EP3551977A1 - Capteur d'image infrarouge - Google Patents

Capteur d'image infrarouge

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EP3551977A1
EP3551977A1 EP17816991.8A EP17816991A EP3551977A1 EP 3551977 A1 EP3551977 A1 EP 3551977A1 EP 17816991 A EP17816991 A EP 17816991A EP 3551977 A1 EP3551977 A1 EP 3551977A1
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EP
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pixels
sensor
layer
pixel
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
EP17816991.8A
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English (en)
Inventor
Nicolas BOUDOU
Alexia GORECKI
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Lynred SAS
Original Assignee
Ulis SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present application relates to the field of infrared imaging, and more particularly to an infrared image sensor.
  • An infrared imaging device such as an infrared camera in the general case, is used to form images in relation to an infrared flux coming from an observed scene, that is to say with the temperatures of the elements of this scene.
  • the camera includes in particular a suitable focusing optics and an infrared image sensor placed at the focus of this optics.
  • FIG. 1A represents such an infrared image sensor 1.
  • the sensor 1 comprises a set of pixels 3 arranged in a matrix and able to operate at ambient temperature.
  • the pixel matrix 3 is connected to a reading circuit 5, called in English "Read Out Integrated Circuit” (ROIC), intended to produce electronic signals S in relation to the radiative flux reaching each pixel.
  • the device comprises a processing unit 7 (P) capable of exploiting these signals S and deriving estimates of the temperatures T from the elements of the scene.
  • the processing unit 7 comprises calculation means and memory and is preferably disposed in the immediate vicinity of the sensor 1. This unit can also be a computer located at a distance.
  • FIG 1B is a sectional view of an example of pixel 3 of the sensor 1 according to a plane B-B shown in Figure 1A.
  • the sensor 1 is bolometric, able to operate at room temperature.
  • the pixel 3 comprises, above a substrate 10 covered with a metal reflector 12, a flat bolometric membrane 14 suspended by arms 16.
  • the arms 16 have a high thermal resistance, uniform for all the pixels of the sensor between the membrane 14 and the substrate 10.
  • the bolometric membrane comprises in this example a metal absorbent layer 20 and a measurement layer 22.
  • Each of the layers 20 and 22 is disposed between dielectric layers 23 of support and separation.
  • the measurement layer 22 is made of a material whose electrical resistance varies as a function of temperature and is provided at its ends with contacts C1 and C2.
  • the thickness of the stack of the layers forming the membrane 14 is typically of the order of 100 nm, or may be larger, for example up to about 1 ⁇ m.
  • Each element of the scene emits infrared radiation according to an emission spectrum corresponding to Planck's law of the radiation of the black body weighted by the emissivity of the element considered.
  • the wavelengths of the received radiation at the focal plane are essentially in a range of between 7 and 14 ⁇ m.
  • a thermal observation system is indeed designed to provide a maximum sensitivity between 7 and 14 ym and a negligible sensitivity outside this range which corresponds to the range. maximum emission of a black body at room temperature. This radiation is absorbed by the membrane of a pixel vis-à-vis the scene element.
  • the distance D between the bolometric membrane and the reflector is substantially 2.5 ⁇ m, that is to say about a quarter of the central wavelength of the range of lengths. concerned. Due to the thermal resistance of the arms 16, the absorbed radiation induces a heating of the membrane proportional to the power of the received radiation. The temperature of the membrane is thus a function of the temperature of the scene element.
  • the signals S, from which the temperature of the membrane is determined, are produced by the reading circuit 5 from a measurement of the electrical resistance of the layer 22 between the contacts C1 and C2.
  • the temperature of the membrane depends both on the temperature of the scene element and the emissivity of this element.
  • the processing unit 7 In order to determine the temperature T of the scene element, the processing unit 7 must take into account the emissivity E of this element.
  • the imprecision on the value of the emissivity which can vary significantly from one element of the scene to another, for example according to the matter or the texture of the emitting surface, refers to the value of the determined temperature. This results in a lack of precision of the temperature thus determined.
  • providing the emissivity of scene elements to the processing unit poses various practical problems of use and implementation.
  • One embodiment provides an infrared image sensor overcoming all or some of the disadvantages described above.
  • an embodiment provides an infrared image sensor, comprising on a support a plurality of first pixels and a plurality of second pixels for capturing infrared radiation emitted by an element of a scene, each pixel comprising a bolometric membrane. suspended above a reflector covering the support, the reflector of each first pixel being covered with a first dielectric layer, and the reflector of each second pixel being covered with a second dielectric layer different from the first dielectric layer by its optical properties.
  • the difference in optical property results from at least one characteristic in the following list: the first and second dielectric layers have different thicknesses; the first and second dielectric layers are of different refractive index materials; the first layer has an array pattern and the second layer is full; and the first and second layers have patterns in different gratings in the first layer and in the second layer.
  • the network pattern of the first layer is over the entire thickness of the first layer.
  • the sensor comprises an array of pairs of pixels of one of the first pixels and one of the second pixels.
  • the bolometric membranes (14) of all said pixels are structurally identical and the reflectors (12) of all said pixels are structurally identical.
  • the first and second pixels are arranged in checkerboard.
  • the senor is intended to capture radiation of wavelengths less than 25 ⁇ m.
  • the senor is intended to capture radiation whose wavelengths are situated in a range of wavelengths, the distance in each pixel between the membrane and said dielectric layer being equal to a quarter of a wavelength located in a central portion of said range.
  • said range extends between 7 and 14 ⁇ m and said distance is between 2 and 3 ⁇ m.
  • the product of the thickness by the refractive index is equal to a quarter of a first wavelength
  • the product of the thickness by the refractive index is equal to a quarter of a second wavelength
  • the first and second dielectric layers are of identical material and have the same thickness, the distance separating the bolometric membrane from the dielectric layer being identical in the first and second pixels.
  • each first dielectric layer has an arrayed pattern formed of elements having, in directions parallel to the plane of the layer, dimensions less than one-third of the smallest wavelength of said range.
  • the first and second dielectric layers are amorphous silicon.
  • the senor comprises a reading circuit of first values representative of the temperatures of the bolometric membranes of first and second neighboring pixels.
  • the senor comprises a processing unit adapted to determine the temperature or the emissivity of the element of the scene from the first values.
  • the processing unit is adapted to implement the following steps: a) defining an initial pair of estimated values of temperature and emissivity; calculate second values representative of the temperatures that the bolometric membranes of said neighboring pixels from a theoretical model if the temperature and emissivity of the scene element were the estimated values of temperature and emissivity; c) calculating the differences between the first values and the second corresponding values; d) producing new estimated values of temperature and emissivity based on said differences; and e) repeating steps b), c) and d) on the basis of the new estimated values so as to reduce said differences.
  • the senor further comprises a plurality of third pixels intended to capture infrared radiation emitted by the external scene, each third pixel comprising a bolometric membrane suspended above a reflector covering the support, the reflector not being covered with a dielectric layer.
  • Another embodiment provides a pixel comprising a bolometric membrane suspended above a reflector covering a support, the reflector being covered with a dielectric layer having an array pattern.
  • Another embodiment provides a matrix of pixels above which said patterns in networks are identical.
  • Figure 1A schematically illustrates an infrared image sensor
  • Figure 1B is a schematic sectional view of a pixel of the sensor of Figure 1A;
  • Figure 2A schematically illustrates an embodiment of an infrared image sensor
  • Figure 2B is a schematic sectional view of two pixels of Figure 2A;
  • FIG. 3 represents infrared radiation absorption curves for various types of pixels, as a function of the wavelength of the radiation;
  • FIG. 4 illustrates a method for obtaining a temperature value
  • Fig. 5A is a schematic sectional view of two pixels of an embodiment of an infrared image sensor.
  • Figure 5B is a schematic sectional top view of a pixel of Figure 5A.
  • the term "refractive index” refers to the real part of a refractive index, the imaginary part of which is negligible.
  • Fig. 2A illustrates an embodiment of an infrared image sensor.
  • the sensor 30 comprises an array of pairs of pixels 32, 34, respectively of a first type and a second type.
