Vers l’intégration de fonctions d’imagerie sur le plan focal infrarouge

La miniaturisation des systèmes optiques est un domaine en pleine expansion dans le monde scientifique actuellement. En effet, miniaturiser les systèmes optiques permet de réduire leur encombrement, leur masse, ainsi que leur coût de production, grâce à la diminution de leurs dimensions et à l’augmentation de leur volume de production. Moins volumineux et moins chers, ils peuvent alors prétendre à être diffusés dans des applications diverses, à la fois civiles et militaires .

La production de caméras « grand public », fonctionnant dans le domaine spectral visible, telles que des caméras de téléphone portable ou encore des webcams équipant les ordinateurs, constitue un premier exemple de la miniaturisation des systèmes optiques. Le développement et la diffusion de ce type de caméras trouvent leurs origines dans l’évolution du bloc de détection d’une part et du bloc optique d’autre part. Depuis leur apparition, les détecteurs matriciels de type CMOS (complementary metal oxyde semiconductor) n’ont cessé d’évoluer, leur format devenant de plus en plus grand et leurs pixels de plus en plus petits. Cette progression permet de réduire la consommation d’énergie de ces détecteurs, et  d’améliorer la qualité des images fournies. Par ailleurs, l’émergence de nouvelles techniques de fabrication de composants optiques ouvre la voie à une réduction drastique de leur coût. Par exemple, le moulage de composants optiques par injection de polymères est adapté à de larges volumes de production et donc à une production bas coût. Un seul moule est fabriqué, avec des techniques d’usinage très précises à l’échelle du wafer. Il permet ensuite une production de masse de lentilles identiques, dont le matériau, le PMMA par exemple, est peu cher. Le bloc optique est assemblé avec le détecteur à l’échelle du wafer, en se basant largement sur des techniques issues de l’industrie de la micro-électronique [1, 2]. Ainsi, l’ensemble du procédé de fabrication de ces caméras est optimisé de façon à permettre une production à grande échelle.

Les systèmes optiques fonctionnant dans le domaine spectral de l’infrarouge s’inscrivent également dans cette tendance de miniaturisation. L’infrarouge est le domaine spectral privilégié pour la vision de nuit, ou lorsque la transmission de l’atmosphère ne permet pas de réaliser de l’imagerie visible (en présence de fumées par exemple). Il existe trois bandes du spectre infrarouge où la transmission de l’atmosphère est bonne :
– les courtes longueurs d’onde, entre 0,75 et 2, 5 µm : la bande SWIR (short wavelength infrared).
– les moyennes longueurs d’onde, entre 3 et 5 µm : la bande MWIR (middle wavelength infrared).
– les grandes longueurs d’onde, entre 8 et 12 µm : la bande LWIR (long wavelength infrared). Comme pour le visible, miniaturiser les systèmes infrarouges facilite leur utilisation dans des applications diverses. Dans le domaine civil, les systèmes infrarouges sont employés pour la thermographie, la video-surveillance, l’automobile (pour l’aide à la conduite de nuit), la domotique, la recherche de personnes lors d’opérations de sauvetage, la détection de points chauds pour la sécurité incendie… Dans le domaine militaire, ils permettent d’assurer des fonctions de surveillance, veille, protection, pilotage, visée, équipement de fantassins, de véhicules terrestres… Par ailleurs, avec l’apparition des drones, les caméras infrarouges sont appelées à être embarquées sur des véhicules de plus en plus petits et de plus en plus légers, qui doivent avoir la capacité de naviguer seuls. Pour ce type d’applications, il est nécessaire de concevoir des caméras infrarouges compactes ayant un grand champ d’observation.

Mise en évidence de stratégies de conception pour simplifier et miniaturiser les systèmes optiques

Expression de l’écart normal maximal en bord de pupille et en bord de champ 

Compte tenu des contraintes cryogéniques, l’architecture optique à intégrer dans le cryostat doit être la plus simple et la plus compacte possible afin de limiter la masse à refroidir. Nous définissons un système simple comme un système qui comporte seulement trois éléments : un seul composant optique, un diaphragme et un détecteur. Par contre, considéré séparément, chacun de ces trois éléments peut être complexe si nécessaire. Par exemple, le composant optique peut présenter des surfaces asphériques ou diffractives ; il peut également être une matrice de microlentilles de forme complexe (par exemple courbée) ou bien une matrice de microlentilles où toutes les microlentilles ne sont pas identiques entre elles. Le détecteur peut, quant à lui, être courbé ce qui permettrait par exemple de réduire les aberrations de champ [15].

La démarche de conception optique consiste à réduire l’amplitude des aberrations du système, de sorte qu’il se rapproche le plus possible d’un système optique limité par la diffraction pour lequel l’écart normal W vérifie W << λ. Nous allons maintenant rappeler l’expression de W dans le cas général, puis dans le cas d’un système simple qui nous intéressera par la suite.

Expression de l’écart normal maximal en bord de pupille et en bord de champ

Le critère de Rayleigh fixe la quantité maximale d’aberrations d’un système optique pour que celui-ci soit considéré comme limité par la diffraction. Si l’écart normal maximal en bord de pupille et en bord de champ reste inférieur à λ/4, alors le système optique est considéré comme limité par la diffraction [19]. Dans cette sous-section, nous exprimerons l’écart normal maximal en bord de pupille et en bord de champ, en fonction de trois paramètres qui caractérisent le système optique en première approche : la distance focale f, le champ d’observation F OV et le nombre d’ouverture N.

