Brevet FR3016704A1 — publié le 20150724

B11861 - DD13760 1 CAPTEUR D'IMAGE INFRAROUGE A GRAND CHAMP DE VISION ET GRANDE OUVERTURE NUMERIQUE Domaine La présente demande concerne un capteur d'image infrarouge à grand champ de vision et à grande ouverture numérique. En outre, la présente demande concerne un tel capteur présentant 5 un coût de fabrication réduit. Exposé de l'art antérieur On considère ici des capteurs d'image infrarouge comprenant un grand nombre de pixels, chaque pixel comprenant un dispositif de détection de rayonnement infrarouge, par exemple 10 un bolomètre. Plus particulièrement, on considère ici des capteurs d'image infrarouge présentant un champ de vision important. De tels capteurs peuvent être prévus pour être placés dans des dispositifs de surveillance, par exemple dans le coin d'une 15 pièce, pour détecter des mouvements de personnes et/ou pour dénombrer et positionner des personnes présentes dans une zone d'espace. Ces informations peuvent avoir un intérêt par exemple en domotique pour ajuster différents paramètres d'ambiance tels que l'éclairement ou la climatisation. 20 Dans l'infrarouge, les capteurs bon marché tels que les bolomètres sont peu sensibles, ce qui implique qu'un flux B11861 - DD13760 2 lumineux important est nécessaire à leur bon fonctionnement et donc que l'ouverture numérique des systèmes optiques associés soit importante sur tout le champ de vision de ces capteurs. Actuellement, les systèmes optiques présentant des 5 champ de vision importants (supérieurs à 40°) ainsi que des ouvertures numériques importantes (ouverture relative proche de 1) sont relativement complexes, et donc coûteux. Ces systèmes optiques comprennent un grand nombre de lentilles élémentaires, notamment pour réduire les nombreuses aberrations de champ comme 10 par exemple l'aberration de coma. En outre, l'assemblage de ces structures est relativement délicat, un décalage même léger par rapport à l'axe optique et/ou suivant l'axe optique étant susceptible de dégrader fortement le fonctionnement du dispositif. Résumé 15 Un objet d'un mode de réalisation est de prévoir un dispositif à grand champ de vision et à grande ouverture numérique, simple à fabriquer et à moindre coût. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un capteur d'image infrarouge à champ de vision supérieur à 40° et à ouver- 20 ture relative inférieure à 3, comprenant un dispositif de détection d'image précédé d'un système optique comprenant un bloc optique en un matériau d'indice optique supérieur à 2 dont les deux faces opposées sont conformées en lentilles convergentes, dans lequel la longueur du bloc optique est supérieure à 25 approximativement dix fois la distance d'air entre le bloc optique et le dispositif de détection d'image, et la longueur du bloc optique est approximativement égale au produit de l'indice dudit matériau par la distance focale image du bloc optique. Selon un mode de réalisation, les lentilles présentent 30 une courbure égale l'une avec l'autre correspondant au produit (n-na)f, où f est la distance focale image du bloc optique, n l'indice optique du matériau du bloc optique, et na l'indice optique du matériau extérieur au bloc optique. Selon un mode de réalisation, les lentilles conver35 gentes sont des lentilles de Fresnel. B11861 - DD13760 3 Selon un mode de réalisation, les lentilles de Fresnel sont discrétisées. Selon un mode de réalisation, le bloc optique est en silicium. Selon un mode de réalisation, le dispositif de détec- tion d'image est formé en surface d'un substrat semiconducteur. Selon un mode de réalisation, le dispositif de détec- tion d'image est constitué de structures élémentaires de type bolomètre. Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrica- tion d'un capteur d'image tel que ci-dessus, comprenant les étapes suivantes : former, sur une face d'une première plaque de silicium, une première lentille; former, sur une face d'une deuxième plaque de silicium, une deuxième lentille; assembler dos à dos les première et deuxième plaques ; former, en surface d'une troisième plaque, des dispositifs de détection d'image ; assembler l'ensemble des première et deuxième plaques et la troisième plaque ; et découper la structure obtenue en capteurs élémentaires. Selon un mode de réalisation, une plaque intercalaire 25 est disposée entre les première et deuxième plaques. Un mode de réalisation prévoit un émetteur à grand champ comprenant un système optique tel que ci-dessus associé à un émetteur de lumière infrarouge à grand champ angulaire disposé en lieu et place de la partie centrale d'un dispositif 30 de détection d'image. