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WO2021165089A1 - Structure d'un filtre angulaire sur un capteur cmos - Google Patents

Structure d'un filtre angulaire sur un capteur cmos Download PDF

Info

Publication number
WO2021165089A1
WO2021165089A1 PCT/EP2021/053011 EP2021053011W WO2021165089A1 WO 2021165089 A1 WO2021165089 A1 WO 2021165089A1 EP 2021053011 W EP2021053011 W EP 2021053011W WO 2021165089 A1 WO2021165089 A1 WO 2021165089A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
array
lenses
openings
layer
lens
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/053011
Other languages
English (en)
Inventor
Benjamin BOUTHINON
Pierre Muller
Noémie BALLOT
Original Assignee
Isorg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Isorg filed Critical Isorg
Priority to EP21703282.0A priority Critical patent/EP4107558A1/fr
Priority to KR1020227030043A priority patent/KR20220140763A/ko
Priority to US17/798,859 priority patent/US20230154957A1/en
Priority to JP2022549745A priority patent/JP2023513953A/ja
Priority to CN202180015154.6A priority patent/CN115136034A/zh
Publication of WO2021165089A1 publication Critical patent/WO2021165089A1/fr

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    • H10F39/806—Optical elements or arrangements associated with the image sensors
    • H10F39/8067—Reflectors

Definitions

  • the present description relates generally to an image acquisition device.
  • An image acquisition device generally comprises an image sensor and an optical system.
  • the optical system can be an angular filter, or a set of lenses, interposed between the sensitive part of the sensor and the object to be imaged.
  • the image sensor generally comprises an array of photodetectors capable of generating a signal proportional to the intensity of light received.
  • An angular filter is a device making it possible to filter incident radiation as a function of the incidence of this radiation and thus block the rays whose incidence is greater than a desired angle, called maximum incidence, which makes it possible to forming a clear image of the object to be imaged on the sensitive part of the image sensor.
  • One embodiment overcomes all or part of the drawbacks of known image acquisition devices.
  • One embodiment provides for a device comprising a stack comprising, in order, at least: an image sensor in MOS technology suitable for detecting radiation; a first array of lenses; a structure composed at least of a first matrix of openings delimited by walls opaque to said radiation; and a second lens array.
  • the number of lenses of the second array is greater than the number of lenses of the first array.
  • the number of lenses of the second array is two to ten times greater than the number of lenses of the first array, preferably twice as much.
  • the device comprises an adhesive layer between said structure and the first array of lenses.
  • the device comprises a refractive index matching layer between said structure and the first array of lenses.
  • each opening of the first matrix is associated with a single lens of the second array; and the optical axis of each lens of the second array is aligned with the center of an opening of the first array.
  • the structure comprises, under the first array of openings, a second array of openings, delimited by walls opaque to said radiation.
  • the number of openings of the first die is identical to the number of openings of the second die.
  • the center of each opening in the first die is aligned with the center of an opening in the second die.
  • the lenses of the second array and the lenses of the first array are plan-convex.
  • the plane faces of the lenses of the first array and of the second array are on the sensor side.
  • the openings are filled with a material at least partially transparent to said radiation.
  • the lenses of the first network have a diameter greater than the diameter of the lenses of the second network.
  • the structure comprises a third array of plano-convex lenses, the plane faces of the lenses of the second array of lenses and of the third array of lenses facing each other.
  • the third lens array is located between the first array of apertures and the first array of lenses or between the first array of apertures and the second array of lenses.
  • the optical axis of each lens of the second array is aligned with the optical axis of a lens of the third array.
  • the image focal planes of the lenses of the second array are merged with the object focal planes of the lenses of the third array.
  • the number of lenses of the third network is greater than the number of lenses of the second network. According to one embodiment, the lenses of the second network have a diameter greater than that of the lenses of the third network.
  • FIG. 1 is a partial and schematic block diagram of an example of an image acquisition system
  • FIG. 2 represents, in a partial and schematic sectional view, an example of an image acquisition device
  • FIG. 3 represents, in a partial and diagrammatic sectional view, an embodiment of the image acquisition device illustrated in FIG. 2;
  • FIG. 4 represents, in a partial and schematic sectional view, another embodiment of the image acquisition device illustrated in FIG. 2;
  • FIG. 5 represents, in a partial and diagrammatic sectional view, yet another embodiment of the image acquisition device illustrated in FIG. 2;
  • FIG. 6 represents, in a partial and diagrammatic sectional view, yet another embodiment of the image acquisition device illustrated in FIG. 2;
  • FIG. 7 represents, in a partial and diagrammatic sectional view, yet another embodiment of the image acquisition device illustrated in FIG. 2;
  • FIG. 8 represents, in a partial and schematic sectional view, yet another embodiment of the image acquisition device illustrated in FIG. 2. Description of the embodiments
  • a layer or a film is said to be opaque to a radiation when the transmittance of radiation through the layer or film is less than 10%.
  • a layer or a film is said to be transparent to radiation when the transmittance of the radiation through the layer or the film is greater than 10%, preferably greater than 50%.
  • all the elements of the optical system which are opaque to radiation have a transmittance which is less than half, preferably less than a fifth, more preferably less than a tenth, of the highest transmittance. lower of the elements of the optical system transparent to said radiation.
  • the electromagnetic radiation passing through the optical system in operation is called “useful radiation”.
  • optical element of micrometric size is called an optical element formed on one face of a support, the maximum dimension of which, measured parallel to said face, is greater than 1 ⁇ m and less than 1. mm.
  • each optical element of micrometric size corresponds to a lens of micrometric size, or microlens, composed of two dioptres.
  • these embodiments can also be implemented with other types of optical elements of micrometric size, each optical element of micrometric size being able to correspond, for example, to a Fresnel lens of micrometric size, to a lens with a gradient index of micrometric size or to a diffraction grating of micrometric size.
  • visible light is called electromagnetic radiation whose wavelength is between 400 nm and 700 nm and infrared radiation is called electromagnetic radiation whose wavelength is between 700 nm and 1 mm.
  • infrared radiation a distinction is made in particular between near infrared radiation, the wavelength of which is between 700 nm and 1.7 ⁇ m.
  • the refractive index of a material corresponds to the refractive index of the material for the range of wavelengths of the radiation picked up by the image sensor. Unless otherwise indicated, the refractive index is considered to be substantially constant over the wavelength range of the useful radiation, for example equal to the average of the refractive index over the wavelength range of the radiation picked up by the image sensor.
  • FIG. 1 is a partial and schematic block diagram of an example of an image acquisition system.
  • the image acquisition system illustrated in Figure 1, comprises: an image acquisition device 1 (DEVICE); and a processing unit 13 (PU).
  • DEVICE image acquisition device 1
  • PU processing unit 13
  • the processing unit 13 preferably comprises means for processing the signals supplied by the device 1, not shown in FIG. 1.
  • the processing unit 13 comprises, for example, a microprocessor.
  • FIG. 2 is a partial and schematic sectional view of an example of an image acquisition device 1.
  • FIG. 2 represents the image acquisition device 1, and a source 25 emitting radiation 27.
  • the image acquisition device 1, illustrated in Figure 2 comprises from bottom to top: an image sensor 17 (SENSOR) in complementary metal oxide semiconductor technology (CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor) which can be coupled to inorganic (crystalline silicon) or organic photodetectors or photodiodes suitable for detecting radiation 27; a first lens array 19 (LENS1); a matrix structure 21 (LAYER (S)); a second lens array 23 (LENS2); and an object 24.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor technology
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor technology
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the structure 21 and the second lens array 23 preferably form an optical filter 2 or angular filter.
  • the image sensor 17 and the first array of lenses 19 preferably form a CMOS imager 3.
  • the radiation 27 is, for example, in the visible range and / or in the infrared range. It may be radiation of a single wavelength or radiation of several wavelengths (or range of wavelengths).
  • the light source 25 is illustrated in Figure 2, above the object 24. It may however, as a variant, be located between the object 24 and the filter 2. In the case of an application to the determination of fingerprints, the object 24 corresponds to the finger of a user.
  • FIG. 3 represents, in a partial and schematic sectional view, an embodiment of the image acquisition device illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 3 represents an image acquisition device 101 in which the matrix structure 21 is composed of a layer 211 comprising a first matrix of openings 41 delimiting walls 39 opaque to said radiation.
