FR2965103A1 - Systeme optique d'imagerie a ftm amelioree - Google Patents

Abstract

Système optique d'imagerie comportant : - une structure de lentille extérieure (36), - au moins une structure de lentille intérieure (37), - une structure de capture d'images (310) et - un diaphragme (35), caractérisé en ce que ce diaphragme est situé entre la structure de lentille extérieure et ladite au moins une structure de lentille intérieure et à l'écart de chacune d'elles.

Description

i SYSTEME OPTIQUE D'IMAGERIE A FTM AMELIOREE L'invention concerne le domaine des systèmes optiques d'imagerie, notamment obtenus par la technique dite de « Wafer-Level Packaging », c'est-à-dire la technologie permettant l'assemblage de circuits intégrés à l'échelle d'une plaquette. Ces systèmes d'imagerie sont notamment destinés à des téléphones portables ou à des organiseurs (ou PDA : Personal Digit Assistant). On cannait déjà de nombreux systèmes d'imagerie comportant un élément de capture d'images, par exemple un capteur CMOS, et un empilement d'ensembles optiques, des espaceurs étant prévus entre les ensembles optiques et entre l'élément de capture d'images et l'empilement d'ensembles optiques. Ainsi, le document US-2010/0117176 décrit un système d'imagerie comprenant un substrat transparent, notamment en verre, sur lequel sont prévues une lentille d'ouverture et une lentille de champ, ce substrat étant associé à un élément de capture d'images. Ce système optique comporte un diaphragme d'ouverture qui définit la quantité de lumière issue de la scène à photographier qui arrive sur 20 l'élément de capture d'images. Le diaphragme est réalisé à partir d'une couche d'un matériau opaque, disposée sur le substrat comportant les lentilles ou, plus généralement, sur le substrat situé au sommet de l'empilement si le système d'imagerie comporte plusieurs substrats. 25 Dans cette couche de matériau opaque, est réalisée une ouverture, notamment par gravure. Le matériau utilisé ne transmet pas la lumière sur la gamme du visible et proche infra-rouge, typiquement de 350 nm à 1 000 nm. En pratique, ce matériau opaque peut être du chrome. 30 C'est à l'intérieur de cette ouverture circulaire qu'est réalisée la lentille d'ouverture.

Ainsi, la lumière issue de la scène à photographier traverse la lentille d'ouverture, puis le substrat en verre et enfin, la lentille de champ située à proximité de l'élément de l'élément de capture d'images. La lumière se propage ensuite dans l'air avant d'être focalisée sur l'élément de capture d'images. Dans la mesure où le substrat est transparent, de la lumière parasite est susceptible d'être captée par l'élément de capture d'images. C'est pourquoi, il est classique de prévoir un capotage optique autour du système optique, de façon à réfléchir ou absorber toute lumière parasite.

On peut citer le document US-2009/0253226 qui décrit un système d'imagerie similaire au précédent mais dans lequel le diaphragme est défini par une couche d'un matériau opaque qui recouvre partiellement la lentille d'ouverture. On peut également citer le document US-2010/0002314 qui décrit un système de lentilles comprenant une structure de lentille interne et une structure de lentille externe, destinées à être associées à un élément de capture d'images. Chacune des structures de lentille comporte un substrat transparent, qui supporte deux lentilles.

Le diaphragme est prévu autour de la lentille placée à l'intérieur du système, sur le même substrat que la lentille d'ouverture et donc sur la structure de lentille externe. Là encore, le diaphragme est défini par une ouverture dans une couche de matériau absorbant la lumière. Selon ce document, cette disposition permet d'obtenir une symétrie optique. Cependant, la position et le diamètre du diaphragme dépendent de la position et du diamètre de la lentille autour de laquelle il est prévu. Le document JP-2009 300596 illustre un autre type de système d'imagerie comprenant un empilement de substrats opaques. Ceux-ci sont 30 percés d'ouvertures, dans lesquelles est disposée une lentille. L'ouverture réalisée dans le substrat situé au sommet de l'empilement constitue le diaphragme d'ouverture du système d'imagerie.

Par ailleurs, dans ce type de système d'imagerie, la lumière parasite est réfléchie ou absorbée par les substrats opaques supportant les lentilles. Ceci permet de s'affranchir du capotage optique autour de l'empilement de substrats.