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en 35 relation avec les figures jointes parmi lesquelles : B11861 - DD13760 4 la figure 1 illustre schématiquement un capteur d'image infrarouge ; les figures 2A et 2B représentent des exemples de réalisation du capteur d'image infrarouge de la figure 1 ; les figures 3 et 4 illustrent des résultats de simulation de rayons lumineux correspondant à la structure des figures 1, 2A et 2B ; et la figure 5 illustre schématiquement un émetteur de lumière compact utilisant les principes présentés ici. Description détaillée On propose ici un capteur d'image présentant un grand champ de vision et une ouverture numérique importante dans l'infrarouge. On notera que l'on considère plus particulièrement de tels capteurs pour des longueurs d'onde correspondant aux "points chauds" dans une scène (émission de corps noir), par exemple dans une bande de longueur d'onde comprise entre 3 et 16 pin, de préférence dans la bande 8-12 pin. On rappellera qu'un concepteur de système optique utilise aujourd'hui couramment des programmes de conception. Un exemple d'un tel programme est le programme ZEMAX de Radiant Zemax LLC, vendu en Europe par Optima Research Ltd., pouvant être acheté sur le site www.zemax.com. Un autre exemple d'outil d'aide à la conception optique est le programme OSLO de la société Lambda Research Corp. On considèrera ici plus particulièrement à titre d'exemple le programme ZEMAX. Le programme ZEMAX permet, dans un premier temps, quand on a prévu de façon générale les composants d'un système optique, de visualiser les rayons lumineux transmis par ce système optique. Ainsi, le concepteur d'un système optique peut prévoir un système optique initial contenant un nombre déterminé de surfaces de lentilles ayant des allures générales données, visualiser les aberrations, retoucher divers éléments de son système, visualiser en temps réel les modifications résultantes des rayons lumineux, et répéter les deux dernières étapes pour arriver à un modèle approché. B11861 - DD13760 Dans un deuxième temps, une fois que le modèle approché est proche d'un optimum, le logiciel ZEMAX permet de déterminer un système optique optimisé en respectant des contraintes comme des dimensions caractéristiques (focales, position du 5 diaphragme, ou des grandeurs optiques telles que l'ouverture numérique. Pour pouvoir arriver à un modèle initial puis à un système optique optimisé, il faut d'abord que le concepteur ait proposé les aspects principaux d'un système optique approché qui 10 puisse amener le logiciel à converger. La figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation d'un capteur d'image infrarouge pouvant servir de point de départ à une optimisation. Ce capteur comprend un système optique 1 disposé devant un dispositif de détection d'image 3. 15 Le système optique 1 comprend un bloc 5 transparent à la longueur d'onde des rayonnements que l'on veut détecter. Les faces opposées du bloc 5 forment des dioptres 7 et 9 entre le milieu d'indice optique élevé du bloc 5 (indice n) et l'extérieur (indice na). Un dispositif de détection d'image infrarouge 20 12 est disposé en regard du bloc optique à la surface d'un substrat 14. A titre d'exemple, le dispositif de détection 12 peut être une matrice de pixels dont chacun comprend un dispositif de type bolomètre. On appelle Ll la longueur du bloc optique, L2 la 25 distance entre le bloc optique et le capteur 12, f la distance focale image du système optique, d le diamètre du bloc optique (ou l'ouverture définie par un diaphragme 16 au voisinage immédiat du dioptre 7), et 0 le champ de vision, c'est-à-dire l'angle qui embrasse le détecteur 12 en partant du centre du 30 plan principal image. Alors que, de