  • the pixels 32 and 34 of a pair are juxtaposed, the pixels 32 and 34 of the matrix being for example arranged in a checkerboard pattern.
  • the sensor 30 comprises a read circuit 36 (ROIC) connected to the pixels 32 and 34.
  • the read circuit 36 is intended to produce signals S representative of the temperatures of the bolometric membranes and operated by a processing unit 38 (P).
  • the processing unit 38 is designed to determine the temperatures T of elements of a scene by implementing a method, an example of which will be described hereinafter with reference to FIG. 4.
  • the processing unit 38 can be provided to determine emissivities E of scene elements.
  • Figure 2B is a sectional view of adjacent pixels 32 and 34, along the plane B-B of Figure 2A.
  • each of the pixels 32 and 34 comprises the elements of the pixel 3 of FIG. 1B.
  • these elements are structurally identical for the two types of pixel, that is to say that these elements are made of identical materials arranged in identical configurations of substantially identical dimensions.
  • each of the pixels 32 and 34 comprises a bolometric membrane 14 comprising an absorption layer 20, for example made of titanium nitride, and a measuring layer 22, for example of amorphous silicon, each of the layers 20, 22 being disposed between dielectric layers 23, for example nitride or silicon oxynitride.
  • the measurement layer 22 of each pixel 32 is provided with contacts C11 and C12 and the measurement layer 22 of each pixel 34 is provided with contacts C21 and C22.
  • the bolometric membrane 14 of each pixel is suspended by arms 16 above a metal reflector 12 covering a support 10, for example a semiconductor substrate.
  • the reading circuit 36 is formed in and on the substrate 10 and each pixel is connected to the reading circuit 36 by electrical connections located in the arms 16.
  • the pixels are repeated laterally at a step between 10 and 40 ym, this pitch corresponding substantially to the lateral dimensions of a pixel.
  • each of the pixels 32 and 34 comprises a dielectric layer, respectively 40 and 42, disposed on the reflector 12.
  • the dielectric layers 40 and 42 of the pixels 32 and 34 are different in their optical properties.
  • the dielectric layers 40 and 42 have the same thicknesses but are of different refractive index materials. These layers can also be in the same material and have different thicknesses.
  • the material of the layers 40 and 42 may be silicon, for example amorphous silicon, germanium, or may contain both silicon and germanium.
  • the sensor 30 is for example intended to capture infrared radiation of wavelengths less than 25 ⁇ m, for example less than 20 ⁇ m, and frequencies greater than 12 THz, for example greater than 15 THz.
  • the senor 30 is intended to capture infrared radiation situated in a range that extends between 7 and 14 ⁇ m.
  • the distance, respectively D1 and D2 separating the lower face of the bolometric membrane 14 from the upper face of the dielectric layer is equal to a quarter of a wavelength located in a central portion of this range, corresponding to the range which extends from 7 to 14 ⁇ m at distances D1 and D2, for example between 2 and 3 ⁇ m.
  • the distances D1 and D2 can thus be different and each comprised between 2 and 3 ⁇ m.
  • the distances D1 and D2 are substantially equal, for example are 2.5 ⁇ m, that is to say then identical to the distance D separating, in the pixel 3 of FIG. 1B, the bolometric membrane reflector.
  • FIG. 3 represents an example of infrared radiation absorption spectra by the membrane 14 of a pixel 3 of FIG. 1B and by the membranes 14 of pixels 32 and 34 of FIG. 2B as a function of the wavelength ⁇ of radiation.
  • Curves 50, 52 and 54 respectively correspond to pixels 3, 32 and 34, and were obtained by digital simulation.
  • the thicknesses and the refractive indices of the dielectric layers 40 and 42 are chosen so that destructive interferences appear at the membrane 14 for wavelengths close to 12.5 ⁇ m respectively ( curve 52) and 8.5 ⁇ m (curve 54). These particular conditions of interference greatly reduce the absorption by the membrane for these wavelengths, the absorption being almost zero in the example shown.
  • the dielectric layer 40 of the pixel 32 has a thickness of 1 ⁇ m and a refractive index of 3.5, close to that of the amorphous silicon, and, on the other hand, the dielectric layer 42 of pixel 34 has a thickness of 1 ⁇ m and a refractive index of 2.15.
  • each pixel 32, 34 there is obtained a reduction in the absorption of the radiations whose wavelengths are close to a value equal to four times the product of the refractive index of the dielectric layer, respectively 40, 42 , by the thickness of this layer.
  • This value is different for pixels 32 and 34 and is in the range between 7 and 14 ⁇ m.
  • the dielectric layers 40 and 42 may thus have thicknesses of between 0.5 and 3 ⁇ m and refractive indices of between 1.5 and 4.
  • the temperature of the membrane 14 of the pixel 3 results from the whole of the radiation, because this radiation is absorbed at more than 50% for all the wavelengths concerned.
  • the temperature of the membrane 14 of the pixel 32 results mainly from the part of the radiation whose wavelengths are less than about 11 ⁇ m
  • the The temperature of the membrane 14 of the pixel 34 results mainly from the portion of the radiation whose wavelengths are greater than about 11 ⁇ m.
  • the reading circuit 36 determines two values VI and V2 of signals representative of the respective temperatures of the bolometric membranes of the two pixels, by measuring the resistances of the measurement layers 22 respectively between the contacts Cil and C12 and between the contacts C21 and C22.
  • the two values VI and V2 allow the processing unit 38 to simultaneously determine the temperature and the emissivity of the scene element, because of the different absorption properties of the pixels 32 and 34, as will be seen hereinafter in the context of an example.
  • a sensor of the type of the sensor 30 makes it possible to determine the temperature of the scene element without previously knowing the emissivity of this scene element, which is not possible with a sensor of the sensor type 1 of the sensor. figure 1.
  • the user does not need to manually provide an emissivity value to determine the temperature of a scene element.
  • the measurement of temperature is therefore particularly practical.
  • the user of a sensor of the type of that of Figures 1B and 1A can not in practice provide the emissivity of each scene element. The user is then Provided to provide a common emissivity value that is not adapted to each scene element, which makes the determined temperatures inaccurate.
  • the different emissivity values are obtained for each scene element without manual intervention by the user, and the temperatures determined are therefore particularly precise.
  • FIG. 4 illustrates an example of a method implemented by the processing unit 38 to obtain the temperature 3 ⁇ 4 of a scene element from two measured values VI and V2 representative of temperature values of bolometric membranes of pixels 32 and 34 neighbors.
  • the method comprises, by way of example, the repetition of iterations.
  • Each iteration takes as a starting point a pair of estimated values of Emissivity Eg and 3 ⁇ 4 of temperature and determines a new pair of estimated values which will serve as a starting point for the next iteration.
  • the estimated values and 3 ⁇ 4 are respective initial values Ei and Ti that have been chosen beforehand, for example, respectively, any emissivity value Ei between 0 and 1 and a temperature value Ti close to the temperature. room.
  • Each iteration includes a modeling step 62 (COMPUTE) that determines theoretical values V ⁇ R e ⁇ ⁇ 2 ⁇ .
  • the theoretical value VI ⁇ corresponds to the membrane temperature value that would be obtained if the scene element were at the estimated temperature 3 ⁇ 4, taking into account the absorption properties of the pixel 32 (represented by the curve 52 of FIG. 3), according to Planck's law weighted by the estimated emissivity Eg. We consider here that the emissivity Eg is independent of the wavelength.
  • the theoretical value V2 ⁇ is determined in a similar manner taking into account the absorption properties of the pixel 34 (shown schematically by the curve 54 of FIG. 3).
  • V ⁇ R e ⁇ ⁇ TR can also take into account the absorption by elements located between the scene element and the pixels, for example the atmosphere, or take into account transmission windows.
  • a window is commonly arranged above the pixel array, or retina, to isolate the retina from the atmosphere.
  • the transmission spectrum of such a window is known and can therefore easily be taken into account to determine the theoretical values.
  • the measured values VI and V2 are compared with the theoretical values V1 and V2 ⁇ , which gives difference values V1-V1 and V2-V2 ⁇ .
