Conception et réalisation de trieur spectraux pour l'imagerie

par Ujwol Palanchoke

Thèse de doctorat en Optique et radiofréquence

Sous la direction de Jean-Louis Coutaz et de Anne Sentenac.

Le président du jury était Xavier Letartre.

Le jury était composé de Jérôme Favier, Salim Boutami.

Les rapporteurs étaient Xavier Letartre, Riad Haïdar.


  • Résumé

    La miniaturisation des composants CMOS (complementary metal oxide semiconductor) et MEMS (micro-electro-mechanical system) a permis la réalisation de capteurs d'images de faible taille et à forte densité de pixels pour répondre à la demande d'imageurs faible coût. Classiquement, la grande densité de pixels est obtenue en réduisant simplement la taille des pixels. Cependant, cette réduction de taille détériore l'efficacité optique d'absorption des pixels, ce qui impose alors un compromis définissant une taille minimum de pixel. Les pixels ont aujourd'hui une taille de l'ordre de la longueur d'onde, et les systèmes de filtres de couleur qui eux aussi induisent parallèlement des pertes optiques, devraient être revus, de nouvelles méthodes de séparation spectrale devant être envisagées. Cette thèse explore diverses techniques pouvant être utilisées pour trier différentes longueurs d'ondes, principalement dans le lointain infrarouge (8µm-12µm) et dans le visible (0.4µm-0.7µm) vers les pixels adéquats, supprimant ainsi les pertes traditionnelles par filtrage (par absorption ou réflexion).Nous introduisons le concept de tri spectral basé sur la NOE (normalized optical efficiency), qui est le ratio de l'absorption d'un pixel sur l'énergie totale incidente sur un ensemble de pixels. Pour un nombre donné N de pixels d'une sous-matrice de l'imageur (matrice de Bayer), le phénomène de tri spectral a lieu lorsque le NOE de chaque pixel est supérieur à 1/N. Nous étudions tout d'abord par simulation optique des antennes patch de différentes tailles pour trier efficacement la lumière infrarouge. Le réseau d'antennes a été fabriqué et caractérisé dans la plateforme technologique du CEA-LETI pour valider l'étude théorique. Nous rapportons ensuite une étude sur l'utilisation de 2 structures MSM (metal-semiconductor-metal) pour atteindre une absorption supérieure à 50% à 2 longueurs d'ondes dans un détecteur Silicium. Finalement, nous présentons notre étude finale sur une structure multicouche assistée par réseau pour le tri spectral dans le visible, qui permettrait de réduire la taille des pixels dans les imageurs visibles sous le seuil du micron tout en améliorant l'efficacité d'absorption. Nous avons déduit une compréhension de la stratégie de design de telles structures de tri, et présentons une structure de tri conçue pour réaliser du tri spectral avec une efficacité de l'ordre de 80% pour des pixels de taille inférieure à 0,5µm.

  • Titre traduit

    Conception and realization of spectral sorters


  • Résumé

    The advancement and scaling effect in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) and micro-electro-mechanical system (MEMS) technology has made possible to make smaller image sensors with higher density of imaging pixels to respond at the demand of low cost imagers. Generally, the higher pixel density in imaging system is achieved by shrinking the size of each pixel in an array. The shrinking of pixel dimension however deteriorates the optical efficiency and therefore impose the tradeoff between the performance and minimum achievable pixel size. As the pixel size continues to shrink and approach the dimensions comparable to the wavelength, the spectral separation techniques used in current generation imaging system should be revised and new design methodologies have to be explored. This dissertation explored different techniques that could be used to efficiently sort the band of different wavelengths, mainly in far-infrared (8µm - 12µm) and visible (0.4 µm – 0.7 µm) spectrum in different spatial locations. We introduced the concept of spectral sorting based on normalized optical efficiency (NOE). For given number of pixels (N) or detectors, we define the phenomenon of sorting if NOE of individual pixels, considering incidence power from all pixel domain, is greater than 1/N. First we study differently sized optical patch antenna to efficiently sort the infrared light in different spatial locations using numerical techniques. Using array of such antennas we find the near perfect absorption of multiple wavelengths in infrared spectrum. The antenna arrays are fabricated and characterized in CEA-LETI platform to validate our study. We also report our study on using two differently sized Metal-Semiconductor-Metal (MSM) nanostructures to achieve absorption higher than 50% in individual silicon detector for visible spectrum. Finally we present our study on grating based dielectric multilayer structure for sorting of visible light which could enable to shrink the pixel size of visible imaging system to submicron dimension. We derived the comprehensive design strategy of such sorting structure and present the sorting structure designed to achieve optical efficiency as high as 80% in pixel size of as less as 0.5µm.


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