façon générale, l'utilisa- tion d'un système optique tel que celui représenté en figure 1 présente des aberrations géométriques considérables, l'inventeur a déterminé que ces aberrations géométriques étaient limitées si on choisissait des relations convenables entre les différentes 35 distances définies ci-dessus. En outre, l'inventeur a montré B11861 - DD13760 6 que, si on partait de ces dimensions convenables et que l'on optimisait la forme des dioptres 7 et 9, en en faisant, par utilisation de l'un ou l'autre des programmes indiqués ci-dessus, des surfaces asphériques optimisées, on arrivait à un système dans lequel les aberrations géométriques sont très réduites. Particulièrement, l'inventeur propose d'effectuer les choix dimensionnels initiaux suivants : L2 40°, ouverture relative : f/d B11861 - DD13760 7 Dans le cas particulier où le bloc 5 est un bloc de silicium (transparent dans l'infrarouge entre 1,5 et 16 pm) d'indice n=3,4, et où on choisit une ouverture relative f/d égale à l'unité avec f = 1 mm et d = 1 mm, on obtient à partir des relations ci-dessus : Ll = 3,4 mm, L2 = 0,34 mm. Bien entendu, ceci ne constitue qu'un exemple, le bloc 5 pouvant être en tous matériaux transparents dans au moins une partie de la plage infrarouge comprise entre 3 et 16 pin. On pourra par exemple choisir du germanium, un verre de chalcogénure, ou autre. On pourra également prévoir que le bloc optique est constitué d'un empilement de matériaux à haut indice transparents dans l'infrarouge. Le milieu situé de part et d'autre du bloc est un milieu à bas indice (na) pour que l'on obtienne effectivement un effet de lentille de part et d'autre des surfaces 7 et 9. Ce milieu est de préférence de l'air, mais, notamment dans l'espace intercalaire entre la face 9 et le capteur 12, on pourra prévoir une résine à bas indice transparente dans l'infrarouge, par exemple un polymère oléfine cyclique ou COC (cyclic olefin polymer). Une fois effectués les choix fondamentaux ci-dessus de matériau et de dimensions définissant un système optique 25 initial, l'homme de l'art peut soumettre ce système optique initial à des premières simulations dans un outil d'aide à la conception optique et visualiser les surfaces d'onde résultantes (par exemple le logiciel Zemax). On pourra par exemple partir d'un système dans lequel les deux dioptres 7 et 9 ont une même 30 courbure, qui peut être calculée analytiquement en fonction de la focale f choisie pour le système optique. Notamment, on peut demander à un tel logiciel de développer une "fonction de mérite" qui décrit une somme pondérée des tailles des taches de focalisation pour des 35 faisceaux présentant des angles d'incidence différents, le B11861 - DD13760 8 logiciel étant prévu pour permettre de minimiser la valeur de cette fonction de mérite. La figure 2A représente de façon un peu plus détaillée un mode de réalisation du capteur de la figure 1. Les surfaces 5 des dioptres 7 et 9 sont remplacées par des surfaces de lentille de Fresnel 17 et 19. De plus, le bloc 5 est plus large (a un diamètre plus élevé) que la surface utile des dioptres 17 et 19, et d'ouverture de diamètre d délimitée par un diaphragme 20 réalisé par exemple par le dépôt d'une couche d'un matériau 10 opaque aux infrarouges par exemple un métal tel que du chrome, du nickel ou du platine. Le mode de réalisation représenté en figure 2B est similaire au mode de réalisation de la figure 2A, mais le profil des lentilles de Fresnel a été discrétisé pour permettre leur 15 réalisation par des procédés de gravure tels que couramment utilisés dans les techniques de la microélectronique. Dans cet exemple, chaque lentille de Fresnel est définie par quatre niveaux de gravure, ces quatre niveaux de gravure étant formés en utilisant quatre masques. La profondeur de gravure est de 20 préférence choisie de telle sorte que l'onde soit en phase avec elle-même de part et d'autre des marches principales. La figure 3 représente un résultat de simulation pour un bloc optique du type de celui de la figure 2B, avant optimisation. On a représenté des faisceaux lumineux avec des 25 incidences différentes, respectivement 0°, 20° et 40°. Les faisceaux à incidence