Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02440947 2003-09-15
WO 02/075815 PCT/FR02/00936
CAMERA ELECTRONIQUE A FAIBLE COUT
EN TECHNOLOGIE DES CIRCUITS INTEGRES
L'invention concerne une caméra électronique de série, de petites
dimensions, à faible coût et notamment la partie optique de focalisation des
images sur un capteur électronique en technologie des circuits intégrés
Les caméras électroniques utilisent un capteur d'image
électronique (ou puce électronique) à la place du film argentique des
caméras traditionnelles. Les capteurs électroniques, réalisés en technologie
des circuits intégrés, se présentent sous la forme de puces électroniques
comportant un arrangement de pixels formant une surface photosensible.
L'arrangement de pixels photosensibles fournit des signaux électroniques
correspondant à l'image lumineuse focalisée par l'optique de la caméra sur la
surface photosensible du capteur. Une ~ électronique de traitement des
signaux génère un signal électronique correspondant à l'image lumineuse
réelle projetée sur la surface photosensible du capteur. Ces types de
~ 5 capteurs sont utilisés dans l'imagerie à faible coût, par exemple dans les
caméras numériques, appareils photo-numériques grand public.
L'assemblage des caméras électroniques de petites dimensions
(de l'ordre de 1 cm3 ) est réalisé actuellement avec des méthodes classiques
issues de la photographie.
2o La figure 1 montre une réalisation simplifiée d'une caméra
électronique 10 de l'état de l'art comportant un capteur électronique 12
d'images en technologie des circuits intégrés et une lentille de focalisation
14
des images sur une surface photosensible 16 du capteur. Le capteur
d'images est fixé sur un circuit imprimé 1 ~ solidaire d'un boîtier 20 de la
25 caméra, un support 22 de la lentille est fixée sur le même circuit imprimé.
La structure de la caméra de l'état de l'art de la figure 1 comporte
des inconvénients. En effet, la dispersion des tolérances de fabrication et de
montage des éléments optiques rendent imprécis le positionnement de
l'image projetée par la lentille sur la surface photosensible du capteur. Des
3o réglages de positionnement de la lentille par rapport au capteur s'avèrent
nécessaires et notamment un réglage de focalisation de la lentille, selon
l'axe
optique ZZ', ce qui a une incidence sur le coût de fabrication de série.
CA 02440947 2003-09-15
WO 02/075815 PCT/FR02/00936
2
Dans le montage de la figure 1 la lentille 14 doit être positionnée
d'une part, horizontalement par rapport à la surface du capteur de façon à
centrer les images lumineuses sur la totalité de la surface photosensible du
capteur et, d'autre part, verticalement selon l'axe optique ZZ' pour focaliser
au mieux l'image sur cette surface sensible. La lentille 14 est solidaire
d'une
bague fillette 24 entourant la lentille, pouvant se visser dans le support 22
comportant un filetage complémentaire du filetage de la bague. La lentille
peut être alors déplacée, selon l'axe optique ZZ', pour effectuer la
focalisation sur la surface photosensible du capteur et compenser les
o variations des tolérances de montage et de fabrication du bloc optique. Une
fois le réglage de focalisation effectué, la lentille peut être fixée en
position
par exemple par collage de la bague 24 sur le support 22.
La structure optique de la figure 1, présente un autre inconvénient
lié aux dispersions du positionnement dû support 22 de la lentille par rapport
~ 5 à la surface photosensible 16 du capteur 12. La figure 2 montre un défaut
de
centrage d'une image 30 sur la surface photosensible 16 du capteur 12 de la
caméra de la figure. Le centre théorique O de l'image 30 se situe à
l'intersection des âxes de symétrie )(X' et YY' de la surface photosensible 16
du capteur. Une dispersion de positionnement horizontale, selon ces axes
20 ?CX' et YY', du support de la lentille par rapport à la surface
photosensible du
capteur produit une image 32 dont le centre O' se trouve décalé par rapport
au centre théorique 0. Cette dispersion de positionnement du support 22 par
rapport à la surface photosensible du capteur, qui peut être de l'ordre de 300
micromètres, produit un décentrage de l'image focalisée sur la surface
25 sensible du capteur générant des défauts de linéarité et de sensibilité en
particulier au niveau des coins de l'image. En outre, une partie des bords de
l'image décentrée peut se projeter sur des éléments de la puce ou du
support de la lentille produisant des réflexions parasites qui diminuent le
contraste de l'image.
