Soutenance mémoire
Les caméras sont de plus en plus présentes dans notre environnement, par exemple dans les téléphones portables, les ordinateurs, l’automobile, la vidéosurveillance, l’ingénierie médicale… Leur nombre ne fait qu’augmenter, et le besoin s’oriente vers des systèmes basse consommation, de faible volume et de faible coût, pour des domaines d’utilisation très variés. Suivant l’évolution des caméras dans le visible, les systèmes de vision infrarouge font également leur apparition dans notre vie quotidienne (Yole Developpement 2011). La détection dans cette bande spectrale permet par exemple d’améliorer la sécurité routière la nuit (Schreiner 1999), de détecter les personnes dans une rue déclenchant ainsi un éclairage visible approprié, ou de rechercher les points chauds pour la sécurité incendie (Dobigny 2011), la thermographie de bâtiments (Clark, McCann, et Forde 2003), l’analyse de défaillance des composants électroniques… Pour s’adapter à ce marché croissant et à ces nouvelles applications, les caméras infrarouge doivent être moins volumineuses et moins coûteuses.
La recherche de la miniaturisation des systèmes est un enjeu important, qui concerne tant les fabricants de composants que les systémiers. L’industrie microélectronique basée sur la technologie MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) a, depuis son origine, cherché à augmenter le nombre de transistors sur une puce tout en diminuant leur taille ; cette problématique suit la loi de Gordon Moore (Schaller 1997) et a permis l’essor des technologies embarquées aux dimensions de plus en plus réduites et faibles consommatrices d’énergie. La technologie infrarouge, initialement moins dédiée à l’utilisation grand public, n’a pas suivi la même évolution. En effet, l’environnement (cryogénique ou contrôlé en pression) des caméras infrarouge détermine le volume du système complet. L’architecture optique placée à l’extérieur de l’enceinte, conditionne également le volume global. Afin de répondre aux nouveaux besoins de systèmes enfouis, notamment dans les applications militaires, il est devenu indispensable de miniaturiser les caméras, et par la même, le système optique.
Conception des systèmes optiques : mise en évidence des aberrations
Un système optique est un ensemble d’éléments qui produit une image d’un objet à la taille, la position et l’orientation souhaitées sur un système de détection. Le choix des divers éléments optiques permet de répondre à ces spécifications en définissant les paramètres du système : la longueur focale, l’ouverture et l’angle de vue. Chaque application a des paramètres propres auxquels l’agencement des éléments optiques doit répondre. Par exemple, un télescope doit recueillir le maximum de lumière sans en dégrader la qualité. Pour un domaine donné (civil, militaire, astronomie…), les besoins varient. Ainsi pour l’astronomie, une classe de télescope est dédiée à la surveillance céleste, et dans ce cas, le champ est souvent privilégié à la résolution. Une autre classe de télescope permet l’analyse d’une zone localisée, et dans ce cas, la résolution sera le facteur primordial au détriment du champ qui sera limité. Il existe donc autant d’architectures de systèmes optiques que de besoins. Dans le domaine militaire, les besoins suivent une classification (détection, reconnaissance, identification) dont la résolution est déterminée selon le critère de Johnson (Holst 2008). Les systèmes de détection permettent de mettre en évidence une présence. Ceux de reconnaissance distinguent la fonction, par exemple une voiture de tourisme ou un char d’assaut. Les systèmes d’identification consistent à différencier le type d’objet, par exemple une Twingo d’une Peugeot 206. Pour chacun de ces besoins, on définit alors les spécificités techniques ; en premier lieu le pas d’échantillonnage et le champ, pour ensuite déterminer la taille du détecteur, la distance focale, les diamètres des pupilles et le pas pixel. Tout le système est alors défini et l’architecture optique peut être conçue. L’évaluation de l’architecture est obtenue par des figures de mérite telles que la mesure du signal sur bruit et la réponse optique. Ces mêmes analyses seront menées a posteriori sur le système optique réalisé. Le domaine de la conception optique est donc particulièrement vaste et couvre toute une gamme de besoins ; en réponse à un même cahier des charges, plusieurs architectures existent. L’enjeu est de trouver la meilleure solution par rapport aux spécifications requises, en mettant l’accent sur le champ, la résolution, le volume ou le coût ; le choix se porte généralement sur un compromis entre ces quatre critères. Cette première partie de chapitre sera consacrée à la conception optique et nous détaillerons les aberrations du système, notamment l’aberration de courbure de champ.