normale (0°) se concentrent en une tache focale 31, les faisceaux à une incidence de 20° se concentrent en une tache focale 32, et les faisceaux à une incidence de 40° se concentrent en une tache focale 33. Ces taches focales résul- 30 tent des aberrations géométriques observées avant optimisation (asphérisation) des dioptres par usage d'un programme d'optimisation, comme cela a été décrit précédemment. On voit que, même avant optimisation, on obtient des taches focales d'étendues relativement limitées, par exemple des taches focales d'une 35 étendue de quelques centaine de fois la longueur d'onde. B11861 - DD13760 9 La figure 4 représente un résultat de simulation pour un bloc optique du type de celui de la figure 2B, après optimisation. On a représenté des faisceaux lumineux avec des incidences différentes, respectivement 0, 10, 20 et 45°. Les 5 faisceaux à incidence normale (0°) se concentrent en une tache focale 41, les faisceaux à une incidence de 10° se concentrent en une tache focale 42, les faisceaux à une incidence de 20° se concentrent en une tache focale 43, et les faisceaux à une incidence de 45° se concentrent en une tache focale 44. Ces 10 taches focales sont réduites à des dimensions inférieures à quelques fois (2 à 10 fois) la longueur d'onde. Avantageusement, des capteurs tels que décrits précédemment peuvent être fabriqués par des procédés collectifs de fabrication de dispositifs électroniques ou optoélectroniques 15 sur des plaquettes de matériau semiconducteur, et donc être formés par lots. Les coûts de fabrication de ces capteurs peuvent ainsi être réduits. Le bloc optique de la figure 2A pourra être réalisé pour parties par moulage d'un matériau qui peut être un polymère 20 transparent dans l'infrarouge (polyéthylène à haute densité semi-cristallin PEHD) ou un alliage de germanium connu sous l'appellation GASIRTM (Ge22As 20Se58 ou Ge20Sb15Se65), UMICORE. Une autre solution pour obtenir le dispositif de la figure 2B consiste à tirer profit des techniques de photolitho25 gravure couramment utilisées en microélectronique pour définir des formes dans des matériaux semiconducteurs. Ainsi, à titre d'exemple, le dispositif de la figure 2B peut être formé à partir de quatre plaques de silicium : trois plaques A, B, C et une plaque D. Sur une face de la plaque 30 A, on forme des lentilles de Fresnel 17 et éventuellement des diaphragmes 20. La plaque B est une plaque intermédiaire destinée à obtenir un dispositif de longueur suffisante. On pourra prévoir, selon l'épaisseur totale du dispositif et la disponibilité de plaques d'une épaisseur donnée, zéro, une ou 35 plusieurs plaques B. Sur une face de la plaque C, on forme des B11861 - DD13760 10 lentilles de Fresnel 19. L'ensemble des plaques A, B, C est accolé et monté sur la plaque D qui contient des composants semiconducteurs et des capteurs 12 en regard des lentilles. Les plaques C et D sont assemblées par l'intermédiaire d'espaceurs ou d'une couche intermédiaire 32 formée entre les plaquettes C et D. Ceci constitue un avantage de la présente invention que de fournir un capteur compact à grand champ de vision et à grande ouverture qui peut être obtenu de manière monolithique par des procédés collectifs en utilisant des processus courants en microélectronique. En tant que détecteur de lumière infrarouge, on pourra prévoir des détecteurs de type bolomètre. Mais tout autre type de détecteur adapté pourra être utilisé. La présente invention est bien entendu susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Notamment, on a employé plusieurs fois dans la présente demande de brevet l'expression "espace d'air". L'homme de l'art comprendra qu'il s'agit là d'un espace qui peut être rempli d'air, d'un gaz choisi, ou éventuellement être mis sous vide. Il peut également s'agir d'un espace occupé par un matériau solide à bas indice. De plus, toutes les diverses améliorations généralement utilisées dans les systèmes optiques pourront être appliquées à la présente invention, notamment l'utilisation de couches antireflet au niveau des divers dioptres entre matériaux à haut et bas indice. Source lumineuse de grande étendue On a décrit ci-dessus un capteur à