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CA 02432528 2003-06-19
WO 02/054500 PCT/FRO1/04115
CAPTEUR PHOTOSENSIBLE
EN TECHNOLOGIE DES CIRCUITS INTEGRES
L'invention concerne les capteurs photosensibles, notamment les
capteurs électroniques d'images en technologie des cïrcuits intégrés CMOS,
comportant des pixels photosensibles de faible dimension.
Dans les caméras électroniques, un capteur d'image électronique
remplace le film sensible des caméras traditionnelles. Ces types de capteurs
comportant une surface photosensible sont utilisés dans l'imagerie à faible
coût, par exemple dans tes caméras numériques, appareils de photo
numériques grand public ou capteurs optiques. Dans les réalisations pour les
caméras photographiques, la surtace photosensible du capteur peut, par
o exemple, être réalisée par un arrangement de 480 lignes de 640 pixels
photosensibles par ligne. Chaque pixel fournit un signal électrique fonction
du niveau de l'intensité lumineuse qu'il reçoit. Une électronique de
traitement
des signaux génère un signal électronique correspondant à l'image
lumineuse réelle projetée sur la surface sensible du capteur.
~ 5 La figure 1 montre une réalisation simplifiée d'une caméra
électronique 10 utilisant un capteur d'image 12 de type CMOS comportant
une surtace photosensible 14 de pixels 16.
La caméra électronique comporte un système non télëcentrique
pour des raisons de compacité ayant une lentille 18 et un diaphragme 20
2o focalisant ia lumière des images visées par la caméra sur la surface
photosensible 14 'du capteur électronique 12. Des rayons r1 de lumière,
proches de l'axe optique ZZ' du système optique, ont une incidence
sensiblement perpendiculaire à la surtace photosensible 14 du capteur alors
que des rayons r2, r3 éloignés dudit axe optique ZZ' arrivent sur les bords du
25 capteur avec une certaine inclinaison a par rapport à une normale à cette
surface photosensible 14.
Les nombreuses couches du substrat nécessaires à fa réalisation
du capteur d'images conduisent à ce que les pixels 16 du capteur d'images
12 se présentent comme des puits pour la lumière. Une zone photosensible
30 22 du pixel se situe au niveau du fond de chacun de ces puits. Une bonne
focalisation de la lumière sur la zone photosensible du pixel est nécessaire,
d'une part, pour d'obtenir un bon rendement du pixel et, d'autre part, pour
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récupérer en partie de la lumière inutilisée arrivant autour des pixels. A cet
effet, les capteurs d'image actuels comportent un réseau de micro-lentilles,
chacune des micro-lentilles du réseau, associée à un pixel respectif,
effectuant une focalisation de la lumière incidente sur un pixel et autour du
pixel, sur fa zone photosensible 22 du pixel.
La figure 2 montre une vue de détail du capteur d'image 12 de la
figure 1 comportant un réseau de micro-lentilles 30 ayant une micro-lentille
32 par pixel. La micro-lentille 32 a pour but de focaliser la lumière arrivant
au
niveau d'un pixel 16 sur une zone photosensible 22 située dans le fond du
o pixel. Actuellement, la taille des plus petits pixels, de l'ordre de 5 à 10
micromètres de largeur L pour une profondeur H du pixel du même ordre, se
situe aux dimensions limites de la taille des micro-lentilles réalisables.
Un tel réseau de micro-lentilles 30 permet d'obtenir une meilleure
efficacité du capteur d'images dans une région du capteur proche de l'axe
~ 5 optique ZZ' mais cette efficacité diminue au fur et à mesure que l'on
s'éloigne
de cet axe optique vers la périphérie du capteur. En effet (voir figure 2),
les
rayons r1 proches de l'axe optique ZZ', sensiblement parallèles à cet axe,
sont bien focalisés sur la partie photosensible 22 du pixel, alors que des
rayons r2, r3 éloignés du centre du capteur 12 présentent une inclinaison
2o a par rapport, à une normale la surface du capteur. L'inclinaison a des
rayons lumineux est d'autant plus importante que les pixels visés sont
éloignés de l'axe optique ZZ', la zone de focalisation des rayons r2, r3 se
déplaçant progressivement vers les bords des pixels. A la périphérie du
capteur les rayons ne sont plus focalisés sur la zone photosensible 22 des
25 pixels mais sur les bords du puits du pixel qui fournit alors moins de
charges
électriques pour une même intensité lumineuse reçue par le pixel.