  • the image acquisition device 101 illustrated in Figure 3, comprises from bottom to top:
  • the CMOS imager 3 composed of: the image sensor 17 (not detailed in the figures) preferably consisting of a substrate, read circuits, conductive tracks and photodiodes, a first passivation layer 29 (insulating) on and in contact with the image sensor 17, of a second layer 31 playing the role of a color filter covering the full plate the first layer 29, and of the first plane-convex lens array 19, whose flat faces are on the sensor side 17, covered by a third passivation layer 33;
  • the angular filter 2 consisting of: of the structure 21 comprising the layer 211 of openings 41 and whose walls 39 are on and in contact with the fifth layer 37, of a substrate 43 covering the structure 21, and of the second plane-convex lens array 23, of which the flat faces are on the sensor side, covered by a sixth layer 45.
  • the first array of lenses 19 makes it possible, for example, to focus the rays incident to the lenses 19 on the photodetectors present in the image sensor 17.
  • the lens array 19 within the imager 3 forms a matrix of pixels in which a pixel corresponds, for example, substantially to the square in which is inscribed the circle corresponding to the surface of a lens 19.
  • Each pixel thus comprises a lens 19 substantially centered on the pixel.
  • all the lenses 19 have substantially the same diameter.
  • the diameter of the lenses 19 is preferably substantially the same as the length of the sides of the pixels.
  • the pixels of the CMOS imager 3 are substantially square.
  • the length of the sides of the pixels is preferably between 0.7 ⁇ m and 50 ⁇ m, and is more preferably of the order of 30 ⁇ m.
  • the imager 3 is substantially square.
  • the length of the sides of the imager 3 is preferably between 5 mm and 50 mm, and is more preferably of the order of 10 mm.
  • Layer 31 is preferably made of a material absorbing wavelengths between approximately 400 nm and 600 nm (cyan), preferably between 470 nm and 600 nm (green).
  • Layer 29 may be of an inorganic material, for example of silicon oxide (S1O2), of silicon nitride. (SiN), or in a combination of these two materials (for example a multilayer stack).
  • SiO2 silicon oxide
  • SiN silicon nitride.
  • the insulating layer 29 can be made of fluoropolymer, in particular the fluoropolymer known under the trade name "Cytop” from the company Bellex, of polyvinylpyrrolidone (PVP), of polymethyl methacrylate (PMMA), of polystyrene (PS) , parylene, polyimide (PI), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), poly (ethylene terephthalate) (polyethylene terephthalate - PET), poly (ethylene naphthalate) (Polyethylene naphthalate - PEN), polymers cyclic olefin (Cyclo Olefin Polymer - COP), polydimethylsiloxane (PDMS), a photolithography resin, epoxy resin, acrylate resin or a mixture of at least two of these compounds.
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PS polystyrene
  • ABS polyimi
  • the layer 29 can be made of an inorganic dielectric, in particular of silicon nitride, of silicon oxide or of aluminum oxide (Al2O3).
  • Layer 33 is preferably a passivation layer which follows the shape of the microlenses 19 and which makes it possible to isolate and planarize the surface of the imager 3.
  • Layer 33 can be made of an inorganic material, for example. in silicon oxide (S1O2) or in silicon nitride (SiN), or in a combination of these two materials (for example a multilayer stack).
  • the optical filter 2 by the association of the second lens array 23 and the layer 211, is adapted to filter the incident radiation as a function of its angle of incidence by relative to the optical axes of the lenses 23 of the second array.
  • the angular filter 2 is adapted so that the photodetectors of the image sensor 17 receive only the rays whose respective incidences, with respect to the optical axes of the lenses 23, are less than a maximum angle of incidence of less than 45 °, preferably less than 20 °, more preferably less than 5 ° , even more preferably less than 3 °.
  • the optical filter 2 is adapted to block the rays of the incident radiation, the respective incidences of which with respect to the optical axes of the lenses 23 of the filter 2 are greater than the maximum angle of incidence.
  • each opening 41 of the layer 211 is associated with a single lens 23 of the second array and each lens 23 is associated with a single opening 41.
  • the lenses 23 are preferably contiguous .
  • the optical axes of the lenses 23 are preferably aligned with the centers of the openings 41.
  • the diameter of the lenses 23 of the second array is preferably greater than the maximum section (measured perpendicular to the optical axes of the lenses 23) of the openings 41 .
  • the walls 39 are, for example, opaque to radiation
  • the walls 39 are preferably opaque for wavelengths between 400 nm and 600 nm (cyan and green), used for imaging (biometry and fingerprint imaging).
  • the height of the walls 39 is called "h".
  • the openings 41 are arranged in rows and in columns.
  • the openings 41 can have substantially the same dimensions.
  • the diameter of the openings 41 (measured at the base of the openings, that is to say at the interface with the substrate 43) is called "wl".
  • the diameter of each lens 23 is preferably greater than the diameter w1 of the opening 41 with which the lens 23 is associated.
  • the openings 41 are arranged regularly according to the rows and according to the columns. Called “p" the repetition interval of the openings 41, that is to say the distance in top view between the centers of two successive openings 41 of a row or of a column.
  • the openings 41 are shown with a trapezoidal cross section.
  • the openings 41 can be square, triangular, rectangular, in the shape of a funnel.
  • the width (or diameter) of the openings 41, at the level of the upper face of the layer 211 is greater than the width (or diameter) of the openings 41, at the level of the lower face of the layer 211. .
  • the openings 41 can be circular, oval or polygonal, for example triangular, square, rectangular or trapezoidal.
  • the openings 41, viewed from above, are preferably circular.
  • the resolution of the optical filter 2, in section (XZ or YZ plane), is preferably greater than the resolution of the image sensor 17, preferably two to ten times greater. In other words, there are, in section (XZ or YZ plane), two to ten times more openings 41 than lenses 19 of the first array. Thus, a lens 19 is associated with at least four openings 41 (two openings in the YZ plane and two openings in the XZ plane).
  • An advantage is that the difference between the resolution of the imager 3 and that of the angular filter 2 makes it possible to decrease the constraints in alignment of the filter 2 on the imager 3.
  • the lenses 23 have substantially the same diameter.
  • the diameter of the lenses 19 of the first array is thus greater than the diameter of the lenses 23 of the second array.
  • the width wl is, in practice and preferably, less than the diameter of the lenses 23 so that the layer 39 has sufficient grip on the substrate 43.
  • the width wl is preferably between 0.5 ⁇ m and 25 ⁇ m , for example equal to about 10 ⁇ m.
  • the pitch p can be between 1 ⁇ m and 25 ⁇ m, preferably between 12 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • the height h is, for example, between 1 ⁇ m and 1 mm, preferably, between 12 ⁇ m and 15 ⁇ m.
  • the microlenses 23 and the substrate 43 are preferably made of transparent or partially transparent materials, that is to say transparent in a part of the spectrum considered for the target area, by example, imaging, over the range of wavelengths corresponding to the wavelengths used during exposure.
  • the substrate 43 can be made of a transparent polymer which does not absorb at least the wavelengths considered, here in the visible and infrared range.
  • This polymer can in particular be poly (ethylene terephthalate) PET, poly (methyl methacrylate) PMMA, cyclic olefin polymer (COP), polyimide (PI) or polycarbonate (PC).
  • the substrate 43 is preferably made of PET.
  • the thickness of the substrate 43 can, for example, vary from 1 to 100 ⁇ m, preferably between 10 and 50 ⁇ m.
  • the substrate 43 can correspond to a color filter, to a polarizer, to a half-wave plate or to a quarter-wave plate.
  • the microlenses 23 and 19 are made of materials whose refractive index is between 1.4 and 1.7, and is preferably of the order of 1.6 .
  • the microlenses 23 and 19 can be made of silica, PMMA, a positive photosensitive resin, PET, poly (ethylene naphthalate) (PEN), COP, polydimethylsiloxane (PDMS) / silicone, epoxy resin or in acrylate resin.
  • the microlenses 23 and 19 can be formed by creeping blocks of a photosensitive resin.
  • the microlenses 19 and 23 can furthermore be formed by molding on a layer of PET, PEN, COP, PDMS / silicone, epoxy resin or acrylate resin.
  • the microlenses 19 and 23 can finally be produced by nanoprinting (nanoprint).
  • each microlens is replaced by another type of optical element of micrometric size, in particular a Fresnel lens of micrometric size, a lens with a gradient of index of micrometric size or a size diffraction grating. micrometric.
  • the microlenses are converging lenses each having a focal length f of between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • all the microlenses 19 are substantially identical and all the microlenses 23 are substantially identical.
  • the layer 45 is a filling layer which conforms to the shape of the microlenses 23.
  • the layer 45 can be obtained from an optically transparent adhesive (Optically Clear Adhesive - OCA), in particular an adhesive.
  • optically transparent liquid Liquid Optically Clear Adhesive - LOCA
  • the layer 45 is made of a material having a low refractive index, lower than that of the material of the microlenses 23.
