FR3117615A1

FR3117615A1 - Filtre angulaire optique

Info

Publication number: FR3117615A1
Application number: FR2013151A
Authority: FR
Inventors: Benjamin BOUTHINON; Delphine Descloux; Wilfrid Schwartz
Original assignee: Isorg SA
Current assignee: Isorg SA
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2040-12-14
Also published as: US20240045125A1; FR3117615B1; WO2022128337A1; CN116685881A; EP4260104A1; JP2024500393A

Abstract

Filtre angulaire optique La présente description concerne un filtre angulaire (23) pour dispositif d'acquisition d'images (19) comportant un empilement comprenant : une couche (41) comprenant des milieux d'indices de réfraction différents et transparents audit rayonnement, la couche (41) ne laissant passer que les rayons dudit rayonnement dont les incidences sont inférieures à une première incidence maximale ; et une matrice (31) d'ouvertures (33) délimitées par des murs (35) opaques à un rayonnement visible et/ou infrarouge et un réseau (27) de microlentilles (29), l'ensemble formé par la matrice d'ouvertures et le réseau de microlentilles ne laissant passer que les rayons dudit rayonnement dont les incidences sont inférieures à une deuxième incidence maximale inférieure à la première incidence maximale. Figure pour l'abrégé : Fig. 2

Description

Filtre angulaire optique

La présente description concerne un filtre optique angulaire.

Plus particulièrement, la présente description concerne un filtre angulaire destiné à être utilisé au sein d'un système optique, par exemple, un système d'imagerie ou à être utilisé pour collimater les rayons d'une source lumineuse, notamment pour une application d'éclairage directionnel par une diode électroluminescente organique (OLED), écran à cristaux liquides (LCD) ou par une diode électroluminescente, éventuellement couplée à un guide d'onde ou une application d'inspection optique, par exemple, de capture d'empreintes digitales ou de veines.

Un filtre angulaire est un dispositif permettant de filtrer un rayonnement incident en fonction de l'incidence de ce rayonnement et ainsi bloquer les rayons dont l'incidence est supérieure à une incidence maximale. Les filtres angulaires sont fréquemment utilisés en association avec des capteurs d'images.

Il existe un besoin d'améliorer les filtres angulaires connus.

Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des filtres angulaires connus.

Un mode de réalisation prévoit un filtre angulaire pour dispositif d'acquisition d'images comportant un empilement comprenant :
une couche comprenant des milieux d'indices de réfraction différents et transparents audit rayonnement, la couche ne laissant passer que les rayons dudit rayonnement dont les incidences sont inférieures à une première incidence maximale ; et
une matrice d'ouvertures délimitées par des murs opaques à un rayonnement visible et/ou infrarouge et un réseau de microlentilles,
l'ensemble formé par la matrice d'ouvertures et le réseau de microlentilles ne laissant passer que les rayons dudit rayonnement dont les incidences sont inférieures à une deuxième incidence maximale inférieure à la première incidence maximale.

Selon un mode de réalisation, ladite couche comprend plusieurs sous-couches.

Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction de chaque sous-couche est différent de l'indice de réfraction de la sous-couche qu'elle recouvre d'au moins 0,15, de préférence 0,2.

Selon un mode de réalisation, la couche est un filtre interférentiel.

Selon un mode de réalisation, la couche est un panneau de fibres optiques.

Selon un mode de réalisation, la couche comprend un groupement de fibres optiques.

Selon un mode de réalisation, la couche comprend un groupement de fibres optiques parallèles chacune entourée d'un matériau opaque.

Selon un mode de réalisation, la couche correspond à une couche microstructurée pouvant s'assimiler à un cristal photonique, la couche microstructurée ayant une résolution plus importante que la résolution du réseau de microlentilles

Selon un mode de réalisation, la couche comprend un film d'un premier matériau transparent audit rayonnement traversé par des piliers d'un deuxième matériau transparent audit rayonnement agencés en réseau.

Selon un mode de réalisation, le réseau de microlentilles est situé entre la matrice et la couche.

Selon un mode de réalisation, la couche est située entre le réseau de microlentilles et la matrice.

Selon un mode de réalisation, la matrice est située entre le réseau de microlentilles et la couche.

Selon un mode de réalisation, la première incidence maximale qui correspond à la demi-largeur à la moitié de la transmittance maximale est inférieure à 10°, de préférence inférieure à 4°.

