WO2019042943A1 - Dispositif d'imagerie à capteur multipixels pour constituer une image avec des rayonnements terahertz - Google Patents

Dispositif d'imagerie à capteur multipixels pour constituer une image avec des rayonnements terahertz Download PDF

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WO2019042943A1
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WO
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sensor
lens
transistor
signal
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PCT/EP2018/073037
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English (en)
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Christophe ARCHIER
Benoit MOULIN
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Terahertz Waves Technologies
Original Assignee
Terahertz Waves Technologies
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses

Definitions

  • the present invention relates to an imaging device with a multi-pixel sensor for constituting an image with terahertz radiation. It concerns, in particular, the field of imaging, for example for the control of qualities of manufactured parts.
  • the Terahertz domain designates electromagnetic waves whose frequency is between 0.075 THz and 10 THz, in terms of wavelength from 4 mm to 30 ⁇ . These waves are said to be millimeters, they are located between far infrared (or FIR for Far InfraRed), and radar waves (microwave).
  • the invention more particularly relates to the range 75-700 GHz. Indeed, in this frequency range, a large part of the non-conductive plastic and composite materials are transparent to the radiation. And the radiation sources are relatively accessible in terms of the ratio between the price of the source and the available optical power.
  • ⁇ is the wavelength
  • ON is the numerical aperture.
  • a diffraction limit of 2.44 mm is the order of one millimeter. This diffraction limit of the order of one millimeter corresponds to the average spatial resolution of a THz imaging system.
  • a THz beam is invisible to the eye, and, unlike the near infrared, there is no photosensitive map allowing the conversion of radiation to wavelengths visible to the eye. This aspect has an impact on the tuning and alignment of the systems.
  • THz radiation generation methods for continuous THz radiation exist and can be used in a device that is the subject of the invention, for example:
  • the signal generated by the sources usually used in the THz domain has a very pure coherence, the width of the emission line is very fine.
  • Coherent radiation is not conducive to image formation because interference fringes are generated with a very large amplitude on each system allowing it.
  • the present invention aims to remedy all or part of these disadvantages.
  • the present invention is directed to an imaging device according to claim 1.
  • the imaging device is not subject to the presence of standing waves due to the inconsistency of the source.
  • the inventor has determined that this combination of optical and electronic means makes it possible to capture images with a maximized resolution and a low noise level, the relative displacement of these means and the object making it possible to produce matrix images.
  • the ratio of the spectral width to the median wavelength is greater than 1% and preferably greater than 2.5%. This report eliminates the effect of standing waves for the most interesting device and optical geometries.
  • the incoherent source is a white noise source followed by a frequency multiplier. This combination makes it possible to generate the spectral width ratios on the median wavelength making it possible to eliminate the effects of standing waves.
  • the white noise source transmits over a bandwidth between 200 MHz and 500 MHz for a median wavelength of less than 20 GHz.
  • the white noise source is a filtered frequency synthesizer.
  • the optics are made up of two lens groups, the first group collecting light from the scene with an entrance pupil at infinity, and projecting this light through the aperture of the lens.
  • the objective located upstream of the second group, such that the light rays coming from all the points of the optical field completely fill the aperture, the second group focusing on the sensor surface the light emerging from the aperture, ensuring the magnification and aperture image side, the second group ensuring, in addition, the compensation of spherical aberrations generated by the first group.
  • the first group includes a meniscus configured to form an optical field compensator.
  • the exit pupil is at infinity.
  • the optical field is 40 mm for a maximum lens diameter of 100 mm.
  • the senor comprises a multilayer printed circuit with vias, on which are welded spot sensors of a single sensitive zone, having no lateral connection, on the rear face.
  • the vias of the printed circuit are made by laser.
  • at least one point sensor is in a housing that includes a matrix of balls.
  • At least one point sensor is of assembly type at the level of the substrate or at the level of the circuit.
  • At least one point sensor of a single photosensitive zone comprises a transistor wired with hot vias.
  • At least one point sensor of a single photosensitive area is biased by a circuit generating a gate voltage and a micro-current in the transistor channel to obtain a gain of at least 3dB of the signal-to-signal ratio. noise.
  • each sensitive zone of the radiation sensor is produced according to the "Wafer-level packaging" technique, or WLP, in French assembly at the level of the substrate.
  • this is an assembly technology of an integrated circuit while it is part of a substrate, as opposed to the traditional method in which the substrate is cut into individual circuits before assembling them. .
  • This technology makes it possible to achieve component sizes that are much lower than what was traditionally achieved, and to obtain a greater density of sensitive areas.
  • the interpixel (center-to-center distance) between the sensitive areas of the radiation sensor is less than 1 mm.
  • the device according to the invention comprises at least one non-symmetrical lens of revolution, for example a cylindrical lens or a lens with polynomial surfaces on X and Y.
  • the illumination of the object is focused on the area of the scene that is imaged by the linear sensor.
  • At least one optical system has an aspheric optical lens.
  • aspherical lenses simplifies optical design, as compared to the use of parabolic mirrors, or spherical lenses.
  • At least one optical component of an optical system has an antireflection coating with cone or crater-like microstructures.
  • the advantage of this method is that it allows for broadband anti-reflective treatments and insensitive to the orientation of the surface.
  • the transmission frequency of the incoherent source is modulated.
  • the incoherent source includes a noise source of thermal noise type in a resistor or impedance diode.
  • each photosensitive zone is a nano-transistor
  • the signal generated by the radiation THz is a continuous potential difference between the drain and the source of the nano-transistor measured in common or differential mode.
  • the device comprises a proximity electronics for biasing each nano-transistor by a gate voltage close to its swing voltage where the conventional operation of the transistor is the most nonlinear.
  • the rectified signal from each nano-transistor is amplified by forcing asymmetry of the charges in the nano-transistor channel by injecting a current into the transistor channel, between the drain and the source, and / or using metallized patterns acting as antennas.
  • the proximity electronics include a compensation circuit of the offset generated by the injection of current between the drain and the source of each nano-transistor, for example using a subtractor mounting.
  • the device comprises at least one low noise and low drift amplifier that amplifies the signal on the dynamics of an analog digital converter.
  • the device comprises means for synchronizing the demodulation of the signal with the amplitude modulation signal of the source.
  • This provides a maximized signal-to-noise ratio by eliminating all additive noises at a frequency other than the modulation frequency of the source.
  • the sensor and the source are synchronized by a digital clock signal.
  • the source is modulated in amplitude by this clock signal which makes it possible to measure and compensate for the signal residue (offset) present at the terminals of the sensor in the absence of THz.
  • the compensation is both digital by high frequency subtraction of the signal measured with THz and without THz, but also by adjusting the voltage to subtract from the sensor signal to maintain the overall level within a certain voltage range.
  • This architecture guarantees greater sensitivity, improved signal-to-noise ratio.
  • the device comprises a sensor of the positions of the object to be imaged, for example using encoders. These measured position data are synchronized with the data from the sensor for use throughout the travel of the object, including in the acceleration zones and in the areas where the displacement does not follow a line. , or is not along the natural axes of the system.
  • the device according to the invention comprises a splitter plate, the polarization incident on the splitter plate being the polarization in TM mode (acronym for transverse mode for transverse mode) in which the field is parallel to the plane of impact.
  • TM mode acronym for transverse mode for transverse mode
  • the separating blade is, for example, a blade made of Si-HRFZ whose thickness is calculated to ensure optimal separation. Thanks to these provisions, it is possible to perform measurements in reflectometry. Polarization in TM mode provides better stability of the separation efficiency when the thickness of the separating blade varies in its manufacturing tolerance.
  • the device comprises means for measuring the intensity of the radiation coming from the object, and / or the polarization of the rays coming from the object.
  • the device object of the invention thus allows several types of measurements.
  • FIG. 1 represents, schematically and in section, a first embodiment of an incurent terahertz source
  • FIG. 2 represents, schematically and in section, a second embodiment of an incurent terahertz source
  • FIG. 3 represents, schematically and in section, a first embodiment of an imaging objective implemented in devices that are the subject of the invention
  • FIG. 4 represents, schematically and in section, a second embodiment of an imaging objective implemented in devices that are the subject of the invention
  • FIG. 5 represents, schematically and in section, a third embodiment of an imaging objective implemented in devices that are the subject of the invention
  • FIG. 6 represents, schematically and in section, a fourth embodiment of an imaging objective implemented in devices that are the subject of the invention.
  • FIG. 7 represents, schematically and in perspective, a first means of linear illumination of an object, implemented in devices that are the subject of the invention
  • FIG. 8 represents a non-uniform illumination curve
  • FIG. 9 represents an emission curve of a light source to compensate nonuniform rectification shown in FIG. 8;
  • FIG. 10 represents an optical system providing substantially the emission curve illustrated in FIG. 9,
  • FIG. 11 represents a substantially uniform illumination curve provided by the optical system illustrated in FIG. 10, with the linear illumination means illustrated in FIG. 7,
  • FIG. 12 represents, schematically and in perspective, a second linear illumination means having non-symmetrical surfaces
  • FIG. 13 represents, schematically and in section, a first particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 14 represents, schematically and in section, a second particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 15 represents, schematically and in section, a third particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 16 represents, schematically, a multi-pixel sensor
  • FIG. 17 represents an electronic diagram for a THz microscope.
  • refractive optics In the image capture systems that are the subject of the invention, refractive optics (lenses) are used, which have greater modularity than mirrors, and give access to the use of powerful optical design tools. computer assisted.
  • the indices of the materials are constant. to a few percent.
  • the systems that are the subject of the invention therefore do not have a problem of chromaticity, that is to say that there is no change in the optical behavior of the diopters when the wavelength changes.
  • the imaging device that is the subject of the invention uses an incoherent terahertz source (THz) 100.
  • An incoherent THz source 100 is, according to a first example, constituted, as illustrated in FIG.
  • a terahertz transmitter 105 (f ⁇ 200 GHz) with a bandwidth df such that the ratio df / f is greater than 1% and, preferably, greater than 2.5%,
  • a filter 1 10 for limiting the emission band while maintaining a ratio df / f greater than 1% and, preferably, 2.5%,
  • An incoherent THz source 100 is, according to a second example, constituted, as illustrated in FIG. 2:
  • a low-band transmitter 130 i.e., in the frequency range 0.1 GHz to 40 GHz, transmitting on a narrow band (f ⁇ 1 GHz),
  • the emitter 110 or 130 generates an incoherent signal such that, in a time shorter than the acquisition time of the sensor, the emitter emits a sufficiently broad emission spectrum to scan the standing wave.
  • the transmitter 110 or 130 is a noise source of thermal noise type in a resistance or impedance diode.
  • the transmitter 110 or 130 is a tunable source such as a variable frequency oscillator or JIG.
  • the modulator 135 is tuned so that, once multiplied by each frequency multiplier 145, the generated signal has a transmission bandwidth preferably in the 0.1 GHz ⁇ Af ⁇ 10 GHz range. Note that the modulator 135 is flexible over a very narrow band (for example 200 MHz).
  • the amplifiers 1 15, 140 or attenuators are used to adjust the input power of the signal before each frequency multiplier 120 or 145.
  • the multipliers, amplifiers and attenuators can use structures on PCB (acronym for "printed circuit board” for PCB ) or guided (at the frequencies considered, we can manipulate these electromagnetic waves confined in metal waveguides).
  • the choice of the antenna 125 or 150 makes it possible to parameterize the optical properties of the beam coming out of the last multiplier 120 or 145: polarization, TEM mode (transverse electromagnetic mode for transverse electromagnetic mode), divergence and size of the emission point.
  • the source presented in FIGS. 1 and 2 uses an emission spectrum which ensures a scan at least equal to ⁇ / 4, which makes it possible to reduce the sensitivity to standing waves in the image while allowing the choice of the working frequency and the polarization.
  • the spatial resolution is related to the size of the smallest spot that can be focused through the system.
  • the spatial resolution is therefore proportional to the wavelength ⁇ , and to the numerical aperture ON used in the focusing system.
  • the numerical aperture ON is physically limited to a value of 0.5. But in the air with realistic optical indices (of a value of 1, 5 for example), it is very difficult to reach openings smaller than 0.7.
  • the divergence of the source is taken into account in order to choose the focal length f of the first lens so that the beam completely fills this first lens.
  • the diameter D of the beam is equal to the diameter of the first lens, and the numerical aperture parameter ON is optimized.
  • the imaging device that is the subject of the invention uses aspherical lenses (FIGS. 3 to 6 and 13 to 15).
  • a spherical lens is a lens whose shape of each surface follows a sphere.
  • spherical aberration there is an aberration related to the curvature of the lens, called "spherical aberration".
  • Marginal rays passing near the edge of the lens
  • paraxial rays passing in the center of the lens.
  • This effect counterbalances the gain in resolution with the increase of the diameter of the beam, because the focused beam with spherical aberration no longer follows the Airy law mentioned above.