3o Afin de pallier les inconvénients des caméras électroniques de l'art
antérieur, l'invention propose une caméra électronique de visualisation
d'images lumineuses comportant un capteur électronique d'images ayant
une face active comportant un arrangement de pixels photosensibles formant
une surface photosensible, des conducteurs électriques sur la face active et
35 une face libre opposée à la face active, un bloc optique comportant au
moins
CA 02440947 2003-09-15
WO 02/075815 PCT/FR02/00936
3
une lentille de focalisation des images lumineuses sur la surface
photosensible du capteur, caractérisé en ce que le bloc optique est solidaire
mécaniquement du capteur et en ce que, pour assurer une focalisation
centrée des images lumineuses sur la surface photosensible du capteur, au
moins deux surfaces de positionnement, une des surfaces sur le bloc optique
et l'autre surface sur le capteur, sont en contact mécanique direct.
Le positionnement mécanique du bloc optique et du capteur
électronique, l'un par rapport à l'autre, est réalisé par un contact mécanique
direct entre deux surfaces de positionnement, l'une sur le bloc optique et
o l'autre sur le capteur électronique. Ces deux surfaces de positionnement en
contact mécanique direct déterminent avec une grande précision la position
de l'axe optique Z~' et la distance de la lentille de focalisation par rapport
à la
surface sensible du capteur.
Dans une première réalisation de la caméra selon l'invention, le
t 5 bloc optique et le capteur électronique comportent chacun trois surfaces
planes perpendiculaires entre elles, une surface plane du bloc optique étant
en contact avec une respective surface plane parallèle du capteur
électronique, chaque paire de surfaces en contact annulant, au moins dans
une des deux directions de chacun des trois axes d'un trièdre de référence
2o Oxyz, un des trois degrés de liberté du bloc optique par rapport au
capteur.
Cette première réalisation selon l'invention assure une focalisation et un
centrage précis et réproductible en fabrication des images lumineuses sur la
surface photosensible du capteur,.
Dans les réalisations préférentielles, adaptées aux caméras de
25 très faible coût, la lentille fait partie intégrante du bloc optique, la
rendant
directement solidaire du capteur par l'intermédiaire du bloc optique et les
surfaces de positionnement.
Dans les différentes réalisations de la caméra, le capteur
électronique est reporté sur un circuit imprimé comportant des conducteurs
3o électriques reliés aux ports d'entrée/sortie électriques du capteur. Les
connexions électriques entre le capteur et le circuit imprimé peuvent être
réalisées selon différentes techniques connues.
Selon une première technique le capteur électronique est reporté
par sa face libre sur un circuit imprimé comportant des conducteurs
35 électriques, des fils de connexion électrique reliant les conducteurs
CA 02440947 2003-09-15
WO 02/075815 PCT/FR02/00936
4
électriques de la face active aux conducteurs électriques du circuit imprimé.
Cette technique de connexion, utilisant des fils de connexion, est
communément appelée en langue anglaise «bonding »
Selon une deuxième technique, le capteur électronique est reporté
par sa face active sur le circuit imprimé comportant une ouverture pour le
passage de (a lumière sur la surface photosensible du capteur. Les
connexions électriques sont effectuées par la fusion de microbilles de
soudure, entre le capteur électronique et le circuit imprimé. Ces billes sont
disposées au niveau des connexions électriques du capteur électronique
o face aux conducteurs électriques du circuit imprimé. Cette technique de
montage des capteurs électroniques, utilisant des microbilles de soudure, est
communément appelée en langue anglaise « füp chip »
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de
réalisation de caméras électroniques selon l'invention.