Ainsi, dans tous ces systèmes d'imagerie, le diaphragme du système est toujours défini en périphérie d'une lentille, qu'il s'agisse ou non de la lentille d'ouverture. Or, on constate que tous ces systèmes d'imagerie présentent une qualité optique réduite et, en particulier, une fonction de transfert de modulation relativement médiocre. C'est notamment le cas pour les imageurs VGA (Video Graphics Array). De même, ils présentent un tolérancement assez faible. En particulier, un mauvais respect des cotes des lentilles présentes dans le système d'imagerie peut avoir des conséquences très importantes sur ses performances finales. Le but de la présente invention est donc de proposer un système d'imagerie dans lequel la qualité optique peut être optimisée, grâce à une amélioration de la fonction de transfert de modulation, accompagnée du maintien d'une faible distorsion.

Ainsi, l'invention concerne un système optique d'imagerie comprenant : une structure de lentille extérieure, au moins une structure de lentille intérieure, une structure de capture d'images, ladite au moins une structure de lentille intérieure étant située entre la structure de lentille extérieure et la structure de capture d'images et un diaphragme, caractérisé en ce que ce diaphragme est situé entre la structure de lentille extérieure et ladite au moins une structure de lentille intérieure et à l'écart de chacune d'elles.

En conséquence, dans un système optique d'imagerie selon l'invention, le diaphragme et sa position à l'intérieur du système sont définis indépendamment de la position des structures de lentille et notamment des substrats de ces structures de lentille. En d'autres termes, un système optique d'imagerie selon l'invention peut être conçu avec un degré de liberté supplémentaire, par rapport aux systèmes connus qui prévoient systématiquement le diaphragme en périphérie d'une lentille et donc sur un substrat d'une structure de lentille. En effet, dans les systèmes optiques d'imagerie classiques, les seuls degrés de liberté disponibles pour optimiser la qualité optique sont le positionnement des lentilles l'une par rapport à l'autre et l'asphérisation des lentilles, la distance entre la première lentille (c'est-à-dire celle située le plus à l'extérieur) et la structure de capture d'images et les indices des matériaux utilisés. Comme cela sera montré ultérieurement, ce degré de liberté supplémentaire permet de réaliser des systèmes optiques d'imagerie dans lesquels le diaphragme est judicieusement positionné entre les deux lentilles, par exemple de façon symétrique, ce qui permet d'éliminer certaines aberrations (coma, distorsion, chromatisme latéral), tout en permettant un tolérancement moins sévère. Ce degré de liberté supplémentaire permet ainsi de concevoir 20 des systèmes optiques présentant des caractéristiques techniques supérieures à celles des systèmes optiques classiques. Ainsi, un système optique d'imagerie selon l'invention permet d'améliorer les paramètres définissant la qualité du système : sa fonction de transfert de modulation est améliorée et la distorsion est plus faible. 25 Dans un premier mode de réalisation, le diaphragme est formé par une ouverture dans un substrat d'une structure de lentille. Ce substrat peut être notamment opaque. De manière avantageuse, les structures de lentille et le diaphragme sont situés dans un même substrat. 30 Dans ce cas, de façon préférée, le substrat est obtenu par moulage d'un matériau plastique opaque.

Dans un mode particulier de réalisation, une couche d'un matériau absorbant est prévue autour du diaphragme. Dans un autre mode de réalisation, les structures de lentille comportent un substrat transparent et le système comporte une couche d'un matériau absorbant situé entre les structures de lentille, le diaphragme consistant en une ouverture dans ladite couche. De manière avantageuse, le diamètre du diaphragme est compris entre 0,05 mm et 5 mm. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe d'un premier exemple d'un système optique d'imagerie selon l'invention, réalisé à partir d'un substrat en 15 silicium, - la figure 2 illustre schématiquement différentes étapes de réalisation d'un système du type de celui illustré à la figure 1 (figures 2a à 2p), - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un deuxième exemple de réalisation d'un système optique d'imagerie selon l'invention, réalisé à partir 20 de substrats en verre, la figure 4 comporte les figures 4a à 4c qui illustrent différentes étapes d'un procédé permettant d'obtenir le système illustré à la figure 3 et - la figure 5 illustre un troisième exemple de réalisation d'un système optique d'imagerie selon l'invention, obtenu par moulage d'une matière plastique 25 opaque. Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références. La figure 1 illustre un système optique d'imagerie comportant un substrat 10 avec deux structures de lentille, un substrat 11 sur lequel est 30 réalisé l'élément de capture d'images 110, tel qu'un capteur CMOS, et un espaceur 12 entre les deux substrats 10 et 11.