  • the introduction of this spherical aberration disrupts the entire propagation of the THz beam by creating rings of light instead of a point of focus ("spot") well circular: there is a loss of energy in addition to 'a loss of information.
  • aspherical lenses For an aspheric lens the shape of the curvature follows a sphere at the center, but out of the center, the curvature is corrected to cancel the spherical aberration. In visible and infrared optics, these lenses are very expensive to manufacture because of their complex shape.
  • THz THz
  • 3D printing and / or micromachining with a residual roughness between 0.02 and 0.1 mm is carried out.
  • the measurement of the source propagation parameters makes it possible to define the illumination at the input of the system: divergence, distribution of the energy
  • the system is optimized by varying the distances between the optics, the radius of curvature of the surfaces as well as the conicity coefficients (hence the asphericity)
  • the system optimization criterion can be defined for example on the minimization of the spot size at several points of the field, or the minimization of the wavefront difference at several points of the field.
  • the wavelength of the beam being millimetric, a roughness of 1/100 is sufficient to ensure good transmission efficiency. These roughnesses are compatible with microfraises used on modern lathes and milling machines and 3D wire deposition printing.
  • a first method consists in depositing one or more layers of dielectric material whose optical index is lower than the optical index of the treated lens, for example the optical index of the treatment material is close to the square root of the optical index of the lens.
  • the thickness of the layer to be deposited is of the order of a quarter of the average wavelength used. This thickness of the treatment material is relatively large in THz, compared to the infra-red, which poses problems on the deposition technique.
  • a second method, preferably used in the imaging device of the invention is to form cone-shaped microstructures or craters using a method of micromachining, for example the "laser drilling" (laser milling ) using a second femto laser.
  • These microstructures of dimensions smaller than the wavelength create an index gradient apparent on the surface of the diopters which cancels the reflection on the face because there is no longer the index discontinuity that causes the reflection.
  • the advantage of this method is that it makes it possible to perform anti-reflective treatments very wide band and less sensitive to the orientation of the surface, unlike the case of layer deposition.
  • This type of treatment increases the energy efficiency of multi-lens optical systems by increasing the transmission of each optical diopter. Thanks to antireflection treatments, the energy projected on the sensor is increased by several tens of percent. Antireflection treatments also help eliminate unwanted images and standing waves.
  • a current is injected into the transistor channel.
  • a current of the order of a few tens of ⁇ is injected into the transistor channel. This has the effect of increasing by several orders of magnitude the electrical response in the presence of THz radiation.
  • the injection is done by a current generating component directly connected to the transistor by its drain, the component may be for example a LM334 associated with a resistor, the choice of the value of the resistor allows to set the amount of current injected.
  • the useful signal at the terminals of the transistor in the presence of radiation THz being the voltage between its drain and its source, it is necessary to isolate the transistor and the component injecting the current from the rest of the amplification chain by a follower mounting having a very strong impedance.
  • the injected current can propagate only in the transistor and not in the amplification chain.
  • the resistance of the transistor channel is of the order of kOhm
  • the injection of the current into the channel generates a continuous offset across it.
  • This offset is present whether there is THz or not.
  • This offset can be of the order of several hundred mV which is problematic for the amplification chain. Indeed the amplifiers amplify as much the useful signal generated by the THz as the continuous offset: beyond a certain level the offset causes a saturation of the inputs of the different amplifiers. It is therefore necessary to subtract a DC voltage of the same order of magnitude as the offset voltage to the signal generated by the transistor to allow the amplification chain to remain in its input operating range.
  • the amplification is chosen such that the noise generated by it is low, it has a drift as low as possible, and a sufficient bandwidth for the working frequencies.
  • an OPA735 amplifier from Texas Instruments has the required performance.
  • Two amplification stages are conventionally chosen: the first of fixed gain of 10 or 100 near the sensitive surface, which ensures the transport of a signal several orders of magnitude higher than the level of noise induced by the circuit.
  • the second variable gain amplifier (for example between 1 and 10) near the analog-digital converter (ADC). This allows the total to reach a maximum amplification factor of 1000 while being able to adapt the amplification to fill the conversion range of the ADC.
  • FIG. 17 shows a transistor 815 receiving a gate voltage 805 and a current injection 810 on its drain, the voltage on the drain being supplied to a follower 820.
  • a subtractor 830 subtracts a voltage 825, then two amplifiers 835 and 840 amplify the signal.
  • the noise generated by the transistor increases greatly when current is injected. It is no longer interesting to operate in continuous mode (DC) because the noise level is too important, especially the low frequency noise related to the offset voltage. However, by placing the useful signal at a frequency of the order of kHz, a signal-to-noise ratio greater than 60 dB is obtained, compared to approximately 45 dB in continuous mode without injected current. The advantage of current injection is in this signal to noise ratio which is better with the current for a working frequency between 100Hz and 100kHz.
  • the procedure is as follows: the source is modulated externally by a programmable electronic component (for example an FPGA) which controls a radiofrequency amplitude modulator.
  • the programmable component controls the high and low states of the modulation: on one, the THz is emitted by the source; on the other, no signal is emitted.
  • the signal received by the sensor is either the useful signal related to the presence of THz radiation, or the background noise in the absence of THz.
  • the programmable component samples the signal from the sensor during the high and low states, it produces two averages: one corresponding to the average signal level on the high state, the other at the average signal level on the state low.
  • This architecture ensures greater sensitivity, reduced signal noise and signal synchronization with the optimal object position.
  • this multipixel sensor 700 is constituted, as illustrated in FIG.
  • Each detector THz is a nano-RF transistor in GAAS.GAN, or INP in a technology less than 0.25 ⁇ which, by plasma effect, in its channel straightens the THz waves. in the bands 0.1 THz to 2.5 THz.
  • Each nano-transistor is packaged in a micro surface packaging ⁇ 0.5 mm 2 ;
  • a proximity electronics 715 for biasing each detector.
  • a nano-transistor for being an efficient rectifier is biased by a gate voltage close to its swing voltage where the conventional transistor operation is the most nonlinear.
  • the rectified signal is amplified by forcing asymmetry of the charges in the channel by injecting a current between the drain and the source;
  • a proximity electronics 720 for formatting the THz signal.
  • the rectified signal is a continuous potential difference between the drain and the source of the nano-transistor measured in common or differential mode.
  • the proximity electronics 720 has a high impedance so as not to attenuate the amplitude of the signal and to force the injection of the bias current into the transistor and not into the amplification circuit.
  • a subtractor assembly compensates for the offset generated by the current injection between the drain and the source.
  • One or more low noise and low drift amplifiers amplifies the signal on the dynamics of the Digital Analog Converter (ADC) 725;
  • This analog-to-digital converter 725 has a large dynamic amplitude (> 12 bits) and is fast (> 100 kSamples / s or thousands of samples per second);
  • a system 730 for acquiring and processing the signal for noise reduction In the same way as in the case of the point sensor, the THz source is modulated in amplitude which makes it possible to perform an averaged differential measurement.
  • a high-speed communication system 735 via an Ethernet, USB or cameralink communication protocol (registered trademarks).
  • the sensor and the source are synchronized by a digital clock signal.
  • the source is modulated in amplitude by this clock signal which makes it possible to measure and compensate for the signal residue (offset) present at the terminals of the sensor in the absence of THz.
  • the compensation is both digital by high frequency subtraction of the signal measured with THz and without THz, but also by adjusting the voltage to subtract from the sensor signal to maintain the overall level within a certain voltage range.
  • the absolute positions of the object to be imaged are measured by an encoder. These position data are then synchronized with the data from the THz sensor for use over the entire displacement stroke including in the acceleration zones. And lastly, a averaging of the data calibrated on the absolute positions and not on the time allows an adaptation at any speed of displacement
  • the multipixel sensor 700 is produced according to the technique of "Wafer-level packaging" (or WLP, in French assembly at the substrate). It is an assembly technology of an integrated circuit while it is part of a substrate, as opposed to the traditional method in which the substrate is cut into individual circuits before assembling them. This technology makes it possible to achieve component dimensions and proximities far greater than what was traditionally achieved.
  • the multipixel sensor 700 makes it possible to spatially enlarge the field of view and thus to produce high resolution images with a high refresh rate (line frequency> 1 kHz).
  • Each sensor 700 including its proximity electronics is in charge of straightening the THz wave it receives locally and provide a suitable impedance signal for the following electronic stages.
  • each subtracter circuit followed by an amplifier, or differential amplifier, amplifies the useful signal.
  • the signal is digitized at a high rate (acquisition frequency> 1 kHz) as close as possible to the analog output.
  • the signal demodulation is performed synchronously with the source modulation signal on the signals from each pixel, providing a maximized signal-to-noise ratio by eliminating all additive noises at a frequency other than the modulation frequency of the signal. source.
  • the multi-pixel sensor 700 is located in the focal plane of the imaging optical system. Each point sensor is in charge of straightening the THz wave, amplifying the useful signal. The signal is digitized at a high rate (acquisition frequency> 1 kHz) as close as possible to the analog output
  • the small surface of the sensors allows a great compactness and thus it results a high spatial resolution.
  • the photosensitive components are arranged in line with, for example, a space between two photosensitive surfaces of components of the order of 300 ⁇ and a interpixel, distance from center to center, less than 1 mm and preferably 800 ⁇ , each component having a dimension of 500 ⁇ x 1 mm.
  • the individual polarization of each sensor makes it possible to guarantee uniform sensor-to-sensor sensitivity while maintaining high sensitivity.
  • Parallel management of all signals ensures a very high acquisition speed.
  • Embedded signal processing provides real-time filtering for the best signal-to-noise ratio. Communication via an Ethernet, USB or cameralink communication protocol allows packet management to send high-speed lines to link several multi-pixel sensors without loss of data.
  • the starting point for the design of linear sensor imaging systems is the spatial resolution imposed by the sensor.
  • the imaging device object of the invention has, in its multipixel embodiments, an inter-pixel of 800 ⁇ , and depending on the model, a line of 64, 128 or 192 pixels. By choosing the field of view on the side of the object to be imaged, the optimal spatial resolution of the sensor and lens assembly is imposed.
  • the optimal spatial resolution of the camera is 0.53 pl / mm (pairs of lines per millimeter) in frequency.
  • a higher optical resolution of the system could not be sampled correctly by the camera, a lower optical resolution would lead to having an excessive pixel / mm number so not to benefit from all the available resource.
  • This approach also directly indicates the magnification required for the optical system, here 1, 71 x. Following this prerequisite, one is able to give a performance target to the optical system.
  • the objective to be designed to answer the problem is a microscope-type objective, that is to say, to enlarge the scene while ensuring the separation of the details. of it.
  • This "microscope" optics has a magnification factor greater than one and a resolution better than four times the interpixel divided by magnification. This optic is located on the optical path of the rays emitted by the source from the source to the ray sensor through the object.
  • the microscope objective contrary to the objective of photography or to a telescope (distant telescope), the microscope objective has the following overall characteristics: the scene to be imaged is smaller than the size of the sensor, the pixels of the sensor are of the same order of magnitude as the average details of the scene. The reproduction ratio is much greater than one (a scene of 100 ⁇ x 100 ⁇ will be reproduced on a 10 mm x 10 mm sensor: magnification of 100).
  • the objective works at a short distance from the object, and its object aperture can reach values such as 0.7.
  • microscopic optics makes it possible both to grow the object to be observed, and to separate the details of this object so that it is observable. It is the combination of magnification and resolving power that characterizes such an optical system.
  • the scene In the context of microscope objective imaging systems in THz imaging, on the one hand the scene is generally smaller than the size of the detector array, and the detector is on the order of magnitude of the scene details it is therefore necessary to have a magnification of the scene and its details to image it.
  • the image of the scene must be formed by ensuring sufficient resolution of the object to be able to observe its details, which generally implies working with large openings, so close to the object and with large diameter optics compared to the stage.
  • the pixels of the sensor are large compared to the details of the image to be formed
  • the sensor is large:> 150 mm for 192 pixels and
  • the lens is large, of a similar size, or larger than the objects to be imaged.
  • the lenses have at least two lens groups:
  • - 2nd group close to the image, allows to form the image of the object with the target image opening.
  • weakly constrained objectives eg two magnification, and low wavelength
  • the lens actually has three lens groups, the second group being divided into two separate subgroups of a large air space, this is the case especially when the lens is telecentric image side.
  • Example 1 40 mm object field, magnification 1, 3x, 235 GHz
  • the objective 200 has two groups 205 and 210 of a lens each, it is not telecentric side image.
  • This 200 lens has been designed with the constraint of an object print larger than 50 mm.
  • the MTF (acronym for "modulation transfer function" for modulation transfer function) shows a resolution of 0.4 pl / mm, ie 1.92 mm of resolution relative to the object.
  • the spot diagram shows that the system is limited by diffraction on the whole field: the image is not disturbed by the aberrations.