  • These difference values are used in a step 66 (ERR) to determine an error value ⁇ 2.
  • the error value ⁇ 2 is a sum of squares of the difference values, for example a weighted sum of the form:
  • step 68 is a step of an algorithm for minimizing a value dependent on two variables by successive evaluations of this value from successive estimates of the variables, such as a gradient method. conjugate gradient, simplex, etc. The process stops when the value of ⁇ 2 is minimal.
  • the measured value 3 ⁇ 4 of the temperature of the scene element is then the estimated value 3 ⁇ 4 at the last iteration. Furthermore, the estimated value Eg emissivity at the last iteration corresponds to a measured value E ⁇ j of the emissivity of the scene element.
  • FIG. 5A is a sectional view of an alternative embodiment of two neighboring pixels 32 and 34, in which the dielectric layers 40 of the pixel 32 and 42 of the pixel 34 are made of the same material and have the same thicknesses.
  • Figure 5B is a top view in section of the layer 42 along the plane BB of FIG. 5A.
  • the layer 42 is interrupted throughout its thickness by openings 70 arranged regularly.
  • the openings 70 may have lateral dimensions smaller than the wavelengths of the infrared radiation received, for example less than one-third of the smallest wavelength of the wavelength range of the received radiation.
  • the pitch of the network pattern drawn by the openings is of the order of 1 to 3 ⁇ m.
  • the openings shown are circular in shape, but any other suitable form can be used.
  • the neighboring openings can meet and the layer 42 is formed of a set of disjoint pads regularly arranged.
  • the layer 42 thus has an array pattern of elements defined by the absence or presence of the material of the layer 42, such as openings or pads, repeated in directions parallel to the plane of the layer.
  • the refractive index n e ff of the layer 42 can be roughly estimated by the product of the refractive index n s of the material of the layer 42 by the filling ratio / of the layer 42.
  • a more precise estimation of the The refractive index of the layer 42 can be calculated, for example according to the following equation described in the article by ME Motamedi et al., "Antireflection surfaces in silicon using binary optics technology", published in 1992 in Applied Optics, 31. (22):
  • the refractive index of the layer 42 is thus lower than that of the layer 40.
  • this pattern of rotation is rotated. a quarter turn, we fall back on the starting pattern, in other words this pattern has a symmetry of order four.
  • the refractive index of the layer 42 does not depend on the polarization infrared radiation.
  • the network pattern drawn by apertures or pads may have a higher order symmetry, for example the six-order symmetry of a hexagonal array.
  • any other method suitable for minimizing this value may be used.
  • the error value ⁇ 2 after measuring the values VI and V2 representative of temperature values of bolometric membranes, it is possible to calculate the error value ⁇ 2 for a set of predefined pairs of estimated values E of temperature and EE of emissivity. stage element. The determined values of temperature and emissivity correspond to the values of the predefined pair for which the value ⁇ 2 is minimal.
  • the scene element temperature corresponding to the minimum of this error value can be chosen from a set of predetermined temperature values as a function of a set of membrane temperature values VI, V2. bolometer. These previously determined values are then stored in the processing unit 38.
  • any other method for determining the temperature of a scene element from temperature values of two bolometric membranes of two pixels of different types vis-à-vis the scene element.
  • the absorption properties of the pixels can also be modeled by mathematical expressions to explicitly express the temperature of the scene element according to those of the membranes.
  • the theoretical value VI ⁇ corresponds to the membrane temperature value that would be obtained if the scene element was at the previously known temperature, taking into account the absorption properties of the pixel 32, according to Planck's law weighted by a first estimated emissivity value in the wavelength range of the pixel 32, the theoretical value 2 ⁇ being similarly determined for a second estimated emissivity value.
  • each of these values VI and V2 may be replaced by a combination of values representative of membrane temperatures of two or more pixels of the same type facing the same scene element.
  • a reading circuit for measuring the temperature of bolometric membranes
  • the reading circuit can be provided to measure any value representative of the temperature of the bolometric membranes, for example a resistance value.
  • pixels of two different types are arranged in checkerboard, these pixels can be arranged in any other way allowing each pixel of a type to be close to a pixel of a pixel.
  • Another type For example, an arrangement in alternating rows or columns of pixels of each type leads to the same advantages.
  • the pixels of one type are more numerous, that is to say arranged in a more dense manner, than the pixels of another type, the proportions of the pixels being, for example, respectively 75% and 25%.
  • any other adapted bolometric membrane may be used, for example a bolometric membrane having a different number of dielectric layers, or a membrane in which the measurement layer has been replaced by other structures for measuring temperature, for example measurements of deformations and / or stresses due to thermal expansion.
  • the embodiments described comprise a particular type of reflector, any other reflector allowing the bolometric membrane to absorb, at more than 50% for most of the wavelengths concerned, the radiations can be used. emitted by stage elements.
  • each of the dielectric layers 40 and dielectric layers 42 has an array pattern whose elements, for example apertures or pads, are repeated laterally and have side dimensions smaller than the wavelength of the radiation received, for example less than one third of the smallest wavelength of the radiation range concerned.
  • the essential point is that the patterns of the layers 40 and 42 are different.
  • wavelength range between 7 and 14 ⁇ m it may be preferred to operate in another wavelength range, for example and typically positioning this range, that is to say the transmission spectrum of a filter window, around the maximum emission according to the law of emission of the black body to the average temperature of the scenes that is question of observe according to the particular application concerned.
  • this range that is to say the transmission spectrum of a filter window
  • Those skilled in the art will accordingly be able to adapt the transmission spectrum of said window, as well as the pixels described in terms of dimensions, in particular according to the relationships described, in the space between the membrane and the reflector (distance D, thicknesses and and / or refractive indices of the dielectric layers) to produce the selective interferences of different wavelengths inscribed in said spectrum thus selected.
  • the disclosed sensor embodiments are intended to capture infrared radiation in the range of 7 to 14 ⁇ m
  • other embodiments may be for capturing infrared radiation in a range that ranges between 8 and 12.5 um.
  • the sensor may be placed under a transmission window intended to limit the radiation received by the sensor to the range between 8 and 12.5 ⁇ m.
  • the thicknesses and the refractive indices of the dielectric layers 40 and 42 are then chosen so that destructive interferences appear at the membrane 14 for wavelengths close to 8.5 ⁇ m and 12 ⁇ m, respectively.
  • the dielectric layer 40 has a thickness substantially equal to 0.9 ⁇ m and a refractive index substantially equal to 3.5.
  • the dielectric layer 42 has a thickness substantially equal to 0.9 ⁇ m and a refractive index substantially equal to 2.
  • the other dimensions of the device are for example identical to the corresponding dimensions in the devices of FIGS. 2A and 2B.
  • the sensor obtained has the advantage of excluding radiation with wavelengths greater than 12.5 ⁇ m, which are absorbed by the atmosphere, and the measurement of temperature or emissivity by the sensor is then independent of the quality. the atmosphere and the distance between the sensor and the scene element. The measurement of temperature and emissivity of such a sensor is then particularly precise.
  • Embodiments described include pixels of only two different types more than 50% absorbing radiation located in two different ranges, these two ranges extending, in a described example, over more than 3 ⁇ m in width.
  • Other different embodiments are possible including more than two types of pixels.
  • each type of pixel is provided to absorb more than 50% of the radiation in a wavelength range different from that of other types of pixel.
  • the ranges of the wavelength ranges of the different types of pixels may be substantially identical. These wavelength ranges can cover the range of the wavelength range of the considered radiation.
  • the temperature of a scene element is then determined from the more than two temperature values of bolometric membranes of pixels of different types. This makes it possible to determine more precisely the temperature and the emissivity of the scene element, and to determine more precisely the temperature of scene elements whose emissivity varies according to the wavelength.
  • pairs of pixels 32 and 34 of the type of those of Figure 2B are regularly dispersed in a set of pixels, or retina, comprising pixels 3 of the type of Figure 1B.
  • the processing unit 38 produces a first thermal image from the pixels 3.
  • the processing unit 38 superimposes on this first image a second image containing temperature and emissivity information determined from the pairs of pixels. Since the lateral dimensions of each pixel 3 are smaller than that of a pair of pixels, the first image may have a high resolution.