Selon un mode de réalisation, la première incidence maximale qui correspond à la demi-largeur à la moitié de la transmittance maximale est supérieure à 15° et inférieure à 60°.

Selon un mode de réalisation, la première incidence maximale est inférieure ou égale à 30°.

Selon un mode de réalisation, les ouvertures sont remplies d'air, d'un vide partiel ou d'un matériau au moins partiellement transparent dans les domaines du visible et de l'infrarouge.

Selon un mode de réalisation :
chaque ouverture est surmontée par une seule microlentille ;
chaque microlentille recouvre une seule ouverture ; et/ou
l'axe optique de chaque microlentille est aligné avec le centre d'une ouverture.

Un mode de réalisation prévoit un dispositif d'acquisition d'images comprenant un filtre angulaire tel que décrit ci-avant et un capteur d'images.

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 illustre un mode de réalisation d'un système d'acquisition d'images ;

la illustre, par une vue en coupe, partielle et schématique, un mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images comprenant un filtre angulaire ;

la représente, par un graphique, la transmittance du filtre angulaire du dispositif illustré en en fonction de l'incidence des rayons atteignant le filtre angulaire ;

la illustre, par une vue en coupe, partielle et schématique, un autre mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images comprenant un filtre angulaire ;

la illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images comprenant un filtre angulaire ; et

la illustre, par une vue en coupe, partielle et schématique, un autre mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images comprenant un filtre angulaire.

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.

Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation du capteur d'images et des éléments autres que le filtre angulaire n'a pas été détaillée, les modes de réalisation et les modes de mise en oeuvre décrits étant compatibles avec les réalisations usuelles du capteur et de ces autres éléments.

Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.

Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

Sauf précision contraire, les expressions "l'ensemble des éléments", "tous les éléments", "chaque élément", signifient entre 95 % et 100 % des éléments.

Sauf précision contraire, l'expression "il comprend uniquement les éléments" signifie qu'il comprend, à au moins 90 % les éléments, de préférence qu'il comprend à au moins 95 % les éléments.

Pour les besoins de la présente description, l'indice de réfraction d'un milieu est défini comme étant l'indice de réfraction du matériau constitutif du milieu pour la plage de longueurs d'onde du rayonnement capté par le capteur d'images. L'indice de réfraction est considéré sensiblement constant sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile, par exemple égal à la moyenne de l'indice de réfraction sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement capté par le capteur d'images.

Dans la suite de la description, sauf précision contraire, une couche ou un film est dit opaque à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est inférieure à 10 %. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit transparent à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est supérieure à 10 %. Selon un mode de réalisation, pour un même système optique, tous les éléments du système optique qui sont opaques à un rayonnement ont une transmittance qui est inférieure à la moitié, de préférence inférieure au cinquième, plus préférentiellement inférieure au dixième, de la transmittance la plus faible des éléments du système optique transparents audit rayonnement. Dans la suite de la description, on appelle "rayonnement utile" le rayonnement électromagnétique traversant le système optique en fonctionnement. Dans la suite de la description, on appelle "élément optique de taille micrométrique" un élément optique formé sur une face d'un support dont la dimension maximale, mesurée parallèlement à ladite face, est supérieure à 1 μm et inférieure à 1 mm.

Des modes de réalisation de systèmes optiques vont maintenant être décrits pour des systèmes optiques comprenant une matrice d'éléments optiques à taille micrométrique dans le cas où chaque élément optique à taille micrométrique correspond à une lentille à taille micrométrique, ou microlentille, composée de deux dioptres. Toutefois, il est clair que ces modes de réalisation peuvent également être mis en oeuvre avec d'autres types d'éléments optiques de taille micrométrique, chaque élément optique de taille micrométrique pouvant correspondre, par exemple, à une lentille de Fresnel de taille micrométrique, à une lentille à gradient d'indice de taille micrométrique ou à un réseau de diffraction de taille micrométrique.

Dans la suite de la description, on appelle lumière visible un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 400 nm et 700 nm, et, dans cette plage, lumière rouge un rayonnement électromagnétique donc la longueur d'onde est comprise entre 600 nm et 700 nm. On appelle rayonnement infrarouge un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nm et 1 mm. Dans le rayonnement infrarouge, on distingue notamment le rayonnement proche infrarouge dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nm et 1,7 μm.