  • Example 2 Figure 4: object field 30 mm, magnification 1, 7x, 235 GHz
  • the objective 215 has three lenses 220, 225 and 230, the second group being divided into two subgroups of a lens. Telecentric lens on the image side.
  • the MTF image shows a resolution of 0.45 pl / mm, ie 1.3 mm of resolution reported to object.
  • the spot diagram shows that the system is limited by diffraction on the whole field: the image is not disturbed by the aberrations.
  • Goal 235 has a second group divided into two subgroups. Four 240 lenses,
  • the MTF image shows a resolution of 0.40 pl / mm, or 2.5 mm resolution reported object.
  • the spot diagram shows that the system is limited by diffraction except at the edge of the field (slight defect).
  • the objective 260 of great increase in two groups, with a compensator of field in the first group.
  • This objective with three lenses 265, 270 and 275 makes it possible to reach resolutions below the wavelength.
  • the image-size MTF shows a resolution of 0.41 pl / mm, ie 780 ⁇ of resolution referred to object.
  • the spot diagram shows that the system is limited by diffraction except at the edge of the field (slight defect).
  • the THz imaging lens is used to image an object in the field to an image plane located opposite the lens.
  • the condition for operating in the specifications is to have a THz signal input sufficient for the detection sensitivity in the image plane.
  • this objective is integrated into a string including a source, a projection system of the illumination of the source, the objective itself, a multi-pixel sensor, and a computerized analysis system (no represent).
  • the objective is therefore an element is key in the chain described above because it is he who ensures the optical spatial resolution on the object to be imaged.
  • the dimensions of the objective are intrinsically linked to its performance: the higher the desired resolution, the larger the lenses, and the length of the lens is important.
  • the use of a line of pixels as a sensor requires the use of lighting on a line of the scene in order to focus the energy of the source on the part of the object observed by the linear sensor.
  • the source emits radiation on an emission cone determined by its horn.
  • the distribution of energy in the emission cone presents a non-uniform and circular energy distribution because it is generally of Gaussian distribution and symmetry of revolution.
  • the linearization system of the source has two objectives:
  • the illumination of the scene is designed parallel in one direction, and focused in the perpendicular direction.
  • the use of a cylindrical lens 290 is a solution to achieve this goal.
  • the beam 285 from the source is enlarged to the same diameter as the scene to be illuminated, then with a lens whose curvature is aspherical with a cylindrical geometry (and not with a geometry of revolution) the radiation is focused in a single direction of the space, as shown in Figure 7.
  • the linearization 280 by the preceding method has a non-uniform illumination because the distribution of the illumination of the source is not.
  • the focusing of the energy distribution of the source in a single direction of space keeps the same inhomogeneous distribution carried along the line of illumination.
  • FIG. 8 represents a power distribution 300 at source output 100.
  • optical design software it is possible to calculate the optimal revolution geometry distribution to ensure uniform illumination once transformed by the cylindrical lens. Since this distribution is known, the software uses it as a target for optimizing the beam shaping lenses at the output of the source 100. For example, an illumination having a distribution 305, illustrated in FIG. 9, forms a uniform distribution after a cylindrical lens.
  • a three-lens system 310, 315, 320, 325 is formed, as illustrated in FIG.
  • the distribution 305 necessary for the entry of the cylindrical lens 325 is calculated
  • optimization is made of a system with two aspherical lenses 315, 320 to form this distribution 305.
  • FIG. 11 illustrates the distribution 330 resulting from the implementation of the optical system 310.
  • the two beam forming lenses 315 and 320 are replaced by a single lens having at least one surface not having symmetry of revolution (sphere, asphere), but representing splines or polynomials.
  • a set of two lenses 335 and 340 makes the illumination linear and uniform, as illustrated in FIG. 12: the lens 335 is used for shaping the beam to prepare the energy distribution (surface lens polynomial XY, for example)
  • the aspherical cylindrical lens 340 achieves the focusing of the beam in only one direction.
  • the advantage of this method is that it is simpler to implement in a computation software: a macro of passage of the Gaussian circular illumination of the source to the linear illumination uniformly is implemented directly at the optimization without going through an intermediate step of calculating the illumination necessary for the entry of the cylindrical lens 340.
  • the computation of the macro, complex for a system with symmetry of revolution, is broken this symmetry from the first lens. This brings the advantage of reducing the number of lenses needed.
  • the design of the illumination takes into account the source used (wavelength, divergence).
  • the illumination system projects enough THz energy onto a plane of space and then uses a collection lens and a sensor to form an image of an object placed in that plane of space.
  • the linearization system allows you to choose how to distribute the energy from the source to illuminate the scene most effectively.
  • a system benefiting from this type of illumination has the greatest energy efficiency, which makes it possible to use less sensitive sensors, or to make images of very opaque or low-reflective objects.
  • the illumination may be a rectangle whose widths and heights may be chosen by the designer.
  • the illumination is collimated on the object to be studied which allows on the one hand to have a greater depth in which the illumination is optimal and on the other hand to have the exit pupil of the system. illumination to infinity to avoid having a part of the image of the source that is superimposed with the image of the object.
  • This macro is implemented in the design software to optimize two non-symmetrically revolving surface lenses that generate rectangular illumination at the object as defined by the designer.
  • the high-resistivity silicon is very commonly used in the THz domain for the manufacture of optical windows, beam splitter or lens hemispherical collection.
  • the image capture system object of the invention uses this material for its semi-reflective blades.
  • the very high index of 3.41 makes it possible to obtain on a single material face a separation of the beam in two components reflected and transmitted by 45% and 55% respectively.
  • the blade must be carefully designed because the passage through both sides of the blade causes interference of the beam with itself which makes vary significantly the performance of the component.
  • the separating blade is the object of antireflection treatment on one side of its material.
  • a material with an index close to 1.8 is preferably chosen, and its thickness is adapted to a submultiple of the wavelength.
  • a separation efficiency of 50% is obtained by choosing the thickness of the blade: by calculating the components of the incoming wave interference it is possible to determine which thickness leads to an efficiency of 50%.
  • the polarization is used in TM mode (acronym for transverse mode for transverse mode) in which the field is parallel to the plane of incidence.
  • TM mode acronym for transverse mode for transverse mode
  • the inventor has in fact determined that the polarization in TM mode ensures a better stability of the separation efficiency when the thickness of the separating blade varies in its manufacturing tolerance.
  • the splitter blade is used on a weakly diverging beam to be most effective. Preferably, it is inserted into a collimated beam.
  • the splitter blade is traversed twice by the optical beam: once when it comes from the source, a second time when it returns from the object to the detector.
  • the splitter blade is used to design an optical system in reflection, where the illumination of the object and the recovery of the flux from the object are on the same side of the object.
  • a multipixel imaging device integrates the following elements:
  • an optical system consisting of lenses for performing linear illumination
  • an optical system consisting of lenses for collecting the illumination after transmission through the object or reflection on the object
  • the reflection mode is therefore commonly used. There are several ways to arrange the lighting and the lens to set up this mode.
  • the complete optical system has two separate parts 400 and 410, one for linear lighting, the other for the imaging lens.
  • the free space makes it possible to insert the object 405 whose images must be captured by the sensor 415.
  • the opening of the lighting is adapted to the opening of the lens to not lose energy outside the lens.
  • the three right-hand lenses 420 form the illumination which is projected at the level of the image plane of the objective 430. then the objective 430 to be projected onto the object 425. Finally the objective 430 forms the image of the object 425 which is projected at 90 ° on the sensor 415 through a semi-reflective plate 435.
  • the lighting is then designed to uniformly illuminate the object 425 through the objective 430.
  • the illumination 440 takes into account an additional lens 460 after the cylindrical lens 465: the last lens of the lens 450.
  • the illumination is inserted directly at the exit of the objective 450.
  • the objective 450 operates thanks to a semi-reflecting plate 455 which reflects the light reflected at 90 ° to the other two lenses and the linear sensor 470.
  • the advantage of this design is to be more compact, and to introduce fewer losses with fewer lenses crossed by the THz beam between the source and the sensor.
  • the illumination system provides a uniform illumination of the scene, the collection system a very high resolution exploited by the extreme compactness of the pixels of the multi-pixel sensor.
  • Preferential embodiments of the different organs of the device forming the subject of the invention are described below.
  • the incoherent source 100 of rays has a ratio of the emission bandwidth to the median wavelength df / f constant. This ratio corresponds to a certain amount of temporal inconsistency, whatever the frequency of emission of the source.
  • the effect obtained using a less coherent source is to eliminate stationary wave effects related to the characteristic dimensions of our optical systems.
  • the source technology multiplied here relies on a white noise source of 400MHz width (median source source between 0 and 18 GHz filtered over a range of 400MHz) and, moreover, conventional components normally specified for a thin band.
  • a white noise source of 400MHz width (median source source between 0 and 18 GHz filtered over a range of 400MHz) and, moreover, conventional components normally specified for a thin band.
  • the refractive lens is new by the fact of making a "microscope" objective in the terahertz field, which combines a strong aperture, and a quasi-constant optical resolution over the entire field of the lens which is several tens of millimeters.
  • this optic has no field width limitation other than the size of the largest single-blockable fabricable lens.
  • this lens or lens, comprises two lens groups:
  • the first group ensures the collection of the light of the stage with an entrance pupil to infinity (telecentric objective), by ensuring the calculated opening on the object side. And projects this light through the lens aperture located upstream of the second group so that rays from all points of the field completely fill the aperture.
  • aperture ⁇ 1 or magnification 1
  • the second group focuses on the surface of the sensor light from the opening by ensuring the magnification and the calculated opening image side.
  • the second group compensates for the aberrations (especially spherical) generated by the first group, so that the objective is limited by diffraction on the whole field.
  • the exit pupil can also be infinite, in some embodiments, but it is not compulsory on the image side.
  • the opening is of the order of 1.
  • the optical field is typically 40 mm for a lens diameter of 100 mm.
  • the choice of the field width is limited only by the maximum dimension of the largest lens that can be fabricated at the factory and not by a criterion depending on the expected optical properties.
  • the matrix of balls (English Bail Grid Array or BGA) is a type of integrated circuit package, intended to be soldered on a printed circuit.
  • a BGA package is composed of a matrix of solder balls. These balls are soldered on a circuit board having reception areas of a suitable diameter. There are also connectors that make it possible to establish an electrical connection between a BGA integrated circuit and a printed circuit.
  • the pitch between balls is generally of the order of mm, it can go down to a few tenths of a mm for the components CSP (Chip Scale Package, translatable by housing on the scale of a die).
  • CSP Chip Scale Package
  • the use of multi-layer PCBs with vias makes it possible to optimize the compactness and equalize the length of the tracks between the components and thus homogenize the response of each sensitive cell.
  • the chips are of type Wafer Scale Level Package or Chip Scale Package. The traditional techniques cut the chips individually to place them in a packaging then they are welded with son between the contact pads of the chip and the pads of the packaging.
  • Packaging at the chip or the wafer are resins that are deposited on the wafer then it is the wafer with the resin that is cut, so there is more solder wire or external packaging.
  • the RF chip is more reproducible because the son / solder is the cause of many concerns and its minimum size, a few tens of microns larger than the chip.
  • the THz waves being millimeter waves, a sub millimeter chip placed with an accuracy of 0.050mm provides a high quality image.
  • the fact of individually soldering the chips with robotic machines makes it possible to repair and change a chip that would be defective on the pixel line.
  • the packaging brings other technical effects: better homogeneity of the photo-response from one sensor to another, sensitivity identical to the orientation of the polarization of light from one sensor to another.
  • the packaging is 0.5 mm. X 1 mm, with connection terminals that do not come out of the surface of the photosensitive areas (contact pad located under the packaging).
  • the transistor is wired not with “bondings” but with hot-via, through-contacts on the back side.
  • the reader is referred "Design Data for Hot Interconnects via in Chip Scale Packaged MMICs up to 1 to 10 GHz" Alexander Bessemoulin, 12th GAAS Symposium - Amsterdam, 2004.
  • the size of the packaging and the method of wiring the transistor inside make it possible to achieve a very good repeatability of placement from one sensor to the other. But the response of the transistor is very sensitive to its orientation and wiring in the packaging. In larger packages, the dispersions on the position of the transistor and the shape of the bonds create a great disparity of response from one sensor to the other. By choosing this 0.5x1 mm packaging, two functions are ensured: to allow a great compactness, and a better reproducibility of the response from one pixel to the other.
  • the transistor is biased by a circuit generating a gate voltage and a micro-current in the channel of the transistor to boost its sensitivity (3dB gain signal to noise ratio).
  • the reading circuit is adapted: subtraction of the offset in particular.
  • the choice of the field width is limited only by the maximum dimension of the largest lens that can be fabricated at the factory and not by a criterion depending on the expected optical properties.