  • the resulting image contains particularly accurate temperature information and has a high resolution.

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Abstract

L'invention concerne un capteur d'image infrarouge, comprenant sur un support (10) une pluralité de premiers pixels (32) et une pluralité de deuxièmes pixels (34) destinés à capter un rayonnement infrarouge émis par un élément d'une scène, chaque pixel comprenant une membrane bolométrique (14) suspendue au-dessus d'un réflecteur (12) recouvrant le support, le réflecteur de chaque premier pixel étant recouvert d'une première couche diélectrique (40), et le réflecteur de chaque deuxième pixel étant recouvert d'une deuxième couche diélectrique (42) différente de la première couche diélectrique par ses propriétés optiques.

Description

CAPTEUR D'IMAGE INFRAROUGE
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR16/62079 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente demande concerne le domaine de 1 ' imagerie infrarouge, et plus particulièrement un capteur d'image infrarouge .
Exposé de 1 ' art antérieur
On utilise un dispositif d'imagerie infrarouge, tel qu'une caméra infrarouge dans le cas général, pour former des images en relation avec un flux infrarouge issu d'une scène observée, c'est-à-dire avec les températures des éléments de cette scène. Pour les applications thermographiques, il est question de fournir une estimation de ces températures . La caméra comprend en particulier une optique de focalisation adaptée et un capteur d'image infrarouge placé au foyer de cette optique .
La figure 1A représente un tel capteur 1 d'image infrarouge. Le capteur 1 comprend un ensemble de pixels 3 disposés en matrice et pouvant fonctionner à température ambiante. La matrice de pixels 3 est reliée à un circuit de lecture 5, appelé en anglais "Read Out Integrated Circuit" (ROIC) , prévu pour produire des signaux électroniques S en relation avec le flux radiatif atteignant chaque pixel. Le dispositif comprend une unité de traitement 7 (P) capable d'exploiter ces signaux S et d'en déduire des estimations des températures T des éléments de la scène. L'unité de traitement 7 comporte des moyens de calcul et de la mémoire et est préférentiellement disposée à proximité immédiate du capteur 1. Cette unité peut aussi être un ordinateur situé à distance.
La figure 1B est une vue en coupe d'un exemple de pixel 3 du capteur 1 selon un plan B-B représenté en figure 1A. Le capteur 1 est de type bolométrique, capable de fonctionner à température ambiante. Le pixel 3 comprend, au-dessus d'un substrat 10 recouvert d'un réflecteur métallique 12, une membrane bolométrique plane 14 suspendue par des bras 16. Les bras 16 présentent une résistance thermique de valeur élevée, uniforme pour tous les pixels du capteur, entre la membrane 14 et le substrat 10. La membrane bolométrique comprend dans cet exemple une couche absorbante métallique 20 et une couche de mesure 22. Chacune des couches 20 et 22 est disposée entre des couches diélectriques 23 de support et de séparation. La couche de mesure 22 est constituée d'un matériau dont la résistance électrique varie en fonction de la température et est munie à ses extrémités de contacts Cl et C2. L'épaisseur de l'empilement des couches formant la membrane 14 est typiquement de l'ordre de 100 nm, ou peut être plus importante, par exemple jusqu'à de l'ordre de 1 ym.
Chaque élément de la scène émet un rayonnement infrarouge selon un spectre d'émission correspondant à la loi de Planck du rayonnement du corps noir pondérée par l'émissivité de l'élément considéré. Les longueurs d'onde du rayonnement reçu au niveau du plan focal sont essentiellement comprises dans une plage qui s'étend entre 7 et 14 um. Dans le cas général, un système d'observation thermique est en effet conçu pour procurer une sensibilité maximale entre 7 et 14 ym et une sensibilité négligeable en dehors de cette plage qui correspond à la plage d'émission maximale d'un corps noir à température ambiante. Ce rayonnement est absorbé par la membrane d'un pixel en vis-à-vis de l'élément de scène. Pour cela, dans chaque pixel 3, la distance D entre la membrane bolométrique et le réflecteur est sensiblement de 2,5 um, c'est-à-dire environ le quart de la longueur d'onde centrale de la plage de longueurs d'onde concernée. Du fait de la résistance thermique des bras 16, le rayonnement absorbé induit un échauffement de la membrane proportionnel à la puissance du rayonnement reçu. La température de la membrane est ainsi fonction de la température de l'élément de scène. Les signaux S, à partir desquels la température de la membrane est déterminée, sont produits par le circuit de lecture 5 à partir d'une mesure de la résistance électrique de la couche 22 entre les contacts Cl et C2.
La température de la membrane dépend à la fois de la température de l'élément de scène et de l'émissivité de cet élément. Afin de déterminer la température T de l'élément de scène, l'unité de traitement 7 doit tenir compte de l'émissivité E de cet élément. En d'autres termes, l'imprécision sur la valeur de l'émissivité, qui peut varier notablement d'un élément de la scène à un autre, par exemple selon la matière ou la texture de la surface émettrice, se reporte sur la valeur de la température déterminée. Il en résulte un manque de précision de la température ainsi déterminée. En outre, fournir l'émissivité d'éléments de scène à l'unité de traitement pose divers problèmes pratiques d'utilisation et de mise en oeuvre.
Résumé
Un mode de réalisation prévoit un capteur d'image infrarouge palliant tout ou partie des inconvénients décrits ci- dessus.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un capteur d'image infrarouge, comprenant sur un support une pluralité de premiers pixels et une pluralité de deuxièmes pixels destinés à capter un rayonnement infrarouge émis par un élément d'une scène, chaque pixel comprenant une membrane bolométrique suspendue au-dessus d'un réflecteur recouvrant le support, le réflecteur de chaque premier pixel étant recouvert d'une première couche diélectrique, et le réflecteur de chaque deuxième pixel étant recouvert d'une deuxième couche diélectrique différente de la première couche diélectrique par ses propriétés optiques .
Selon un mode de réalisation, la différence de propriété optique résulte d'au moins une caractéristique dans la liste suivante : les première et deuxième couches diélectriques ont des épaisseurs différentes ; les première et deuxième couches diélectriques sont en des matériaux d'indices de réfraction différents ; la première couche présente un motif en réseau et la deuxième couche est pleine ; et les première et deuxième couches présentent des motifs en réseaux différents dans la première couche et dans la deuxième couche.
Selon un mode de réalisation, le motif en réseau de la première couche est sur toute l'épaisseur de la première couche.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend une matrice de couples de pixels de l'un des premiers pixels et de l'un des deuxièmes pixels.
Selon un mode de réalisation, les membranes bolométriques (14) de tous lesdits pixels sont structurellement identiques et les réflecteurs (12) de tous lesdits pixels sont structurellement identiques .
Selon un mode de réalisation, les premiers et deuxièmes pixels sont disposés en damier.
Selon un mode de réalisation, le capteur est destiné à capter des rayonnements de longueurs d'onde inférieures à 25 ym.
Selon un mode de réalisation, le capteur est destiné à capter des rayonnements dont les longueurs d'onde sont situées dans une plage de longueurs d'onde, la distance dans chaque pixel entre la membrane et ladite couche diélectrique étant égale au quart d'une longueur d'onde située dans une partie centrale de ladite plage. Selon un mode de réalisation, ladite plage s'étend entre 7 et 14 ym et ladite distance est comprise entre 2 et 3 ym.
Selon un mode de réalisation, pour la première couche diélectrique, le produit de l'épaisseur par l'indice de réfraction est égal au quart d'une première longueur d'onde, et, pour la deuxième couche diélectrique, le produit de l'épaisseur par l'indice de réfraction est égal au quart d'une deuxième longueur d'onde, les première et deuxième longueurs d'onde étant situées dans ladite plage et étant différentes l'une de l'autre.
Selon un mode de réalisation, les première et deuxième couches diélectriques sont en un matériau identique et ont une même épaisseur, la distance séparant la membrane bolométrique de la couche diélectrique étant identique dans les premier et deuxième pixels.