  • the difference between the refractive index of the material of the lenses 23 and the index of refraction of the material of the layer 45 is preferably between 0.5 and 0.1.
  • the difference between the refractive index of the material of the lenses 23 and the refractive index of the material of the layer 45 is more preferably of the order of 0.15.
  • Layer 45 may be of a filler material which is a transparent non-adhesive material.
  • the layer 45 corresponds to a film which is applied against the array of microlenses 23, for example an OCA film.
  • the contact zone between the layer 45 and the microlenses 23 can be reduced, for example limited to the tops of the microlenses 23.
  • the openings 41 are filled with air or with a filling material at least partially transparent to the radiation detected by the photodetectors, for example PDMS, an epoxy or acrylate resin or a resin known as the trade name SU8.
  • the openings 41 may be filled with a material which is partially absorbing, that is to say absorbing in a part of the spectrum considered for the target area, for example imaging, in order to chromatically filter the filtered rays. angularly by the filter 2.
  • the filling material of the openings 41 is opaque to radiation in the near infrared.
  • the angular filter 2 preferably has a thickness of the order of 50 mpi.
  • the angular filter 2 and the imager 3 are, for example, assembled by an adhesive layer 37.
  • Layer 37 is, for example, made of a material chosen from an acrylate glue, an epoxy glue or an OCA.
  • Layer 37 is preferably made of an acrylate glue.
  • Layer 35 is a refractive index matching layer, that is to say that it makes it possible to reduce the losses of light rays by reflection at the interface between the angular filter (the filling material of the openings 41) and the passivation layer 33.
  • Layer 35 is preferably made of a material whose refractive index is situated between the refractive index of layer 33 and the refractive index of the material for filling the openings 41.
  • the layer 35 is deposited on the front face of the imager 3 (the upper face in the orientation of FIG. 3) by printing, by transfer of a film (lamination) or by evaporation, at the end of manufacture of the imager 3.
  • the layer 37 is deposited on the rear face of the angular filter 2 (the lower face in the orientation of FIG. 3) by printing or by transfer of a film (lamination).
  • the layer 37 is deposited on the front face of the layer 35 of the imager 3.
  • the assembly of the filter 2 and the imager 3 is, for example, carried out after the deposition of the layer 37 by rolling the filter 2 on the surface of the imager 3 (more particularly on the surface of the layer 35).
  • a step of annealing, crosslinking under ultraviolet light or putting under pressure in an autoclave follows the assembly in order to optimize the mechanical adhesion properties.
  • the device 101 comprises an additional layer, for example, between the filter 2 and the imager 3.
  • This layer corresponds to an infrared filter making it possible to filter the radiation whose lengths waveforms are greater than 600 nm.
  • the transmittance of this infrared filter is preferably less than 0.1% (Optical density of 3 or OD3 (Optical Density)).
  • the process for forming at least some layers may correspond to a so-called additive process, for example by direct printing of the material making up the layers at the desired locations, in particular in the form of sol-gel, for example by inkjet printing, heliography, screen printing, flexography, spray coating or drop-casting.
  • the process for forming at least some layers may correspond to a so-called subtractive process, in which the material making up the layers is deposited on the entire structure and in which the unused portions are then removed, for example by photolithography or laser ablation.
  • the deposition on the entire structure can be carried out for example by liquid, by cathodic sputtering or by evaporation. They may in particular be processes of the spin coating, spray coating, heliography, die coating, blade coating, flexography or screen printing type.
  • the layers are metallic, the metal is, for example, deposited by evaporation or by cathodic sputtering on the entire support and the metal layers are delimited by etching
  • the layers can be produced by printing techniques.
  • the materials of these layers described above can be deposited in liquid form, for example in the form of conductive and semiconductor inks using inkjet printers.
  • the term “materials in liquid form” is understood here also to mean gel materials which can be deposited by printing techniques.
  • Annealing steps are optionally provided between the depositions of the different layers, but the annealing temperatures may not exceed 150 ° C., and the deposition and any annealing may be carried out at atmospheric pressure.
  • FIG. 4 represents, in a partial and schematic sectional view, another embodiment of the image acquisition device illustrated in FIG. 2.
  • Figure 4 shows an image acquisition device 102 similar to the image acquisition device 101 illustrated in Figure 3 with the difference that the array of second lenses comprises lenses 23 'smaller than the lenses 23 ( Figure 3).
  • the number of lenses 23 'in the device 102 is preferably greater than the number of openings 41 (in the XY plane).
  • the number of lenses 23 ′ is four times greater than the number of openings 41.
  • the lenses 23 ′ have, according to the embodiment illustrated in FIG. 4, a diameter smaller than the diameter w1 of the openings 41. . [0100]
  • An advantage of the embodiment illustrated in FIG. 4 is that it does not require alignment of the second array of lenses 23 'on the array of openings 41.
  • FIG. 5 represents, in a partial and schematic sectional view, yet another embodiment of the example of the image acquisition device illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 5 represents an image acquisition device 103 similar to the image acquisition device 101 illustrated in FIG. 3 with the difference that the matrix structure 21 comprises a third array of lenses 47.
  • the third array of plano-convex lenses 47 serves for the collimation of the light transmitted by the array of apertures 41 coupled to the second array of lenses 23.
  • the plane faces of the lenses 47 face the plane faces of the lenses 23.
  • the third network is located between layer 211 and imager 3.
  • the number of lenses 47 of the third array is equal to the number of lenses 23 of the second array.
  • the lenses 47 of the third array and the lenses 23 of the second array are aligned by their optical axes.
  • the number of lenses 47 of the third array is greater than the number of lenses 23 of the second array.
  • the lenses 47 are contiguous or not contiguous.
  • the rays emerge from the lenses 23 and from the layer 211 at an angle with respect to the respective direction of the rays incident to the lenses 23.
  • the angle is specific to a lens 23 and depends on the diameter of the latter and the distance. focal length of this same lens 23.
  • the rays meet the lenses 47 of the third network.
  • the rays are thus deflected, at the output of the lenses 47, by an angle b with respect to the respective directions of the rays incident to the lenses 47.
  • the angle b is specific to a lens 47 and depends on the diameter of the latter and the distance focal length of this same lens 47.
  • a total angle of divergence corresponds to the deviations generated successively by the lenses 23 and by the lenses 47.
  • the lenses 47 of the third array are chosen so that the total angle of divergence is, for example, less than or equal to approximately 5 °.
  • FIG. 5 illustrates an ideal configuration in which the image focal planes of the lenses 23 of the second array coincide with the object focal planes of the lenses 47 of the third array.
  • the rays shown, arriving parallel to the optical axis, are focused at the image focal point of the lens 23 or object focal point of the lens 47.
  • the rays which emerge from the lens 47 thus propagate parallel to the optical axis of the latter. .
  • the total divergence angle is, in this case, zero.
  • the third lens array 47 is, in Figure 5, located under and in contact with a seventh layer 40.
  • the seventh layer 40 resulting from the filling of the openings 41, covers the rear faces of the walls 39.
  • the third lens array 47 is located on and in contact with the rear face of the walls 39.
  • the openings 41 are, then, filled with air or with a filling material.
  • the lenses 47 and the lenses 23 are of the same composition or of different compositions. According to the embodiment of FIG. 5, the rear face of the lenses 47 is covered by an eighth filling layer 49. Layer 49 and layer 45 can be of the same composition or of different compositions. Layer 49 preferably has a refractive index lower than the refractive index of the lens material 47.
  • FIG. 6 represents, in a partial and diagrammatic sectional view, yet another embodiment of the example of the image acquisition device illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 6 represents an image acquisition device 104 similar to the image acquisition device 103 illustrated in FIG. 5 with the difference that it comprises lenses 47 'smaller than the lenses. 47 (figure 5).
  • the number of lenses 47 'in the device 104 is preferably greater than the number of openings 41.
  • the number of lenses 47' is four times greater than the number of openings 41. (in the XY plane).
  • An advantage of the embodiment illustrated in FIG. 6 is that it does not require alignment of the third array of lenses 47 'on the array of openings 41.
  • FIG. 7 represents, in a partial and diagrammatic sectional view, yet another embodiment of the example of the acquisition device illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 7 represents an image acquisition device 105 similar to the image acquisition device 103 illustrated in FIG. 5 with the difference that the third array of lenses 47 "is located between the second lens array 23 and the layer 211 of openings 41.
  • the device 105 comprises a filling layer 51 covering the rear face of the lenses 47.
  • the layer 51 is similar to the layer 49 of the device 103 illustrated in FIG. 5 except that it rests on the upper face of layer 211.