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Abstract

Le dispositif d'imagerie comporte: - une source incohérente de rayons dont la fréquence est comprise entre 0,075 THz et 10 THz pour éclairer un objet, - un capteur (415) de rayonnement provenant de l'objet, qui comporte une pluralité de zones sensibles aux rayonnements issus de la source et qui émet un signal électrique représentatif de l'intensité des rayons issus de la source atteignant chaque zone sensible du capteur, - au moins une optique (260) « de microscope » ayant un facteur de grandissement supérieur à un et une résolution meilleure que quatre fois l'interpixel divisé par le grandissement, située sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l'objet.

Description

DISPOSITIF D'IMAGERIE À CAPTEUR MULTIPIXELS POUR CONSTITUER UNE IMAGE AVEC DES
RAYONNEMENTS TERAHERTZ
Domaine technique
La présente invention vise un dispositif d'imagerie à capteur multipixels pour constituer une image avec des rayonnements TéraHertz. Elle concerne, en particulier, le domaine de l'imagerie, par exemple pour le contrôle de qualités de pièces manufacturées.
Etat de la technique
Le domaine TéraHertz (THz) désigne les ondes électromagnétiques dont la fréquence est située entre 0,075 THz et 10 THz, soit en termes de longueur d'onde de 4 mm à 30 μπτι . Ces ondes sont dites millimétriques, elles sont situées entre l'infrarouge lointain (ou FIR pour Far InfraRed), et les ondes radar (hyperfréquences). L'invention concerne plus particulièrement la gamme 75-700 GHz. En effet dans cette gamme de fréquence, une grande partie des matériaux plastiques et composites non-conducteurs sont transparents au rayonnement. Et les sources de rayonnement sont relativement accessibles en termes de ratio entre le prix de la source et la puissance optique disponible.
Tous les principes optiques utilisés en conception de système visible ou infrarouge s'appliquent au rayonnement THz avec le même rapport de proportion des phénomènes vis-à-vis de la longueur d'onde. Par exemple la limite de diffraction suit la loi d'Airy : Rdiff = 1 ,22 λ ON, dans laquelle λ est la longueur d'onde et ON l'ouverture numérique. Soit pour une ouverture numérique ON de 2, et une longueur d'onde de 1 mm , une limite de diffraction de 2,44 mm. Cette limite de diffraction de l'ordre du millimètre correspond à la résolution spatiale moyenne d'un système d'imagerie THz.
Cependant, les systèmes connus n'atteignent pas cette résolution, qui permettrait d'atteindre les performances optimales.
Les systèmes THz existant utilisent des miroirs paraboliques hors axe comme moyen de propagation du faisceau. Ce choix s'explique car, dans beaucoup d'applications, le niveau de puissance de la source est si faible que les pertes introduites par chaque lentille ne sont pas acceptables (pertes par absorption, et surtout pertes par réflexions sur les interfaces).
Cependant l'utilisation de ces miroirs pose de nombreux problèmes :
difficulté d'alignement avec beaucoup de renvois d'angle,
prix très élevé des optiques,
gamme de focale restreinte en particulier sur les fortes ouvertures et
- obligation de travailler en conjugaison infini-foyer et sur l'axe optique.
Par ailleurs, un faisceau THz est invisible à l'œil, et, contrairement à l'infrarouge proche, il n'existe pas de carte photosensible permettant la conversion du rayonnement vers des longueurs d'onde visibles à l'œil. Cet aspect à un impact sur le réglage et l'alignement des systèmes.
On décrit, ci-dessous, des types de sources disponibles dans le domaine THz. Plusieurs méthodes de génération de rayonnement THz de rayonnement THz continu existent et sont utilisables dans un dispositif objet de l'invention, par exemple :
Diode Impatt associée à un multiplicateur de fréquence pour aller au-delà de 0,2 THz, et Oscillateur fixe ou variable entre 0 et 0,02 THz associé à un multiplicateur de fréquence. Le signal généré par les sources habituellement utilisées dans le domaine THz présente une cohérence très pure, la largeur de la raie d'émission est très fine. Un rayonnement cohérent n'est pas propice à la formation d'image car des franges d'interférences sont générées avec une amplitude très grande sur chaque système le permettant.
Utiliser une source cohérente dans un système d'imagerie alors que la scène à observer n'est pas perpendiculaire en tout point du champ génère une modulation d'amplitude proportionnelle aux variations d'altitudes modulo λ/4. Ce qui est préjudiciable à la qualité de l'image formée.
Exposé de l'invention
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
A cet effet, la présente invention vise un dispositif d'imagerie, selon la revendication 1 .
Grâce à ces dispositions, le dispositif d'imagerie n'est pas sujet à la présence d'ondes stationnaires du fait de l'incohérence de la source. L'inventeur a déterminé que cette combinaison de moyens optiques et électroniques permet de réaliser des captures d'images avec une résolution maximisée et un niveau de bruit faible, le déplacement relatif de ces moyens et de l'objet permettant de réaliser des images matricielles.
Dans des modes de réalisation, le rapport de la largeur spectrale sur la longueur d'onde médiane est supérieur à 1 % et, préférentiellement supérieur à 2,5 %. Ce rapport permet d'éliminer l'effet des ondes stationnaires pour les géométries de dispositif et d'optique les plus intéressantes.
Dans des modes de réalisation, la source incohérente est une source de bruit blanc suivie d'un multiplicateur de fréquences. Cette combinaison permet de générer les rapports de largeur spectrale sur longueur d'onde médiane permettant d'éliminer les effets des ondes stationnaires.
Dans des modes de réalisation, la source de bruit blanc émet sur une largeur de bande entre 200 MHz et 500 MHz pour une longueur d'onde médiane inférieure à 20 GHz.
Dans des modes de réalisation, la source de bruit blanc est un synthétiseur de fréquences filtré.
Dans des modes de réalisation, l'optique est constituée de deux groupes de lentilles, le premier groupe assurant la collecte de la lumière de la scène avec une pupille d'entrée à l'infini, et projette cette lumière à travers l'ouverture de l'objectif située en amont du deuxième groupe, de telle sorte que les rayons lumineux provenant de tous les points du champ optique remplissent entièrement l'ouverture, le deuxième groupe focalisant sur la surface du capteur la lumière issue de l'ouverture en assurant le grandissement et l'ouverture côté image, le deuxième groupe assurant, de plus, la compensation des aberrations sphériques générées par le premier groupe.
Dans des modes de réalisation, le premier groupe comporte un ménisque configuré pour former un compensateur de champ optique.
Dans des modes de réalisation, la pupille de sortie est à l'infini.
Dans des modes de réalisation, le champ optique est de 40 mm pour un diamètre maximal de lentille de 100 mm .
Dans des modes de réalisation, le capteur comporte un circuit imprimé multicouche avec des vias, sur lequel sont soudés des capteurs ponctuels d'une seule zone sensible, n'ayant pas de connexion latérale, en face arrière.
Dans des modes de réalisation, les vias du circuit imprimé sont réalisés par laser. Dans des modes de réalisation, au moins un capteur ponctuel est dans un boîtier qui comporte une matrice de billes.
Dans des modes de réalisation, au moins un capteur ponctuel est de type assemblage au niveau du substrat ou au niveau du circuit.
Dans des modes de réalisation, au moins un capteur ponctuel d'une seule zone photosensible comporte un transistor câblé avec des hot vias.
Dans des modes de réalisation, au moins un capteur ponctuel d'une seule zone photosensible est polarisé par un circuit générant une tension de grille et un micro-courant dans la canal du transistor pour obtenir un gain d'au moins 3dB du rapport signal/bruit.
Grâce à cet ensemble de caractéristiques, la dispersion de fabrication du capteur est limitée et les réponses des différents capteurs ponctuels est mieux normalisée.
Dans des modes de réalisation, chaque zone sensible du capteur de rayonnement est réalisé selon la technique du « Wafer-level packaging », ou WLP, en français assemblage au niveau du substrat.
On rappelle qu'il s'agit d'une technologie d'assemblage d'un circuit intégré alors qu'il fait partie d'un substrat, par opposition avec la méthode traditionnelle dans laquelle on découpe le substrat en circuits individuels avant de les assembler. Cette technologie permet d'atteindre des dimensions de composants bien inférieures à ce qui était obtenu de manière traditionnelle, et d'obtenir une plus grande densité de zones sensibles.
Dans des modes de réalisation, l'interpixel (distance de centre à centre) entre les zones sensibles du capteur de rayonnement est inférieure à 1 mm.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l'invention comporte au moins une lentille de forme non symétrique de révolution, par exemple une lentille cylindrique ou une lentille avec des surfaces polynomiales sur X et Y.
Grâce à ces dispositions, l'éclairement de l'objet est concentré sur la zone de la scène qui est imagée par le capteur linéaire.
Dans des modes de réalisation, au moins un système optique comporte une lentille optique asphérique.
L'utilisation d'une ou plusieurs lentilles asphériques simplifie le dessin optique, par rapport à l'utilisation de miroirs paraboliques, ou de lentilles sphériques.
Dans des modes de réalisation, au moins un composant optique d'un système optique présente un traitement anti-reflet comportant des microstructures en forme de cônes ou de cratères.
L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de réaliser des traitements anti-reflets large bande et peu sensibles à l'orientation de la surface.
Dans des modes de réalisation, la fréquence d'émission de la source incohérente est modulée. Dans des modes de réalisation, la source incohérente comporte une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt.
Dans des modes de réalisation, chaque zone photosensible est un nano-transistor, le signal généré par la radiation THz est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte une électronique de proximité pour polariser chaque nano-transistor par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire. Dans des modes de réalisation, le signal redressé issu de chaque nano-transistor est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal du nano-transistor en injectant un courant dans le canal du transistor, entre le drain et la source et /ou en utilisant des motifs métallisés jouant le rôle d'antennes.
Dans des modes de réalisation, l'électronique de proximité comporte un circuit de compensation de l'offset généré par l'injection du courant entre le drain et la source de chaque nano-transistor, par exemple en utilisant un montage soustracteur.
On augmente ainsi la sensibilité du dispositif.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte au moins un amplificateur faible bruit et faible drift qui amplifie le signal sur la dynamique d'un convertisseur analogique numérique.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de synchronisation de la démodulation du signal avec le signal de modulation d'amplitude de la source.
Ceci assure un rapport signal à bruit maximisé en éliminant tous les bruits additifs à une fréquence autre que la fréquence de modulation de la source.
Le capteur et la source sont synchronisés par un signal d'horloge numérique. La source est modulée en amplitude par ce signal d'horloge ce qui permet de mesurer et de compenser le résidu de signal (offset) présent aux bornes du capteur en l'absence de THz. La compensation est à la fois numérique par une soustraction à haute fréquence du signal mesuré avec THz et sans THz, mais aussi analogique en ajustant la tension à soustraire au signal du capteur pour maintenir le niveau global dans une certaine gamme de tension.
Cette architecture garantie une plus grande sensibilité, un rapport signal/bruit signal amélioré.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un capteur des positions de l'objet à imager, par exemple en utilisant des encodeurs. Ces données de position mesurées sont synchronisées avec les données issues du capteur pour une utilisation sur l'ensemble de la course du déplacement de l'objet, y compris dans les zones d'accélérations et dans les zones ou le déplacement ne suit pas une ligne, ou n'est pas le long des axes naturels du système.
Un moyennage des données calé sur les positions absolues et non sur le temps permet une adaptation à toute vitesse de déplacement
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l'invention comporte une lame séparatrice, la polarisation incidente sur la lame séparatrice étant la polarisation en mode TM (acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d'incidence.
La lame séparatrice est, par exemple, une lame constituée de Si-HRFZ dont l'épaisseur est calculée pour assurer la séparation optimale. Grâce à ces dispositions, il est possible d'effectuer des mesures en réflectométrie. La polarisation en mode TM assure une meilleure stabilité de l'efficacité de séparation lorsque l'épaisseur de la lame séparatrice varie dans sa tolérance de fabrication.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de mesure de l'intensité des rayonnements provenant de l'objet, et/ou de polarisation des rayons provenant de l'objet.
Le dispositif objet de l'invention permet ainsi plusieurs types de mesures.
Brève description des figures
D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement et en coupe, un premier exemple de réalisation d'une source TéraHertz incohérente,
- la figure 2 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième exemple de réalisation d'une source TéraHertz incohérente,
- la figure 3 représente, schématiquement et en coupe, un premier mode de réalisation d'un objectif d'imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 4 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième mode de réalisation d'un objectif d'imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 5 représente, schématiquement et en coupe, un troisième mode de réalisation d'un objectif d'imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 6 représente, schématiquement et en coupe, un quatrième mode de réalisation d'un objectif d'imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 7 représente, schématiquement et en perspective, un premier moyen d'éclairement linéaire d'un objet, mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 8 représente une courbe d'éclairement non uniforme,
- la figure 9 représente une courbe d'émission d'une source de lumière pour compenser réclairement non uniforme représenté en figure 8,
- la figure 10 représente un système optique fournissant sensiblement la courbe d'émission illustrée en figure 9,
- la figure 1 1 représente une courbe d'éclairement sensiblement uniforme fournie par le système optique illustré en figure 10, avec le moyen d'éclairement linéaire illustré en figure 7,
- la figure 12 représente, schématiquement et en perspective, un deuxième moyen d'éclairement linéaire présentant des surfaces n'étant pas à symétrie de révolution,
- la figure 13 représente, schématiquement et en coupe, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la figure 14 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la figure 15 représente, schématiquement et en coupe, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la figure 16 représente, schématiquement, un capteur multipixels et
- la figure 17 représente un schéma électronique pour un microscope THz.