La illustre un mode de réalisation d'un système d'acquisition d'images 11.

Le système d'acquisition d'images 11, illustré en , comprend :
un dispositif d'acquisition d'images 13 (DEVICE) ; et
une unité de traitement 15 (PU).

L'unité de traitement 15 comprend, de préférence, des moyens de traitement des signaux fournis par le dispositif 11, non représentés en . L'unité de traitement 15 comprend, par exemple, un microprocesseur.

Le dispositif 13 et l'unité de traitement 15 sont, de préférence, reliés par une liaison 17. Le dispositif 13 et l'unité de traitement 15 sont, par exemple, intégrés dans un même circuit.

La illustre, par une vue en coupe, partielle et schématique, un mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images 19 comprenant un filtre angulaire.

Le dispositif d'acquisition d'images 19 représenté en comprend, de bas en haut dans l'orientation de la figure :
un capteur d'images 21 ; et
un filtre angulaire 23, recouvrant le capteur d'images 21.

Dans la présente description, les modes de réalisation des dispositifs des figures 2 à 4 sont représentés dans l'espace selon un repère XYZ orthogonal direct, l'axe Y du repère XYZ étant orthogonal à la face supérieure du capteur d'images 21.

Le capteur d'images 21 comprend une matrice de capteurs de photons 25, également appelés photodétecteurs. Les photodétecteurs 25 sont, de préférence, agencés sous forme matricielle. Les photodétecteurs 25 peuvent être recouverts d'un revêtement de protection non représenté. Les photodétecteurs 25 ont, de préférence, tous la même structure et les mêmes propriétés/caractéristiques. En d'autres termes, tous les photodétecteurs 25 sont sensiblement identiques aux différences de fabrication près. Le capteur d'images 21 comprend, en outre, des pistes conductrices et des éléments de commutation, notamment des transistors, non représentés, permettant la sélection des photodétecteurs 25.

Les photodétecteurs 25 sont, de préférence, réalisés en matériaux organiques. Les photodétecteurs 25 sont, par exemple des photodiodes organiques (OPD, Organic Photodiode) intégrées sur un substrat à transistors CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, semiconducteur oxyde métal complémentaire) ou un substrat à transistors en couches minces (TFT ou Thin Film Transistor). Le substrat est par exemple en silicium, de préférence en silicium monocristallin. Les régions de canal, de source et de drain des transistors TFT sont par exemple en silicium amorphe (a-Si ou amorphous Silicon), en oxyde d'indium, de gallium, et de zinc (IGZO, Indium Gallium Zinc Oxide) ou en silicium polycristallin basse température (LTPS, Low Temperature Polycrystalline Silicon).

Les photodiodes 25 du capteur d'images 21 comprennent, par exemple, un mélange de polymères semiconducteurs organiques comme le poly(3-hexylthiophène) ou le poly(3-hexylthiophène-2,5-diyl), connu sous la dénomination P3HT, mélangé avec le [6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle (semiconducteur de type N), connu sous la dénomination PCBM.

Les photodiodes 25 du capteur d'images 21 comprennent, par exemple, des petites molécules, c'est-à-dire des molécules ayant des masses molaires inférieures à 500 g/mol, de préférence, inférieures à 200 g/mol.

Les photodiodes 25 peuvent être des photodiodes non organiques, par exemple, réalisées à base de silicium amorphe ou de silicium cristallin. A titre d'exemple, les photodiodes 25 comprennent des boites quantiques (quantum dots).

Selon un mode de réalisation, chaque photodétecteur 25 est adapté à détecter le rayonnement visible et/ou le rayonnement infrarouge.

Le filtre angulaire 23 comprend :
un réseau 27 de microlentilles 29 de taille micrométrique, par exemple plan-convexes ;
une matrice 31 ou couche de trous ou ouvertures 33 délimités par des murs 35 opaques (par exemple, absorbants ou réfléchissants) dans les domaines du visible et/ou de l'infrarouge ; et
une couche 41 comprenant des milieux d'indices de réfraction différents, la couche 41 ne laissant passer que les rayons dudit rayonnement dont les incidences sont inférieures à une première incidence maximale.

Selon un mode de réalisation, le réseau 27 de microlentilles 29 est formé sur et en contact avec un substrat ou support 30 , le substrat 30 étant alors interposé entre les microlentilles 29 et la matrice 31.