De façon générale, dans l'ensemble de la description, on comprend par « structure de lentille », une lentille unique associée à un substrat. Le substrat 10 est notamment un substrat de silicium dans lequel a été réalisé un orifice traversant dont la forme est déterminée par les structures de lentille à réaliser et par les dimensions du diaphragme. Dans l'exemple illustré à la figure 1, cet orifice traversant est formé de deux cavités 13 et 14 présentant des dimensions radiales différentes et centrées sur l'axe XX'.

Le diaphragme 15 est défini entre ces deux cavités 13 et 14. Ainsi, le substrat 10 comporte une première cavité 13 sensiblement cylindrique qui débouche à l'extérieur du système d'imagerie et qui comporte un évasement 130 à proximité de la face extérieure 100 du substrat.

Une première lentille 16, ou lentille d'ouverture, est formée au niveau de l'évasement 130. Elle forme, avec la partie supérieure du substrat 10, une structure de lentille extérieure. Cette lentille est concave et comporte un dioptre externe 160 et un dioptre interne 161. Le substrat 10 comporte également une deuxième cavité 14 20 sensiblement cylindrique qui débouche, quant à elle, sur la face interne 101 du substrat 10. Cette cavité 14 comporte un évasement 140 à proximité de la face intérieure 101 du substrat. Dans l'exemple illustré à la figure 1, la dimension radiale de la 25 cavité 14, c'est-à-dire à compter de l'axe XX' constituant l'axe optique du système, est inférieure à la dimension radiale de la cavité 13. Une lentille 17 est formée au niveau de l'évasement 140. Elle forme avec la partie inférieure du substrat 10, une structure de lentille intérieure. Cette lentille est convexe et comporte un dioptre externe 170 et un 30 dioptre interne 171. Le diaphragme 15 est constitué par une ouverture, formée dans le substrat 10, entre les deux cavités 13 et 14.

La dimension radiale de l'ouverture 15 est inférieure aux dimensions radiales des cavités 13 et 14. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, le substrat est en silicium, le diaphragme peut donc être défini par une simple ouverture 5 dans le substrat. Cependant, le système optique selon l'invention pourrait également comporter une couche d'un matériau absorbant disposée en périphérie de l'ouverture 15. Cette couche absorbante pourrait par exemple être réalisée en 10 tungstène ou en TiN. La figure 1 illustre également schématiquement le trajet de la lumière 18 issu d'une scène à photographier. La lumière commence par être défléchie par la lentille externe 16. 15 Elle se propage ensuite dans l'air jusqu'à l'ouverture 15 ; c'est à ce niveau qu'est définie la quantité de lumière incidente sur chaque pixel du capteur 110. Ainsi, plus le diamètre de l'ouverture est important et plus la quantité de lumière reçue sur le capteur 110 est également importante. Après avoir traversé le plan de l'ouverture 15, la lumière se 20 propage jusqu'à la lentille interne 17 où elle est de nouveau défléchie de façon à être focalisée dans le plan du capteur 110. La figure 2 illustre un exemple de procédé de réalisation du système optique d'imagerie du type de celui illustré à la figure 1, obtenu à partir d'un substrat en silicium. 25 La figure 2a illustre une première étape de ce procédé, dans laquelle une couche 40, 41 de SiO2 est déposée de chaque côté d'un substrat 10 en silicium. Ces couches de SiO2 constituent un masque dur. L'étape suivante, illustrée à la figure 2b, consiste à déposer, sur la couche 40, une 30 couche sacrificielle 42, typiquement en résine. Une étape de photolithographie est alors réalisée sur la couche 42 (figure 2c).

Les deux étapes suivantes, illustrées aux figures 2d et 2e, consistent à graver la couche 40 puis à retirer le reste de la couche sacrificielle 42. La figure 2f illustre une étape de gravure du substrat 10 en 5 silicium. Cette gravure intervient sur une partie de l'épaisseur du substrat 10, de façon à créer une série de trous 14. La figure 2g illustre une étape au cours de laquelle une couche sacrificielle 44 est déposée autour des trous 14 et sur les parois de ces trous. Le matériau utilisé peut être une résine du type JSR1782 ou TOK7052 ou du 10 tungstène. Une nouvelle étape de gravure du substrat 10 en silicium est alors réalisée (figure 2h). La gravure est effectuée sur une partie de l'épaisseur du substrat 10 et ensuite, la couche sacrificielle 44 est retirée. 15 La figure 2i illustre l'élément de la figure 2h retourné. Elle montre que les étapes 2g et 2h ont permis de réaliser, au fond des trous 14, une embase plus large 45. Cette même figure 2i montre une autre étape du procédé consistant à déposer une nouvelle couche 46 sacrificielle, sur la couche 41 20 de SiO2. Cette couche 46 peut être réalisée en un matériau du type JSR1782 ou TOK7052. Les figures 2j et 2k illustrent des étapes de photolithographie de la couche 46 et de gravure de la couche de SiO2 41 qui sont similaires aux étapes illustrées aux figures 2c et 2d, réalisées sur la couche 40. La couche 46 est ensuite complètement retirée, dans une étape similaire à l'étape illustrée sur la figure 2e. L'étape 21 consiste en une nouvelle gravure du substrat 10 en silicium, laquelle permet de rendre les trous 14 traversants, le substrat 10 étant éliminé dans le prolongement des trous pour former une cavité 13. Une couche de matériau absorbant 47 est alors déposée sur la couche 41 présente sur le substrat. Cette étape est facultative. 25 30 On notera qu'à l'issue de l'étape 21, sont définies dans le substrat 10, une série de cavités 13 et 14 qui communiquent entre elles et qui sont séparées par un rétrécissement constitué par deux embases 45 adjacentes.