Description de modes de réalisation de l'invention
On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l'échelle.
Dans les systèmes de capture d'images objets de l'invention, on met en œuvre des optiques réfractives (lentilles), qui présentent une modularité plus importante que les miroirs, et donnent l'accès à l'utilisation des puissants outils de conception optique assistée par ordinateur.
Dans le domaine de fréquences 100-700 GHz, domaine préférentiel d'utilisation de la présente invention, les indices des matériaux (Polyéthylène haute densité (HDPE), Polyméthylpentène (PMP), Polycarbonate (PC), Silicium HRFZ (Si)) sont constants à quelques pourcents près. Les systèmes objets de l'invention ne présentent donc pas de problème de chromaticité, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de modification du comportement optique des dioptres lorsque la longueur d'onde change. Préférentiellement, le dispositif d'imagerie objet de l'invention met en œuvre une source TéraHertz (THz) incohérente 100.
Une source THz incohérente 100 est, selon un premier exemple, constituée, comme illustré en figure 1 :
- d'un émetteur TéraHertz 105 (f < 200 GHz) de largeur de bande df telle que le rapport df/f est supérieur à 1 % et, préférentiellement, supérieur à 2,5 %,
d'un filtre 1 10 pour limiter la bande d'émission en conservant un rapport df/f supérieur à 1 % et, préférentiellement, à 2,5 %,
d'amplificateurs ou atténuateurs 1 15,
- de multiplieurs 120 de fréquence et
d'une antenne émettrice 125.
Une source THz incohérente 100 est, selon un second exemple, constituée, comme illustré en figure 2 :
d'un émetteur 130 en bande basse, c'est-à-dire dans l'intervalle de fréquence allant de 0,1 GHz à 40 GHz, émettant sur une bande étroite (f < 1 GHz),
d'un modulateur 135 sur une bande 0,1 GHz< Af < 40 GHz,
d'amplificateurs ou atténuateur 140,
de multiplieurs 145 de fréquence et
d'une antenne émettrice 150.
L'émetteur 1 10 ou 130 génère un signal incohérent tel que, dans une durée plus courte que le temps d'acquisition du capteur, l'émetteur émet un spectre d'émission suffisamment étendu pour balayer l'onde stationnaire.
Dans des modes de réalisation, l'émetteur 1 10 ou 130 est une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt.
Dans des modes de réalisation, l'émetteur 1 10 ou 130 est une source accordable telle qu'un oscillateur à fréquence variable ou JIG.
Le modulateur 135 est accordé pour que, une fois multiplié par chaque multiplieur de fréquences 145, le signal généré ait une largeur de bande d'émission préférentiellement dans l'intervalle 0,1 GHz< Af < 10 GHz. On note que le modulateur 135 est modulable sur une bande très étroite (par exemple de 200 MHz).
Les amplificateurs 1 15, 140 ou atténuateurs servent à ajuster la puissance d'entrée du signal avant chaque multiplieur de fréquences 120 ou 145. Les multiplieurs, amplificateurs et atténuateurs peuvent utiliser des structures sur PCB (acronyme de « printed circuit board » pour circuit imprimé) ou bien guidées (aux fréquences considérées, on peut manipuler ces ondes électromagnétiques confinées dans des guides d'onde métallique).
Le choix de l'antenne 125 ou 150 permet de paramétrer les propriétés optiques du faisceau qui sort du dernier multiplieur 120 ou 145 : polarisation, mode TEM (transverse electromagnetic mode pour mode électromagnétique transverse), divergence et taille du point d'émission.
La source présentée en figures 1 et 2 utilise un spectre d'émission qui assure un balayage au moins égal à λ/4 ce qui permet de réduire la sensibilité aux ondes stationnaires dans l'image tout en permettant de choisir la fréquence de travail et la polarisation. Concernant les optiques d'imagerie la résolution spatiale est liée à la dimension du plus petit spot que l'on peut focaliser à travers le système. Le rayon du spot est donné par la loi d'Airy Rdiff = 1 ,22 λ ON, dans laquelle λ est la longueur d'onde et ON l'ouverture numérique.
La résolution spatiale est donc proportionnelle à la longueur d'onde λ, et à l'ouverture numérique ON utilisée dans le système de focalisation. Cette ouverture ON se calcule grâce au diamètre D de l'optique de focalisation et à la focale f de cette optique ON = f / D.
Pour une longueur d'onde λ fixe, on peut donc optimiser la résolution du système en choisissant un diamètre D d'optique plus grand, ou une focale d'optique f plus courte.
L'ouverture numérique ON est physiquement limitée à une valeur de 0,5. Mais dans l'air avec des indices optiques réalistes (d'une valeur de 1 ,5 par exemple), il est très difficile d'atteindre des ouvertures inférieures à 0,7.
Pour maximiser le diamètre D du faisceau, on prend en compte la divergence de la source afin de choisir la focale f de la première lentille de façon que le faisceau emplisse entièrement cette première lentille. Ainsi le diamètre D du faisceau est égal au diamètre de la première lentille, et le paramètre ouverture numérique ON est donc optimisé.
Préférentiellement, le dispositif d'imagerie objet de l'invention utilise des lentilles asphériques (figures 3 à 6 et 13 à 15).
On rappelle ici qu'une lentille sphérique est une lentille dont la forme de chaque surface suit une sphère. Lorsqu'on utilise des lentilles sphériques sur des grands diamètres, il apparaît une aberration liée à la courbure de la lentille, appelée « aberration sphérique ». Les rayons marginaux (passant à proximité du bord de la lentille) ne se focalisent pas au même endroit que les rayons paraxiaux (passant au centre de la lentille). Cet effet vient contrebalancer le gain en résolution avec l'augmentation du diamètre du faisceau, car le faisceau focalisé avec aberration sphérique ne suit plus la loi d'Airy citée plus haut. De plus, l'introduction de cette aberration sphérique perturbe toute la propagation du faisceau THz en créant des anneaux de lumière au lieu d'un point de focalisation (« spot ») bien circulaires : il y a une perte d'énergie en plus d'une perte d'information.
Il existe plusieurs solutions pour résoudre ce phénomène, la plus simple est d'utiliser des lentilles dites asphériques. Pour une lentille asphérique la forme de la courbure suit une sphère au niveau du centre, mais en dehors du centre, la courbure est corrigée afin d'annuler l'aberration sphérique. En optique visible et infrarouge, ces lentilles sont très coûteuses à fabriquer du fait de leur forme complexe.
En THz, étant donné les méthodes de fabrication utilisées, il est aussi simple de fabriquer une lentille sphérique qu'une lentille asphérique.
On réalise une impression 3D et/ou du micro-usinage avec une rugosité résiduelle entre 0,02 et 0,1 mm . La mesure des paramètres de propagation de la source permet de définir l'éclairement en entrée du système : divergence, répartition de l'énergie
On optimise le système en faisant varier les distances entre les optiques, les rayons de courbures des surfaces ainsi que les coefficients de conicité (d'où l'asphéricité)
Le critère d'optimisation du système peut être défini par exemple sur la minimalisation de la taille du spot en plusieurs points du champ, ou bien la minimisation de la différence de front d'onde en plusieurs points du champ. La longueur d'onde du faisceau étant millimétrique une rugosité de 1/100 est suffisante pour assurer une bonne efficacité de transmission. Ces rugosités sont compatibles des microfraises utilisés sur les tours et fraiseuses modernes et de l'impression 3D par dépôt de fil.
Dans la conception de l'imageur toutes les lentilles sont donc conçues asphériques afin d'atteindre les performances optiques maximum en termes d'aberration sphérique et de limiter le nombre de lentilles utilisées.
Concernant les traitements antireflets des lentilles et, le cas échéant, de la lame séparatrice, leur structure consiste en une structure de surface sur les optiques réfractives qui a pour effet de diminuer la réflexion de chaque dioptre en agissant sur l'indice optique à la surface de la lentille.
Une première méthode consiste à déposer une ou plusieurs couches de matériau diélectrique dont l'indice optique est plus faible que l'indice optique de la lentille traitée, par exemple l'indice optique du matériau de traitement est proche de la racine carrée de l'indice optique de la lentille. L'épaisseur de la couche à déposer est de l'ordre du quart de la longueur d'onde moyenne utilisée. Cette épaisseur du matériau de traitement est relativement grande en THz, comparé à l'infra-rouge, ce qui pose des problèmes sur la technique de dépôt.
Une deuxième méthode, utilisée préférentiellement dans le dispositif d'imagerie objet de l'invention consiste à former des microstructures en forme de cônes ou de cratères à l'aide d'une méthode de microusinage, par exemple le « laser drilling » (fraisage laser) à l'aide d'un laser femto seconde. Ces microstructures de dimensions inférieures à la longueur d'onde, créent un gradient d'indice apparent à la surface des dioptres qui annule la réflexion sur la face car il n'y a plus la discontinuité d'indice qui cause la réflexion. L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de réaliser des traitements anti-reflets très large bande et moins sensibles à l'orientation de la surface, contrairement au cas du dépôt de couche.
L'utilisation de ce type de traitement augmente le rendement énergétique des systèmes optiques à plusieurs lentilles en augmentant la transmission de chaque dioptre optique. Grâce aux traitements antireflets, on augmente l'énergie projetée sur le capteur de plusieurs dizaines de pourcents. Les traitements anti-reflets participent également à l'élimination des images parasites et des ondes stationnaires.
En ce qui concerne l'électronique du capteur multi-pixel, pour le circuit analogique, on réalise une injection d'un courant dans le canal du transistor.
Pour augmenter la sensibilité du capteur THz à base de HEMT on injecte un courant de l'ordre de quelques dizaines de μΑ dans le canal du transistor. Cela a pour conséquence d'augmenter de plusieurs ordres de grandeur la réponse électrique en présence de rayonnement THz. L'injection se fait par un composant générateur de courant directement relié au transistor par son drain, le composant peut être par exemple un LM334 associé à une résistance, le choix de la valeur de la résistance permet de paramétrer la quantité de courant injecté.
Le signal utile aux bornes du transistor en présence de rayonnement THz étant la tension entre son drain et sa source, il est nécessaire d'isoler le transistor et le composant injectant le courant du reste de la chaîne d'amplification par un montage suiveur ayant une impédance très forte. Ainsi le courant injecté ne peut se propager que dans le transistor et non dans la chaîne d'amplification.
Correction analogique de l'offset généré par le courant
La résistance du canal du transistor étant de l'ordre du kOhm, l'injection du courant dans le canal génère un offset continu aux bornes de celui-ci. Cet offset est présent qu'il y ait du THz ou non. Cet offset peut être de l'ordre de plusieurs centaines de mV ce qui est problématique pour la chaîne d'amplification. En effet les amplificateurs amplifient autant le signal utile généré par le THz que l'offset continu : au-delà d'un certain niveau l'offset provoque une saturation des entrées des différents amplificateurs. Il est donc nécessaire de soustraire une tension continue du même ordre de grandeur que la tension d'offset au signal généré par le transistor afin de permettre à la chaîne d'amplification de rester dans sa gamme de fonctionnement en entrée.
Amplification
L'amplification est choisie telle que le bruit généré par celle-ci est faible, qu'il ait une dérive la plus faible possible, et une bande passante suffisante pour les fréquences de travail. Par exemple un amplificateur OPA735 de Texas Instruments présente les performances requises. On choisit classiquement deux étages d'amplification : le premier de gain fixe de 10 ou 100 à proximité de la surface sensible, qui assure le transport d'un signal plusieurs ordre de grandeur plus fort que le niveau de bruit induit par le circuit. Puis le deuxième amplificateur de gain variable (par exemple entre 1 et 10) à proximité du convertisseur analogique numérique (ADC). Ce qui permet au total d'atteindre un facteur maximal d'amplification de 1000 tout en étant capable d'adapter l'amplification pour remplir la plage de conversion de l'ADC.
On observe, en figure 17, un transistor 815 recevant une tension de grille 805 et une injection de courant 810 sur son drain, la tension sur le drain étant fournie à un suiveur 820. En sortie du suiveur 820, un soustracteur 830 soustrait une tension 825, puis deux amplificateurs 835 et 840 amplifient le signal.