Le substrat 30 peut être en un polymère transparent qui n’absorbe pas, au moins, les longueurs d’onde considérées, ici dans le domaine du visible et/ou de l’infrarouge. Ce polymère peut notamment être du poly(téréphtalate d’éthylène) (PET), poly(métacrylate de méthyle) (PMMA), polymère d’oléfinecyclique (COP), polyimide (PI), polycarbonate (PC). L’épaisseur du substrat 30 peut varier entre 1 µm et 100 μm, de préférence entre 10 µm et 100 μm. Le substrat 30 peut correspondre à un filtre coloré, à un polariseur, à une lame demi-onde ou à une lame quart d’onde.

Les microlentilles 29 peuvent être réalisées en silice, en PMMA, en une résine photosensible positive, en PET, en poly(naphtalate d'éthylène) (PEN), en COP, en polydiméthylsiloxane (PDMS)/silicone, en résine époxy ou en résine acrylate. Les microlentilles 29 peuvent être formées par fluage de blocs d'une résine photosensible. Les microlentilles 29 peuvent, en outre, être formées par moulage sur une couche de PET, de PEN, de COP, de PDMS/silicone, de résine époxy ou de résine acrylate. Les microlentilles 29 sont des lentilles convergentes ayant chacune une distance focale f comprise entre 1 μm et 100 μm, de préférence entre 1 μm et 70 μm. Selon un mode de réalisation, toutes les microlentilles 29 sont sensiblement identiques.

Selon le présent mode de réalisation, les microlentilles 29 et le substrat 30 sont de préférence réalisés dans des matériaux transparents ou partiellement transparents, c'est-à-dire transparents dans une partie du spectre considéré pour le domaine visé, par exemple, l'imagerie, sur la plage de longueurs d'onde correspondant aux longueurs d'onde utilisées lors de l'exposition d'un objet à imager.

Les faces planes des microlentilles 29 font face aux ouvertures 33.

On appelle "h" l'épaisseur des murs 35. Les murs 35 sont, par exemple, opaques au rayonnement détecté par les photodétecteurs 25, par exemple absorbants et/ou réfléchissants par rapport au rayonnement détecté par les photodétecteurs 25. A titre d'exemple, les murs 35 absorbent et/ou réfléchissent dans le visible et/ou le proche infrarouge et/ou l'infrarouge. Les murs 35 sont, par exemple, opaques aux longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 600 nm, utilisées pour l'imagerie (par exemple la biométrie et l'imagerie d'empreintes digitales).

Dans la présente description, on appelle face supérieure de la couche 31 la face de la couche 31 située à l'interface entre la couche 31 le substrat 30. On appelle, en outre, face inférieure de la couche 31, la face de la couche 31 située à l'opposé de la face supérieure.

En , les ouvertures 33 sont représentées avec une section trapézoïdale dans le plan YZ. De façon générale, chaque ouverture 33 peut avoir une forme carrée, rectangulaire ou avoir la forme d'un entonnoir. Chaque ouverture 33, vue de dessus (c’est-à-dire dans le plan XZ), peut avoir une forme circulaire, ovale ou polygonale, par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire ou trapézoïdale. Chaque ouverture 33, vue de dessus, a une forme de préférence circulaire. On définit par largeur d'une ouverture 33 la dimension caractéristique de l'ouverture 33 dans le plan XZ. Par exemple, pour une ouverture 33 ayant une section de forme carrée dans le plan XZ, la largeur correspond à la dimension d'un côté et pour une ouverture 33 ayant une section de forme circulaire dans le plan XZ, la largeur correspond au diamètre de l'ouverture 33. Dans l'exemple représenté, la largeur des ouvertures 33, au niveau de la face supérieure de la couche 31, est supérieure à la largeur des ouvertures 33, au niveau de la face inférieure de la couche 31. De plus, on appelle centre d'une ouverture 33 le point situé à l'intersection de l'axe de symétrie des ouvertures 33 et de la face inférieure de la couche 31. Par exemple, pour des ouvertures 33 circulaires, le centre de chaque ouverture 33 est situé sur l'axe de révolution de l'ouverture 33.