grand champ de vision et à ouverture numérique importante. Ce capteur permet d'obtenir sur un dispositif de détection, une intensité lumineuse importante. Ce capteur est en outre particulièrement simple compact et facile à fabriquer. Inversement, la présente invention peut être appliquée 35 à la fourniture d'un faisceau lumineux parallèle utilisant une B11861 - DD13760 11 grande partie de l'émission d'une source lumineuse non directionnelle. Par exemple, dans le cas où la source lumineuse est un micro-filament chauffé par effet joule, cette source, de par sa nature émet dans toutes les directions. Elle peut être 5 utilisée notamment pour émettre un spectre large dans le domaine de l'infrarouge. Néanmoins, les systèmes optiques de détection à distance fonctionnent usuellement avec des faisceaux directifs. L'utilisation d'un système optique tel que décrit ici permet de récupérer la plus grande partie de l'émission de la source 10 lumineuse. Ceci est illustré en figure 5. Cette figure reprend pour l'essentiel les mêmes éléments que ceux représentés en figure 1. La différence est que le capteur 12 est remplacé par une source de lumière infrarouge 60 omnidirectionnelle. Grâce au 15 système optique décrit précédemment, un champ d'émission important, correspondant à l'ouverture numérique 0 mentionné précédemment peut être récupéré et envoyé sous forme de rayons parallèles en sortie du dispositif, comme cela est représenté par des traits d'axe en figure 5. Bien entendu, toutes les 20 réalisations décrites en figures 1, 2A et 2B s'appliquent à un tel émetteur. REVENDICATIONS1. Capteur d'image infrarouge à champ de vision supérieur à 40° et à ouverture relative inférieure à 3, comprenant un dispositif de détection d'image (12) précédé d'un système optique (5) comprenant un bloc optique en un matériau d'indice 5 optique supérieur à 2 dont les deux faces opposées sont conformées en lentilles convergentes (7, 9 ; 17, 19), dans lequel la longueur (L1) du bloc optique est supérieure à approximativement dix fois la distance d'air (L2) entre le bloc optique et le dispositif de détection d'image, et la 10 longueur du bloc optique est approximativement égale au produit de l'indice dudit matériau par la distance focale image du bloc optique. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel les lentilles présentent une courbure égale l'une avec l'autre 15 correspondant au produit (n-na)f, où f est la distance focale image du bloc optique, n l'indice optique du matériau du bloc optique, et na l'indice optique du matériau extérieur au bloc optique. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel 20 les lentilles convergentes (17, 19) sont des lentilles de Fresnel. 4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel les lentilles de Fresnel sont discrétisées. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 25 à 4, dans lequel le bloc optique (5) est en silicium. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif de détection d'image (12) est formé en surface d'un substrat semiconducteur (14). 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 30 à 6, dans lequel le dispositif de détection d'image (12) est constitué de structures élémentaires de type bolomètre. 8. Procédé de fabrication d'un capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes :B11861 - DD13760 13 former, sur une face d'une première plaque (A) de silicium, une première lentille (17) ; former, sur une face d'une deuxième plaque (C) de silicium, une deuxième lentille (19) ; assembler dos à dos les première et deuxième plaques ; former, en surface d'une troisième plaque (D), des dispositifs de détection d'image (12) ; assembler l'ensemble des première et deuxième plaques et la troisième plaque ; et découper la structure obtenue en capteurs élémen- taires. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel une plaque intercalaire (B) est disposée entre les première et deuxième plaques. 10. Emetteur à grand champ comprenant un système optique tel que mentionné dans les revendications 1 à 7 associé à un émetteur de lumière infrarouge à grand champ angulaire disposé en lieu et place de la partie centrale d'un dispositif de détection d'image.