L'étape suivante (figure 2m) consiste à réaliser une lentille 16 dans chaque cavité 13 et une lentille 17 dans chaque cavité 14, l'espace libre entre deux embases 45 adjacentes constituant un rétrécissement formant un diaphragme 15. L'étape 2n consiste à disposer des espaceurs 12 sous le 10 substrat et l'étape 2o à associer aux espaceurs 12, un substrat 11 sur lequel sont réalisés des éléments de capture d'image. Un système optique selon l'invention est ensuite obtenu par découpage (étape 2p). II diffère de celui illustré à la figure 1 par la dimension des cavités et par la forme des lentilles. 15 Ainsi, les figures 1 et 2 montrent que ce système optique d'imagerie selon l'invention comporte un diaphragme qui est situé entre la structure de lentille extérieure et la structure de lentille intérieure, en étant écarté de chacune de ces structures. En d'autres termes, le diaphragme n'est pas situé en périphérie 20 de la lentille ou sensiblement dans son plan mais, au contraire, à distance de chacune des lentilles. De façon générale, l'épaisseur du substrat 10, c'est-à-dire sa dimension selon l'axe XX', est comprise entre 0,3 et 3 mm et le diaphragme peut être positionné à un niveau situé entre 20 et 80% de l'épaisseur du 25 substrat. A titre d'exemple, l'épaisseur du substrat 10 est de 0,974 mm, la distance entre le diaphragme et le dioptre interne 161 de la lentille 16 d'ouverture ou extérieure est de 0,650 mm et la distance entre le diaphragme et le dioptre interne 171 de la lentille de champ 17 ou intérieure est 30 de 0,320 mm. 2965103 i0 En conséquence, le diaphragme peut être positionné à un endroit quelconque du système optique et non nécessairement au même niveau qu'une des structures de lentille. C'est ainsi qu'est obtenu un degré de liberté supplémentaire lors s de la conception du système optique. Celle-ci suit les étapes suivantes, à partir d'un cahier des charges tel que résumé dans le tableau 2 mentionné ci-après et pour un système optique comprenant deux lentilles : Dans une première étape de conception, une partie réduite du champ (5°) est considérée. Les rayons de courbure des lentilles sont définis de façon 10 à obtenir la focale indiquée. Un des principes classiques de conception de systèmes optiques consiste à positionner le diaphragme d'ouverture à égale distance entre les deux lentilles, ceci permettant d'obtenir des systèmes comportant peu d'aberrations. 15 Dans une deuxième étape, le champ est augmenté jusqu'à 30°, correspondant au cahier des charges. Augmenter le champ introduit de nouvelles aberrations. Ces aberrations sont corrigées d'une part, en asphérisant les dioptres extérieurs et d'autre part, en s'écartant de la symétrie initiale du système et en positionnant de façon appropriée le 20 diaphragme. Ceci permet d'améliorer les performances du système. La figure 3 illustre un autre exemple d'un système optique d'imagerie selon l'invention, réalisé avec des substrats transparents et notamment des substrats en verre. 25 Ainsi, ce système optique comporte une structure de lentille extérieure 20 et une structure de lentille intérieure 21, séparées par une couche en un matériau opaque 22, dans laquelle est réalisé le diaphragme 220. Ce système optique comporte également un substrat 24 sur 3 0 lequel est réalisé un élément de capture d'images 240, tel qu'un capteur CMOS, et un espaceur 23, situé entre la structure de lentille interne 21 et le substrat 24.