Selon un mode de réalisation, les ouvertures 33 sont disposées en rangées et en colonnes. Les ouvertures 33 peuvent toutes avoir sensiblement les mêmes dimensions. On appelle "w1" la largeur des ouvertures 33 à l'interface avec le substrat ou les microlentilles 29 et "w2" la largeur des ouvertures 33 à l'interface avec la couche 37. On appelle "p" le pas de répétition des ouvertures 33, c'est-à-dire la distance, selon l'axe X ou l'axe Z, entre les centres de deux ouvertures 33 successives d'une rangée ou d'une colonne.

Chaque ouverture 33 est, de préférence, associée à une seule microlentille 29. Les axes optiques des microlentilles 29 sont, de préférence, alignés avec les centres des ouvertures 33 de la matrice 31. Le diamètre des microlentilles 29 est, de préférence, supérieur à la largeur maximale (mesurée perpendiculairement aux axes optiques) des ouvertures 33.

Le pas p peut être compris entre 5 μm et 100 μm, par exemple égal à environ 15 μm. La hauteur h peut être comprise entre 1 μm et 1 mm, de préférence, être comprise entre 12 μm et 20 μm. La largeur w1 peut, préférentiellement, être comprise entre 5 μm et 100 μm, par exemple être égale à environ 10 μm. La largeur w2 peut, préférentiellement, être comprise entre 1 µm et 100 µm, par exemple être égale à environ 2 µm.

Selon le mode de réalisation illustré en , chaque photodétecteur 25 est associé à quatre ouvertures 33 (chaque photodétecteur 25 est par exemple associé à deux ouvertures 33 selon l'axe X et à deux ouvertures 33 selon l'axe Z). En pratique, la résolution du filtre angulaire 23 peut être plus de quatre fois supérieure à la résolution du capteur d'images 21. En d'autres termes, en pratique, il peut y avoir plus de quatre fois plus de ouvertures 33 que de photodétecteurs 25, par exemple huit fois plus.

La structure associant le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 est adaptée à filtrer le rayonnement incident en fonction de l'incidence du rayonnement par rapport aux axes optiques des microlentilles 29 du réseau 27, qui, en , sont parallèles à l'axe Y. La structure associant le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 est adaptée à bloquer au moins la majorité, de préférence sensiblement la totalité des rayons du rayonnement incident dont les incidences respectives par rapport aux axes optiques des microlentilles 29 du filtre 23 sont supérieures à une deuxième incidence maximale, inférieure à la première incidence maximale. Cette structure est adaptée à ne laisser passer que des rayons dont l'incidence par rapport aux axes optiques des microlentilles 29 est inférieure à la deuxième incidence maximale. Par exemple, la structure ne laisse passer que des rayons incidents ayant une incidence inférieure à 45°, de préférence inférieure à 30°, plus préférentiellement inférieure à 10°, encore plus préférentiellement inférieure à 4°, par exemple de l'ordre de 3,5°.

Les ouvertures 33 sont, par exemple, remplies d'air, d'un vide partiel ou d'un matériau au moins partiellement transparent dans les domaines du visible et de l'infrarouge. Le matériau de remplissage des ouvertures 33 forme, de préférence, une couche 37 en face inférieure de la matrice 31 de façon à recouvrir les murs 35 et planariser ladite face inférieure de la matrice 31.

Les microlentilles 29 sont, de préférence, recouvertes par une couche 39 de planarisation. La couche 39 est en un matériau au moins partiellement transparent dans les domaines du visible et de l'infrarouge. A titre d'exemple, la couche 39 a un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction du matériau constituant les microlentilles 29.

Selon le mode de réalisation illustré en , la couche 41 est située au-dessus du réseau 27 de microlentilles 29. Plus précisément, la couche 41 est située sur la face supérieure de la couche 39.

La couche 41 est adaptée à filtrer le rayonnement incident en fonction de l'incidence du rayonnement par rapport à l'axe Y. La couche 41 est adaptée à ne laisser passer que des rayons ayant une incidence inférieure à la première incidence maximale. En d'autres termes, la couche 41 est adaptée à ne laisser passer que des rayons, arrivant sur la face supérieure de la couche 41, ayant une incidence inférieure à la première incidence maximale. La première incidence maximale est, de préférence, supérieure à 15°. La première incidence maximale est, de préférence, inférieure à 60°, de préférence inférieure ou égale à 30°.

