Brevet FR3026227A1 — publié le 20160325

B13533 - DD15545JBD 1 DISPOSITIF D'ACQUISITION D'IMAGES 3D Domaine La présente demande concerne le domaine de l'acquisition d'images à trois dimensions (images 3D), c'est-à-dire d'images dans lesquelles, pour chaque pixel de l'image, on dispose d'une information représentative de la distance entre la scène photographiée et le dispositif d'acquisition. Exposé de l'art antérieur Diverses méthodes d'acquisition d'images 3D ont été proposées. Parmi ces méthodes, on peut notamment citer : les méthodes d'acquisition par stéréovision, dans lesquelles deux images à deux dimensions (images 2D) d'une même scène, prises sous des angles de vue différents, sont utilisées pour reconstruire une image 3D ; les méthodes d'acquisition par mesure de temps de vol, 15 dans lesquelles la scène est illuminée par une source de lumière pulsée, et un capteur d'images rapide, synchronisé avec la source lumineuse, mesure, pour chaque pixel, le temps de parcours de la lumière entre la source lumineuse et la scène ; les méthodes d'acquisition par mesure de décroissance 20 d'éclairement ("light fall off" en anglais), dans lesquelles deux images 2D d'une même scène, prises sous le même angle de vue mais B13533 - DD15545JBD 2 dans des conditions d'éclairement différentes, sont utilisées pour reconstruire une image 3D ; les méthodes d'acquisition à éclairage structuré, dans lesquelles on illumine la scène avec un motif d'éclairage particulier prédéfini (par exemple un motif en grille), et on détermine des informations de profondeur à partir des déformations du motif d'éclairage par la scène ; et les méthodes d'acquisition par analyse de flou, dans lesquelles deux images 2D d'une même scène, prises sous le même 10 angle de vue mais avec des mises au point distinctes, sont utilisées pour reconstruire une image 3D. On s'intéresse ici plus particulièrement à l'acquisition d'images 3D par analyse de flou. Ces méthodes sont basées sur le fait qu'un dispositif 15 d'acquisition d'images 2D, comportant un capteur d'images et un système optique (ou objectif) placé en regard de ce capteur, présente une profondeur de champ limitée. Ainsi, quand le dispositif est focalisé sur une zone particulière de la scène, des zones de la scène plus proches ou plus éloignées peuvent 20 former une image floue sur le capteur. La mesure du niveau de flou peut ainsi permettre de déterminer des informations quant à la distance entre la scène et le dispositif d'acquisition. Plus particulièrement, dans les méthodes d'acquisition d'images 3D par analyse de flou, les algorithmes de reconstruction sont 25 généralement basés sur la recherche du niveau de flou, c'est-à-dire du noyau de convolution, à appliquer à la première image (respectivement à la deuxième image) pour retrouver le motif de la deuxième image (respectivement de la première image). De façon classique, les deux images sont acquises 30 successivement par un même capteur, en modifiant la mise au point entre les deux acquisitions. Un inconvénient est que, dans le cas d'une scène en mouvement, la scène est susceptible d'être modifiée entre les deux acquisitions. Pour pallier cet inconvénient, on peut prévoir 35 d'acquérir les deux images simultanément au moyen de deux B13533 - DD15545JBD 3 dispositifs d'acquisition 2D (comprenant chacun un capteur et un objectif) situés côte à côte, et d'un diviseur optique. Toutefois, un inconvénient réside alors dans le coût, la complexité et l'encombrement du dispositif d'acquisition. Il serait souhaitable de pouvoir disposer d'un dispositif d'acquisition d'images 3D par analyse de flou, ce dispositif palliant tout ou partie des inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. En particulier, il serait souhaitable de pouvoir disposer d'un dispositif permettant d'acquérir simultanément deux images 2D d'une même scène sous le même angle de vue et avec des mises au point différentes, ce dispositif palliant tout ou partie des inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. Résumé Pour cela, un mode de réalisation prévoit un dispositif comprenant un empilement de premier et deuxième capteurs d'images CMOS sensibles dans une même gamme de longueur d'ondes, le premier capteur étant partiellement transparent dans ladite gamme. Selon un mode de réalisation, le premier capteur est 20 formé dans et sur un premier substrat en silicium, et le second capteur est formé dans et sur un deuxième substrat en silicium, le premier substrat étant plus mince que le deuxième substrat. Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième substrats comportent chacun une face avant revêtue par un 25 empilement de couches isolantes et conductrices d'interconnexion, et une face arrière opposée à la face avant ; le premier capteur est un capteur à éclairement par la face arrière ; le deuxième capteur est un capteur à éclairement par la face avant ; et les premier et deuxième capteurs sont accolés par leurs faces avant. 30 Selon un mode de réalisation, la distance entre la face avant du premier substrat et la face avant du deuxième substrat est comprise entre 2 et 20 pin. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre des vias conducteurs reliant la face arrière du deuxième 35 substrat à des plots ou pistes conductrices de commande des B13533 - DD15545JBD 4 premier et deuxième capteurs situés du côté de la face avant du deuxième substrat. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur du premier substrat est inférieure à 15 pin. Selon un mode de réalisation, la gamme de sensibilité est comprise dans la plage de longueurs d'ondes allant de 10 à 3000 nm. Un aùtre mode de réalisation prévoit un système d'acquisition d'images 3D comprenant un dispositif du type 10 susmentionné, et un système optique placé en regard de ce dispositif, du côté du premier capteur. Selon un mode de réalisation, le système optique et la distance entré les premier et deuxième capteurs sont tels que la profondeur de champ du dispositif d'acquisition d'images 20 formé 15 par le système optique et le premier capteur ne recouvre pas la profondeur de champ du dispositif d'acquisition d'images 20 formé par le système optique et le deuxième capteur. Selon un mode de réalisation, le système comporte un circuit adapté à commander l'acquisition simultanée de deux images 20 d'une même scène par l'intermédiaire des premier et deuxième capteurs respectivement. Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de réalisation d'un dispositif du type susmentionné, comprenant les étapes suivantes : former le premier capteur dans et sur un premier 25 substrat semiconducteur comportant une face avant et une face arrière ; folmer le deuxième capteur dans et sur un deuxième substrat semiconducteur comportant une face avant et une face arrière ; accoler les premier et deuxième capteurs face avant contre face avant ; et amincir le premier substrat par sa face 30 arrière. 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 relation 35 avec les figures jointes parmi lesquelles : B13533 - DD15545JBD la figure 1 est un schéma illustrant de façon très simplifiée le principe de fonctionnement d'un mode de réalisation d'un dispositif permettant d'acquérir simultanément deux images 2D d'une même scène sous un même angle de vue et avec des mises 5 au point distinctes ; et les figures 2A à 2G sont des vue en coupe illustrant schématiquement un exemple d'un procédé de fabrication d'un dispositif d'acquisition du type décrit en relation avec la figure 1. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par ailleurs, dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "approximativement", "sensiblement", "environ", "de l'ordre de", etc., signifient "à 20% près", et des références directionnelles telles que "supérieur", "inférieur", "surmontant", "au-dessus", "latéral", etc., s'appliquent à des dispositifs orientés de la façon illustrée dans les vues en coupe correspondantes, étant entendu que, dans la pratique, ces dispositifs peuvent être orientés différemment. En outre, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et décrits. En particulier, les algorithmes et circuits de reconstruction d'images 3D à partir de deux images 2D d'une même scène prises sous un même angle mais sous des conditions de mise au point différentes, n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrit étant compatibles avec tous les algorithmes connus de reconstruction d'images 3D par analyse de flou. La figure 1 est un schéma illustrant de façon simplifiée