t 5 - la figure 1 représente une vue partielle d'une caméra
électronique de l'état de l'art ;
- la figure 2 montre un défaut de centrage d'une image sur la
surface photosensible du capteur de la caméra de la figure 1 ;
- la figure 3a montre une vue partielle en coupe d'une caméra
2o électronique selon l'invention ;
- la figure 3b montre une vue de dessous de la caméra de la figure
3a ;
- la figure 4a montre une variante de montage de la caméra de la
figure 3a ;
25 - la figure 4b montre une vue de dessous de la caméra de la figure
4a ;
- la figure 5 représente une vue en perspective d'un bloc optique
des caméras des figures 3a et 4a.
La figure 3a montre une vue partielle en coupe selon A'A d'une
3o caméra 40 électronique selon l'invention et la figure 3b une vue de dessous
de la caméra de la figure 3a.
La caméra 40 comporte un capteur électronique 42 d'images (ou
puce électronique) comportant un arrangement de pixels photosensibles
formant une surface photosensible 44 et un bloc optique 46.
CA 02440947 2003-09-15
WO 02/075815 PCT/FR02/00936
Le bloc optique 46 de forme cylindrique selon l'axe de révolution
ZZ' comporte une première paroi cylindrique 48, selon ce même axe ZZ'. La
première paroi cylindrique est fermée à une partie supérieure par une
deuxième paroi 50 perpendiculaire à l'axe ZZ'. La deuxième paroi 50
5 comporte en son centre une lentille de focalisation 52 des images sur la
surface photosensible du capteur électronique 42.
La partie inférieure de la paroi cylindrique 48 comporte des
passages 54, 56, 58, 60 laissant apparaître des pieds 62, 64, 66, 68 pour la
fixation du capteur électronique 42, du côté de sa surface photosensible 44,
o sur le bloc optique 46. Chacun des pieds 62, 64, 66, 68 comporte
- une surface horizontale 72, 74, 76, 78, parallèle au plan Oxy. Les
surfaces horizontales sont en contact mécanique direct avec une face active
79 du capteur électronique 42 du côté de la surface photosensible 44
maintenant en position longitudinale, selon l'axe 2~', la lentille de
focalisation
~ 5 52 par rapport à ladite surface photosensible 44 du capteur. Ainsi, une
seule
tolérance liée à la précision de fabrication du bloc optique intervient dans
le
positionnement vertical, selon l'axe ZZ', de la lentille par rapport à la
surface
photosensible du capteur.
- une paire de surfaces verticales 80a et 80b, 82a et 82b, 84a et
20 84b, 86a et 86b, parallèles à.l'axe ZZ'. Les surfaces verticales d'une
paire,
perpendiculaires entre elles et aux surfaces horizontales 72, 74, 76, 78, de
chacun des pieds, sont en contact. avec des surfaces verticales des bords
88, 90, 92, 94 du capteur électronique.
Les surfaces verticales du bloc optique 46 et du capteur 42 en
25 contact mécanique maintiennent en position horizontale, dans le plan Oxy,
la lentille de focalisation 52 par rapport à la surface photosensible du
capteur. Deux seules tolérances liées à la précision de fabrication du bloc
optique et à la précision de fabrication du capteur 42 interviennent dans le
positionnement de la lentille de focalisation 52 par rapport à la surface
3o photosensible 44 du capteur.
Les contacts mécaniques entre les différentes surfaces de
positionnement du bloc optique et du capteur peuvent être obtenus de façon
connue par l'homme de métier de la mécanique par un choix des tolérances
de fabrication du bloc optique et du capteur. Par exemple, ces tolérances
35 peuvent être calculées de façon à obtenir le maintien du capteur entre les
CA 02440947 2003-09-15
WO 02/075815 PCT/FR02/00936
s
pieds du bloc optique par un serrage du capteur entre les surfaces en
contact et ainsi obtenir la précision de positionnement souhaitée.