Il La structure de lentille extérieure 20 est formée d'un substrat en verre 200 qui comporte, sur sa face extérieure 201, une lentille 202. La structure de lentille interne 21 comporte également un substrat en verre 210 et une lentille 212 formée sur la surface intérieure 211 du substrat 210.

Les deux lentilles 202 et 212 sont centrées sur l'axe XX' du système optique. Comme dans l'exemple illustré à la figure 1, la lentille 202, ou lentille d'ouverture, est plus large que la lentille 212, ou lentille de champ. L'invention n'est pas limitée à cet exemple de réalisation et la lentille de champ pourrait, dans certains cas, être plus large que la lentille d'ouverture. Ceci dépend largement des règles de conception et des méthodes d'optimisation utilisées lors de la conception du système optique. De même, dans l'exemple illustré à la figure 3, les deux lentilles 202 et 212 sont plan convexes mais l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. Chaque lentille pourrait également être concave, le choix des lentilles dépendant essentiellement des caractéristiques du système optique final. Entre les deux substrats 200 et 210 est prévue une couche en un matériau opaque 22, dans laquelle est réalisée l'ouverture 220. Cette dernière est centrée sur l'axe XX' du système optique. La couche 22 peut être réalisée en tout matériau opaque et notamment en chrome ou encore en tungstène ou TiN, qui sont moins réfléchissants que le chrome. La figure 3 illustre schématiquement le trajet de la lumière 25 issue de la scène à photographier.

La lumière 25 est ainsi défléchie par la lentille externe 202, avant de se propager dans le substrat en verre 200, jusqu'à la couche absorbante 22, dans laquelle est définie l'ouverture 220. Après avoir traversé cette ouverture 220, la lumière se propage, à travers le substrat en verre 210, jusqu'à la lentille interne 212.

Elle y est de nouveau défléchie, de façon à être focalisée dans le plan du capteur 240.

Là encore, le diaphragme 220 est situé entre les deux structures de lentille et à distance de chacune d'elles. La position du diaphragme à l'intérieur du système optique peut donc être déterminée indépendamment du positionnement des lentilles, notamment en modifiant l'épaisseur de l'un ou l'autre des substrats en verre 200 ou 210. Ceci permet de concevoir un système optique symétrique par rapport au diaphragme. On se réfère maintenant à la figure 4 qui illustre des étapes d'un procédé de réalisation du système optique illustré à la figure 3.

La figure 4a illustre une première étape de ce procédé, dans laquelle une couche 22 d'un matériau absorbant est réalisée sur le substrat 210 en verre. L'épaisseur de la couche absorbante pourra varier de quelques dizaines de nanomètres jusqu'à 10 micromètres.

La figure 4b illustre une étape au cours de laquelle l'ouverture 220 est réalisée dans la couche 22. La gravure d'une couche de chrome, de tungstène ou de TiN peut être obtenue par la technique dite RIE (Reactive Ion Etching), après une étape de photolithographie conventionnelle.

La figure 4c illustre une autre étape, dans laquelle le substrat en verre 200 est collé sur la couche en matériau opaque 22. Le collage peut notamment être effectué en utilisant une colle polymère durcissable aux UV. Pour obtenir le système optique illustré à la figure 3, il convient encore d'adjoindre le substrat 24 sur lequel est réalisé le capteur 240, en intercalant entre les substrats en verre et le substrat 24, un espaceur 23. On se réfère maintenant à la figure 5 qui illustre un autre exemple de réalisation du système optique d'imagerie selon l'invention. Ce système comporte un substrat 30 avec deux lentilles, un substrat 31 sur lequel est réalisé l'élément de capture d'images 310, tel qu'un capteur CMOS, et un espaceur 32 entre les deux substrats 30 et 31.