Systèmes optiques et aberrations
Déformation du front d’onde
Toutes les architectures optiques utilisent des dioptres (lentilles, miroirs…), parfois identiques, mais agencés de manière différente afin de répondre aux spécifications du système. La fonction des éléments optiques est de dévier les faisceaux de telle sorte que l’objet observé soit correctement imagé sur le détecteur ou sur l’œil de l’observateur. La propagation de l’onde lumineuse est parfaitement décrite par la notion de rayon lumineux. Ce faisceau se propage en ligne droite dans l’espace ; néanmoins, le passage dans un milieu quelconque modifie cette trajectoire selon deux paramètres : la vitesse et l’angle par rapport à la normale de propagation de l’onde. Ce changement d’inclinaison à l’interface est décrit par la loi de Snell Descartes ; cette relation très simple est à la base de l’optique géométrique. Etant donné qu’un dioptre a un indice de diffraction différent de l’air, on peut déterminer la déviation du faisceau lumineux afin qu’il converge vers le système de détection.
Le front d’onde se décrit par un ensemble de points. A travers la lentille, chaque point ne parcourt pas le même chemin optique dans un même intervalle de temps. Dans le cas pris en exemple , le front d’onde du point source placé sur l’axe optique est retardé par le milieu de la lentille plan convexe, ce qui permet aux faisceaux de converger en sortie du dioptre. La convergence en un seul point est le résultat d’un système parfait, ce qui n’est pas le cas de la plupart des lentilles. Elle est définie par un diamètre d’ouverture, un indice de réfraction et une épaisseur. Les rayons lumineux ont alors un comportement différent selon leur position d’intersection dans la lentille et l’angle d’inclinaison des faisceaux incidents. Par conséquence, le front d’onde en sortie de la lentille est déformé par rapport à l’onde sphérique de référence établie précédemment.
Fonction d’aberration
Le calcul de la déformation de chaque front d’onde permet de déterminer la position de tous les points objets. Une première approximation consiste à considérer la condition de Gauss ; les relations trigonométriques sont simplifiées et facilite le calcul. Cette approximation n’est réellement justifiée que pour les faisceaux proches de l’axe optique qui forment la région paraxiale. Pour prendre en compte tout le champ et l’ouverture du système, le calcul est beaucoup plus complexe ; il est alors plus aisé de déterminer la fonction d’aberration W caractérisée par la différence de chemin optique.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE A : POURQUOI COURBER UN DETECTEUR ?
Introduction
A.I – Conception des systèmes optiques : mise en évidence des aberrations
A.I.1 – Systèmes optiques et aberrations
A.I.1.1 – Déformation du front d’onde
A.I.1.2 – Fonction d’aberration
A.I.2 – Descriptions des aberrations
A.I.2.1 – Aberration chromatique
A.I.2.2 – Aberrations géométriques
A.I.2.3 – Diminution des aberrations par les choix de conception
A.I.3 – Méthodes de miniaturisation
A.I.3.1 – Conservation de l’architecture standard
A.I.3.2 – Modification de l’architecture
A.II – Courbure des détecteurs pour supprimer l’aberration de courbure de champ
A.II.1 – Mise en évidence de l’aberration de courbure de champ
A.II.2 – Correction de la courbure de champ : des systèmes traditionnels à la courbure du plan focal
A.II.2.1 – Système à une lentille
A.II.2.2 – Système à plusieurs lentilles
A.II.2.3 – Systèmes à miroirs, correction par lentilles
A.II.2.4 – Systèmes à miroirs
A.II.3 – Les avantages optiques du système avec un plan focal courbé
A.II.3.1 – Qualité optique : FTM
A.II.3.2 – Qualité optique : éclairement
A.II.3.3 – Conception optique
A.III – Applications des détecteurs courbés