un exemple d'un mode de réalisation d'un dispositif 100 permettant d'acquérir simultanément deux images 2D d'une même scène, sous un même angle de vue et avec des mises au point distinctes. Le dispositif 100 comprend un premier capteur d'images 35 CMOS 103 sensible dans une plage de longueurs d'ondes visible ou B13533 - DD15545JBD 6 proche du visible, par exemple une plage de longueurs d'ondes comprise dans la plage allant de 10 à 3000 nia, et de préférence comprise dans la plage allant de 300 à 1000 nia, et un deuxième capteur d'images CMOS 105 dont la plage de sensibilité est identique ou approximativement identique à celle du capteur 103. Selon un aspect des modes de réalisation décrits, les capteurs 103 et 105 sont superposés, et le capteur 103, destiné à être positionné devant le capteur 105 par rapport à la direction de propagation de la lumière, est partiellement transparent aux longueurs d'ondes de sa plage de sensibilité. En d'autres termes, le capteur 103 est destiné à être placé entre la scène à photographier et le capteur 105, et, à chaque longueur d'onde de sa plage de sensibilité, le capteur 103 transmet, en direction du capteur 105, une partie de la lumière reçue en provenance de la scène. Un système optique 107, par exemple un objectif, peut être placé devant l'assemblage formé par les capteurs 103 et 105, pour collimater sur les capteurs 103 et 105 la lumière provenant d'une scène (non représentée) à photographier. A titre d'exemple non limitatif, le système optique 107 peut être choisi tel que les zones de la scène situées à une distance dl du système 107 forment une image nette sur le capteur 105, et que les zones de la scène situées à une distance d2, supérieure à la distance dl, du système 107, forment une image nette sur le capteur 103. Le système optique 107 et/ou la distance entre les capteurs 103 et 105 sont par exemple choisis de façon que la profondeur de champ du dispositif d'acquisition 2D formé par le système optique 107 et le capteur 105 - c'est-à-dire la plage de distances à l'objectif 107 dans laquelle les éléments de la scène forment une image nette sur le capteur 105 - n'intersecte pas ou ne recouvre pas la profondeur de champ du dispositif d'acquisition 2D formé par le système optique 107 et le capteur 103. En d'autres termes, le système optique 107 et/ou la distance entre les capteurs 103 et 105 peuvent être choisis de façon que les zones de la scène situées à la distance dl du système 107 et formant une image nette sur le capteur 105, forment une image floue sur le capteur 103, et que B13533 - DD15545JBD 7 les zones de la scène situées à la distance d2 du système 107 et formant une image nette sur le capteur 103, forment une image floue sur le capteur 105. A titre d'exemple non limitatif, la distance entre le plan moyen de détection ou plan image du capteur 103 et le plan moyen de détection ou plan image du capteur 105 est comprise entre 4 et 20 pin. Ainsi, le dispositif 100 permet d'acquérir simultanément deux images 2D d'une même scène, prises sous un même angle de vue et avec des mises au point différentes, respectivement par l'intermédiaire du capteur 103 et par l'intermédiaire du capteur 105. Par "simultanément", on entend ici que, lors d'une acquisition, des pixels correspondants des capteurs 103 et 105, c'est-à-dire des pixels des capteurs 103 et 105 recevant de la lumière provenant d'une même portion de la scène (ou pixels superposés), ont tout ou partie de leur période d'intégration en commun. On notera toutefois que les modes de réalisation décrits ne se limitent pas au cas où les périodes d'intégration de pixels superposés des capteurs 103 et 105 coïncident strictement. En particulier, si le taux de transmission de la lumière du capteur 103 n'est pas strictement égal à 50%, on peut prévoir d'ajuster en conséquence les périodes d'intégration des capteurs 103 et 105, de façon que les deux capteurs reçoivent sensiblement le même niveau d'intensité lumineuse pendant l'intégration. Un circuit de traitement non représenté peut être prévu 25 pour reconstruire une image 3D à partir des images 2D acquises par les capteurs 103 et 105, ce circuit étant adapté à mettre en oeuvre un algorithme de reconstruction par analyse de flou. L'utilisation