Conception, modélisation et optimisation d'optiques intégrées sur plaquettes silicium pour micro caméras

par Guillaume Cassar

Thèse de doctorat en Optique Image Vision

Sous la direction de Thierry Lépine.

Soutenue en 2009

à Saint-Etienne .

mots clés

• Caméras vidéo numériques -- Thèses et écrits académiques
• Équipement électronique miniaturisé -- Thèses et écrits académiques
• Silicium -- Thèses et écrits académiques
• Lentilles (optique) -- Thèses et écrits académiques
• Optique intégrée -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Le but de ce travail est de rechercher et développer de nouvelles technologies optiques pour caméras miniatures embarquées sur téléphone portable. Pour parvenir à cela, nous avons tout d'abord analysé au mieux les besoins du marché adressé : coût de production, miniaturisation, « résolution », qualité d'image, etc. Il a ensuite fallu rechercher des technologies qui permettraient de répondre à la problématique levée. Quatre technologies ont retenu notre attention : les lentilles à cristaux liquides, les lentilles diffractives, les lentilles liquides à micro-actuateurs et les lentilles à gradient d'indice. Nous avons choisi de nous concentrer sur les deux dernières technologies citées, car elles paraissent les plus prometteuses actuellement. En parallèle de ce travail de recherche et de développement de nouvelles technologies, il fallait garder à l'esprit leur finalité industrielle et donc surveiller que la technologie répond bien aux exigences de coût de production. Afin de faire cela (et d'en faire autant pour toutes les technologies actuelles et futures), nous proposons une méthode de tolérancement permettant de calculer le rendement de production et de faire des analyses poussées des comportements simulés des modules une fois en production. Le développement des lentilles liquides à micro actuateur est effectué en partenariat avec le CEA-LETI. Les applications possibles de cette technologie sont nombreuses et très prometteuses : auto-focus, zoom et stabilisateur d'image, le tout sans parties mobiles. Les méthodes de fabrication de cette technologie sont presque idéales pour notre application, étant principalement microélectroniques. Les résultats expérimentaux montrent que la technologie a déjà les capacités nécessaires à l'application auto-focus et ces résultats sont en accord avec les simulations. Les simulations sont très prometteuses pour les 2 autres applications. Le développement des lentilles à gradient d'indice est effectué en partenariat avec le CEA-LETI et Saint-Gobain Recherche. Les applications possibles de cette technologie sont également nombreuses : en amont d'un module existant pour un mode « macro », dans un module existant pour aider à la formation d'image, au niveau du capteur pour corriger certains défauts (angle d'incidence, distorsion, courbure du champ). Le défi est d'obtenir les gradients d'indice désirés de manière longitudinale (pour produire les lentilles GRIN à l'échelle du wafer) et non de manière radiale comme c'est actuellement le cas. Les simulations montrent que l'utilisation de cette technologie pour ces applications est très prometteuse. Les démonstrateurs ont montré la capacité de la technologie à remplir son rôle (pour le mode macro et la correction au niveau du capteur) et ont également validé les modèles de simulation développés dans cette thèse. De nombreux progrès sont cependant encore à faire. Cette thèse a permis d'identifier 2 technologies prometteuses pour les caméras miniaturisées et a prouvé leur faisabilité et leur utilité. Des développements sont encore à effectuer. S'ils étaient couronnés de succès, ils permettaient aux détenteurs de ces technologies d'avoir une avance technique appréciable sur la concurrence et de pouvoir produire de meilleurs modules optiques, à moindre prix

Titre traduit

Conception, modeling and optimisation of miniature camera optics embedded in a silicon wafer

Résumé

The goal of this PhD work is to seek and develop new optical technologies for phone miniature cameras. To achieve that, we first had to analyze the needs of the market : production costs, miniaturization, resolution, image quality. . . We then had to look fot technologies that could adress these issues. Four technologies came to our attention : Liquid Cristals Lenses, diffractive lenses, micro-actuated liquid lenses and gradient index lenses. We have chosen to concentrate on the two latter technologies, for they seem to be the most pomising at the moment. At the same time, we needed to keep in mind the fact taht these new technologies were aimed to be industrialized. So, we had to always check that the technology was fulfilling the needs of the market, particulary in terms of production cost. To do that (for these new technologies but also for the existing ones), we suggest a method of tolerancing that allows to predict the production yield as well as precise analysis of the simulated behaviour of the modules once in production. The development of the micro-actuated liquid lenses technology has been made in partnership with the CEA-LETI. Its possible uses are numerous and very promising : auto-focus, zoom and image stabilizer, all with no moving parts. The production methods of this technology are almost ideal for our application, most of it being directly microelectronic methods. The experimental results show that the technology has already got the capacity required for the auto-focus application and these results match the simulations that have been made. Simulations show great promises for the 2 other applications of the technology. The development of the gradient index lenses has been made in partnership with the CEA-LETI and Saint-Gobain Recherche. Its possible uses also are numerous : before and existing lens (for a « macro » mode), inside a lens to help the image formation, or at sensor level to correct defects such as high incidence, distorsion a,d field curvature. The challenge is to be able to produce the desired graded index by an axial method (to produce the GRIN lenses at wafer level) and not radially as is the case at the moment. The simulations show that using GRIN lenses for these applications make things a lot better. Demonstrators have proven that the technology as got the capacity for these applications (for the macro mode and at sensor level) and also have validated the simulation models that have been developped during this PhD. A lot of progresses are nontheless still to be made. This PhD has identified two very promising technologies for miniaturised cameras and has proven their use and feasibility. Developments are still necessary. If they were to be crowned with success, they would give their owners an appreciable technological advance on the competition and would enable them to produce better and cheaper optical modules.