Selon un mode de réalisation, chaque première couche diélectrique présente un motif en réseau formé d'éléments ayant, dans des directions parallèles au plan de la couche, des dimensions inférieures au tiers de la plus petite longueur d'onde de ladite plage.
Selon un mode de réalisation, les première et deuxième couches diélectriques sont en silicium amorphe.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend un circuit de lecture de premières valeurs représentatives des températures des membranes bolométriques de premier et deuxième pixels voisins.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend une unité de traitement adaptée à déterminer la température ou l'émissivité de l'élément de la scène à partir des premières valeurs.
Selon un mode de réalisation, l'unité de traitement est adaptée à mettre en oeuvre les étapes suivantes : a) définir un couple initial de valeurs estimées de température et d'émissivité ; calculer des deuxièmes valeurs représentatives des températures qu'auraient les membranes bolométriques desdits pixels voisins d'après un modèle théorique si la température et l'émissivité de l'élément de scène étaient les valeurs estimées de température et d'émissivité ; c) calculer les différences entre les premières valeurs et les deuxièmes valeurs correspondantes ; d) produire des nouvelles valeurs estimées de température et d'émissivité sur la base desdites différences ; et e) répéter les étapes b) , c) et d) sur la base des nouvelles valeurs estimées de façon à réduire lesdites différences.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre une pluralité de troisièmes pixels destinés à capter un rayonnement infrarouge émis par la scène extérieure, chaque troisième pixel comprenant une membrane bolométrique suspendue au-dessus d'un réflecteur recouvrant le support, le réflecteur n'étant pas recouvert d'une couche diélectrique.
Un autre mode de réalisation prévoit un pixel comprenant une membrane bolométrique suspendue au-dessus d'un réflecteur recouvrant un support, le réflecteur étant recouvert d'une couche diélectrique présentant un motif en réseau.
Un autre mode de réalisation prévoit une matrice de pixels ci-dessus dont lesdits motifs en réseaux sont identiques. Brève description des dessins
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 :
la figure 1A illustre schématiquement un capteur d'image infrarouge ;
la figure 1B est une vue schématique en coupe d'un pixel du capteur de la figure 1A ;
la figure 2A illustre schématiquement un mode de réalisation d'un capteur d'image infrarouge ;
la figure 2B est une vue schématique en coupe de deux pixels de la figure 2A ; la figure 3 représente des courbes d'absorption de rayonnement infrarouge pour divers types de pixels, en fonction de la longueur d'onde du rayonnement ;
la figure 4 illustre un procédé d'obtention d'une valeur de température ;
la figure 5A est une vue schématique en coupe de deux pixels d'un mode de réalisation d'un capteur d'image infrarouge ; et
la figure 5B est une vue de dessus en coupe schématique d'un pixel de la figure 5A.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, des bras de support de membranes ne sont pas représentés en détail.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position relative, tels que les termes "dessus", "supérieur", "inférieur", etc., ou d'orientation, tel que le terme "latéral", il est fait référence à l'orientation de l'élément concerné dans les figures concernées. Sauf précision contraire, l'expression "sensiblement" signifie à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Dans la description qui suit, le terme "indice de réfraction" désigne la partie réelle d'un indice de réfraction dont la partie imaginaire est négligeable.
La figure 2A illustre un mode de réalisation d'un capteur 30 d'image infrarouge. Le capteur 30 comprend une matrice de couples de pixels 32, 34, respectivement d'un premier type et d'un deuxième type. Les pixels 32 et 34 d'un couple sont juxtaposés, les pixels 32 et 34 de la matrice étant par exemple disposés en damier. Le capteur 30 comprend un circuit de lecture 36 (ROIC) relié aux pixels 32 et 34. Le circuit de lecture 36 est prévu pour produire des signaux S représentatifs des températures des membranes bolométriques et exploités par une unité de traitement 38 (P) . L'unité de traitement 38 est prévue pour déterminer des températures T d'éléments d'une scène en mettant en oeuvre un procédé dont un exemple sera décrit ci- après en relation avec la figure 4. Par ailleurs, l'unité de traitement 38 peut être prévue pour déterminer des émissivités E d'éléments de scène.
La figure 2B est une vue en coupe de pixels 32 et 34 voisins, selon le plan B-B de la figure 2A.
Chacun des pixels 32 et 34 comprend les éléments du pixel 3 de la figure 1B. A titre d'exemple, ces éléments sont structurellement identiques pour les deux types de pixel, c'est à dire que ces éléments sont en des matériaux identiques disposés selon des configurations identiques de dimensions sensiblement identiques. Ainsi, chacun des pixels 32 et 34 comprend une membrane bolométrique 14 comportant une couche d'absorption 20, par exemple en nitrure de titane, et une couche de mesure 22, par exemple en silicium amorphe, chacune des couches 20, 22 étant disposée entre des couches diélectriques 23, par exemple en nitrure ou oxynitrure de silicium. La couche de mesure 22 de chaque pixel 32 est munie de contacts Cil et C12 et la couche de mesure 22 de chaque pixel 34 est munie de contacts C21 et C22. La membrane bolométrique 14 de chaque pixel est suspendue par des bras 16 au-dessus d'un réflecteur métallique 12 recouvrant un support 10, par exemple un substrat semiconducteur .
A titre d'exemple, le circuit de lecture 36 est formé dans et sur le substrat 10 et chaque pixel est relié au circuit de lecture 36 par des connexions électriques situées dans les bras 16. A titre d'exemple, les pixels sont répétés latéralement à un pas compris entre 10 et 40 ym, ce pas correspondant sensiblement aux dimensions latérales d'un pixel.
A la différence des pixels 3 des figures 1A et 1B, chacun des pixels 32 et 34 comprend une couche diélectrique, respectivement 40 et 42, disposée sur le réflecteur 12. Les couches diélectriques 40 et 42 des pixels 32 et 34 sont différentes par leurs propriétés optiques. Dans l'exemple illustré, les couches diélectriques 40 et 42 ont des mêmes épaisseurs mais sont en des matériaux d'indices de réfraction différents. Ces couches peuvent aussi être en un même matériau et avoir des épaisseurs différentes. A titre d'exemple, le matériau des couches 40 et 42 peut être du silicium, par exemple du silicium amorphe, du germanium, ou peut contenir à la fois du silicium et du germanium.
Le capteur 30 est par exemple destiné à capter des rayonnements infrarouges de longueurs d'onde inférieures à 25 um, par exemple inférieures à 20 ym, et de fréquences supérieures à 12 THz, par exemple supérieures à 15 THz.
A titre d'exemple, le capteur 30 est destiné à capter des rayonnements infrarouges situés dans une plage qui s'étend entre 7 et 14 um. Dans chacun des pixels 32 et 34, la distance, respectivement Dl et D2, séparant la face inférieure de la membrane bolométrique 14 de la face supérieure de la couche diélectrique est égale au quart d'une longueur d'onde située dans une partie centrale de cette plage, correspondant pour la plage qui s'étend de 7 à 14 ym à des distances Dl et D2 comprises par exemple entre 2 et 3 um. Les distances Dl et D2 peuvent ainsi être différentes et comprises chacune entre 2 et 3 um. A titre d'exemple, les distances Dl et D2 sont sensiblement égales, par exemple sont de 2,5 ym c'est-à-dire alors identiques à la distance D séparant, dans le pixel 3 de la figure 1B, la membrane bolométrique du réflecteur.
La présence des couches diélectriques 40, 42 différentes dans les pixels 32 et 34 confère à ces pixels des propriétés d'absorption différentes.
La figure 3 représente un exemple de spectres d'absorption de rayonnement infrarouge par la membrane 14 d'un pixel 3 de la figure 1B et par les membranes 14 de pixels 32 et 34 de la figure 2B en fonction de la longueur d'onde λ du rayonnement. Les courbes 50, 52 et 54 correspondent respectivement aux pixels 3, 32 et 34, et ont été obtenues par simulation numérique.