Modulation/Démodulation du signal
Le bruit généré par le transistor augmente fortement lorsqu'on injecte du courant. Il n'est plus intéressant de le faire fonctionner en mode continu (DC) car le niveau de bruit est trop important, en particulier le bruit basse fréquence lié à la tension d'offset. Cependant en plaçant le signal utile à une fréquence de l'ordre du kHz on obtient un rapport signal à bruit supérieur à 60dB, contre environ 45dB en mode continu sans courant injecté. L'intérêt de l'injection du courant se trouve dans ce rapport signal à bruit qui est meilleur avec le courant pour une fréquence de travail située entre 100Hz et 100kHz.
Il existe plusieurs méthodes pour moduler et démoduler un signal, en particulier celle de la détection synchrone qui est largement utilisée dans les systèmes THz. Cette méthode présente un inconvénient : elle nécessite des temps d'intégration long qui diminuent fortement la vitesse d'acquisition.
Dans le cas présent, on procède de la façon suivante : la source est modulée de manière externe par un composant électronique programmable (par exemple un FPGA) qui commande un modulateur d'amplitude radiofréquence. Le composant programmable maîtrise les états haut et bas de la modulation : sur l'un, le THz est émis par la source ; sur l'autre, aucun signal n'est émis. Alternativement, le signal reçu par le capteur est soit le signal utile lié à la présence de rayonnement THz, soit le bruit de fond en l'absence de THz. Le composant programmable échantillonne le signal provenant du capteur durant les états haut et les états bas, il produit deux moyennes : l'une correspondant au niveau de signal moyen sur l'état haut, l'autre au niveau de signal moyen sur l'état bas. Par soustraction de ces deux moyennes on obtient le signal correspondant au THz seul filtré de ses composantes basses fréquences grâce à la différence haut - bas, et filtré de ses composantes hautes fréquences grâce à la moyenne sur chaque état haut et bas. C'est ce signal différentiel moyenné qui est produit en sortie du capteur.
L'avantage de cette méthode est qu'on peut conserver des vitesses d'acquisition élevées à condition d'avoir des ADC rapides (200.000 échantillons par seconde, par exemple), des bandes passantes d'amplification adaptées. De plus cette méthode est peu coûteuse en calculs, ce qui permet de l'implémenter pour toute une matrice de détecteur, le calcul étant fait indépendamment sur chaque capteur.
Cette architecture garantit une plus grande sensibilité, un bruit signal réduit et une synchronisation du signal avec la position de l'objet optimale.
Dans le cas de l'utilisation d'un capteur linéaire possédant une ou plusieurs lignes de photosites
(ou pixels), ce capteur multipixels 700 est constitué, comme illustré en figure 16 :
d'une ou plusieurs rangées 705 de détecteurs THz 710. Chaque détecteur THz est un nano- transistor RF en GAAS.GAN, ou INP dans une technologie inférieure à 0,25 μιη qui, par effet plasma, dans son canal redresse les ondes THz dans les bandes 0,1 THz à 2,5 THz. Chaque nano-transistor est packagé dans un micro packaging de surface < 0,5 mm2 ;
d'une électronique de proximité 715 pour polariser chaque détecteur. Un nano-transistor pour être un redresseur efficace est polarisé par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire. Le signal redressé est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal en injectant un courant entre le drain et la source ;
- d'une électronique de proximité 720 pour mettre en forme le signal THz. Le signal redressé est une différence de potentiel continu entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel. L'électronique de proximité 720 est à haute impédance pour ne pas atténuer l'amplitude du signal et pour forcer l'injection du courant de polarisation dans le transistor et non dans le circuit d'amplification. Un montage soustracteur compense l'offset généré par l'injection du courant entre le drain et la source. Un ou des amplificateurs faible bruit et faible drift amplifie le signal sur la dynamique du Convertisseur Analogique Numérique (CAN) 725 ;
d'une électronique 725 pour digitaliser parallèlement le signal. Ce convertisseur analogique - numérique 725 possède une grande dynamique en amplitude (> 12 bits) et est rapide (> 100 kSamples/s ou milliers d'échantillons par seconde) ;
- d'un système 730 d'acquisition et de traitement du signal pour la réduction du bruit. De la même façon que dans le cas du capteur ponctuel, la source THz est modulée en amplitude ce qui permet de réaliser une mesure différentielle moyennée.
d'un système 735 de communication haute vitesse via un protocole de communication Ethernet, USB ou cameralink (marques déposées).
Le capteur et la source sont synchronisés par un signal d'horloge numérique. La source est modulée en amplitude par ce signal d'horloge ce qui permet de mesurer et de compenser le résidu de signal (offset) présent aux bornes du capteur en l'absence de THz. La compensation est à la fois numérique par une soustraction à haute fréquence du signal mesuré avec THz et sans THz, mais aussi analogique en ajustant la tension à soustraire au signal du capteur pour maintenir le niveau global dans une certaine gamme de tension.
Dans le cas du capteur multipixels, les positions absolues de l'objet à imager sont mesurées par un encodeur. Ces données de position sont alors synchronisées avec les données issues du capteur THz pour une utilisation sur l'ensemble de la course du déplacement y compris dans les zones d'accélérations. Et enfin un moyennage des données calé sur les positions absolues et non sur le temps permet une adaptation à toute vitesse de déplacement
Cette architecture garantie la plus grande sensibilité, un bruit signal réduit et une synchronisation du signal avec la position de l'objet optimal. Le capteur multipixels 700 est réalisé selon la technique du « Wafer-level packaging » (ou WLP, en français assemblage au niveau du substrat). Il s'agit d'une technologie d'assemblage d'un circuit intégré alors qu'il fait partie d'un substrat, par opposition avec la méthode traditionnelle dans laquelle on découpe le substrat en circuits individuels avant de les assembler. Cette technologie permet d'atteindre des dimensions et des proximités de composants bien supérieures à ce qui était obtenu de manière traditionnelle.
Le capteur multipixels 700 permet d'agrandir spatialement le champ de vue et donc de réaliser des images à haute résolution avec une grande fréquence de rafraîchissement (fréquence ligne > 1 kHz). Chaque capteur 700, y compris son électronique de proximité est en charge de redresser l'onde THz qu'il reçoit localement et de fournir un signal adapté en impédance pour les étages électroniques suivants. Dans l'électronique 720, chaque circuit soustracteur suivi d'un amplificateur, ou amplificateur différentiel, permet d'amplifier le signal utile.
Le signal est numérisé à haute cadence (Fréquence d'acquisition > 1 kHz) au plus près de la sortie analogique.
La démodulation du signal est réalisée de manière synchrone avec le signal de modulation de la source sur les signaux provenant de chaque pixel, ce qui assure un rapport signal à bruit maximisé en éliminant tous les bruits additifs à une fréquence autre que la fréquence de modulation de la source.
Le capteur multipixels 700 est situé dans le plan focal du système optique d'imagerie. Chaque capteur ponctuel est en charge de redresser l'onde THz, d'amplifier le signal utile. Le signal est numérisé à haute cadence (Fréquence d'acquisition > 1 kHz) au plus près de la sortie analogique
La faible surface des capteurs permet une grande compacité et donc il résulte une grande résolution spatiale. Les composants photosensibles sont disposés en ligne avec, par exemple, un espace entre deux surfaces photosensibles de composants de l'ordre de 300 μιη et un interpixel, distance de centre à centre, inférieur à 1 mm et préférentiellement de 800 μιτι , chaque composant ayant une dimension de 500 μιη x 1 mm. La polarisation individuelle de chaque capteur permet de garantir une homogénéité de sensibilité capteur à capteur en conservant une haute sensibilité. La gestion parallèle de tous les signaux permet de garantir une très haute vitesse d'acquisition. Un traitement du signal embarqué permet un filtrage temps réel pour obtenir le meilleur rapport signal à bruit. Une communication par via un protocole de communication Ethernet, USB ou cameralink permet par gestion des paquets de d'envoyer les lignes à haute cadence de chaîner plusieurs capteurs multi pixels sans perte de données.
Le point de départ de la conception des systèmes d'imagerie pour capteur linéaire est la résolution spatiale imposée par le capteur. Le dispositif d'imagerie objet de l'invention présente, dans ses modes de réalisation multipixels, un inter-pixel de 800 μιη , et selon le modèle, une ligne de 64, 128 ou 192 pixels. Par choix du champ de vision du côté de l'objet à imager, on impose la résolution spatiale optimale de l'ensemble capteur et objectif.
Par exemple, dans le cas d'un champ de vision de 30 mm coté objet, il est nécessaire d'assurer un échantillonnage correct de la scène selon de critère de Shannon (quatre pixels pour une paire de lignes à la résolution maximale). Ainsi la résolution spatiale optimale de la caméra (capteur et objectif) est de 0,53 pl/mm (paires de lignes par millimètre) en fréquence. Une résolution optique supérieure du système ne pourrait pas être échantillonnée correctement par la caméra, une résolution optique inférieure conduirait à disposer d'un nombre de pixel/mm excessif donc de ne pas bénéficier de toute la ressource disponible. Cette approche indique également directement le grandissement nécessaire au système optique, ici 1 ,71 x. Suite à ce préalable, on est capable de donner une cible de performance au système optique. Connaissant la fréquence de travail, par exemple 255 GHz, on calcule par la loi d'Airy que l'objectif à concevoir doit avoir une ouverture numérique coté objet de 1 ,31 , une ouverture numérique coté image de 2,23. On peut également estimer la dimension du diamètre de l'objectif nécessaire pour atteindre cette ouverture numérique : ici 75 mm .
Compte tenu des paramètres optiques déterminés ci-dessus, on voit que l'objectif à concevoir pour répondre à la problématique est un objectif de type microscope, c'est-à-dire permettant d'agrandir la scène tout en assurant la séparation des détails de celle-ci. Cette optique « de microscope » a un facteur de grandissement supérieur à un et une résolution meilleure que quatre fois l'interpixel divisé par le grandissement. Cette optique est située sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l'objet.
En effet, contrairement à l'objectif de photographie ou à une lunette de vision lointaine (télescope), l'objectif de microscope présente les caractéristiques globales suivantes : la scène à imager est plus petite que la taille du capteur, les pixels du capteur sont du même ordre de grandeur que les détails moyens de la scène. Le rapport de reproduction est bien supérieur à un (une scène de 100 μιη x 100 μιη sera reproduite sur un capteur de 10 mm x 10mm : grandissement de 100). L'objectif travaille à faible distance de l'objet, et son ouverture objet peut atteindre des valeurs telles que 0,7.
En ce qui concerne l'utilisation d'un objectif de microscope, on rappelle qu'une optique de microscopie permet à la fois de grandir l'objet à observer, et de séparer les détails de cet objet afin qu'il soit observable. C'est la combinaison d'un grandissement et d'un pouvoir de résolution qui caractérise un tel système optique.
Dans le cadre des systèmes d'imagerie à objectif de microscope en imagerie THz, d'une part la scène est généralement plus petite que la taille de la matrice de détecteur, et le détecteur est de l'ordre de grandeur des détails de la scène, il est donc nécessaire d'avoir un grandissement de la scène et de ses détails pour l'imager. D'autre part l'image de la scène doit se former en assurant un pouvoir de résolution de l'objet suffisant pour pouvoir observer ses détails, ce qui implique en général de travailler avec des fortes ouvertures, donc à proximité de l'objet et avec des optiques de grand diamètre comparativement à la scène.
Pour répondre à la problématique de l'imagerie de champ THz, l'objectif de microscope est le meilleur candidat :
les pixels du capteur sont gros comparés aux détails de l'image à former,
le capteur est de grande dimension : > 150 mm pour 192 pixels et
la résolution à atteindre nécessite de très fortes ouvertures.
La conséquence de ce choix est que l'objectif est volumineux, d'une dimension similaire, ou plus grande que les objets à imager.
Les résultats en termes de nombre de lentilles de l'optique, leurs formes, et leurs dimensions dépend beaucoup du grandissement visé, et de la résolution attendue, ainsi que du tirage de l'objectif (distance entre objet et première lentille)
Les objectifs présentent au minimum deux groupes de lentilles :
- 1 er groupe : à proximité de l'objet, permet la collection de la lumière issue de l'objet avec l'ouverture ciblée et
- 2ème groupe : à proximité de l'image, permet de former l'image de l'objet avec l'ouverture image ciblée. Pour des objectifs faiblement contraints (par exemple grandissement de deux, et longueur d'onde faible), il est possible de concevoir un objectif sur ce principe avec une seule lentille par groupe, donc seulement deux lentilles en tout. Cela est rendu possible en particulier grâce à la capacité de fabriquer des lentilles asphériques.
Pour des objectifs plus contraints (par exemple grandissement de 1 et longueur d'onde élevée) il est nécessaire d'utiliser plus d'une lentille par groupe :
compensateur de champ dans le premier groupe pour limiter la courbure de champ et deux ou trois lentilles dans le deuxième groupe pour limiter les épaisseurs et les aberrations Dans certains modes de réalisation, l'objectif présente en réalité trois groupes de lentilles, le deuxième groupe étant divisé en deux sous-groupes séparés d'un espace d'air important, c'est le cas en particulier lorsque l'objectif est télécentrique coté image.