Augmenter le nombre d’ouverture N : l’imagerie sans lentille

En choisissant un nombre d’ouverture élevé pour le système optique, il n’est pas nécessaire d’utiliser un élément qui focalise la lumière pour imager une scène. Les systèmes optiques sans lentille sont les plus simples, puisqu’ils ne comportent que deux éléments. Par exemple, une camera obscura est simplement composée d’un diaphragme de très faible diamètre, appelé sténopé, et d’un détecteur. Comme la profondeur de champ est proportionnelle au carré du nombre d’ouverture, les systèmes sans lentille ont l’avantage de présenter une grande profondeur de champ. Les premiers appareils photographiques étaient basés sur le principe de la camera obscura, qui est un concept très ancien [31]. Plus récemment, en 2005, Tisse a développé un système grand champ compact et bas coût basé sur un sténopé, fonctionnant dans le visible [32]. Afin d’augmenter le champ d’observation de la caméra, deux lentilles sont collées de part et d’autre du sténopé .

En 2009, Druart et al. ont adapté le principe de la camera obscura à une utilisation dans l’infrarouge refroidi entre 3 µm et 5 µm [33]. Ce concept est entièrement compatible avec l’environnement cryogénique, car le sténopé est simplement obtenu en réduisant le diamètre de l’écran froid. De cette façon, le cryostat devient en lui-même une camera obscura. Une lentille de compression de champ (aussi appelée lentille fish-eye) est placée en amont du sténopé afin d’augmenter le champ d’observation à 180◦ . Notons par ailleurs que Druart et al. ont montré que l’étendue géométrique hors d’axe peut être améliorée si un détecteur courbé est associé au sténopé, au lieu d’un détecteur plan.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Mise en évidence de stratégies de conception pour simplifier et miniaturiser les systèmes optiques
1.1 Introduction
1.2 Rappel des définitions de paramètres importants caractérisant un système optique
1.3 Expression de l’écart normal maximal en bord de pupille et en bord de champ
1.3.1 Rappel de l’expression de l’écart normal d’un système optique
1.3.2 Expression de l’écart normal maximal en bord de pupille et en bord de champ
1.4 Mise en évidence de stratégies pour la simplification et la miniaturisation des systèmes optiques
1.4.1 Influence de la minimisation de l’écart normal maximal sur la résolution angulaire et le nombre de points résolus
1.4.2 Jouer sur l’indice de réfraction, la cambrure de la lentille et la position de la pupille
1.4.3 Augmenter le nombre d’ouverture N : l’imagerie sans lentille
1.4.4 Diminuer le champ d’observation F OV : les yeux à facettes des insectes
1.4.5 Diminuer la distance focale f : le concept TOMBO
1.5 Application des stratégies de miniaturisation pour concevoir des caméras infrarouges cryogéniques compactes
1.6 Conclusion
Chapitre 2 Conception d’architectures optiques compactes pour des caméras infrarouges cryogéniques
2.1 Introduction
2.2 Etat de l’art des techniques de fabrication de matrices de microlentilles
2.3 Conception d’une architecture optique pour une caméra sur puce infrarouge cryogénique
2.3.1 Cahier des charges général de la caméra sur puce
2.3.2 Contraintes technologiques à respecter pour la réalisation de la caméra sur puce
2.3.3 Système optique simple basé sur une seule lentille
2.3.4 Système optique simple basé sur deux lentilles
2.3.5 Tolérancement de l’architecture à deux étages de la caméra sur puce
2.3.6 Dessin de l’écran froid et du capot du cryostat compatibles avec le grand champ de la caméra
2.3.7 Diaphragmes et suppression de la communication entre les voies
2.3.8 Etude de l’impact du refroidissement du système sur ses dimensions
2.3.9 Estimation de la parallaxe de la caméra sur puce
2.4 Conception d’une caméra de type téléobjectif multivoies
2.4.1 Cahier des charges général de la caméra compacte à concevoir
2.4.2 Conception d’une voie de type téléobjectif
2.4.3 Tolérancement d’une voie du téléobjectif
2.4.4 Conception du téléobjectif infrarouge multivoies
2.5 Conclusion
Chapitre 3 Réalisation de la caméra sur puce infrarouge cryogénique
3.1 Introduction
3.2 Réalisation de matrices de microlentilles de forte puissance optique
3.3 Réalisation d’un détecteur de faible facteur de remplissage
3.3.1 Etat de l’art des méthodes de mesure de la FTM de détecteurs
3.3.2 Méthodologie pour dimensionner un banc de mesure de FTM avec un CSIG
3.3.3 Acquisition d’une première image expérimentale
3.3.4 Principe général de la méthode de traitement des données expérimentales pour extraire l’information de FTM
3.3.5 Résultats des mesures de la FTM du pixel moyen par zone
3.3.6 Choix des paramètres technologiques adéquats pour réaliser le détecteur de la caméra sur puce
3.4 Report des matrices de microlentilles avec précision au plus près du détecteur
3.5 Conclusion
Conclusion

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