Dans l'exemple de la figure 3, les épaisseurs et les indices de réfraction des couches diélectriques 40 et 42 sont choisis pour que des interférences destructives apparaissent au niveau de la membrane 14 pour des longueurs d'onde proches respectivement de 12,5 ym (courbe 52) et de 8,5 ym (courbe 54). Ces conditions particulières d'interférences réduisent fortement l'absorption par la membrane pour ces longueurs d'onde, l'absorption étant quasiment nulle dans l'exemple représenté. Dans cet exemple, d'une part, la couche diélectrique 40 du pixel 32 a une épaisseur de 1 ym et un indice de réfraction de 3,5, proche de celui du silicium amorphe, et, d'autre part, la couche diélectrique 42 du pixel 34 a une épaisseur de 1 ym et un indice de réfraction de 2,15. Dans chaque pixel 32, 34, on obtient une réduction de 1 ' absorption des rayonnements dont les longueurs d'onde sont proches d'une valeur égale à quatre fois le produit de l'indice de réfraction de la couche diélectrique, respectivement 40, 42, par l'épaisseur de cette couche. Cette valeur est différente pour les pixels 32 et 34 et est comprise dans la plage qui s'étend entre 7 et 14 ym. De ce fait, les propriétés d'absorption des pixels 32 et 34 sont différentes dans cette plage. Les couches diélectriques 40 et 42 peuvent ainsi avoir des épaisseurs comprises entre 0,5 et 3 ym et des indices de réfraction compris entre 1,5 et 4.
Lorsque le pixel 3 de la figure 1B reçoit d'un élément de scène un rayonnement ayant des longueurs d'onde comprises entre 7 et 14 ym, la température de la membrane 14 du pixel 3 résulte de l'ensemble du rayonnement, du fait que ce rayonnement est absorbé à plus de 50 % pour toutes les longueurs d'onde concernées. Au contraire, lorsque ce rayonnement est reçu par les pixels 32 et 34, la température de la membrane 14 du pixel 32 résulte principalement de la partie du rayonnement dont les longueurs d'onde sont inférieures à environ 11 ym, et la température de la membrane 14 du pixel 34 résulte principalement de la partie du rayonnement dont les longueurs d'onde sont supérieures à environ 11 ym.
Pour deux pixels 32 et 34 voisins recevant un rayonnement infrarouge, le circuit de lecture 36 détermine deux valeurs VI et V2 de signaux représentatifs des températures respectives des membranes bolométriques des deux pixels, en mesurant les résistances des couches de mesure 22 respectivement entre les contacts Cil et C12 et entre les contacts C21 et C22. Dans le cas où le rayonnement reçu provient d'un même élément de scène, ou d'éléments de scènes dont les émissivités et températures sont indiscernables, les deux valeurs VI et V2 permettent à l'unité de traitement 38 de déterminer simultanément la température et l'émissivité de l'élément de scène, du fait des propriétés d'absorption différentes des pixels 32 et 34, comme nous le verrons ci-après dans le cadre d'un exemple.
En conséquence, dans le cas, général en pratique, où l'on ne connaît pas précisément la valeur d'émissivité de l'élément de scène, il est possible de déterminer la température de l'élément de scène de manière plus précise en utilisant les pixels 32 et 34 qu'en utilisant le pixel 3 de la figure 1B.
Par ailleurs, un capteur du type du capteur 30 permet de déterminer la température de l'élément de scène sans connaître préalablement l'émissivité de cet élément de scène, ce qui n'est pas possible avec un capteur du type du capteur 1 de la figure 1.
De plus, l'utilisateur n'a pas besoin de fournir manuellement une valeur d'émissivité pour déterminer la température d'un élément de scène. La mesure de température est donc particulièrement pratique.
En outre, pour une scène comprenant des éléments ayant des émissivités différentes, l'utilisateur d'un capteur du type de celui des figures 1B et 1A ne peut pas en pratique fournir l'émissivité de chaque élément de scène. L'utilisateur est alors amené à fournir une valeur commune d'émissivité qui n'est pas adaptée à chaque élément de scène, ce qui rend les températures déterminées imprécises. Au contraire, dans un capteur du type du capteur 3, les différentes valeurs d'émissivité sont obtenues pour chaque élément de scène sans intervention manuelle de l'utilisateur, et les températures déterminées sont de ce fait particulièrement précises.
La figure 4 illustre un exemple de procédé mis en oeuvre par l'unité de traitement 38 pour obtenir la température ¾ d'un élément de scène à partir de deux valeurs mesurées VI et V2 représentatives de valeurs de températures de membranes bolométriques de pixels 32 et 34 voisins.
Le procédé comprend à titre d'exemple la répétition d'itérations. Chaque itération prend pour point de départ un couple de valeurs estimées Eg d'émissivité et ¾ de température et détermine un nouveau couple de valeurs estimées qui servira de point de départ pour l'itération suivante. A la première itération, les valeurs estimées et ¾ sont des valeurs initiales respectives Ei et Ti que l'on a choisies préalablement, par exemple respectivement une valeur Ei d'émissivité quelconque entre 0 et 1 et une valeur Ti de température proche de la température ambiante.
Chaque itération comprend une étape 62 (COMPUTE) de modélisation qui détermine des valeurs théoriques V ^R e^ ^2^. La valeur théorique VI^ correspond à la valeur de température de membrane que l'on obtiendrait si l'élément de scène était à la température estimée ¾, compte tenu des propriétés d'absorption du pixel 32 (schématisées par la courbe 52 de la figure 3), d'après la loi de Planck pondérée par l'émissivité estimée Eg. On considère ici que l'émissivité Eg est indépendante de la longueur d'onde. La valeur théorique V2^^ est déterminée de manière similaire compte tenu des propriétés d'absorption du pixel 34 (schématisées par la courbe 54 de la figure 3) . Pour déterminer les valeurs théoriques V ^R e^ ^TR' on peut en outre tenir compte de l'absorption par des éléments se situant entre l'élément de scène et les pixels, par exemple l'atmosphère, ou tenir compte de fenêtres de transmission. Une telle fenêtre est couramment disposée au-dessus de la matrice de pixels, ou rétine, pour isoler la rétine de l'atmosphère. Le spectre de transmission d'une telle fenêtre est connu et peut donc facilement être pris en compte pour déterminer les valeurs théoriques .
A des étapes 64_1 et 64_2, les valeurs mesurées VI et V2 sont comparées aux valeurs théoriques VI^ et V2^^, ce qui fournit des valeurs de différence Vl-Vl^ et V2-V2^^. Ces valeurs de différence sont utilisées à une étape 66 (ERR) pour déterminer une valeur d'erreur χ2. A titre d'exemple, la valeur d'erreur χ2 est une somme de carrés des valeurs de différences, par exemple une somme pondérée de la forme :
χ2 = (l/CTl2)*(Vl-VlTH)2 + (1/σ22) * (V2-V2TH) 2, σΐ et σ2 représentant respectivement les incertitudes des valeurs VI et V2 représentatives des températures des membranes. Chaque itération comprend alors une étape 68 (MIN) qui fournit des nouvelles valeurs estimées Eg et ¾, en sorte de réduire la valeur d'erreur χ2 itération après itération. A titre d'exemple, l'étape 68 est une étape d'un algorithme de minimisation d'une valeur dépendant de deux variables par évaluations successives de cette valeur à partir d'estimations successives des variables, telle qu'une méthode de gradient, de gradient conjugué, de simplexe, etc. Le procédé s'arrête lorsque la valeur de χ2 est minimale. La valeur mesurée ¾ de la température de l'élément de scène est alors la valeur estimée ¾ à la dernière itération. Par ailleurs, la valeur estimée Eg de l'émissivité à la dernière itération correspond à une valeur mesurée Ej^ de l'émissivité de l'élément de scène.
La figure 5A est une vue en coupe d'une variante de réalisation de deux pixels voisins 32 et 34, dans lequel les couches diélectriques 40 du pixel 32 et 42 du pixel 34 sont en un même matériau et ont des mêmes épaisseurs. La figure 5B est une vue de dessus en coupe de la couche 42 selon le plan B-B de la figure 5A.