de capteurs réalisés en technologie CMOS, par exemple à partir d'un substrat en silicium monocristallin, 30 permet de bénéficier de faibles niveaux de bruit. Ceci est tout particulièrement avantageux dans le dispositif d'acquisition 100 décrit ci-dessus, dans la mesure où chaque capteur ne convertit qu'une partie (par exemple la moitié) des photons de la lumière reçue par le dispositif. A titre d'exemple non limitatif, pour 35 obtenir un niveau de bruit particulièrement faible, on peut B13533 - DD15545JBD 8 prévoir d'utiliser des capteurs CMOS comportant des pixels du type couramment désigné dans la technique par le sigle 41 (4 transistors par pixel), chaque pixel comprenant une photodiode pincée et un transistor MOS de transfert de charges entre une région d'accumulation de charges photogénérées de la photodiode et un noeud de lecture du pixel. Les figures 2A à 2G sont des vue en coupe illustrant de façon schématique un exemple d'un procédé de fabrication du dispositif 100 de la figure 1. La figure 2A illustre une phase de fabrication au cours de laquelle on réalise le premier capteur d'images CMOS 103, dans et sur un premier substrat semiconducteur 201, par exemple en silicium. Le capteur 103 comprend une pluralité de pixels 203 identiques ou similaires, par exemple disposés en lignes et en colonnes. Chaque pixel 203 comprend, du côté d'une première face du substrat 201, que l'on appellera ci-après la face avant, une région semiconductrice 205 comprenant une zone de photoconversion (non représentée) et un ou plusieurs transistors MOS (non représentés) de commande du pixel. La face avant du substrat 201 est revêtue d'un empilement 207 de couches isolantes et conductrices, dans lequel sont notamment formés les empilements de grille (non représentés) des transistors MOS des pixels 203, et des pistes métalliques 208 d'interconnexion des pixels 203. L'épaisseur de l'empilement 207 est par exemple comprise entre 2 et 10 um. Dans cet exemple, la face avant de l'empilement 207, c'est-à-dire sa face opposée au substrat 201, est surmontée, dans une région périphérique du capteur, par des plots conducteurs 209, permettant notamment de commander les pixels 203 du capteur. La figure 2B illustre une phase de fabrication au cours de laquelle on réalise le deuxième capteur d'images CMOS 105, dans et sur un deuxième substrat semiconducteur 211, par exemple en silicium. Le capteur 105 comprend une pluralité de pixels 213 identiques ou similaires, par exemple disposés en lignes et en colonnes. Chaque pixel 215 comprend, du côté d'une première face du substrat 211, que l'on appellera ci-après la face avant, une B13533 - DD15545JBD 9 région semiconductrice 215 comprenant une zone de photoconversion (non représentée) et un ou plusieurs transistors MOS (non représentés) de commande du pixel. La face avant du substrat 211 est revêtue d'un empilement 217 de couches isolantes et conductrices, dans lequel sont notamment formés les empilements de grille (non représentés) des transistors MOS des pixels 213, et des pistes métalliques 218 d'interconnexion des pixels 213. L'épaisseur de l'empilement 217 est par exemple comprise entre 2 et 10 pin. Dans cet exemple, la face avant de l'empilement 217, c'est-à-dire sa face opposée au substrat 211, est surmontée, dans une région périphérique du capteur, par des plots conducteurs 219, permettant notamment de commander les pixels 213 du capteur. Les pixels 213 du capteur 105, ainsi que leur nombre et leur agencement, peuvent être identiques ou similaires aux pixels 203 du capteur 103. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. La figure 2C illustre une étape au cours de laquelle les capteurs 103 et 105 sont accolés par leurs faces avant (ou superposés face avant contre face avant). Les capteurs 103 et 105 peuvent être interconnectés par des plots de contacts 209, 219 formés du côté de leurs faces avant respectives. A ce stade, les capteurs 103 et 105 sont tous deux opaques. La figure 2D illustre une étape postérieure à l'étape de la figure 2C, au cours de laquelle le substrat 201 du capteur 103 est aminci par sa face arrière (c'est-à-dire sa face opposée à l'empilement d'interconnexions 207), par exemple par meulage. L'épaisseur de substrat retirée lors de