Un autre inconvénient important des capteurs de l'art antérieur
réside dans le fait que les rayons r2, r3 éloignés de l'axe optique, arrivant
obliquement sur la surface photosensible, peuvent atteindre la zone sensible
3o du pixel voisin provoquant sur ce pixel voisin une modulation parasite ou
diaphonie par un rayon de lumière qui ne lui est pas destiné. En effet, les
pixels des capteurs optiques ne comportent par des séparations optiques
latérales opaques, les parois latérales sont relativement transparentes et les
rayons de lumière obliques peuvent balayer des pixels contigus.
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Afin de pallier les inconvénients des capteurs photosensibles de
l'art antérieur, l'invention propose un capteur photosensible, notamment en
technologie CMOS, comportant un substrat ayant un réseau de pixels
formant une surface photosensible recevant des rayons lumineux,
caractérisé en ce qu'il comporte, dans le trajet des rayons lumineux, une
couche holographique ayant un hologramme enregistré, la couche
holographique ayant une fonction optique correspondant à l'inverse d'une
fonction de diffusion spatiale de manière à rapprocher de la normale à la
surface photosensible, les rayons lumineux arrivant sur la couche sous des
o incidences obliques dispersées.
Dans une version plus sophistiquëe la fonction de rapprochement
à la normale de la surface photosensible agit pour concentrer vers un pixel
les rayons incidents arrivant sur une surtace entourant le pixel.
L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'un capteur
photosensible, notamment en technologie CMOS, comportant un substrat
ayant un réseau de pixels formant une surface sensible recevant des rayons
lumineux, caractérisé en ce que l'on dépose, sur la surface du capteur, dans
le trajet des rayons lumineux, une couche holographique ayant un
hologramme enregistré, la couche holographique ayant une fonction optique
2o correspondant. à l'inverse d'une fonction de diffusion spatiale de manière
à
rapprocher de . la normale à la surtace photosensible, les rayons lumineux
arrivant sur la couche sous des incidences obliques dispersées.
Dans une première réalisation du capteur d'images selon
l'invention, on dépose une couche support de l'hologramme sur la surtace du
capteur puis on enregistre l'hologramme sur la couche holographique
solidaire du capteur.
Dans une autre réalisation du capteur d'images selon l'invention,
la couche holographique comportant l'hologramme est réalisée à part, puis la
couche est reportée sur le substrat du capteur photosensible.
3o La couche holographique, supportée par exempte par un substrat
transparent à la lumière, comporte un motif holographique enregistré dans
son volume. Le motif enregistré produit la fonction optique souhaitée. La
couche holographique peut être réalisée sur un film de potycarbonate, de
polyester, sur une lame de verre ou sur tout autre support holographique par
transmission.
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L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de
réalisations de capteurs photosensibles selon l'invention en référence aux
dessins annexés, dans lesquels
- les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent un capteur
d'images de l'art antérieur ;
- la figure 3 représente un capteur d'images selon l'invention
comportant une couche holographique sur le capteur ;
- la figure 4a montre un enregistrement holographique dans la
o masse de la couche holographique ;
- la figure 4b montre un enregistrement holographique en relief sur
la couche holographique ;
- la figure 5 représente une première variante de réalisation du
capteur d'images de la figure 3.
~ 5 - ia figure 6 représente une autre réalisation du capteur d'images
selon l'invention.
La figure 3 représente une première réalisation d'un capteur
d'images 40 électronique selon l'invention utilisé par exemple dans une
caméra électronique. Le capteur d'images comporte essentiellement un
2o substrat 42 ayant un réseau de pixels 44 en technologie CMOS formant une
surface photosensible et une couche holographique 48, déposée sur le
substrat 42, produisant une fonction optique souhaitée.
Le procédé de réalisation du capteur d'image selon l'invention
comporte au moins les étapes suivantes
25 - réalisation sur le substrat 42 du réseau de pixels 44, en
technologie CMOS, formant la surface photosensible ;
- dépôt de la couche holographique 48 sur le substrat ;
- enregistrement dans la couche holographique 48 d'un
l'hologramme ayant une fonction optique tendant à rapprocher vers une
3o normale à la surface à la couche holographique des rayons lumineux
arrivant sur la surface de la couche sous des incidences obliques dispersées.