  • FIG. 8 represents, in a partial and schematic sectional view, yet another embodiment of the example of the acquisition device illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 8 represents an image acquisition device 106 similar to the image acquisition device 101 illustrated in FIG. 3 with the difference that the matrix structure 21 comprises a ninth layer 213 consisting of a second matrix of openings 53 delimiting walls 55 opaque to radiation 27 (FIG. 2).
  • the layer 213 is located under and in contact with the seventh layer 40 resulting from the filling of the openings 41 with the filling material.
  • the seventh layer 40 covers the rear faces of the walls 39.
  • the layer 213 is located on and in contact with the rear face of the walls 39.
  • the openings 41 are, then, filled with air or with a filling material.
  • the openings 53 have, for example, substantially the same shape as the openings 41 with the difference that the dimensions of the openings 41 and 53 may be different.
  • the walls 55 have, for example, substantially the same shape and the same composition as the walls 39 with the difference that the dimensions of the walls 39 and 55 may be different.
  • the layer 213 comprises a number of openings 53 substantially identical to the number of openings 41 present in the matrix of the layer 211.
  • the number of openings 41 is identical to the number of openings 53.
  • Each opening 41 is preferably aligned with an opening 53, for example the center of each opening 41 is aligned with the center of an opening 53.
  • the openings 53 and the openings 41 have the same dimensions, that is to say that the openings 53 have a diameter "w2" (measured at the base of the openings, ie. that is to say at the interface with the layer 40) substantially identical to the diameter wl of the openings 41.
  • the diameters wl and w2 are identical.
  • the walls 55 have, for example, a height h2 substantially identical to the height h of the walls 39.
  • the heights h and h2 are identical.
  • the diameters w1 and w2 are different.
  • the diameter w2 is preferably smaller than the diameter w1.
  • the heights h and h2 are different.
  • the openings 53 are filled with air or, preferably, with a filling material of composition similar to the filling material of the openings 41. Even more preferably, the filling material fills the gaps. Openings 53 and form a layer 57 on the rear face of the walls 55.

Landscapes

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Abstract

La présente description concerne un dispositif (1) comprenant un empilement comportant, dans l'ordre, au moins: un capteur d'images (17) en technologie MOS adapté à détecter un rayonnement (27); un premier réseau de lentilles (19); une structure (21) composée au moins d'une première matrice d'ouvertures délimitées par des murs opaques audit rayonnement; et un deuxième réseau de lentilles (23).

Description

DESCRIPTION
Structure d'un filtre angulaire sur un capteur CMOS
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR2001613 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine technique
[0001] La présente description concerne de façon générale un dispositif d'acquisition d'images.
Technique antérieure
[0002] Un dispositif d'acquisition d'images comprend généralement un capteur d'images et un système optique. Le système optique peut être un filtre angulaire, ou un jeu de lentilles, interposé entre la partie sensible du capteur et l'objet à imager.
[0003] Le capteur d'images comprend généralement une matrice de photodétecteurs capables de générer un signal proportionnel à l'intensité de lumière reçue.
[0004] Un filtre angulaire est un dispositif permettant de filtrer un rayonnement incident en fonction de l'incidence de ce rayonnement et ainsi bloquer les rayons dont l'incidence est supérieure à un angle souhaité, dit d'incidence maximale, ce qui permet de former une image nette de l'objet à imager sur la partie sensible du capteur d'images.
Résumé de l'invention
[0005] Il existe un besoin d'amélioration des dispositifs d'acquisition d'images.
[0006] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des dispositifs d'acquisition d'images connus.
[0007] Un mode de réalisation prévoit un dispositif comprenant un empilement comportant, dans l'ordre, au moins : un capteur d'images en technologie MOS adapté à détecter un rayonnement ; un premier réseau de lentilles ; une structure composée au moins d'une première matrice d'ouvertures délimitées par des murs opaques audit rayonnement ; et un deuxième réseau de lentilles.
[0008] Selon un mode de réalisation, le nombre de lentilles du deuxième réseau est supérieur au nombre de lentilles du premier réseau
[0009] Selon un mode de réalisation, le nombre de lentilles du deuxième réseau est deux à dix fois supérieur au nombre de lentilles du premier réseau, de préférence, deux fois supérieur .
[0010] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une couche adhésive entre ladite structure et le premier réseau de lentilles.
[0011] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une couche d'adaptation d'indice de réfraction entre ladite structure et le premier réseau de lentilles.
[0012] Selon un mode de réalisation : chaque ouverture de la première matrice est associée à une seule lentille du deuxième réseau ; et l'axe optique de chaque lentille du deuxième réseau est aligné avec le centre d'une ouverture de la première matrice .
[0013] Selon un mode de réalisation, la structure comprend, sous la première matrice d'ouvertures, une deuxième matrice d'ouvertures, délimitées par des murs opaques audit rayonnement. Le nombre d'ouvertures de la première matrice est identique au nombre d'ouvertures de la deuxième matrice. Le centre de chaque ouverture de la première matrice est aligné avec le centre d'une ouverture de la deuxième matrice.
[0014] Selon un mode de réalisation, les lentilles du deuxième réseau et les lentilles du premier réseau sont plan- convexes. Les faces planes des lentilles du premier réseau et du deuxième réseau sont côté capteur.
[0015] Selon un mode de réalisation, les ouvertures sont remplies d'un matériau au moins partiellement transparent audit rayonnement.
[0016] Selon un mode de réalisation, les lentilles du premier réseau ont un diamètre supérieur au diamètre des lentilles du deuxième réseau.
[0017] Selon un mode de réalisation, la structure comprend un troisième réseau de lentilles plan-convexes, les faces planes des lentilles du deuxième réseau de lentilles et du troisième réseau de lentilles se faisant face. Le troisième réseau de lentilles est situé entre la première matrice d'ouvertures et le premier réseau de lentilles ou entre la première matrice d'ouvertures et le deuxième réseau de lentilles .
[0018] Selon un mode de réalisation, l'axe optique de chaque lentille du deuxième réseau est aligné avec l'axe optique d'une lentille du troisième réseau.
[0019] Selon un mode de réalisation, les plans focaux images des lentilles du deuxième réseau sont confondus avec les plans focaux objets des lentilles du troisième réseau.
[0020] Selon un mode de réalisation, le nombre de lentilles du troisième réseau est supérieur au nombre de lentilles du deuxième réseau. [0021] Selon un mode de réalisation, les lentilles du deuxième réseau ont un diamètre supérieur à celui des lentilles du troisième réseau.
Brève description des dessins
[0022] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
[0023] la figure 1 représente par un schéma blocs, partiel et schématique, un exemple de système d'acquisition d'images ;
[0024] la figure 2 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, un exemple de dispositif d'acquisition d'images ;
[0025] la figure 3 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, un mode de réalisation du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2 ;
[0026] la figure 4 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, un autre mode de réalisation du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2 ;
[0027] la figure 5 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, encore un autre mode de réalisation du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2 ;
[0028] la figure 6 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, encore un autre mode de réalisation du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2 ;
[0029] la figure 7 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, encore un autre mode de réalisation du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2 ; et
[0030] la figure 8 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, encore un autre mode de réalisation du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2. Description des modes de réalisation
[0031] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0032] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la structure du capteur d'images ne sera pas détaillée précisément dans la présente description.
[0033] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
[0034] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
[0035] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0036] Dans la suite de la description, sauf précision contraire, une couche ou un film est dit opaque à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est inférieure à 10 %. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit transparent à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est supérieure à 10 %, de préférence, supérieure à 50 %. Selon un mode de réalisation, pour un même système optique, tous les éléments du système optique qui sont opaques à un rayonnement ont une transmittance qui est inférieure à la moitié, de préférence inférieure au cinquième, plus préférentiellement inférieure au dixième, de la transmittance la plus faible des éléments du système optique transparents audit rayonnement. Dans la suite de la description, on appelle "rayonnement utile" le rayonnement électromagnétique traversant le système optique en fonctionnement.
[0037] Dans la suite de la description, on appelle "élément optique de taille micrométrique" un élément optique formé sur une face d'un support dont la dimension maximale, mesurée parallèlement à ladite face, est supérieure à 1 pm et inférieure à 1 mm.
