; - une lame plane au niveau de l'une de ses faces, et comportant sur l'autre face un élément diffractif tel qu'un réseau de diffraction destiné à assurer la correction du chromatisme ou à athermaliser le système optique; - une combinaison des deux éléments précédents; - une lentille complexe, propre à corriger la courbure de champ d'un objectif disposé en amont, dans le cadre typique de l'intégration dudit composant dans un dispositif plus complexe de type caméra. - une lame plane sur l'une de ses faces et comportant sur l'autre face un réseau de microlentilles, de telle sorte à pouvoir assurer une fonction interférométrique type Shack-Hartmann; une lame plane sur l'une de ses faces, et comportant sur l'autre face un élément diffractif, tel qu'un réseau de diffraction, de telle sorte à pouvoir réaliser une analyse spectroscopique de la scène détectée. 3. Composant de détection de rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique (8) assure également une fonction diffractive, propre notamment à permettre audit composant la réalisation d'une analyse spectroscopique de la scène détectée. 4. Composant de détection de rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il intègre une ou plusieurs cales ou entretoises de réglage optique, de telle sorte à compenser l'essentiel des dispersions dimensionnelles de fabrication du système optique et des autres éléments entrant dans sa constitution. 5. Composant de détection de rayonnement électromagnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la ou les cales ou entretoises sont insérées au niveau de l'une des interfaces des pièces constitutives du boîtier.