Le substrat 30 comporte un orifice traversant, formé de deux cavités 33 et 34 en forme de cônes renversés, centrées sur l'axe XX' du système. Dans l'exemple illustré à la figure 5, l'angle d'ouverture a de la 5 cavité tronconique 33 est supérieur à l'angle d'ouverture de la cavité tronconique 34. La cavité 33 débouche à l'extérieur du système d'imagerie et comporte un évasement 330 à proximité de la face extérieure 300 du substrat. 10 Une première lentille 36 est formée au niveau de l'évasement 330. Cette lentille est convexe et comporte un dioptre extérieur 360 et un dioptre intérieur 361. Elle forme, avec la partie supérieure du substrat 30, une structure de lentille extérieure. La cavité 34 débouche sur la face interne 301 du substrat 30. 15 Elle peut également comporter un évasement 340 à proximité de la face intérieure 301 du substrat. Une lentille 37 est formée au niveau de l'évasement 340. Elle est concave et comporte un dioptre extérieur 370 et un dioptre intérieur 371. Elle forme, avec la partie inférieure du substrat, une structure de lentille 20 interne. Un diaphragme 35 est défini entre les deux cavités coniques 34 et 35. Il constitue donc un rétrécissement dans l'orifice traversant du substrat 30, compte tenu de la disposition en cônes inversés des deux cavités. Ainsi, la dimension radiale de l'ouverture 35 est inférieure aux 25 dimensions radiales des cavités 33 et 34. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 5, le substrat 30 est, de préférence, obtenu par moulage d'une pièce réalisée en un matériau plastique opaque. Ce matériau plastique opaque peut être un matériau de type 30 polymère à cristaux liquides, polysulfone ou polyéthersulfone, incluant des fibres de verre ou de carbone. Le pourcentage en masse de fibres de verre ou de carbone est compris entre 10 et 35 %, selon le degré d'opacité recherché, et il est typiquement de 30 %. Tous ces polymères résistent bien à de fortes montées en température. On peut ainsi noter que le coefficient d'expansion thermique du polysulfone est 0,6.10"5/C° et celui du polyéthersulfone est de 0,8.10"5/C°. De façon préférée, le matériau plastique utilisé sera opaque sur la bande visible et sur la bande proche infra-rouge, c'est-à-dire sur une gamme de longueur d'ondes variant de 350 nm à 1 000 nm. L'opacité sera considérée comme satisfaisante, dans la mesure io où la transmission de lumière est inférieure à 0,1 % sur cette gamme spectrale. Par ailleurs, pour contribuer à l'amélioration de la qualité optique du système selon l'invention, on choisira de préférence un matériau plastique dont le comportement est comparable à celui du silicium, dans lequel est 15 réalisé le substrat 31. En particulier, son coefficient d'expansion thermique sera choisi proche de 3.10"6/°C. En effet, si les différents substrats présents dans le système optique ont des coefficients d'expansion thermique différents, lors d'une 20 montée en température, les différences de dilatation sont susceptibles de provoquer des déformations d'empilement, sous forme de craquement ou de délamination. Elles conduisent également au non respect des cotes mécaniques. Ceci peut donc dégrader la qualité optique du système. Le système optique illustré à la figure 5 obtenu avec un procédé 25 de moulage nécessite un nombre d'étapes réduit, par rapport au système illustré à la figure 1. II est donc nécessairement d'un coût réduit. De façon générale, lorsque le substrat utilisé est du silicium, les cavités formées dans celui-ci présenteront avantageusement des flancs droits, comme illustré sur la figure 1. 30 Lorsque le substrat est un matériau plastique moulé, les cavités présenteront avantageusement des parois inclinées car le démoulage est alors facilité.

Par ailleurs, les lentilles des systèmes optiques illustrés sur les différentes figures peuvent être obtenues par le dépôt d'une goutte d'un polymère durcissable thermiquement, par exemple un polycarbonate, ou par UV.

Bien entendu, ce matériau est transparent sur la gamme visible 400 nm-700 nm. Le polymère est ensuite durci par chauffage ou par insolation UV. Par ailleurs, avant la polymérisation, un moule peut être mis en 10 place pour mettre en forme les gouttes de polymères et il est maintenu en place pendant toute la durée de la polymérisation. Le profil du moule est, de façon générale, défini en fonction de la distance à l'axe optique, par une équation dont les paramètres sont le rayon de courbure, la conicité et les coefficients d'asphérisation. 15 En fonction du profil choisi, on peut réaliser par exemple une lentille d'ouverture (forte conicité, faible asphérisation) ou une lentille de champ (faible conicité, forte asphérisation). Les matériaux polymères typiquement utilisés pour réaliser les lentilles sont le PMMA (polyméthacrylate de méthyle), le polycarbonate ou 20 des polymères polyuréthane. Par ailleurs, tous les systèmes optiques décrits précédemment ne comportent que deux lentilles. Cependant, l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation. En effet, les systèmes optiques de type 1,3 ou 5 mégapixels comporteront plus de deux lentilles. Dans ceux-ci, le 25 positionnement du diaphragme pourra être quelconque par rapport à chacune de ces trois lentilles, dans la mesure où il est écarté de chacune d'elles. Ce positionnement sera défini à la suite d'une étape de conception optique. Un exemple de dimensionnement d'un système optique selon l'invention va maintenant être donné. Cet exemple est un système d'imagerie 30 VGA pour les téléphones portables. Ce système comporte un substrat en matériau plastique opaque ou en silicium dont l'épaisseur peut varier de quelques dizaines de microns jusqu'à plusieurs millimètres. Elle est typiquement comprise entre 0,3 et 3 mm. Ce substrat est percé d'un orifice traversant dont chaque extrémité peut recevoir une lentille.