cette étape est choisie de façon à rendre le capteur 103 partiellement transparent aux longueurs d'onde de sa gamme de sensibilité. Le choix de l'épaisseur de substrat 201 subsistant après l'amincissement peut être effectué en tenant compte de la longueur d'absorption du substrat pour les longueurs d'ondes que l'on souhaite détecter. De préférence, l'épaisseur de substrat 201 subsistant après l'amincissement est inférieur à 15 pin. A titre d'exemples non B13533 - DD15545JBD 10 limitatifs, pour un dispositif d'acquisition d'images infrarouges, l'épaisseur du substrat 201 après amincissement peut être comprise entre 8 et 12 pin, et, pour un dispositif d'acquisition d'images visibles, l'épaisseur du substrat 201 après amincissement peut être comprise entre environ 0,5 et 4 pin. La figure 2E illustre une étape postérieure à l'étape d'amincissement de la figure 2D, au cours de laquelle une poignée de support transparente 221, par exemple en verre, assurant la rigidité mécanique de l'assemblage, est fixée au capteur 103 du côté de sa face arrière, par exemple par collage. La figure 2F illustre une étape postérieure à l'étape de rapport de poignée de la figure 2E, au cours de laquelle le substrat 211 du capteur 105 est aminci par sa face arrière (c'est-à-dire sa face opposée à l'empilement d'interconnexions 217), en vue de faciliter la réalisation ultérieure de vias traversants de connexion électrique reliant la face arrière du capteur 105 à sa face avant. A la différence de l'étape décrite en relation avec la figure 2D, l'amincissement du substrat 211 ne vise pas à rendre le capteur 105 transparent. A l'issue de l'étape d'amincissement de la figure 2F, le capteur 105 reste de préférence opaque aux longueurs d'ondes de sa gamme de sensibilité. A titre d'exemple non limitatif, à l'issue de l'étape d'amincissement de la figure 2F, le capteur 105 présente une épaisseur comprise entre 30 et 100 pin, par exemple de l'ordre de 70 pin. La figure 2G illustre une étape postérieure à l'étape d'amincissement de la figure 2F, au cours de laquelle des vias traversants de connexion électrique 223, sont formés du côté de la face arrière du capteur 105, par exemple dans des régions périphériques du capteur 105. Les vias 223 relient la face arrière du capteur 105 à des zones conductrices de l'empilement d'interconnexion 217 de ce capteur. Les vias 223 permettent de commander les pixels 213 du capteur 105, ainsi que les pixels 203 du capteur 103 (par l'intermédiaire de pistes et plots d'interconnexion des capteurs 103 et 105). B13533 - DD15545JBD 11 Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on a décrit ci-dessus un exemple de réalisation dans lequel les capteurs 103 et 105 du dispositif 100 sont des capteurs monochromatiques. L'homme du métier saura adapter les modes de réalisation décrits au cas où les capteurs 103 et 105 sont des capteurs couleur, c'est-à-dire dans lesquels des pixels voisins du capteur sont surmontés par des filtres couleur de couleurs distinctes, par exemple des filtres en résine. Dans le cas où les capteurs 103 et 105 sont des capteurs couleur, on peut avantageusement prévoir d'utiliser un système optique 107 présentant une aberration chromatique longitudinale déterminée, c'est-à-dire un système optique dont la focale dépend de la longueur d'onde incidente dans des proportions connues. La dépendance du système optique à la longueur d'onde permet alors d'augmenter la quantité d'information utile à la reconstruction d'une image 3D par des méthodes d'analyse de flou. En particulier, on peut par exemple prévoir que, pour une zone située à une distance dl donnée du système optique 107, la composante, dans une première gamme de longueurs d'ondes (par exemple la composante bleue), de l'image de la zone sur le dispositif d'acquisition 100, soit nette sur le capteur 103 et floue sur le capteur 105, et la composante, dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes (par exemple la composante rouge), de cette même image, soit nette sur le capteur 105 et floue sur le capteur 103. En outre, pour limiter les phénomènes de diaphotie, des écrans de guidage verticaux opaques peuvent être prévus entre des pixels voisins. Par ailleurs, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à