La structure comprenant le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 d'ouvertures 33 permet théoriquement de bloquer tous les rayons dont l'incidence est supérieure à la deuxième incidence maximale. Toutefois, en pratique, on observe que certains rayons d'incidences supérieures à la deuxième incidence maximale parviennent néanmoins à traverser la matrice 31. Il s'agit de rayons d'incidences supérieures à la deuxième incidence maximale qui atteignent une microlentille 29 et passent par l'ouverture 33 sous-jacente d'une microlentille 29 voisine. Ce phénomène est appelé diaphonie optique (optical crosstalk) ou couplage parasite et peut entraîner une baisse de la résolution des photodétecteurs 25 ou du contraste de l'image obtenue. La couche 41 a pour but de bloquer les rayons d'incidences supérieures à la deuxième incidence maximale et qui pourraient entraîner de la diaphonie optique.

Selon le mode de réalisation illustré en , la couche 41 est composée d'un empilement de plusieurs sous-couches successives, quatre sous-couches successives 411, 413, 415, 417 étant représentées à titre d'exemple en . La sous-couche 417 est, de préférence, située sur la couche 39 et en contact avec la couche 39. La sous-couche 417 recouvre, de préférence, l'ensemble de la couche 39. La sous-couche 415 recouvre la face supérieure de la sous-couche 417. La sous-couche 415 est recouverte par la sous-couche 413 qui est elle-même recouverte par la couche 411. Les sous-couches 411, 413, 415 et 417 ont, par exemple, les mêmes épaisseurs. Les sous-couches 411, 413, 415 et 417 ont, de préférence, des épaisseurs différentes. En , la couche 41 comprend un empilement de quatre sous-couches. Toutefois, en pratique, la couche 41 peut être composée d'un empilement d'un nombre de sous-couches différent de quatre. A titre d'exemple, le nombre de sous-couches peut être de deux.

Selon le mode de réalisation illustré en , les indices de réfraction de deux sous-couches successives sont, de préférence, différents, par exemple d'au moins 0,15, de préférence d'au moins 0,2. De préférence, dans le cas de deux sous-couches successives, la sous-couche inférieure (c'est-à-dire la sous-couche la plus proche du capteur 21) a un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction de la sous-couche supérieure (c'est-à-dire la sous-couche la plus éloignée du capteur 21).

A titre d'exemple, l'indice de réfraction de la sous-couche 411 est supérieur de 0,15, de préférence 0,2, par rapport à l'indice de réfraction de la sous-couche 413. Toujours à titre d'exemple, l'indice de réfraction de la sous-couche 413 est supérieur de 0,15, de préférence 0,2, par rapport à l'indice de réfraction de la sous-couche 415. Toujours à titre d'exemple, l'indice de réfraction de la sous-couche 415 est supérieur de 0,15, de préférence 0,2, par rapport à l'indice de réfraction de la sous-couche 417.

Selon une variante non représentée, la fonction de filtrage décrite précédemment par la couche 41 avec une structure multicouche peut être obtenue par l'association d'une couche unique recouvrant la couche 39. Cette couche unique a alors un indice de réfraction supérieur d'au moins 0,15, de préférence d'au moins 0,2, par rapport à l'indice de réfraction de la couche 39.

Les sous-couches 411, 413, 415 et 417 sont, de préférence, réalisées en des matériaux différents. Les sous-couches 411, 413, 415 et 417 peuvent, par exemple, être composées de mêmes composés chimiques dans des proportions différentes, avoir des indices de réfraction décroissant de la couche 411 à la couche 417 afin de dévier les rayons.

A titre d'exemple, la couche 41 est composée de plusieurs sous-couches réalisées alternativement à base de nitrure de silicium (Si₃N₄) et d'air ou d'un polymère tel que le polyéthylène téréphtalate (PET) . La couche 41 a, par exemple, une épaisseur comprise entre 10 nm et 10 µm, de préférence, entre 50 nm et 1 µm.

La couche 41 est, de préférence, transparente aux longueurs d'onde de l'application considérée.

Selon le mode de réalisation illustré en , le filtrage vient du fait que la couche 41 réfléchit les rayons dont l'incidence est supérieure à la première incidence maximale. Plus précisément, à chaque changement de couche, le milieu de propagation des rayons lumineux change. Les rayons sont alors, au contact du dioptre formé par l'interface entre les deux couches successives, en partie réfractés et en partie réfléchis. En sortie de la couche 41, il n'y a quasiment plus de rayons dont l'incidence est supérieure à la première incidence maximale. En d'autres termes, la couche 41 est optimisée pour garantir un maximum de transmittance pour les rayons ayant une incidence inférieure à la première incidence maximale.