Le diamètre du diaphragme pourra varier entre 0,05 mm et 5 mm et il est typiquement de 0,42 mm. Par ailleurs, l'épaisseur du substrat au niveau du diaphragme sera notamment comprise entre 100 pm et 1 mm. On peut noter qu'avec un substrat en matière plastique opaque, il n'est pas utile de prévoir une couche absorbante, car il est noir et donc absorbe bien la lumière. Pour un substrat en silicium, on prévoira cette couche absorbante autour de la lentille d'ouverture, en fonction de l'absorption, de la transmission et de la réflexion du silicium. De façon plus précise, on peut choisir le dimensionnement 15 suivant. L'épaisseur e du substrat 30 est de 0,974 mm. L'épaisseur du substrat au niveau du diaphragme est de 0,309 mm. Le plus grand diamètre de la cavité 33 (di) est de 1,73 mm, celui 20 de l'ouverture 34 (d2) est de 0,944 mm, tandis que le diamètre de l'ouverture 35 (d3), est de 0,426 mm. Par ailleurs, l'angle a est de 45° et l'angle R est de 38,8°. Ce dimensionnement est choisi pour des lentilles 36 et 37 dont les dioptres intérieurs sont sphériques, le dioptre interne 361 de la lentille 25 extérieure étant placé à une distance de 0,652 mm par rapport à l'ouverture 35, tandis que le dioptre interne 371 de la lentille intérieure est placé à une distance de 0,322 mm par rapport à l'ouverture 35. Cette disposition permet de limiter les aberrations de coma, la distorsion ainsi que les aberrations chromatiques transverses. 30 De plus, pour optimiser la qualité optique du système, il convient de définir les rayons de courbure de chacun des dioptres, les paramètres d'asphérisation des dioptres extérieurs de chacune des lentilles, ainsi que la hauteur de chacune des cavités définies dans le substrat et le positionnement du substrat 30 par rapport au plan du capteur 31. En particulier, un dioptre peut être décrit par une équation z = f(r), z étant l'altitude à la coordonnée r du dioptre. Cette fonction peut être 5 de plusieurs formes, et par exemple la forme paramétrée suivante : 1 r2 z=R-x r2 1+ 1-{1+k)-RZ - R rayon de courbure du dioptre (mm) - k conique de la forme (sans unité) - r rayon (en mm) r = 0 au centre, sur l'axe optique 10 - al (mm-1) coefficient d'ordre 1 - a2 (mm-3) coefficient d'ordre 2 - a3 (mm-5) coefficient d'ordre 3 - a4 (mm-7) coefficient d'ordre 4. Le tableau 1 ci-après donne 15 dimensionnement. R Rayon de Epaisseur Demi k Conique de ai a2 a3 a4 courbure du du dioptre diamètre de la forme du (mm-1) (mm-3) (mm-5) (mm-7) dioptre (mm) la lentille dioptre (sans (mm) (mm) dimension) dioptre 360 -5 0.29 1.191 18.828 0 -0.116 0.045 0 dioptre 361 -1.687 1.018 1.185 0 0 0 0 0 dioptre 370 1.687 0.16 0.498 0 0 0 0 0 dioptre 371 -1.299 1 0.511 -26.867 0 -0.64 1.616 0 Les valeurs données dans ce tableau permettent de décrire les dioptres, caractéristiques des lentilles, mais également l'espace d'air entre 20 chacune d'elles. Ainsi, l'épaisseur du dioptre 361 (1.018 mm) définit la distance sur l'axe optique entre le sommet du dioptre 361 et le diaphragme d'ouverture, et l'épaisseur du dioptre 371 définit la distance sur l'axe optique entre le sommet du dioptre 371 et le capteur 310. +al -r2 +a2 -r4 +a3 -r6 +a4 -r8 , avec des exemples de Par ailleurs, l'épaisseur du dioptre 360 ou 370 correspond à l'épaisseur de la lentille 36 ou 37. Les avantages du système optique selon l'invention vont maintenant être illustrés grâce à des mesures comparatives entre deux systèmes optiques d'imagerie, l'un conforme à l'état de la technique et l'autre conforme à l'invention. Par système optique conforme à l'état de la technique, on entend un système optique comprenant une structure de lentille externe, une structure de lentille interne et un élément de capture d'images, dans lequel le diaphragme est réalisé en périphérie de la lentille d'ouverture du système externe, grâce à une couche de matériau opaque. Par ailleurs, par système optique selon l'invention, on entend un système conforme à celui illustré à la figure 5 et dont le dimensionnement est également conforme à l'exemple mentionné précédemment.