Le capteur est reporté sur un circuit imprimé 100 par sa face libre
102, opposée à sa face active 79 comportant la surface photosensible. Le
circuit imprimé est supporté mécaniquement par un boîtier 104 de la caméra.
Des connexions ëlectriques 106 relient des plots 107 (ou plages
métalliques) de sortie électrique du capteur électronique et des conducteurs
électriques du circuit imprimé réalisant les connexions électriques entre le
capteur et une électronique de traitement des signaux des pixels (non
o représentée sur les figures) de la caméra électronique.
Le bloc optique peut être, en outre, maintenu en positon, selon
l'axe ZZ', en contact direct avec le capteur électronique, à l'aide d'une
pièce
de maintien 108 solidaire du circuit imprimé 100, la pièce de maintien
exerçant une force de maintien du bloc optique contre le capteur
~ 5 électronique 42.
La figure 4a montre une coupe partielle selon BB' d'une variante
de réalisation de la caméra de la figure 3a et la figure 4b une vue de dessous
de la caméra de la figure 4a. Dans cette variante, le capteur électronique 42
se trouve reporté, selon la technique de montage « flip-chie », sur un circuit
2o imprimé 110 par le côté de sa face active 79 comportant la surface
photosensible 44. A cet effet, le circuit imprimé 110, fixé sur un boîtier 111
de
la caméra, comporte des ouvertures 112, 114, 116, 118 pour les passages
des pieds respectifs 62, 64, 66, 68 du bloc optique 46 en contact mécanique
avec les surfaces horizontales et verticales de positionnement du capteur
25 électronique. Des connexions électriques reliant les conducteurs
électriques
de la face active (79) du capteur aux conducteurs électriques du circuit
imprimé 110 sont effectuées par des microbilles 120 de soudure selon la
technique « flip-chip » de report du capteur sur le circuit imprimé.
La figure 5 montre une vue en perspective du bloc optique 46
3o comportant la lentille de focalisation 52. Dans les réalisations des
figures 3a
et 4a selon l'invention, le bloc optique 46 et la lentille de focalisation 52
sont
moulées en une seule pièce en plastique transparent. Le bloc optique est
recouvert d'une couche opaque à la lumière laissant apparaître la lentille de
focalisation 52. La figure 5 montre la surface opacifiée du bloc optique, la
35 lentille étant restée transparente à la lumière. La précision du moulage
est de
CA 02440947 2003-09-15
WO 02/075815 PCT/FR02/00936
7
l'ordre de 1 micromètre compatible avec la precision de positionnement du
bloc optique et du capteur de la caméra selon l'invention.
Dans les angles du capteur électronique, habituellement réalisé en
silicium, des zones de référence, face aux surfaces verticales et horizontales
des pieds du bloc optique, sont ménagées. Ces zones de référence sont de
l'ordre du millimètre carré et ne doivent pas comporter des plages de sorties
électriques. La seule tolérance entre la partie active de l'optique (dioptre
de
sortie) et celle du capteur électronique (zone photosensible du capteur
électronique) est la tolérance géométrique du bloc optique.
o Les précisions obtenues avec ce type de montage sont de l'ordre
de la dizaine de micromètres. Ces tolérances sont compatibles avec des
optiques fixes, non réglables, et qui ont des distances focales inférieures à
5
millimètres.
Un autre avantage de la caméra selon l'invention réside dans le
fait que les dimensions du bloc optique sont du même ordre de grandeur que
celles du capteur d'images en silicium. Cela permet d'appliquer des forces
non dommageables sur le silicium lors de l'assemblage du bloc optique sur
capteur d'images.
La caméra selon l'invention, de très petite taille, assure, sans
2o aucun réglage, des profondeurs focales d'environ 30 centimètres à l'infini
ce
qui permet leur intégration dans des équipements électroniques comme les
micro-ordinateurs et les téléphones portables et pour lesquels un réglage de
focalisation de la caméra n'est pas souhaité.