Exemples de réalisation
Exemple 1 , figure 3 : champ objet 40 mm , grandissement 1 ,3x, 235 GHz
L'objectif 200 possède deux groupes 205 et 210 d'une lentille chacun, il n'est pas télécentrique coté image. Cet objectif 200 a été conçu avec la contrainte d'un tirage objet supérieur à 50 mm. La MTF (acronyme de « modulation transfer fonction » pour fonction de transfert de modulation) montre une résolution de 0,4 pl/mm, soit 1 ,92 mm de résolution rapporté à l'objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sur tout le champ : l'image n'est pas perturbée par les aberrations.
Exemple 2, figure 4 : champ objet 30 mm , grandissement 1 ,7x, 235 GHz
L'objectif 215 possède trois lentilles 220, 225 et 230, le deuxième groupe étant divisé en deux sous-groupes d'une lentille. Objectif télécentrique coté image. La MTF coté image montre une résolution de 0,45 pl/mm, soit 1 ,3 mm de résolution rapporté à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sur tout le champ : l'image n'est pas perturbée par les aberrations.
Exemple 3, figure 5 : champ objet 52 mm , grandissement 1 x, 140 GHz
L'objectif 235 présente un deuxième groupe divisé en deux sous-groupes. Quatre lentilles 240,
245, 250 et 255 sont nécessaires pour obtenir le grandissement de 1 et la télécentricité coté image. La MTF coté image montre une résolution de 0,40 pl/mm , soit 2,5 mm de résolution rapporté à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sauf en bord de champ (défaut léger).
Exemple 4, figure 6 : champ objet 50 mm , grandissement 3,1 , 235 GHz
L'objectif 260, de fort grandissement en deux groupes, avec un compensateur de champ dans le premier groupe. Cet objectif, à trois lentilles 265, 270 et 275 permet d'atteindre des résolutions inférieures à la longueur d'onde. La MTF coté image montre une résolution de 0,41 pl/mm , soit 780 μιη de résolution rapportée à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sauf en bord de champ (défaut léger).
L'objectif d'imagerie THz sert à faire l'image d'un objet situé dans le champ vers un plan image situé à l'opposé de l'objectif. La condition pour fonctionner dans les spécifications est d'avoir en entrée un signal THz suffisant pour la sensibilité de détection dans le plan image. Dans une réalisation classique, cet objectif est intégré dans une chaîne incluant une source, un système de projection de l'éclairement de la source, l'objectif lui-même, un capteur multi-pixel, et un système d'analyse informatisé (non représenté).
L'objectif est donc un élément est clé dans la chaîne décrite ci-dessus car c'est lui qui assure la résolution spatiale optique sur l'objet à imager. Les dimensions de l'objectif sont intrinsèquement liées à ses performances : plus la résolution désirée est grande plus les lentilles sont de grande dimension, et la longueur de l'objectif est importante.
L'utilisation d'une ligne de pixels comme capteur nécessite l'utilisation d'un éclairage sur une ligne de la scène afin de concentrer l'énergie de la source sur la partie de l'objet observée par le capteur linéaire. La source émet un rayonnement sur un cône d'émission déterminé par son cornet. La répartition de l'énergie dans le cône d'émission présente une distribution d'énergie non uniforme et circulaire car celle-ci est en général de distribution gaussienne et à symétrie de révolution. Le système de linéarisation de la source vise deux objectifs :
rendre l'éclairement de la source linéaire et
- rendre l'éclairement de la source uniforme sur la scène.
Dans des modes de réalisation, l'éclairement de la scène est conçu parallèle dans une direction, et focalisé dans la direction perpendiculaire. L'utilisation d'une lentille cylindrique 290 est une solution pour atteindre cet objectif. Le faisceau 285 issu de la source est agrandi sur le même diamètre que la scène à éclairer, puis avec une lentille dont la courbure est asphérique à géométrie cylindrique (et non à géométrie de révolution) on focalise le rayonnement dans une seule direction de l'espace, comme illustré en figure 7.
La linéarisation 280 par la méthode précédente présente un éclairement non-uniforme car la distribution de l'éclairement de la source ne l'est pas. La focalisation de la distribution d'énergie de la source dans une seule direction de l'espace garde la même distribution inhomogène reportée long de la ligne d'éclairement.
La figure 8 représente une distribution d'énergie 300 en sortie de source 100.
Avec un logiciel de conception optique, il est possible de calculer la distribution à géométrie de révolution optimale pour assurer un éclairement uniforme une fois transformé par la lentille cylindrique. Cette distribution étant connue, le logiciel l'utilise comme cible pour optimiser les lentilles de mise en forme du faisceau à la sortie de la source 100. Par exemple un éclairement présentant une distribution 305, illustrée en figure 9, forme une distribution uniforme après une lentille cylindrique.
Pour réaliser une uniformisation de l'éclairement sur la ligne observée par le capteur d'image linéaire, en deux étapes de conception, on forme un système 310 à trois lentilles 315, 320, 325, comme illustré en figure 10 :
au cours d'une première étape, on calcule la distribution 305 nécessaire à l'entrée de la lentille cylindrique 325,
au cours d'une deuxième étape, on réalise une optimisation d'un système à deux lentilles asphériques 315, 320 pour former cette distribution 305.
La figure 1 1 illustre la distribution 330 résultant de la mise en œuvre du système optique 310. Dans une autre méthode de linéarisation, on remplace les deux lentilles 315 et 320 de mise en forme du faisceau par une seule lentille, présentant au moins une surface n'étant pas à symétrie de révolution (sphère, asphère), mais représentant des splines ou des polynômes. Dans ce cas, un ensemble de deux lentilles 335 et 340 permet de rendre l'éclairement linéaire et uniforme, comme illustré en figure 12: la lentille 335 sert à la mise en forme du faisceau pour préparer la distribution d'énergie (lentille à surface polynomiale XY, par exemple)
- la lentille 340 cylindrique asphérique réalise la focalisation du faisceau dans une seule direction.
L'avantage de cette méthode est qu'elle est plus simple à mettre en œuvre dans un logiciel de calcul : une macro de passage de l'éclairement circulaire gaussien de la source à l'éclairement linéaire uniforme est directement implémentée au niveau de l'optimisation sans passer par une étape intermédiaire de calcul de l'éclairement nécessaire à l'entrée de la lentille cylindrique 340. Le calcul de la macro, complexe pour un système à symétrie de révolution, on brise cette symétrie dès la première lentille. Cela apporte l'avantage de diminuer le nombre de lentilles nécessaires.
La conception de l'éclairement prend en compte la source utilisée (longueur d'onde, divergence).
Le système d'éclairement permet de projeter assez d'énergie THz sur un plan de l'espace pour ensuite utiliser un objectif de collection et un capteur pour former une image d'un objet placé dans ce plan de l'espace.
Le système de linéarisation permet de choisir comment répartir l'énergie issue de la source afin d'éclairer le plus efficacement la scène. Un système bénéficiant de ce type d'éclairement a la plus grande efficacité énergétique, ce qui permet d'utiliser des capteurs moins sensibles, ou de faire des images d'objets très opaques ou peu réfléchissants.
Dans un autre mode de réalisation l'éclairement peut être un rectangle dont les largeurs et hauteurs peuvent être choisies par le concepteur. Dans ce cas l'éclairement est collimaté sur l'objet à étudier ce qui permet d'une part d'avoir une plus grande profondeur dans laquelle l'éclairement est optimale et d'autre part d'avoir la pupille de sortie du système d'éclairement à l'infini afin d'éviter d'avoir une partie de l'image de la source qui se superpose avec l'image de l'objet.
Pour réaliser un éclairement rectangulaire on procède selon la deuxième méthode décrite ci- dessus : un calcul photométrique permet de déterminer une macro de passage entre un éclairement gaussien de révolution et un éclairement rectangulaire uniforme (ou rectangulaire avec un profil d'intensité particulier. De plus, on impose l'angle d'incidence des rayons nul ponctuel sur l'objet afin de rendre l'éclairement collimaté). Cette macro est implémentée dans le logiciel de conception pour faire l'optimisation de deux lentilles à surface n'étant pas à symétrie de révolution qui génèrent au niveau de l'objet un éclairement rectangulaire tel que défini par le concepteur.
En ce qui concerne la lame séparatrice, par exemple les lames 435 et 455 illustrées en figures 14 et 15, le silicium Haute Résistivité est très couramment utilisé dans le domaine THz pour la fabrication de fenêtres optique, de séparateur de faisceau, ou de lentilles de collection hémisphériques. Préférentiellement, le système de capture d'images objet de l'invention utilise ce matériau pour ses lames semi-réfléchissantes. En effet, l'indice très élevé de 3,41 permet d'obtenir sur une seule face de matériau une séparation du faisceau en deux composantes réfléchie et transmise de 45% et 55% respectivement.
Pour assurer la fonction de lame-séparatrice (idéalement 50% de transmission et 50% de réflexion) la lame doit être conçue avec soin, car le passage à travers les deux faces de la lame provoque des interférences du faisceau avec lui-même qui fait varier notablement les performances du composant.
Préférentiellement, la lame séparatrice est l'objet d'un traitement antireflet sur une seule face de son matériau. Ainsi il n'apparait pas de réflexion sur cette face, et les interférences ne se produisent pas. Pour le traitement, on choisit préférentiellement un matériau d'un indice proche de 1 ,8, et on adapte son épaisseur à un sous-multiple de la longueur d'onde.
Dans des modes de réalisation, on obtient une efficacité de séparation de 50% en choisissant l'épaisseur de la lame : par calcul des composants de l'onde entrant en interférence on est capable de déterminer quelle épaisseur conduit à une efficacité de 50%.
En ce qui concerne la polarisation incidente sur la lame séparatrice, préférentiellement on utilise la polarisation en mode TM (acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d'incidence. L'inventeur a, en effet, déterminé que la polarisation en mode TM assure une meilleure stabilité de l'efficacité de séparation lorsque l'épaisseur de la lame séparatrice varie dans sa tolérance de fabrication.
La lame séparatrice est utilisée sur un faisceau faiblement divergent pour être la plus efficace. Préférentiellement, on l'insère dans un faisceau collimaté. La lame séparatrice est traversée deux fois par le faisceau optique : une fois lorsqu'il provient de la source, une deuxième fois lorsqu'il revient de l'objet vers le détecteur.
La lame séparatrice est utilisée pour concevoir un système optique en réflexion, où l'éclairement de l'objet et la récupération du flux provenant de l'objet se font du même côté de l'objet.
Un dispositif d'imagerie multipixels objet de l'invention intègre les éléments suivants :
une source THz,
un système optique constitué de lentilles pour réaliser l'éclairement linéaire,
un système optique constitué de lentilles pour réaliser la collection de l'éclairement après transmission à travers l'objet ou réflexion sur l'objet,
- d'une lame séparatrice dans le cas de la réflexion,
un capteur multipixels et
une unité de traitement du signal sortant du capteur.
De manière générale il est compliqué d'utiliser le mode transmission soit à cause des dimensions de l'objet, soit à cause de contraintes d'environnement industriel. Le mode réflexion est donc couramment utilisé. Il existe plusieurs manières d'agencer l'éclairage et l'objectif pour mettre en place ce mode.
En mode transmission, le système optique complet présente deux parties 400 et 410 séparées, l'une pour l'éclairage linéaire, l'autre pour l'objectif d'imagerie. Par exemple, dans le système optique du dispositif 40 illustré en figure 13, les trois lentilles de gauche, partie 400, pour l'éclairage, les deux de droite, partie 410, pour l'objectif. Entre les deux, l'espace libre permet d'insérer l'objet 405 dont des images doivent être captées par le capteur 415.
L'ouverture de l'éclairage est adaptée à l'ouverture de l'objectif pour ne pas perdre d'énergie en dehors de l'objectif.
Dans un mode de réalisation du dispositif 42 illustré en figure 14, avec réflexion à travers tout l'objectif, les trois lentilles de droite 420 forment l'éclairage qui est projeté au niveau du plan image de l'objectif 430. L'éclairage passe ensuite par l'objectif 430 pour être projeté sur l'objet 425. Enfin l'objectif 430 forme l'image de l'objet 425 qui est projeté à 90° sur le capteur 415 grâce à une lame semi- réfléchissante 435.
L'éclairage est alors conçu pour éclairer uniformément l'objet 425 à travers l'objectif 430.
Dans un mode de réalisation du dispositif 44 illustré en figure 15, avec réflexion à l'intérieur de l'objectif, l'éclairage 440 prend en compte une lentille supplémentaire 460 après la lentille cylindrique 465 : la dernière lentille de l'objectif 450. Ainsi l'éclairage est inséré directement à la sortie de l'objectif 450. L'objectif 450 fonctionne grâce à une lame semi-réfléchissante 455 qui renvoie la lumière réfléchie à 90° vers les deux autres lentilles et le capteur linéaire 470.