En , les rayons arrivent sur la face supérieure de la couche 41 et sur les microlentilles 29 avec des incidences différentes. Le rayonnement incident au dispositif 19 comprend :
des rayons 43 d'incidence nulle par rapport à la couche 41 (c'est-à-dire perpendiculaires à la face supérieure de la couche 41) ;
des rayons 45 d'incidence α par rapport à la couche 41, supérieure strictement à 0° et inférieure ou égale à la première incidence maximale, par exemple, environ 30°, les rayons 45 ayant, après la traversée de la couche 41, une incidence α₂₁, strictement inférieure à la deuxième incidence maximale, par exemple, environ 4° ;
des rayons 47 d'incidence β par rapport à la couche 41, supérieure strictement à α et inférieure ou égale à la première incidence maximale, par exemple, environ 30°, les rayons 47 ayant, après la traversée de la couche 41, une incidence β₂₂, supérieure ou égale à la deuxième incidence maximale, par exemple, environ 4° ; et
des rayons 49 d'incidence γ par rapport à la couche 41, supérieure à la première incidence maximale.

Les rayons 45 et 47 sont représentés dans la couche 41 par des traits en pointillé qui représentent uniquement la direction résultant de ces rayons à la sortie de la couche 41. En réalité, les rayons 45 et 47 sont réfractés à chaque changement de sous-couches de la couche 41 comme cela est représenté pour les rayons 49.

Selon le mode de réalisation illustré en , chaque rayon 43 traverse la couche 41 et le réseau 27 de microlentilles 29 en émergeant de l'une des microlentilles 29 avec un angle δ22 de façon à passer par le foyer image de ladite microlentille 29. Selon un mode de réalisation, le foyer image de chaque microlentille 29 est situé sur la face inférieure de la matrice 31 d'ouvertures 33, au centre de l'ouverture 33 auquel la microlentille 29 est associée. Ni la couche 41, ni la structure associant le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 ne bloque les rayons 43. Chaque rayon 43 est donc capté par le capteur d'images 21 et plus précisément par le photodétecteur 25 sous-jacent de la microlentille 29 traversée par le rayon 43.

Selon le mode de réalisation illustré en , chaque rayon 45 traverse la couche 41 pour en ressortir avec un angle α21. La couche 41 ne bloque pas les rayons 45 dont l'incidence est inférieure à la première incidence maximale. La structure associant le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 ne bloque pas les rayons 45 car ceux-ci arrivent sur les microlentilles 29 avec une incidence strictement inférieure à la deuxième incidence maximale. Chaque rayon 45 est donc capté par le capteur d'images 21 et plus précisément par le photodétecteur 25 sous-jacent de la microlentille 29 traversée par le rayon 45.

Selon le mode de réalisation illustré en , chaque rayon 47 traverse la couche 41 pour en ressortir avec un angle β22. La couche 41 ne bloque pas les rayons 47 dont l'incidence est inférieure à la première incidence maximale. La structure associant le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 bloque les rayons 47 car ceux-ci arrivent sur les microlentilles 29 avec une incidence supérieure ou égale à la deuxième incidence maximale. Les rayons 47 ne sont donc pas captés par le capteur d'images 21.

Selon le mode de réalisation illustré en , tous les rayons 49 ayant des incidences supérieures à la première incidence maximale sont réfléchis par le cumul des sous-couches de la couche 41. Dans l'exemple représenté en , les rayons 49 arrivent sur la face supérieure de la couche 41, plus précisément la face supérieure de la sous-couche 411, avec une incidence supérieure à la première incidence maximale. Au contact de la face supérieure de la sous-couche 411, une partie 49' des rayons 49 est réfléchie et l'autre partie 491 des rayons 49 s'engage dans la sous-couche 411 avec un angle γ211. Les rayons 491 arrivent sur la face supérieure de la sous-couche 413. Au contact de celle-ci, une partie 491' des rayons 491 est réfléchie et l'autre partie 493 des rayons 491 s'engage dans la sous-couche 413 avec un angle γ213, de préférence, supérieur à l'angle γ211. Ce phénomène se répète autant de fois que la couche 41 possède de sous-couches. En , les rayons 493 sont divisés en une partie 493' réfléchie et une partie 495 réfractée (les rayons 495 ayant un angle γ215 avec les rayons 213). Les rayons 495 sont divisés en une partie 495' réfléchie et une partie 497 réfractée (les rayons 497 ayant un angle γ217 avec les rayons 215). Pour finir, les rayons 497, au contact de la couche 39, sont très majoritairement réfléchis (rayons 497'). En pratique, les rayons 497 ne sont pas tous réfléchis et des résidus de rayons 497 se propagent, en sortie de la couche 41, dans la couche 39. Ceux-ci sont déviés par la couche 39 et bloqués par l'association des microlentilles 29 et de la matrice 31 car ils arrivent à la surface des microlentilles 29 avec une incidence bien supérieure à la première incidence. Les rayons 49 n'atteignent donc pas les photodétecteurs 25.