A.III.1 – Applications dans l’analyse spectrale
A.III.2 – Applications d’astronomie
A.III.2.1 – Etude de faisabilité de l’ESO
A.III.2.2 – Projet OPTIMOS-EVE
A.III.3 – Applications des caméras miniatures dans le domaine militaire
A.III.3.1 – Application industrielle : jumelles infrarouge
A.III.3.2 – Caméra en rupture : œil d’insecte
A.III.3.3 – Caméra miniature : chambre noire
Conclusion du premier chapitre
CHAPITRE B : LA PHYSIQUE DE LA COURBURE
Introduction
B.I – Mise en forme d’une sphère
B.I.1 – Analyse géométrique
B.I.1.1 – Définitions mécaniques
B.I.1.2 – Calculs analytiques
B.I.1.3 – Influence de l’épaisseur
B.I.2 – La courbure par une structuration du composant
B.I.2.1 – Structures en triangle type projection de Fuller
B.I.2.2 – Avantage des petites structures
B.I.2.3 – Etat de l’art
B.I.3 – Courbure pleine plaque
B.I.3.1 – Amincissement partiel
B.I.3.2 – Courbure par la réalisation d’un bilame
B.I.3.3 – Courbure par l’amincissement du composant
B.II – Développement du procédé de courbure
B.II.1 – Mise en forme sphérique du composant
B.II.1.1 – Description du procédé de courbure
B.II.1.2 – Mise en forme sphérique par contact
B.II.1.3 – Evaluation du procédé : résultats de courbure
B.II.2 – Optimisation du procédé par l’outil
B.II.2.1 – Gabarit de l’outil
B.II.2.2 – Position de l’outil
B.II.3 – Maintien de la forme sphérique
B.II.3.1 – Interface de collage
B.II.3.2 – Support de courbure
B.III – Courbure d’échantillons de silicium : étude matériau
B.III.1 – Etude de la courbure convexe
B.III.1.1 – Influence du rayon de courbure
B.III.1.2 – Influence de l’épaisseur sur la courbure
B.III.1.3 – Amplitudes des pliures
B.III.2 – Orientation de courbure : expériences et simulations
B.III.2.1 – Résultats de courbure concave
B.III.2.2 – Simulations de la courbure
B.III.3 – Simulation de l’ensemble du procédé de courbure
B.III.3.1 – Description de la simulation
B.III.3.2 – Résultats pour une épaisseur de 50 µm
B.III.3.3 – Influence de l’épaisseur
Conclusion du deuxième chapitre
CHAPITRE C : LA COURBURE DE DETECTEURS
Introduction
C.I – Courbure du circuit de lecture Si-CMOS
C.I.1 – Adaptation du procédé de courbure pour les circuits fonctionnels
C.I.1.1 – Intégration du composant
C.I.1.2 – Adaptation de l’étape de report sur céramique
C.I.1.3 – Adaptation de l’étape de câblage
C.I.2 – Courbure du Si-CMOS
C.I.2.1 – Evaluation du circuit Si-CMOS par rapport au silicium nu
C.I.2.2 – Résultats de courbure Si-CMOS
C.I.3 – De l’amincissement à la courbure : comportement électrique
C.I.3.1 – Préparation des circuits aux tests électriques
C.I.3.2 – Résultats des tests électriques
C.II – Les détecteurs photovoltaïques
C.II.1 – Technologie des détecteurs photovoltaïques infrarouge
C.II.1.1 – Le fonctionnement des détecteurs infrarouge refroidis
C.II.1.2 – Technologie des détecteurs infrarouge refroidis
C.II.2 – Circuit de détection de type œil d’insecte
C.II.2.1 – Stratégie de courbure
C.II.2.2 – Matrice modifiée de type « œil d’insecte »
C.II.3 – Comportement électrique du circuit modifié
C.II.3.1 – Influence de la gravure
C.II.3.2 – Matrice « œil d’insecte »
C.III – La courbure des bolomètres
C.III.1 – Rappel du fonctionnement des bolomètres
C.III.2 – Courbure des bolomètres sur réseau d’interconnexion
C.III.2.1 – Procédé de courbure utilisé
C.III.2.2 – Résultats de courbure
C.III.2.3 – Influence de la courbure sur les pixels
C.III.2.4 – Analyse électrique
C.III.3 – Courbure des bolomètres fonctionnels
C.III.3.1 – Résultats de courbure
C.III.3.2 – Etude électrique des bolomètres amincis
C.III.3.3 – Etude des bolomètres courbés
Conclusion du troisième chapitre
Résultats de courbure
Comportement électrique
CHAPITRE D : CARACTERISATIONS OPTIQUES DE BOLOMETRES
CONCLUSION