[0038] Des modes de réalisation de systèmes optiques vont maintenant être décrits pour des systèmes optiques comprenant une matrice d'éléments optiques de taille micrométrique dans le cas où chaque élément optique de taille micrométrique correspond à une lentille de taille micrométrique, ou microlentille, composée de deux dioptres. Toutefois, il est clair que ces modes de réalisation peuvent également être mis en oeuvre avec d'autres types d'éléments optiques de taille micrométrique, chaque élément optique de taille micrométrique pouvant correspondre, par exemple, à une lentille de Fresnel de taille micrométrique, à une lentille à gradient d'indice de taille micrométrique ou à un réseau de diffraction de taille micrométrique. [0039] Dans la suite de la description, on appelle lumière visible un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 400 nm et 700 nm et on appelle rayonnement infrarouge un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nm et 1 mm. Dans le rayonnement infrarouge, on distingue notamment le rayonnement infrarouge proche dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nm et 1,7 pm.
[0040] Dans la suite de la description, l'indice de réfraction d'un matériau correspond à l'indice de réfraction du matériau pour la plage de longueurs d'onde du rayonnement capté par le capteur d'images. Sauf indication contraire, l'indice de réfraction est considéré sensiblement constant sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile, par exemple égal à la moyenne de l'indice de réfraction sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement capté par le capteur d'images .
[0041] La figure 1 représente par un schéma blocs, partiel et schématique, un exemple de système d'acquisition d'images.
[0042] Le système d'acquisition d'images, illustré en figure 1, comprend : un dispositif d'acquisition d'images 1 (DEVICE) ; et une unité de traitement 13 (PU).
[0043] L'unité de traitement 13 comprend, de préférence, des moyens de traitement des signaux fournis par le dispositif 1, non représentés en figure 1. L'unité de traitement 13 comprend, par exemple, un microprocesseur.
[0044] Le dispositif 1 et l'unité de traitement 13 sont, de préférence, reliés par une liaison 15. Le dispositif 1 et l'unité de traitement sont, par exemple, intégrés dans un même circuit. [0045] La figure 2 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, un exemple de dispositif d'acquisition d'images 1.
[0046] Plus particulièrement, la figure 2 représente le dispositif d'acquisition d'images 1, et une source 25 émettant un rayonnement 27.
[0047] Le dispositif d'acquisition d'images 1, illustré en figure 2, comprend de bas en haut : un capteur d'images 17 (SENSOR) en technologie semiconducteur d'oxyde de métal complémentaire (CMOS, Complementary Métal Oxide Semiconductor) qui peut être couplé à des photodétecteurs ou photodiodes inorganiques (silicium cristallin) ou organiques adaptées à détecter le rayonnement 27 ; un premier réseau de lentilles 19 (LENS1) ; une structure matricielle 21 (LAYER(S)) ; un deuxième réseau de lentilles 23 (LENS2) ; et un objet 24.
[0048] La structure 21 et le deuxième réseau de lentilles 23 forment, de préférence, un filtre optique 2 ou filtre angulaire. Le capteur d'images 17 et le premier réseau de lentilles 19 forment, de préférence, un imageur CMOS 3.
[0049] Le rayonnement 27 est, par exemple, dans le domaine du visible et/ou dans le domaine de l'infrarouge. Il peut s'agir d'un rayonnement d'une unique longueur d'onde ou d'un rayonnement de plusieurs longueurs d'onde (ou plage de longueurs d'onde).
[0050] La source lumineuse 25 est illustrée, en figure 2, au dessus de l'objet 24. Elle peut toutefois, en variante, être située entre l'objet 24 et le filtre 2. [0051] Dans le cas d'une application à la détermination d'empreintes digitales, l'objet 24 correspond au doigt d'un utilisateur .
[0052] La figure 3 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, un mode de réalisation du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2.
[0053] Plus particulièrement, la figure 3 représente un dispositif d'acquisition d'images 101 dans lequel la structure matricielle 21 est composée d'une couche 211 comprenant une première matrice d'ouvertures 41 délimitant des murs 39 opaques audit rayonnement.
[0054] Le dispositif d'acquisition d'images 101, illustré en figure 3, comprend de bas en haut :
- 1'imageur CMOS 3 composé : du capteur d'images 17 (non détaillé aux figures) constitué, de préférence, d'un substrat, de circuits de lecture, de pistes conductrices et de photodiodes, d'une première couche 29 de passivation (isolante) sur et en contact avec le capteur d'images 17, d'une deuxième couche 31 jouant le rôle d'un filtre couleur recouvrant pleine plaque la première couche 29, et du premier réseau de lentilles 19 plan-convexe, dont les faces planes sont côté capteur 17, recouvert par une troisième couche 33 de passivation ;
- une quatrième couche 35 d'adaptation d'indice optique recouvrant la couche 33 ;
- une cinquième couche 37 ou adhésif sur et en contact avec la couche 35 ; et le filtre angulaire 2 constitué : de la structure 21 comprenant la couche 211 d'ouvertures 41 et dont les murs 39 sont sur et en contact avec la cinquième couche 37, d'un substrat 43 recouvrant la structure 21, et du deuxième réseau de lentilles 23 plan-convexe, dont les faces planes sont côté capteur, recouvert par une sixième couche 45.
[0055] Le premier réseau de lentilles 19 permet, par exemple, de focaliser les rayons incidents aux lentilles 19 sur les photodétecteurs présents dans le capteur d'images 17.
[0056] Selon un mode de réalisation, le réseau de lentilles 19 au sein de 1'imageur 3 forme une matrice de pixels dans laquelle un pixel correspond, par exemple, sensiblement au carré dans lequel est inscrit le cercle correspondant à la surface d'une lentille 19. Chaque pixel comprend ainsi une lentille 19 sensiblement centré sur le pixel. Par exemple, toutes les lentilles 19 ont sensiblement le même diamètre. Le diamètre des lentilles 19 est, de préférence, sensiblement identique à la longueur des côtés des pixels.
[0057] Selon un mode de réalisation, les pixels de 1'imageur CMOS 3 sont sensiblement carrés. La longueur des côtés des pixels est, de préférence, comprise entre 0,7 pm et 50 pm, et est plus préférentiellement de l'ordre de 30 pm.
[0058] Selon un mode de réalisation, 1'imageur 3 est sensiblement carré. La longueur des côtés de 1'imageur 3 est, de préférence comprise entre 5 mm et 50 mm, et est plus préférentiellement de l'ordre de 10 mm.
[0059] La couche 31 est, de préférence, en un matériau absorbant les longueurs d'onde comprises entre environ 400 nm et 600 nm (cyan), de préférence entre 470 nm et 600 nm (vert).
[0060] La couche 29 peut être en un matériau inorganique, par exemple en oxyde de silicium (S1O2), en nitrure de silicium (SiN), ou en une combinaison de ces deux matériaux (par exemple un empilement multicouche).
[0061] La couche isolante 29 peut être réalisée en polymère fluoré, notamment le polymère fluoré connu sous la dénomination commerciale « Cytop » de la société Bellex, en polyvinylpyrrolidone (PVP), en polyméthacrylate de méthyle (PMMA), en polystyrène (PS), en parylène, en polyimide (PI), en acrylonitrile butadiène styrène (ABS), en poly (téréphtalate d'éthylène) (polyethylene terephthalate - PET), en poly(naphtalate d'éthylène) (Polyethylene naphthalate - PEN), en polymères d'oléfine cyclique (Cyclo Olefin Polymer - COP), en polydiméthylsiloxane (PDMS), en une résine de photolithographie, en résine époxy, en résine acrylate ou en un mélange d'au moins deux de ces composés.
[0062] A titre de variante, la couche 29 peut être réalisée en un diélectrique inorganique, notamment en nitrure de silicium, en oxyde de silicium ou en oxyde d'aluminium (AI2O3).
[0063] La couche 33 est, de préférence, une couche de passivation qui épouse la forme des microlentilles 19 et qui permet d'isoler et planariser la surface de 1'imageur 3. La couche 33 peut être en un matériau inorganique, par exemple en oxyde de silicium (S1O2) ou en nitrure de silicium (SiN), ou en une combinaison de ces deux matériaux (par exemple un empilement multicouche).
[0064] Selon le mode de réalisation illustré en figure 3, le filtre optique 2, par l'association du deuxième réseau de lentilles 23 et de la couche 211, est adapté à filtrer le rayonnement incident en fonction de son angle d'incidence par rapport aux axes optiques des lentilles 23 du deuxième réseau.
[0065] Selon le mode de réalisation illustré en figure 3, le filtre angulaire 2 est adapté à ce que les photodétecteurs du capteur d'images 17 reçoivent seulement les rayons dont les incidences respectives, par rapport aux axes optiques des lentilles 23, sont inférieures à un angle d'incidence maximale inférieur à 45°, de préférence inférieur à 20°, plus préférentiellement inférieur à 5°, encore plus préférentiellement inférieur à 3°. Le filtre optique 2 est adapté à bloquer les rayons du rayonnement incident dont les incidences respectives par rapport aux axes optiques des lentilles 23 du filtre 2 sont supérieures à l'angle d'incidence maximale.