L'avantage de cette conception est d'être plus compacte, et d'introduire moins de pertes avec moins de lentilles traversées par le faisceau THz entre la source et le capteur.
Le système d'éclairement permet d'avoir un éclairement homogène de la scène, le système de collection une très grande résolution exploitée par l'extrême compacité des pixels du capteur multipixels. On décrit, ci-dessous, des modes de réalisation préférentiels des différents organes du dispositif objet de l'invention.
Préférentiellement, la source incohérente 100 de rayons présente un rapport de la largeur de bande d'émission sur la longueur d'onde médiane df/f constant. Ce rapport correspond à une certaine dose d'incohérence temporelle et ce quelle que soit la fréquence d'émission de la source. Ainsi, il n'est pas important que la source soit incohérente d'un point de vue "absolu" c'est à dire selon une certaine classification de l'ensemble des sources sur le marché. L'effet obtenu en utilisant une source moins cohérente est d'éliminer des effets d'ondes stationnaires lié aux dimensions caractéristiques de nos systèmes optiques. Avec le rapport df/f typique annoncé, préférentiellement supérieur à 1 % et, encore plus préférentiellement, supérieur à 2,5 %, on a une longueur de cohérence de l'ordre de la dizaine de millimètre, ce qui élimine les effets d'ondes stationnaires à l'échelle du dispositif objet de l'invention.
Le choix de ces rapports df/f permet de diminuer les ondes stationnaires. Le fait de fixer le rapport df/f plutôt que de largeur spectrale permet de s'affranchir de la fréquence de travail.
La technologie des sources multipliée s'appuie ici sur une source de bruit blanc de largeur 400MHz (source de fréquence médiane entre 0 et 18 GHz filtrée sur une plage de 400MHz) et, par ailleurs, des composants classiques normalement spécifiés pour une bande fine. Par exemple, on utilise un rapport df/f de 400 GHz/15000 GHz = 2,7%, ou 6,4 GHz/240 GHz = 2,67.
L'objectif réfractif est nouveau par le fait de faire un objectif "de microscope" dans le domaine térahertz, qui combine une ouverture forte, et une résolution optique quasi-constante sur tout le champ de l'objectif qui fait plusieurs dizaines de millimètres. De plus, cette optique n'a pas de limitation de largeur de champ autre que la taille de la plus grosse lentille fabricable en un seul bloc.
Préférentiellement, cette optique, ou objectif, comporte deux groupes de lentilles :
- le premier groupe assure la collection de la lumière de la scène avec une pupille d'entrée à l'infini (objectif télécentrique), en assurant l'ouverture calculée coté objet. Et projette cette lumière à travers l'ouverture de l'objectif située en amont du deuxième groupe de sorte que les rayons provenant de tous les points du champ remplissent entièrement l'ouverture. Dans le cas d'objectifs fortement contraints (ouverture < 1 , ou grandissement »1 ), il est nécessaire d'ajouter un ménisque dans le premier groupe afin de jouer le rôle de compensateur de champ ; et
- le deuxième groupe focalise sur la surface du capteur la lumière issue de l'ouverture en assurant le grandissement et l'ouverture calculée coté image. Le deuxième groupe assure la compensation des aberrations (en particulier sphériques) générées par le premier groupe, de sorte que l'objectif soit limité par diffraction sur tout le champ. La pupille de sortie peut être également à l'infini, dans des modes de réalisation, mais ce n'est pas obligatoire coté image.
L'ouverture est de l'ordre de 1 . Le champ optique est typiquement de 40 mm pour un diamètre de lentille de 100 mm. Le choix de la largeur du champ n'est limité que par la dimension maximale de la plus grosse lentille fabricable en usine et non pas par un critère dépendant des propriétés optiques attendues.
Pour faire rentrer le circuit de lecture sur une surface limitée, on utilise des composants miniature, des PCB multicouches avec des vias laser. La compacité est rendue possible car les puces sont soudées en face arrière "type BGA" ces puces n'ont pas de connexion latérale ce qui réduit leur encombrement latéral et donc permet de placer les dites puces très proches les unes des autres. La matrice de billes (en anglais Bail Grid Array ou BGA) est un type de boîtier de circuit intégré, destiné à être soudé sur un circuit imprimé. Un boîtier BGA est composé d'une matrice de billes de soudures. Ces billes sont soudées sur un circuit imprimé possédant des plages d'accueil d'un diamètre adéquat. Il existe également des connecteurs qui permettent d'établir une liaison électrique entre un circuit intégré BGA et un circuit imprimé. Le pas entre billes est généralement de l'ordre du mm , il peut descendre à quelques dixièmes de mm pour les composants CSP (Chip Scale Package, traduisible par boîtier à l'échelle d'un die). L'utilisation de PCB multi couche avec vias permet d'optimiser la compacité et d'égaliser la longueur des pistes entre les composants et ainsi homogénéiser la réponse de chaque cellule sensible. Les puces sont de type Wafer Scale Level Package ou Chip Scale Package. Les techniques traditionnelles découpent les puces de façon individuelles pour les placer ensuite dans un packaging puis elles sont soudées avec des fils entre les plots de contact de la puce et les plots du packaging.
Les Packaging au niveau du Chip ou du wafer sont des résines qui sont déposées sur le wafer puis c'est le wafer avec la résine qui est découpée, il n'y a donc plus de fil de soudure ni de packaging externe. La puce RF est alors plus reproductible car les fils/soudure sont la cause de nombreux soucis et à sa taille minimale, quelques dizaines de microns plus grand que la puce. Les ondes THz étant des ondes millimétriques, une puce sub millimétrique placée avec une précision de 0,050mm fournit une image de haute qualité. De plus, le fait de souder individuellement les puces avec des machines robotisées permet de faire une réparation et changer une puce qui serait défectueuse sur la ligne de pixels. La combinaison des contraintes du THz avec la disponibilité de ces micro puces et des circuits imprimés multicouches avec via qui fournit des images excellentes. Cette combinaison est moins adaptée au-delà de 2-3 THz car la longueur d'onde est alors de 0,1 mm.
Le packaging apporte d'autres effets techniques : meilleure homogénéité de la photo-réponse d'un capteur à l'autre, sensibilité identique à l'orientation de la polarisation de la lumière d'un capteur à l'autre. Le packaging fait 0,5 mm . X 1 mm, avec des bornes de connexion qui ne sortent pas de la surface des zones photosensibles (pad de contact situés sous le packaging). Le transistor est câblé non pas avec des "bondings" mais avec hot-via, contacts traversants sur la face arrière. Concernant les hot-vias, le lecteur pourra se reporter "Design Data for Hot-via Interconnects in Chip Scale Packaged MMICs up to 1 10 GHz" Alexandre Bessemoulin, 12th GAAS Symposium - Amsterdam , 2004.
La taille du packaging et la méthode de câblage du transistor à l'intérieur permettent d'atteindre une très bonne répétabilité de placement d'un capteur à l'autre. Or la réponse du transistor est très sensible à son orientation et son câblage dans le packaging. Dans les packaging plus gros, les dispersions sur la position du transistor et la forme des bonding créent une grande disparité de réponse d'un capteur à l'autre. Par le choix de ce packaging 0,5x1 mm , on assure deux fonctions : permettre une grande compacité, et une meilleure reproductibilité de la réponse d'un pixel à l'autre.
Le transistor est polarisé par un circuit générant une tension de grille et un micro-courant dans le canal du transistor pour booster sa sensibilité (gain de 3dB de rapport signal à bruit). Pour utiliser le transistor dans ces conditions, le circuit de lecture être adapté : soustraction de l'offset en particulier. Il est aussi question d'un choix d'ampli faible bruit et faible dérive en température. Tous ces composants prennent de la place en termes de surface et aussi de complexité de routage, il est nécessaire d'utiliser des composants CMS 0201 et 0402 et des PCB multicouches avec des vias laser.
Le choix de la largeur du champ n'est limité que par la dimension maximale de la plus grosse lentille fabricable en usine et non pas par un critère dépendant des propriétés optiques attendues.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'imagerie (40, 42, 44), caractérisé en ce qu'il comporte :
une source (100) incohérente de rayons dont la fréquence est comprise entre 0,075 THz et 10 THz pour éclairer un objet,
un capteur (415, 470) de rayonnement provenant de l'objet, qui comporte une pluralité de zones sensibles aux rayonnements issus de la source et qui émet un signal électrique représentatif de l'intensité des rayons issus de la source atteignant chaque zone sensible du capteur,
au moins une optique (235, 260) « de microscope » ayant un facteur de grandissement supérieur à un et une résolution meilleure que quatre fois l'interpixel divisé par le grandissement, située sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l'objet, dans lequel le ratio de la largeur de bande sur la longueur d'onde médiane est supérieur à 1 %.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le ratio de la largeur de bande sur la longueur d'onde médiane est supérieur à 2,5 %.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la source incohérente est une source de bruit blanc suivie d'un multiplicateur de fréquences.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la source de bruit blanc émet sur une largeur de bande entre 200 MHz et 500 MHz pour une longueur d'onde médiane inférieure à 20 GHz.
5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel la source de bruit blanc est un synthétiseur de fréquences filtré.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'optique est constituée de deux groupes de lentilles, le premier groupe assurant la collecte de la lumière de la scène avec une pupille d'entrée à l'infini, et projette cette lumière à travers l'ouverture de l'objectif située en amont du deuxième groupe, de telle sorte que les rayons lumineux provenant de tous les points du champ optique remplissent entièrement l'ouverture, le deuxième groupe focalisant sur la surface du capteur la lumière issue de l'ouverture en assurant le grandissement et l'ouverture côté image, le deuxième groupe assurant, de plus, la compensation des aberrations sphériques générées par le premier groupe.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le premier groupe comporte un ménisque configuré pour former un compensateur de champ optique.
8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel la pupille de sortie est à l'infini.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le champ optique est de 40 mm pour un diamètre maximal de lentille de 100 mm .
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le capteur comporte un circuit imprimé multicouche avec des vias, sur lequel sont soudés des capteurs ponctuels d'une seule zone sensible, n'ayant pas de connexion latérale, en face arrière.
1 1 . Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les vias du circuit imprimé sont réalisés par laser.
12. Dispositif selon l'une des revendications 10 ou 1 1 , dans lequel au moins un capteur ponctuel est dans un boîtier qui comporte une matrice de billes.
13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel au moins un capteur ponctuel est de type assemblage au niveau du substrat ou au niveau du circuit.
14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel au moins un capteur ponctuel d'une seule zone photosensible comporte un transistor câblé avec des hot vias.
15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel au moins un capteur ponctuel d'une seule zone photosensible est polarisé par un circuit générant une tension de grille et un micro-courant dans la canal du transistor pour obtenir un gain d'au moins 3dB du rapport signal/bruit.
16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, dans lequel l'interpixel , distance de centre à centre, des zones sensibles du capteur de rayonnement est inférieure à 1 mm.
17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, qui comporte au moins une lentille de forme non symétrique de révolution, par exemple une lentille cylindrique ou une lentille avec des surfaces polynomiales sur X et Y.
18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, dans lequel au moins un système optique comporte une lentille optique asphérique.
19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, dans lequel au moins un composant optique d'un système optique présente un traitement anti-reflet comportant des microstructures en forme de cônes ou de cratères.
20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, dans lequel la fréquence d'émission de la source incohérente est modulée.
21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, dans lequel la source incohérente comporte une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt.
22. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 21 , dans lequel chaque zone photosensible est un nano- transistor, le signal généré par la radiation THz est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel.
23. Dispositif selon la revendication 22, qui comporte une électronique de proximité pour polariser chaque nano-transistor par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire.
24. Dispositif selon la revendication 23, dans lequel le signal redressé issu de chaque nano-transistor est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal du nano-transistor en injectant un courant dans le canal du transistor, entre le drain et la source et /ou en utilisant des motifs métallisés jouant le rôle d'antennes.
25. Dispositif selon l'une des revendications 23 ou 24, dans lequel l'électronique de proximité comporte un circuit de compensation de l'offset généré par l'injection du courant entre le drain et la source de chaque nano-transistor, par exemple en utilisant un montage soustracteur.
26. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 25, qui comporte au moins un amplificateur faible bruit et faible drift qui amplifie le signal sur la dynamique d'un convertisseur analogique numérique.
27. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 26, qui comporte un moyen de synchronisation de la démodulation du signal avec un signal de modulation d'amplitude de la source.
28. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 27, qui comporte un capteur des positions de l'objet à imager, par exemple en utilisant un encodeur.
29. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 28, qui comporte une lame séparatrice, la polarisation incidente sur la lame séparatrice étant la polarisation en mode TM (acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d'incidence.
30. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 29, qui comporte un moyen de mesure de l'intensité des rayonnements provenant de l'objet, et/ou de polarisation des rayons provenant de l'objet.
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