Vers l'intégration de fonctions d'imagerie sur le plan focal infrarouge Application à la conception et à la réalisation d'une caméra sur puce infrarouge cryogénique

par Florence De la Barrière

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean Taboury et de Nicolas Guérineau.


  • Résumé

    La miniaturisation des systèmes optiques est un domaine de recherche qui suscite un grand intérêt scientifique actuellement. En effet, moins volumineux et moins chers, ils peuvent prétendre à être diffusés dans des applications diverses. L'objectif de cette thèse est de concevoir des systèmes d'imagerie extrêmement compacts, intégrés au plus près du détecteur infrarouge refroidi, et idéalement solidaires de celui-ci. Des travaux de recherche sont actuellement menés pour miniaturiser les systèmes optiques : moins volumineux et moins chers, ils peuvent prétendre à être diffusés dans des applications diverses. L'objectif de cette thèse est de concevoir des systèmes d'imagerie extrêmement compacts, intégrés au plus près du détecteur infrarouge refroidi, et idéalement solidaires de celui-ci. J'ai tout d'abord mis en évidence des stratégies pour la simplification et la miniaturisation des systèmes optiques. Parmi elles, les approches menant à des systèmes multivoies semblent être les plus prometteuses pour concevoir des systèmes à la fois compacts et performants. J'ai alors proposé deux architectures multivoies simples, compactes et intégrées au plus près du détecteur infrarouge. La première, de champ d'observation égal à 120°, intègre une matrice de microlentilles à quelques centaines de micromètres seulement du détecteur infrarouge : elle est qualifiée de caméra sur puce. Des défis technologiques ont dû être relevés pour réaliser ce composant. J'ai développé un algorithme de reconstruction d'images et évalué expérimentalement les performances de la caméra. Ce système produit, après traitements, une image échantillonnée au pas de 7,5 µm. Cette valeur est deux fois meilleure que celle qui pourrait être obtenue avec une caméra monovoie classique, associée à un détecteur infrarouge à l'état de l'art actuel, avec un pas pixel de 15 µm. J'ai contribué à la réalisation du second système en développant une méthode originale et simple pour en fabriquer les matrices de microlentilles. Cette technique consiste à mouler par compression de la poudre de bromure de potassium à température ambiante.Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de détecteurs infrarouges, qui intègrent une fonction d'imagerie.

  • Titre traduit

    Towards the integration of optical functions on the infrared focal plane array Application to the design and manufacture of an infrared cryogenic on-chip camera


  • Résumé

    Miniaturizing optical systems is a research area of great interest nowadays: if they were smaller and cheaper, optical systems could be widespread in many applications. This work aims at designing very compact optical systems for imagery applications, which could be integrated near the infrared cryogenic detector and ideally directly on it.First, I have presented original design strategies to simplify and miniaturize optical systems. Approaches which lead to multichannel systems seem to be the most interesting ones to design compact and effective systems. Then, I have proposed two multichannel optical architectures, which are simple, compact, and integrated near the infrared detector. The first camera, which has a field of view equal to 120°, integrates a microlens array at a few hundreds of micrometers only of the infrared detector: it is called a wafer-level camera. Technological challenges have been overcome to manufacture this component. I have developed an image processing method, and assessed the characteristics of the camera experimentally. This system samples the final image with a pitch equal to 7,5 µm. This value is two times better than the one which could be obtained by using a one-channel camera associated with a state-of-the-art infrared detector, with a pixel pitch equal to 15 µm. In order to manufacture the second architecture, I have developed an original and simple method to obtain the microlens arrays, by compression molding of Potassium Bromide powder at ambient temperature. This work gives some elements to design a new generation of infrared detectors with an imagery function.


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