La couche holographique 48 comporte un motif d'interférence
holographique produisant la fonction optique souhaitée. Un tel hologramme
ayant une fonction optique tendant à rapprocher vers une normale à la
35 surface de la couche holographique 48 des rayons lumineux r1, r2, r3
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arrivant sur la couche sous des incidences obliques dispersées peut, par
exemple, être obtenu en produisant des motifs holographiques dans la
masse de la couche holographique d'une suite d'interférences entre deux
ondes de lumière cohérente, chacune des interférences étant produite par
5 l'interférence d'une première onde arrivant par exemple d'un côté de la
couche avec un angle déterminé par rapport à cette couche et d'une
seconde onde arrivant par l'autre coté de la couche avec un angle
d'interférence par rapport à la surface de la couche qui sera changé à
chaque interférence, la variation de cet angle d'interférence balayant un
0 angle solide des ondes incidentes obliques dispersées que l'on souhaite
rapprocher de la normale à la surface de la couche.
Dans la réalisation de la figure 3, des rayons de lumière r1, r2, r3,
en provenance de l'optique de la caméra arrivent avec une incidence oblique
d'angle, par rapport à la normale à la surface du capteur d'image, variant en
~ 5 fonction de la position d'arrivée des rayons sur la surface sensible du
capteur. Les rayons r1, r2, r3 en traversant la couche holographique sont
rapprochés de la normale à la surface sensible du capteur. En particulier, les
rayons arrivant au niveau des pixels situés à proximité des bords du capteur
et présentant la plus grande inclinaison par rapport à la normale du capteur,
2o sont rapprochés de cette normale par l'action optique de la couche
holographique 48.
Ce rapprochement, des rayons lumineux r1, r2, r3 de la normale
au capteur, se traduit par une augmentation sensible de l'éclairement des
pixels situés à proximité des bords du capteur et une amélioration de leur
25 rendement. Parmi les avantages du rapprochement des rayons de lumière
de la normale au capteur on peut citer
- l'homogénéisation de la sensibilité du capteur quel que soit
l'endroit de la surface sensible considéré du capteur ;
- la diminution de la diaphonie entre pixels, particulièrement sur
30 les bords du capteur, l'éclairement parasite par des rayons lumineux
destinés
aux pixels voisins étant sensiblement réduit.
L'enregistrement de l'hologramme peut être effectué dans le
volume d'une couche holographique photosensible. La figure 4a montre un
tel enregistrement du motif holographique dans la masse de la couche
35 holographique 48 du capteur d'images de la figure 3 selon l'invention. A
cet
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ô
effet, une couche photosensible 54 est exposée à deux ondes de lumière
cohérentes V1 et V2 produisant un motif d'interférences 58 dans la couche
photorésistive 54. Le motif holographique 58 produit la fonction optique
souhaitée.
L'enregistrement de l'hologramme dans la couche holographique
peut être réalisé selon d'autres façons connues, soit
- par l'impression du motif holographique en relief sur une couche
thermoplastique. La figure 4b montre un tel type d'enregistrement au cours
duquel, un motif holographique 60 en relief est estampé par compression de
0 la surface d'une couche 62 thermoplastique fixée sur un support 56, par une
matrice en matériau dur comportant un motif complémentaire en relief du
motif à imprimer. Le support 56 peut être aussi le substrat 42 du capteur
d'images électronique.
- soit par l'exposition à un rayonnement d'une couche
~ 5 photorésistive produisant le motif d'interférence holographique. La couche
photorésistive est alors développée pour obtenir un motif en relief sur la
surface de la couche holographique.
La réalisation du capteur d'images de la figure 3 selon l'invention
apporte une nette amélioration des performances par rapport aux capteurs
2o de l'art antérieur par un effet de canalisation des rayons lumineux vers
les
zones sensibles des pixels en particulier une amélioration du rapport signal à
bruit du signal électronique généré par le capteur.
La figure 5 représente une variante de la réalisation du capteur
d'images de la figure 3 apportant une amélioration supplémentaire du
25 rendement des pixels. Dans cette variante, la couche holographique, en plus
de l'effet de rapprochement à une normale au capteur des rayons lumineux
vers la zone sensible des pixels, comporte un autre effet supplémentaire de
concentration des rayons vers la zone sensible 22 des pixels. En effet, dans
la réalisation de la figure 3, des rayons r4, r5, r6 éclairent des parties
3o entourant la zone sensible des pixels qui ne produisent pas de charges
électriques utiles pour la génération du signal électrique représentant
l'image.