[0066] Selon le mode de réalisation illustré en figure 3, chaque ouverture 41 de la couche 211 est associée à une seule lentille 23 du deuxième réseau et chaque lentille 23 est associée à une seule ouverture 41. Les lentilles 23 sont, de préférence jointives. Les axes optiques des lentilles 23 sont, de préférence, alignés avec les centres des ouvertures 41. Le diamètre des lentilles 23 du deuxième réseau est, de préférence, supérieur à la section maximale (mesurée perpendiculairement aux axes optiques des lentilles 23) des ouvertures 41.
[0067] Les murs 39 sont, par exemple, opaques au rayonnement
27, par exemple absorbants et/ou réfléchissants par rapport au rayonnement 27. Les murs 39 sont, de préférence, opaques pour des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 600 nm (cyan et vert), utilisées pour l'imagerie (biométrie et imagerie d'empreintes digitales). On appelle "h" la hauteur des murs 39 (mesurée dans un plan parallèle aux axes optiques des lentilles 23).
[0068] Selon un mode de réalisation, les ouvertures 41 sont disposés en rangées et en colonnes. Les ouvertures 41 peuvent avoir sensiblement les mêmes dimensions. On appelle "wl" le diamètre des ouvertures 41 (mesuré à la base des ouvertures, c'est-à-dire à l'interface avec le substrat 43). Le diamètre de chaque lentille 23 est, de préférence, supérieur au diamètre wl de l'ouverture 41 à laquelle la lentille 23 est associée .
[0069] Selon un mode de réalisation, les ouvertures 41 sont disposées régulièrement selon les rangées et selon les colonnes. On appelle "p" le pas de répétition des ouvertures 41, c'est-à-dire la distance en vue de dessus entre des centres de deux ouvertures 41 successives d'une rangée ou d'une colonne.
[0070] En figure 3, les ouvertures 41 sont représentées avec une section droite trapézoïdale. De façon générale, les ouvertures 41 peuvent être carrées, triangulaires, rectangulaires, de la forme d'un entonnoir. Dans l'exemple représenté, la largeur (ou diamètre) des ouvertures 41, au niveau de la face supérieure de la couche 211, est supérieure à la largeur (ou diamètre) des ouvertures 41, au niveau de la face inférieure de la couche 211.
[0071] Les ouvertures 41, vues de dessus, peuvent être circulaires, ovales ou polygonales, par exemple triangulaires, carrées, rectangulaires ou trapézoïdales. Les ouvertures 41, vues de dessus, sont de préférence circulaire.
[0072] La résolution du filtre optique 2, en section (plan XZ ou YZ), est, de préférence, supérieure à la résolution du capteur d'images 17, de préférence, deux à dix fois supérieure. En d'autres termes, il y a, en section (plan XZ ou YZ), deux à dix fois plus d'ouvertures 41 que de lentilles 19 du premier réseau. Ainsi, une lentille 19 est associée à au moins quatre ouvertures 41 (deux ouvertures dans le plan YZ et deux ouvertures dans le plan XZ).
[0073] Un avantage est que la différence entre la résolution de 1'imageur 3 et celle du filtre angulaire 2 permet de diminuer les contraintes en alignement du filtre 2 sur 1'imageur 3.
[0074] Par exemple, les lentilles 23 ont sensiblement le même diamètre. Le diamètre des lentilles 19 du premier réseau est, ainsi, supérieur au diamètre des lentilles 23 du deuxième réseau .
[0075] La largeur wl est, en pratique et de préférence, inférieure au diamètre des lentilles 23 afin que la couche 39 ait une accroche suffisante sur le substrat 43. La largeur wl est, préférentiellement, comprise entre 0,5 pm et 25 pm, par exemple égale à environ 10 pm. Le pas p peut être compris entre 1 pm et 25 pm, de préférence, compris entre 12 pm et 20 pm. La hauteur h est, par exemple, comprise entre 1 pm et 1 mm, de préférence, comprise entre 12 pm et 15 pm.
[0076] Selon ce mode de réalisation, les microlentilles 23 et le substrat 43 sont, de préférence, réalisés dans des matériaux transparents ou partiellement transparents, c'est- à-dire transparent dans une partie du spectre considéré pour le domaine visé, par exemple, l'imagerie, sur la plage de longueurs d'onde correspondant aux longueurs d'onde utilisées lors de l'exposition.
[0077] Le substrat 43 peut être en un polymère transparent qui n'absorbe pas au moins les longueurs d'onde considérées, ici dans le domaine du visible et de l'infrarouge. Ce polymère peut notamment être en poly(téréphtalate d'éthylène) PET, poly (métacrylate de méthyle) PMMA, polymère d'oléfinecyclique (COP), polyimide (PI) ou en polycarbonate (PC). Le substrat 43 est, de préférence, en PET. L'épaisseur du substrat 43 peut, par exemple, varier de 1 à 100 pm, de préférence entre 10 et 50 pm. Le substrat 43 peut correspondre à un filtre coloré, à un polariseur, à une lame demi-onde ou à une lame quart d'onde. [0078] Selon un mode de réalisation, les microlentilles 23 et 19, sont réalisées dans des matériaux dont l'indice de réfraction est compris entre 1,4 et 1,7, et est, de préférence de l'ordre de 1,6. Les microlentilles 23 et 19 peuvent être réalisées en silice, en PMMA, en une résine photosensible positive, en PET, en poly(naphtalate d'éthylène) (PEN), en COP, en polydiméthylsiloxane (PDMS)/silicone, en résine époxy ou en résine acrylate. Les microlentilles 23 et 19 peuvent être formées par fluage de blocs d'une résine photosensible. Les microlentilles 19 et 23 peuvent, en outre, être formées par moulage sur une couche de PET, PEN, COP, PDMS/silicone, de résine époxy ou de résine acrylate. Les microlentilles 19 et 23 peuvent enfin être réalisées par nano impression (nano- imprint) .
[0079] À titre de variante, chaque microlentille est remplacée par un autre type d'élément optique de taille micrométrique, notamment une lentille de Fresnel de taille micrométrique, une lentille à gradient d'indice de taille micrométrique ou un réseau de diffraction de taille micrométrique. Les microlentilles sont des lentilles convergentes ayant chacune une distance focale f comprise entre 1 pm et 100 pm, de préférence entre 1 pm et 50 pm. Selon un mode de réalisation, toutes les microlentilles 19 sont sensiblement identiques et toutes les microlentilles 23 sont sensiblement identiques.
[0080] Selon un mode de réalisation, la couche 45 est une couche de remplissage qui épouse la forme des microlentilles 23. La couche 45 peut être obtenue à partir d'un adhésif optiquement transparent (Optically Clear Adhesive - OCA), notamment un adhésif optiquement transparent liquide (Liquid Optically Clear Adhesive - LOCA), ou d'un matériau à bas indice de réfraction, ou d'une colle epoxy/acrylate, ou d'un film d'un gaz ou d'un mélange gazeux, par exemple de l'air. [0081] De préférence, la couche 45 est en un matériau ayant un bas indice de réfraction, inférieur à celui du matériau des microlentilles 23. Par exemple, la différence entre l'indice de réfraction du matériau des lentilles 23 et l'indice de réfraction du matériau de la couche 45 est de préférence comprise entre 0,5 et 0,1. La différence entre l'indice de réfraction du matériau des lentilles 23 et l'indice de réfraction du matériau de la couche 45 est plus préférentiellement de l'ordre de 0,15. La couche 45 peut être en un matériau de remplissage qui est un matériau transparent non adhésif.
[0082] Selon un autre mode de réalisation, la couche 45 correspond à un film qui est appliqué contre le réseau de microlentilles 23, par exemple un film OCA. Dans ce cas, la zone de contact entre la couche 45 et les microlentilles 23 peut être réduite, par exemple limitée aux sommets des microlentilles 23.
[0083] Selon un mode de réalisation, les ouvertures 41 sont comblées d'air ou d'un matériau de remplissage au moins partiellement transparent au rayonnement détecté par les photodétecteurs, par exemple du PDMS, une résine époxy ou acrylate ou une résine connue sous la dénomination commerciale SU8. A titre de variante, les ouvertures 41 peuvent être remplies d'un matériau partiellement absorbant, c'est-à-dire absorbant dans une partie du spectre considéré pour le domaine visé, par exemple l'imagerie, afin de filtrer chromatiquement les rayons filtrés angulairement par le filtre 2. A titre de variante, le matériau de remplissage des ouvertures 41 est opaque au rayonnement dans le proche infrarouge. Dans le cas où les ouvertures 41 sont remplies d'un matériau, ledit matériau peut, par exemple, former une couche entre les murs 39 et la couche 37 sous-jacente de sorte que les murs 39 ne soient pas en contact avec la couche 37. [0084] Le filtre angulaire 2 a, de préférence, une épaisseur de l'ordre de 50 mpi.