La couche 42 est interrompue sur toute son épaisseur par des ouvertures 70 disposées régulièrement. Les ouvertures 70 peuvent avoir des dimensions latérales inférieures aux longueurs d'onde des rayonnements infrarouges reçus, par exemple inférieures au tiers de la plus petite longueur d'onde de la plage de longueurs d'onde des rayonnements reçus. A titre d'exemple, le pas du motif en réseau dessiné par les ouvertures est de l'ordre de 1 à 3 um. Les ouvertures représentées ont une forme circulaire, mais toute autre forme adaptée peut être utilisée. A titre de variante, les ouvertures voisines peuvent se rejoindre et la couche 42 est formée d'un ensemble de plots disjoints disposés régulièrement. La couche 42 présente ainsi un motif en réseau d'éléments définis par l'absence ou la présence du matériau de la couche 42, tels que des ouvertures ou des plots, répétés dans des directions parallèles au plan de la couche. L'indice de réfraction neff de la couche 42 peut être estimé grossièrement par le produit de l'indice de réfraction ns du matériau de la couche 42 par le taux de remplissage / de la couche 42. Une estimation plus précise de l'indice de réfraction de la couche 42 peut être calculée, par exemple selon l'équation suivante décrite dans l'article de M. E. Motamedi et al., "Antireflection surfaces in silicon using binary optics technology", publié en 1992 dans Applied Optics, 31 (22) :
L'indice de réfraction de la couche 42 est ainsi inférieur à celui de la couche 40. De plus, dans l'exemple représenté en figure 5A, si en partant du motif dessiné par les ouvertures dans la couche 42 on tourne ce motif d'un quart de tour, on retombe sur le motif de départ, en d'autres termes ce motif présente une symétrie d'ordre quatre. De ce fait l'indice de réfraction de la couche 42 ne dépend pas de la polarisation du rayonnement infrarouge. A titre de variante, le motif en réseau dessiné par des ouvertures ou des plots peut présenter une symétrie d'ordre supérieur, par exemple la symétrie d'ordre six d'un réseau hexagonal.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits.
Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien qu'un procédé particulier ait été décrit pour minimiser la valeur d'erreur χ2, tout autre procédé adapté à minimiser cette valeur peut être utilisé. A titre d'exemple, après avoir mesuré les valeurs VI et V2 représentatives de valeurs de températures de membranes bolométriques, on peut calculer la valeur d'erreur χ2 pour un ensemble de couples prédéfinis de valeurs estimées E de température et EE d'émissivité d'élément de scène. Les valeurs déterminées de température et d'émissivité correspondent aux valeurs du couple prédéfini pour lequel la valeur χ2 est minimale. A titre d'autre exemple, la température d'élément de scène correspondant au minimum de cette valeur d'erreur peut être choisie parmi un ensemble de valeurs de températures déterminées préalablement en fonction d'un ensemble de valeurs VI, V2 de températures de membranes bolométriques. Ces valeurs déterminées préalablement sont alors mémorisées dans l'unité de traitement 38.
En outre, bien que, dans le procédé décrit ci-dessus, une valeur d'erreur particulière χ2 soit minimisée pour obtenir la valeur de température ¾, on peut minimiser toute valeur d'erreur représentative de différences entre d'une part des valeurs mesurées des températures de membranes de deux pixels voisins et d'autre part des valeurs théoriques correspondantes obtenues par modélisation.
De plus, bien que, dans le procédé décrit ci-dessus, une valeur de température soit déterminée d'une manière particulière, on peut utiliser tout autre procédé permettant de déterminer la température d'un élément de scène à partir de valeurs de température de deux membranes bolométriques de deux pixels de types différents en vis-à-vis de l'élément de scène. Les propriétés d'absorption des pixels peuvent aussi être modélisées par des expressions mathématiques permettant d'exprimer explicitement la température de l'élément de scène en fonction de celles des membranes .
En outre, on a décrit ci-dessus un exemple de procédé permettant d'obtenir une valeur de température et d'émissivité d'un élément de scène, dans l'hypothèse où cette émissivité ne dépend pas de la longueur d'onde. A titre de variante, on pourra, à partir d'une valeur de température de l'élément de scène connue préalablement, déterminer deux valeurs d'émissivité correspondant chacune à une plage de longueur d'onde absorbée par l'un des types de pixels 32 et 34. Pour cela, on pourra par exemple mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, dans lequel la valeur théorique VI^ correspond à la valeur de température de membrane que l'on obtiendrait si l'élément de scène était à la température connue préalablement, compte tenu des propriétés d'absorption du pixel 32, d'après la loi de Planck pondérée par une première valeur d'émissivité estimée dans la plage de longueurs d'onde du pixel 32, la valeur théorique 2^^ étant déterminée de manière similaire pour une deuxième valeur d'émissivité estimée.
Bien que, dans l'exemple de procédé décrit ci-dessus, les valeurs VI et V2 représentatives de températures de membranes bolométriques de seulement deux pixels voisins soient utilisées pour déterminer la température d'un élément de scène, chacune de ces valeurs VI et V2 peut être remplacée par une combinaison de valeurs représentatives de températures de membranes de deux pixels ou plus du même type en vis-à-vis du même élément de scène.
Bien que, dans les modes de réalisation décrits ci- dessus, un circuit de lecture soit prévu pour mesurer la température de membranes bolométriques, le circuit de lecture peut être prévu pour mesurer toute valeur représentative de la température des membranes bolométriques, par exemple une valeur de résistance.
Bien que, dans des modes de réalisation décrits ici, des pixels de deux types différents soient disposés en damier, ces pixels peuvent être disposés de toute autre manière permettant à chaque pixel d'un type d'être voisin d'un pixel d'un autre type. Par exemple, une disposition en lignes ou en colonnes alternées de pixels de chaque type conduit aux mêmes avantages. Selon une autre disposition particulière, les pixels d'un type sont plus nombreux, c'est-à-dire disposés de manière plus dense, que les pixels d'un autre type, les proportions des pixels étant par exemple respectivement de 75 % et 25 %. Bien que les modes de réalisation décrits comprennent une membrane bolométrique particulière, toute autre membrane bolométrique adaptée peut être utilisée, par exemple une membrane bolométrique ayant un nombre différent de couches diélectriques, ou une membrane dans laquelle la couche de mesure a été remplacée par d'autres structures de mesure de la température, par exemple des mesures des déformations et/ou des contraintes dues à la dilatation thermique.
De plus, bien que les modes de réalisation décrits comprennent un type de réflecteur particulier, on peut utiliser tout autre réflecteur permettant à la membrane bolométrique d'absorber, à plus de 50 % pour l'essentiel des longueurs d'onde concernées, les rayonnements émis par des éléments de scène.
Les modes de réalisation particuliers décrits comprennent des couches diélectriques 42 présentant des motifs en réseau et des couches diélectriques 40 pleines, c'est-à-dire dans chacune desquelles le matériau de la couche est présent au- dessous de l'intégralité de la membrane bolométrique. Diverses variantes sont possibles. On peut prévoir que chacune des couches diélectriques 40 et des couches diélectriques 42 présente un motif en réseau dont les éléments, par exemple des ouvertures ou des plots, sont répétés latéralement et ont des dimensions latérales inférieures à la longueur d'onde des rayonnements reçus, par exemple inférieures au tiers de la plus petite longueur d'onde de la plage de rayonnement concernée. Dans l'exemple de couches diélectriques 40 et 42 de matériaux identiques et d'épaisseurs identiques, l'essentiel alors est que les motifs des couches 40 et 42 soient différents.
Bien que, dans les modes de réalisation décrits, on ne considère que la plage de longueurs d'onde située entre 7 et 14 um, il peut être préféré d'opérer dans une autre plage de longueurs d'onde, par exemple et typiquement en positionnant cette plage, c'est-à-dire le spectre de transmission d'une fenêtre de filtrage, autour du maximum d'émission selon la loi d'émission du corps noir à la température moyenne des scènes qu'il est question d'observer selon l'application particulière visée. L'homme de l'art saura adapter en conséquence le spectre de transmission de ladite fenêtre, ainsi que les pixels décrits en termes de dimensions, en particulier selon les relations décrites, dans l'espace entre membrane et réflecteur (distance D, épaisseurs et/ou indices de réfraction des couches diélectriques) pour produire les interférences sélectives de longueurs d'onde différentes inscrites dans ledit spectre ainsi sélectionné .