Dans cette variante, un capteur d'images 70 comporte le substrat
42 ayant le réseau de pixels 44 en technologie CMOS formant une surface
35 photosensible et une couche holographique 74 sur le substrat 42, la
fonction
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optique de concentration de la couche holographique agissant pour
concentrer vers un pixel les rayons incidents arrivant sur une surtace
entourant le pixel.
La figure 6 montre une autre réalisation du capteur photosensible
80 selon l'invention comportant une couche holographique 82 ayant les
enregistrements des motifs holographiques des couches des réalisations
précédemment décrites. Dans cette autre réalisation de la figure 6, la couche
holographique comportant l'hologramme est réalisée à part, puis est reporté
sur !e substrat 42 du capteur photosensible.
o Selon la réalisation de la figure 6, un capteur photosensible 80
selon l'invention comporte au moins les étapes de fabrication suivantes
- réalisation sur le substrat 42 du réseau de pixels 44 en
technologie CMOS formant la surface photosensible ;
-réalisation sur un support 86 transparent à la lumière de la
~ 5 couche holographique 82 ;
- enregistrement de l'hologramme sur la couche support de
l'hologramme selon des techniques connues, soit par thermoformatage, soit
par révélation photographique.
- dépôt sur Ia surface du substrat, dans le trajet des rayons
20 lumineux, du support 86 comportant la couche holographique
Comme pour les réalisations de capteurs des figures 3 et 5, les
rayons r4, r5, r6 arrivant sur une surface entourant le pixel peuvent être
concentrës, dans cette variante de la figure 6, par la couche holographique,
vers la zone sensible du pixel.
25 Le motif d'interférence holographique est le résultat fa
combinaison de deux ondes en lumière cohérente dans la couche sensible,
une première onde incidente venant directement de la source de lumière
cohérente et une seconde onde venant de la même source mais éclairant
l'objet dont on veut enregistrer l'hologramme correspondant à la fonction
30 optique souhaitée. C'est un enregistrement par voie naturelle.
L'hologramme peut être de type synthétique. Dans ce cas, le motif
holographique d'interférence peut être réalisé par calcul à l'ordinateur, ce
qui
comporte l'avantage de pouvoir obtenir des motifs holographiques
correspondant à des fonctions optiques qui ne peuvent pas être obtenues à
35 l'aide d'un enregistrement par voie naturelle. Les hologrammes synthétiques
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sont utilisés pour réaliser des fonctions optiques de filtrage de fréquence,
de
visualisation ou pour la réalisation d'éléments optiques. Des enregistrements
de motifs holographiques peuvent ëtre aussi obtenus par combinaison
d'hologrammes naturels et d'hologrammes synthétiques.
L'hologramme enregistré dans la couche holographique du
capteur d'images selon l'invention permet une souplesse et une facilité
d'obtention de différentes fonctions optiques nécessaires aux capteurs
optiques. Mais d'autres possibilités sont encore offertes par des
hologrammes comme le filtrage des couleurs des caméras couleur. A cet
o effet, la couche holographique, en plus des fonctions optiques des
réalisations décrites, comporte des fonctions de filtrage optique des trois
couleurs fondamentales rouge, vert et bleu.
Dans les capteurs d'images pour les caméras photographiques ou
vidéofréquences, on cherche à produire un signal électrique correspondant à
~ 5 la lumière visible provenant de l'objet à visualiser. II n'est donc pas
souhaitable d'éclairer les pixels du capteur par de la lumière non visible. A
cet effet dans une troisième variante du capteur d'image selon l'invention, la
couche holographique comporte un hologramme produisant une fonction
optique de filtrage des rayons infrarouges non utilés pour la caméra.
2o L'application du capteur selon l'invention, n'est pas limitative aux
capteurs d'image des caméras. Dans certains types de capteurs optiques, la
lumière est transmise à un pixels photosensible par l'intermédiaire d'une
fibre
optique dont l'extrémité de sortie est située face à ce pixel. La lumière se
déplace dans la fibre optique par réflexion sur les parois de la fibre. La
25 lumière sortant à l'extrémité de la fibre présente un angle non nul par
rapport
à la normale à la zone sensible du pixel. La couche holographique, telle que
décrite dans l'invention, rapproche la lumière en sortie de la fibre de cette
normale à la zone sensible du pixel avec les avantages cités précédemment.