[0085] Le filtre angulaire 2 et 1'imageur 3 sont, par exemple, assemblés par une couche 37 adhésive. La couche 37 est, par exemple, en un matériau choisi parmi une colle acrylate, une colle époxy ou un OCA. La couche 37 est, de préférence, en une colle acrylate.
[0086] La couche 35 est une couche d'adaptation d'indice de réfraction, c'est à dire qu'elle permet de réduire les pertes de rayons lumineux par réflexion à l'interface entre le filtre angulaire (le matériau de remplissage des ouvertures 41) et la couche 33 de passivation. La couche 35 est, de préférence, en un matériau dont l'indice de réfraction est situé entre l'indice de réfraction de la couche 33 et l'indice de réfraction du matériau de remplissage des ouvertures 41.
[0087] Selon un mode de mise en oeuvre, la couche 35 est déposée sur la face avant de 1'imageur 3 (la face supérieure dans l'orientation de la figure 3) par impression, par report d'un film (laminage) ou par évaporation, en fin de fabrication de 1'imageur 3.
[0088] Selon un mode de mise en oeuvre, la couche 37 est déposée sur la face arrière du filtre angulaire 2 (la face inférieure dans l'orientation de la figure 3) par impression ou par report d'un film (laminage).
[0089] En variante, la couche 37 est déposée sur la face avant de la couche 35 de l'imageur 3.
[0090] L'assemblage du filtre 2 et de 1'imageur 3 est, par exemple, réalisé après le dépôt de la couche 37 par laminage du filtre 2 à la surface de 1'imageur 3 (plus particulièrement sur la surface de la couche 35).
[0091] Selon un mode de mise en oeuvre, une étape de recuit, de réticulation sous ultraviolets ou de mise sous pression dans un autoclave, suit l'assemblage afin d'optimiser les propriétés d'adhésion mécanique.
[0092] Selon un mode de réalisation non représenté en figure 3, le dispositif 101 comprend une couche additionnelle, par exemple, entre le filtre 2 et 1'imageur 3. Cette couche correspond à un filtre infrarouge permettant de filtrer les rayonnements dont les longueurs d'onde sont supérieures à 600 nm. La transmittance de ce filtre infrarouge est, de préférence, inférieure à 0,1 % (Densité optique de 3 ou OD3 (Optical Density)).
[0093] Selon les matériaux considérés, le procédé de formation d'au moins certaines couches peut correspondre à un procédé dit additif, par exemple par impression directe du matériau composant les couches aux emplacements souhaités notamment sous forme de sol-gel, par exemple par impression par jet d'encre, héliographie, sérigraphie, flexographie, revêtement par pulvérisation (spray coating) ou dépôt de gouttes (drop-casting).
[0094] Selon les matériaux considérés, le procédé de formation d'au moins certaines couches peut correspondre à un procédé dit soustractif, dans lequel le matériau composant les couches est déposé sur la totalité de la structure et dans lequel les portions non utilisées sont ensuite retirées, par exemple par photolithographie ou ablation laser.
[0095] Selon le matériau considéré, le dépôt sur la totalité de la structure peut être réalisé par exemple par voie liquide, par pulvérisation cathodique ou par évaporation. Il peut s'agir notamment de procédés du type dépôt à la tournette, revêtement par pulvérisation, héliographie, revêtement par filière (slot-die coating), revêtement à la lame (blade- coating), flexographie ou sérigraphie. Lorsque les couches sont métalliques, le métal est, par exemple, déposé par évaporation ou par pulvérisation cathodique sur l'ensemble du support et les couches métalliques sont délimitées par gravure
[0096] De façon avantageuse, au moins certaines des couches peuvent être réalisées par des techniques d'impression. Les matériaux de ces couches décrites précédemment peuvent être déposés sous forme liquide, par exemple sous forme d'encres conductrices et semiconductrices à l'aide d'imprimantes à jet d'encre. Par matériaux sous forme liquide, on entend ici également des matériaux en gel déposables par des techniques d'impression. Des étapes de recuit sont éventuellement prévues entre les dépôts des différentes couches, mais les températures de recuit peuvent ne pas dépasser 150°C, et le dépôt et les éventuels recuits peuvent être réalisés à la pression atmosphérique.
[0097] La figure 4 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, un autre mode de réalisation du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2.
[0098] Plus particulièrement, la figure 4 représente un dispositif d'acquisition d'images 102 similaire au dispositif d'acquisition d'images 101 illustré en figure 3 à la différence près que le réseau de deuxièmes lentilles comprend des lentilles 23' plus petites que les lentilles 23 (figure 3).
[0099] Le nombre de lentilles 23' dans le dispositif 102 est, de préférence, supérieur au nombre d'ouvertures 41 (dans le plan XY). A titre d'exemple, le nombre de lentilles 23' est quatre fois plus important que le nombre d'ouvertures 41. Les lentilles 23' ont, selon le mode de réalisation illustré en figure 4, un diamètre inférieur au diamètre wl des ouvertures 41. [0100] Un avantage du mode de réalisation illustré en figure 4 est qu'il ne nécessite pas d'alignement du deuxième réseau de lentilles 23' sur la matrice d'ouvertures 41.
[0101] La figure 5 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, encore un autre mode de réalisation de l'exemple du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2.
[0102] Plus particulièrement, la figure 5 représente un dispositif d'acquisition d'images 103 similaire au dispositif d'acquisition d'images 101 illustré en figure 3 à la différence près que la structure matricielle 21 comprend un troisième réseau de lentilles 47.
[0103] Le troisième réseau de lentilles 47 plan-convexes sert à la collimation de la lumière transmise par la matrice d'ouvertures 41 couplée au deuxième réseau de lentilles 23. Les faces planes des lentilles 47 font face aux faces planes des lentilles 23. Le troisième réseau est situé entre la couche 211 et 1'imageur 3.
[0104] Dans le mode de réalisation représenté en figure 5, le nombre de lentilles 47 du troisième réseau est égal au nombre de lentilles 23 du deuxième réseau. Les lentilles 47 du troisième réseau et les lentilles 23 du deuxième réseau sont alignées par leurs axes optiques.
[0105] En variante, le nombre de lentilles 47 du troisième réseau est plus important que le nombre de lentilles 23 du deuxième réseau.
[0106] Les lentilles 47 sont jointives ou non jointives.
[0107] Les rayons émergent des lentilles 23 et de la couche 211 avec un angle par rapport à la direction respective des rayons incidents aux lentilles 23. L'angle est propre à une lentille 23 et dépend du diamètre de celle-ci et la distance focale de cette même lentille 23. [0108] En sortie de la couche 211, les rayons rencontrent les lentilles 47 du troisième réseau. Les rayons sont ainsi déviés, en sortie des lentilles 47, d'un angle b par rapport aux directions respectives des rayons incidents aux lentilles 47. L'angle b est propre à une lentille 47 et dépend du diamètre de celle-ci et la distance focale de cette même lentille 47.
[0109] Un angle de divergence total correspond aux déviations engendrées successivement par les lentilles 23 et par les lentilles 47. Les lentilles 47 du troisième réseau sont choisies de sorte que l'angle de divergence total soit, par exemple, inférieur ou égal à environ 5°.
[0110] Le mode de réalisation représenté en figure 5, illustre une configuration idéale dans laquelle les plans focaux images des lentilles 23 du deuxième réseau sont confondus avec les plans focaux objets des lentilles 47 du troisième réseau. Les rayons représentés, arrivant parallèlement à l'axe optique, sont focalisés au foyer image de la lentille 23 ou foyer objet de la lentille 47. Les rayons qui émergent de la lentille 47 se propagent ainsi parallèlement à l'axe optique de celle-ci. L'angle de divergence total est, dans ce cas, nul.
[0111] Le troisième réseau de lentilles 47 est, en figure 5, situé sous et en contact avec une septième couche 40. La septième couche 40, issue du remplissage des ouvertures 41, recouvre les faces arrière des murs 39.
[0112] En variante, le troisième réseau de lentilles 47 est situé sur et en contact avec la face arrière des murs 39. Les ouvertures 41 sont, alors, remplies d'air ou d'un matériau de remplissage .
[0113] Les lentilles 47 et les lentilles 23 sont de même composition ou de compositions différentes. [0114] Selon le mode de réalisation de la figure 5, la face arrière des lentilles 47 est recouverte par une huitième couche 49 de remplissage. La couche 49 et la couche 45 peuvent être de même composition ou de compositions différentes. La couche 49 a, de préférence, un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction du matériau des lentilles 47.