Ces deux systèmes optiques sont théoriquement conçus pour réaliser un imageur VGA dont le cahier des charges est récapitulé dans le tableau 2 suivant. Paramètres Unités Valeur Type de senseur VGA nombre de pixels 640x480 nombre de pixels en x 640 nombre de pixels en y 480 taille des pixels Pm 1,72 Gamme spectrale nm 400nm - 700 nm Ouverture numérique 2,8 Champ 30 FTM cycles/mm 50% à 73cycles/mm Distorsion % <1 % Relative illumination à 80% % >65% FOV Télécentricité <30° Focale du système optique mm 0.85 Les mesures effectuées pour les deux systèmes optiques comparés concernent la fonction de transfert de modulation (FTM) et la distorsion. La fonction de transfert de modulation donne le pouvoir de s résolution du système optique, c'est-à-dire la capacité d'un système à distinguer deux ou plusieurs traits blancs consécutifs sur un fond noir. La mesure est faite à partir d'une mire, c'est-à-dire plusieurs traits consécutifs blancs sur un fond noir, caractérisée par une fréquence spatiale de répétition. La fonction de transfert de modulation est déterminée 10 en mesurant le contraste de ces lignes blanches, en fonction de la fréquence spatiale les caractérisant. Pour les deux systèmes optiques, la fonction de transfert de modulation est donnée pour une fréquence de lignes par millimètre, allant de 0 à 73 lpm et pour un champ variant de 0° à 30°.

15 Les mesures effectuées montrent que la FTM est de 20% pour le système optique selon l'état de la technique et de 57% pour le système optique selon l'invention. Ces deux valeurs sont données pour un champ de 30° et une fréquence de lignes par millimètre de 73 plpmm. Ainsi, le système optique selon l'état de la technique ne remplit pas les conditions fixées par le 20 cahier des charges. Par contre, la valeur de 57% est vérifiée pour le système optique selon l'invention pour un champ variant de 0° à 30° et pour une FTM allant de 0 à 73 Ipm. La distorsion est le second des paramètres les plus importants dans la caractérisation d'un système optique d'imagerie.

25 La distorsion est une mesure de la déformation de l'image, le grandissement de celle-ci pouvant ne pas être identique en tous points d'un capteur. Les mesures effectuées pour le système optique selon l'état de la technique et celui conforme à l'invention montrent que la distorsion est, 30 pour les deux systèmes, inférieure à 1% et donc conforme au cahier des charges. En conclusion, ces mesures comparatives permettent de montrer qu'un système optique selon l'invention permet d'améliorer sensiblement la fonction de transfert de modulation, tout en maintenant une faible distorsion. Ainsi, on peut également envisager des systèmes optiques selon l'invention présentant un champ plus étendu et/ou une ouverture réduite, avec une fonction de transfert de modulation comparable à celle des systèmes optiques classiques. II peut, en effet, être intéressant de disposer d'appareils photographiques avec un plus grand champ ou avec des temps d'exposition plus courts, pour éviter les problèmes de stabilisation d'image. lo Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques figurant dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et ne sauraient en limiter la portée. 15

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Système optique d'imagerie comportant : une structure de lentille extérieure (16,10 ; 20 ; 36, 30), au moins une structure de lentille intérieure (17, 10 ; 21 ; 37, 30), une structure de capture d'images (110, 240, 310) et un diaphragme (15, 220, 35), caractérisé en ce que ce diaphragme est situé entre la structure de lentille extérieure et ladite au moins une structure de lentille intérieure et à l'écart de chacune d'elles.
2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme est formé dans un substrat (10, 30) d'une structure de lentille.
3. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit substrat 15 est opaque.
4. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les structures de lentille et le diaphragme sont situés dans un même substrat. 20
5. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le substrat (30) est obtenu par moulage d'un matériau plastique opaque.
6. 6. Système selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'une couche (47) d'un matériau absorbant est prévue autour du diaphragme.
7. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les structures de lentille (20, 21) comportent un substrat transparent (200, 210).
8. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une 30 couche (22) d'un matériau absorbant situé entre les structures de lentille, le diaphragme (220) consistant en une ouverture dans ladite couche. 25