En outre, bien que les modes de réalisation de capteurs décrits soient destinés à capter des rayonnements infrarouges situés dans une plage qui s'étend entre 7 et 14 ym, d'autres modes de réalisation peuvent être destinés à capter des rayonnements infrarouges situés dans une plage qui s'étend entre 8 et 12,5 um. Pour cela le capteur peut être disposé sous une fenêtre de transmission destinée à limiter le rayonnement reçu par le capteur à la plage comprise entre 8 et 12,5 um. Les épaisseurs et les indices de réfraction des couches diélectriques 40 et 42 sont alors choisis pour que des interférences destructives apparaissent au niveau de la membrane 14 pour des longueurs d'onde proches respectivement de 8.5 ym et de 12 um. A titre d'exemple, la couche diélectrique 40 a une épaisseur sensiblement égale à 0,9 ym et un indice de réfraction sensiblement égal à 3,5. A titre d'exemple, la couche diélectrique 42 a une épaisseur sensiblement égale à 0,9 ym et un indice de réfraction sensiblement égal à 2. Les autres dimensions du dispositif sont par exemple identiques aux dimensions correspondantes dans les dispositifs des figures 2A et 2B. Le capteur obtenu présente l'avantage d'exclure les rayonnements de longueurs d'onde supérieures à 12,5 um, qui sont absorbés par l'atmosphère, et la mesure de température ou d'émissivité par le capteur est alors indépendante de la qualité de l'atmosphère et de la distance entre le capteur et l'élément de scène. La mesure de température et d'émissivité d'un tel capteur est alors particulièrement précise.
Des modes de réalisation décrits comprennent des pixels de seulement deux types différents absorbant à plus de 50 % les rayonnements situés dans deux plages différentes, ces deux plages s 'étendant, dans un exemple décrit, sur plus de 3 ym de largeur. D'autres modes de réalisation différents sont possibles comprenant plus de deux types de pixel. A titre d'exemple, on prévoit chaque type de pixel pour qu'il absorbe à plus de 50 % les rayonnements dans une plage de longueurs d'onde différente de celle des autres types de pixel. Les étendues des plages de longueurs d'onde des différents types de pixels peuvent être sensiblement identiques. Ces plages de longueurs d'onde peuvent couvrir l'étendue de la plage de longueurs d'onde du rayonnement considéré. La température d'un élément de scène est alors déterminée à partir des plus de deux valeurs de températures de membranes bolométriques des pixels de types différents. Ceci permet de déterminer plus précisément la température et l'émissivité de l'élément de scène, et de déterminer plus précisément la température d'éléments de scène dont l'émissivité varie en fonction de la longueur d'onde.
A titre exemple, des couples de pixels 32 et 34 du type de ceux de la figure 2B sont dispersés de manière régulière dans un ensemble de pixels, ou rétine, comprenant des pixels 3 du type de celui de la figure 1B. L'unité de traitement 38 produit une première image thermique à partir des pixels 3. L'unité de traitement 38 superpose à cette première image une deuxième image contenant des informations de température et d'émissivité déterminées à partir des couples de pixels. Du fait que les dimensions latérales de chaque pixel 3 sont plus faibles que celle d'un couple de pixels, la première image peut avoir une résolution élevée. L'image obtenue contient des informations de température particulièrement précises et a une résolution élevée .

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur d'image infrarouge, comprenant sur un support (10) une pluralité de premiers pixels (32) et une pluralité de deuxièmes pixels (34) destinés à capter un rayonnement infrarouge émis par un élément d'une scène, chaque pixel comprenant une membrane bolométrique (14) suspendue au- dessus d'un réflecteur (12) recouvrant le support, le réflecteur de chaque premier pixel étant recouvert d'une première couche diélectrique (40), et le réflecteur de chaque deuxième pixel étant recouvert d'une deuxième couche diélectrique (42) différente de la première couche diélectrique par ses propriétés optiques .
2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel la différence de propriété optique résulte du fait que :
les première (40) et deuxième (42) couches diélectriques ont des épaisseurs différentes ; et/ou
les première (40) et deuxième (42) couches diélectriques sont en des matériaux d'indices de réfraction différents .
3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la différence de propriété optique résulte du fait que :
la première couche (42) présente un motif en réseau et la deuxième couche (40) est pleine ; et/ou
les première (40) et deuxième (42) couches présentent des motifs en réseaux différents dans la première couche et dans la deuxième couche.
4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel le motif en réseau de la première couche est sur toute l'épaisseur de la première couche.
5. Capteur selon la revendication 3 ou 4, destiné à capter des rayonnements dont les longueurs d'onde sont situées dans une plage de longueurs d'onde, dans lequel le motif en réseau de la première couche est formé d'éléments ayant, dans des directions parallèles au plan de la couche, des dimensions inférieures au tiers de la plus petite longueur d'onde de ladite plage .
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une matrice de couples de pixels de l'un des premiers pixels (32) et de l'un des deuxièmes pixels (34) .
7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les membranes bolométriques (14) de tous lesdits pixels sont structurellement identiques et les réflecteurs (12) de tous lesdits pixels sont structurellement identiques.
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les premiers (32) et deuxièmes (34) pixels sont disposés en damier.
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, destiné à capter des rayonnements de longueurs d'onde inférieures à 25 ym.
10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, destiné à capter des rayonnements dont les longueurs d'onde sont situées dans une plage de longueurs d'onde, la distance dans chaque pixel entre la membrane et ladite couche diélectrique étant égale au quart d'une longueur d'onde située dans une partie centrale de ladite plage.
11. Capteur selon la revendication 10, dans lequel ladite plage s'étend entre 7 et 14 ym et ladite distance est comprise entre 2 et 3 ym.
12. Capteur selon la revendication 10 ou 11, dans lequel, pour la première couche diélectrique, le produit de l'épaisseur par l'indice de réfraction est égal au quart d'une première longueur d'onde, et, pour la deuxième couche diélectrique, le produit de l'épaisseur par l'indice de réfraction est égal au quart d'une deuxième longueur d'onde, les première et deuxième longueurs d'onde étant situées dans ladite plage et étant différentes l'une de l'autre.
13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel les première (40) et deuxième (42) couches diélectriques sont en un matériau identique et ont une même épaisseur, la distance séparant la membrane bolométrique (14) de la couche diélectrique (40, 42) étant identique dans les premier et deuxième pixels .
14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel les première (40) et deuxième (42) couches diélectriques sont en silicium amorphe.
15. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comprenant un circuit de lecture (36) de premières valeurs (VI, V2) représentatives des températures des membranes bolométriques (14) de premier et deuxième pixels voisins.
16. Capteur selon la revendication 15, comprenant une unité de traitement (38) adaptée à déterminer la température ou l'émissivité de l'élément de la scène à partir des premières valeurs (VI, V2) .
17. Capteur selon la revendication 16, dans lequel l'unité de traitement (38) est adaptée à mettre en oeuvre les étapes suivantes :
a) définir un couple initial de valeurs estimées de température (Ti) et d'émissivité (Ei) ;
b) calculer des deuxièmes valeurs (Vl^, 2^Η) représentatives des températures qu'auraient les membranes bolométriques desdits pixels voisins d'après un modèle théorique si la température et l'émissivité de l'élément de scène étaient les valeurs estimées de température (Ti, ¾) et d'émissivité (Ei, EE) ;
c) calculer les différences entre les premières valeurs (VI, V2) et les deuxièmes valeurs correspondantes ;
d) produire des nouvelles valeurs estimées de température (¾) et d'émissivité (Eg) sur la base desdites différences ; et
e) répéter les étapes b) , c) et d) sur la base des nouvelles valeurs estimées de façon à réduire lesdites différences .
18. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, comprenant en outre une pluralité de troisièmes pixels (3) destinés à capter un rayonnement infrarouge émis par la scène extérieure, chaque troisième pixel comprenant une membrane bolométrique suspendue au-dessus d'un réflecteur recouvrant le support, le réflecteur n'étant pas recouvert d'une couche diélectrique .
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