[0115] En l'absence d'un troisième réseau de lentilles 47, si l'angle de divergence est trop grand, les rayons émergeants d'une lentille 23 risquent d'éclairer plusieurs photodétecteurs ou pixels. Cela engendre une perte de résolution dans la qualité de l'image résultante.
[0116] Un avantage qui apparaît est que la présence d'un troisième réseau de lentilles 47 engendre une diminution de l'angle de divergence en sortie du filtre angulaire 2. La diminution de l'angle de divergence permet de diminuer les risques de recoupement des rayons émergeant au niveau de 1'imageur 3.
[0117] La figure 6 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, encore un autre mode de réalisation de l'exemple du dispositif d'acquisition d'images illustré en figure 2.
[0118] Plus particulièrement, la figure 6 représente un dispositif d'acquisition d'images 104 similaire au dispositif d'acquisition d'images 103 illustré en figure 5 à la différence près qu'il comprend des lentilles 47' plus petites que les lentilles 47 (figure 5).
[0119] Le nombre de lentilles 47' dans le dispositif 104 est, de préférence, supérieur au nombre d'ouvertures 41. A titre d'exemple, le nombre de lentilles 47' est quatre fois plus important que le nombre d'ouvertures 41 (dans le plan XY). [0120] Un avantage du mode de réalisation illustré en figure 6 est qu'il ne nécessite pas d'alignement du troisième réseau de lentilles 47' sur la matrice d'ouvertures 41.
[0121] La figure 7 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, encore un autre mode de réalisation de l'exemple du dispositif d'acquisition illustré en figure 2.
[0122] Plus particulièrement, la figure 7 représente un dispositif d'acquisition d'images 105 similaire au dispositif d'acquisition d'images 103 illustré en figure 5 à la différence près que le troisième réseau de lentilles 47" est situé entre le deuxième réseau de lentilles 23 et la couche 211 d'ouvertures 41.
[0123] Dans l'exemple représenté, le dispositif 105 comprend une couche 51 de remplissage recouvrant la face arrière des lentilles 47. La couche 51 est similaire à la couche 49 du dispositif 103 illustré en figure 5 à la différence près qu'elle repose sur la face supérieure de la couche 211.
[0124] La figure 8 représente par une vue en coupe, partielle et schématique, encore un autre mode de réalisation de l'exemple du dispositif d'acquisition illustré en figure 2.
[0125] Plus particulièrement, la figure 8 représente un dispositif d'acquisition d'images 106 similaire au dispositif d'acquisition d'images 101 illustré en figure 3 à la différence près que la structure matricielle 21 comprend une neuvième couche 213 constituée d'une deuxième matrice d'ouvertures 53 délimitant des murs 55 opaques au rayonnement 27 (figure 2).
[0126] Selon le mode de réalisation illustrée en figure 8, la couche 213 est située sous et en contact avec la septième couche 40 issue du remplissage des ouvertures 41 par le matériau de remplissage. La septième couche 40 recouvre les faces arrières des murs 39. [0127] En variante, la couche 213 est située sur et en contact avec la face arrière des murs 39. Les ouvertures 41 sont, alors, remplies d'air ou d'un matériau de remplissage.
[0128] Les ouvertures 53 ont, par exemple, sensiblement la même forme que les ouvertures 41 à la différence près que les dimensions des ouvertures 41 et 53 peuvent être différentes. Les murs 55 ont, par exemple, sensiblement la même forme et la même composition que les murs 39 à la différence près que les dimensions des murs 39 et 55 peuvent être différentes.
[0129] Selon le mode de réalisation illustré en figure 8, la couche 213 comprend un nombre d'ouvertures 53 sensiblement identique au nombre d'ouvertures 41 présentes dans la matrice de la couche 211. De préférence, le nombre d'ouvertures 41 est identique au nombre d'ouvertures 53. Chaque ouverture 41 est, de préférence, alignée avec une ouverture 53, par exemple le centre de chaque ouverture 41 est aligné avec le centre d'une ouverture 53.
[0130] Selon un mode de réalisation, les ouvertures 53 et les ouvertures 41 ont les mêmes dimensions, c'est-à-dire que les ouvertures 53 ont un diamètre "w2" (mesuré à la base des ouvertures, c'est-à-dire à l'interface avec la couche 40) sensiblement identique au diamètre wl des ouvertures 41. De préférence, les diamètres wl et w2 sont identiques. Les murs 55 ont, par exemple, une hauteur h2 sensiblement identique à la hauteur h des murs 39. De préférence, les hauteurs h et h2 sont identiques.
[0131] En variante, les diamètres wl et w2 sont différents. Dans ce cas, le diamètre w2 est, de préférence, inférieur au diamètre wl.
[0132] Selon une autre variante, les hauteurs h et h2 sont différentes . [0133] Selon un mode de réalisation, les ouvertures 53 sont comblées d'air ou, de préférence, d'un matériau de remplissage de composition semblable au matériau de remplissage des ouvertures 41. Encore plus préférentiellement, le matériau de remplissage vient combler les ouvertures 53 et former une couche 57 sur la face arrière des murs 55.
[0134] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinés, et d'autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les modes de réalisation illustrés en figures 4 à 8 peuvent être combinés. En outre, les modes de réalisation et de mise en oeuvre décrits ne se limitent pas aux exemples de dimensions et de matériaux mentionnées ci-dessus.
[0135] Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1.Dispositif (1 ; 101 ; 102 ; 103 ; 104 ; 105 ; 106) comprenant un empilement comportant, dans l'ordre, au moins : un capteur d'images (17) en technologie MOS adapté à détecter un rayonnement (27) ; un premier réseau de lentilles (19) ; une structure (21) composée au moins d'une première matrice d'ouvertures (41) délimitées par des murs (39) opaques audit rayonnement ; et un deuxième réseau de lentilles (23 ; 23'), le nombre de lentilles (23 ; 23') du deuxième réseau étant supérieur au nombre de lentilles (19) du premier réseau.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le nombre de lentilles (23 ; 23') du deuxième réseau est deux à dix fois supérieur au nombre de lentilles (19) du premier réseau, de préférence, deux fois supérieur.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, comprenant une couche adhésive (37) entre ladite structure (21) et le premier réseau de lentilles (19).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une couche (35) d'adaptation d'indice de réfraction entre ladite structure (21) et le premier réseau de lentilles (19).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel : chaque ouverture (41) de la première matrice est associée à une seule lentille (23) du deuxième réseau ; et l'axe optique de chaque lentille du deuxième réseau est aligné avec le centre d'une ouverture (41) de la première matrice.
6.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la structure (21) comprend, sous la première matrice d'ouvertures (41), une deuxième matrice d'ouvertures (53), délimitées par des murs (55) opaques audit rayonnement (27), le nombre d'ouvertures de la première matrice et le nombre d'ouvertures de la deuxième matrice étant identique et le centre de chaque ouverture de la première matrice étant aligné avec le centre d'une ouverture de la deuxième matrice.
7.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les lentilles (23) du deuxième réseau et les lentilles (19) du premier réseau sont plan-convexes, les faces planes des lentilles du premier réseau et du deuxième réseau sont côté capteur (17).
8.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les ouvertures (41, 53) sont remplies d'un matériau au moins partiellement transparent audit rayonnement (27).
9.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les lentilles (19) du premier réseau ont un diamètre supérieur au diamètre des lentilles (23 ; 23') du deuxième réseau.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 9, dans lequel la structure comprend un troisième réseau de lentilles (47 ; 47' ; 47") plan-convexes, les faces planes des lentilles (23 ; 23') du deuxième réseau de lentilles et du troisième réseau de lentilles se faisant face, le troisième réseau de lentilles étant situé entre la première matrice d'ouvertures (41) et le premier réseau de lentilles (19) ou entre la première matrice d'ouvertures et le deuxième réseau de lentilles.
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel l'axe optique de chaque lentille (23) du deuxième réseau est aligné avec l'axe optique d'une lentille (47 ; 47") du troisième réseau.
12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, dans lequel les plans focaux images des lentilles (23 ; 23') du deuxième réseau sont confondus avec les plans focaux objets des lentilles (47 ; 47' ; 47") du troisième réseau.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel le nombre de lentilles (47 ; 47' ; 47") du troisième réseau est supérieur au nombre de lentilles (23 ; 23') du deuxième réseau.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans lequel les lentilles (23 ; 23') du deuxième réseau ont un diamètre supérieur à celui des lentilles (47 ; 47' ; 47") du troisième réseau.
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