l'exemple particulier de procédé de fabrication décrit en relation avec les figures 2A à 2G pour réaliser un dispositif d'acquisition à deux capteurs CMOS superposés, du type décrit en relation avec la figure 1. On notera en particulier que dans le dispositif 100 obtenu par le procédé décrit en relation B13533 - DD15545JBD 12 avec les figures 2A à 2G, le capteur partiellement transparent 103 est un capteur à éclairement par la face arrière, et le capteur opaque 105 est un capteur à éclairement par la face avant, ces deux capteurs étant superposés face avant contre face avant. Les 5 modes de réalisation décrits ne se limitent pas à ce cas particulier. A titre de variante, on pourra prévoir de superposer, face avant contre face arrière, deux capteurs à éclairement par la face avant, ou deux capteurs à éclairement par la face arrière, ou de superposer, face arrière contre face arrière, un capteur à 10 éclairement par la face avant et un capteur à éclairement par la face arrière. REVENDICATIONS1. Dispositif (100) comprenant un empilement de premier (103) et deuxième (105) capteurs d'images CMOS sensibles dans une même gamme de longueur d'ondes, le premier capteur (103) étant partiellement transparent dans ladite gamme. 2. Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel le premier capteur (103) est formé dans et sur un premier substrat (201) en silicium, et le second capteur (105) est formé dans et sur un deuxième substrat (211) en silicium, le premier substrat (201) étant plus mince que le deuxième substrat (211). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel : les premier (201) et deuxième (211) substrats comportent chacun une face avant revêtue par un empilement (207, 217) de couches isolantes et conductrices d'interconnexion, et une face arrière opposée à la face avant ; le premier capteur (103) est un capteur à éclairement par la face arrière ; le deuxième capteur (105) est un capteur à éclairement par la face avant ; et les premier (103) et deuxième (105) capteurs sont 20 accolés par leurs faces avant. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la distance entre la face avant du premier substrat et la face avant du deuxième substrat est comprise entre 2 et 20 pin. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, comprenant 25 en outre des vias conducteurs (223) reliant la face arrière du deuxième substrat (211) à des plots (209, 219) ou pistes (208, 218) conductrices de commande des premier (103) et deuxième (105) capteurs situés du côté de la face avant du deuxième substrat (211). 30 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel l'épaisseur du premier substrat (201) est inférieure à 15 pin.B13533 - DD15545JBD 14 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite gamme de sensibilité est comprise dans la plage de longueurs d'ondes allant de 10 à 3000 nm. 8. Système d'acquisition d'images 3D comprenant un 5 dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, et un système optique (107) placé en regard de ce dispositif, du côté du premier capteur (103). 9. Système selon la revendication 8, dans lequel le système optique (107) et la distance entre les premier (103) et 10 deuxième (105) capteurs sont tels que la profondeur de champ du dispositif d'acquisition d'images 2D formé par le système optique (107) et le premier capteur (103) ne recouvre pas la profondeur de champ du dispositif d'acquisition d'images 2D formé par le système optique (107) et le deuxième capteur (105). 15 10. Système selon la revendication 8 ou 9, comportant un circuit adapté à commander l'acquisition simultanée de deux images d'une même scène par l'intermédiaire des premier (103) et deuxième (105) capteurs respectivement. 11. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une 20 quelconque des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes : former le premier capteur (103) dans et sur un premier substrat semiconducteur (201) comportant une face avant et une face arrière ; 25 former le deuxième capteur (105) dans et sur un deuxième substrat semiconducteur (211) comportant une face avant et une face arrière ; accoler les premier (103) et deuxième (105) capteurs face avant contre face avant ; et 30 amincir le premier substrat (201) par sa face arrière.