En sortie du filtre angulaire 23, le capteur d'images 21 ne capte alors que les rayons 43 et 45.

La représente, par un graphique, la transmittance du filtre angulaire 23 du dispositif illustré en en fonction de l'incidence des rayons atteignant le filtre angulaire 23.

Plus particulièrement, la illustre trois courbes 70, 71 et 73 représentant, chacune la transmittance normalisée (Transmission) des rayons dans différentes parties du filtre angulaire 23 en fonction de l'incidence desdits rayons (Angles (°)).

Le graphique illustré en comprend :
une courbe 70 correspondant à la transmittance des rayons traversant la structure associant le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 ;
une courbe 71 correspondant à la transmittance des rayons traversant la couche 41 ; et
une courbe 73 correspondant à la transmittance des rayons traversant l'ensemble du filtre angulaire 23 tel qu'illustré en .

En pratique, l'association du réseau de microlentilles 29 et de la matrice 31, respectivement la matrice 41, ne permet pas de bloquer de façon nette les rayons dont l'incidence est supérieure à la deuxième incidence maximale, respectivement la première incidence maximale. On parle alors de valeur de blocage, c'est-à-dire la deuxième incidence maximale, respectivement la première incidence maximale, comme étant la demi-largeur à la moitié de la transmittance maximale ou demi-largeur à mi-hauteur de la courbe 70, respectivement la courbe 71. C'est-à-dire que les rayons dont l'incidence est égale à cette valeur sont bloqués à 50%, les rayons dont l'incidence est supérieure à cette valeur sont majoritairement non bloqués et les rayons dont l'incidence est inférieure à cette valeur sont majoritairement bloqués par l'association du réseau de microlentilles et de la première matrice 31, respectivement par la deuxième matrice 41.

Avec les dimensions indiquées précédemment, la demi-largeur à mi-hauteur de la courbe 70 ou demi-largeur à la moitié de la transmittance maximale de l'ensemble constitué par le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 (HWHM : Half Width High Maximum) est égale à environ 3,5° et la demi-largeur à mi-hauteur de la courbe 71 ou demi-largeur à la moitié de la transmittance maximale de la couche 41 est égale à environ 20°.

La première courbe 70 comprend, deux deuxièmes pics, dits pics secondaires, pour des incidences d'environ 25° et -25°. La transmittance, de rayons ayant une incidence égale à environ 25°, est environ égale à 0,05. Ces pics secondaires correspondent au passage, par le réseau de microlentilles 29 et la matrice 31, de rayons ayant des incidences comprises entre environ 20° et environ 40°, captés par un photodétecteur 25 voisin du photodétecteur 25 sous-jacent à la microlentille 29 ou l'ouverture 33 que le rayon traverse.

La deuxième courbe 71 est caractéristique d'un filtre passe bande laissant passer les rayons dont les incidences sont entre -20° et 20°.

Mathématiquement, les valeurs de la courbe 73 correspondent à une multiplication de la valeur de la courbe 70 et de la valeur de la courbe 71 pour une même incidence donnée. La troisième courbe 73 n'a, en comparaison à la courbe 70, pas de pics secondaires. La transmittance des rayons au-delà de 20° est tend alors vers 0.

La illustre, par une vue en coupe, partielle et schématique, un autre mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images 51.

Plus particulièrement, la illustre un dispositif d'acquisition d'images 51 similaire au dispositif 19 illustré en à la différence près que la couche 41 est un filtre passe-bande interférentiel, c'est-à-dire un filtre ne laissant passer qu'un rayonnement dont les longueurs d'onde sont comprises dans une gamme donnée de longueurs d'onde.

Les inventeurs ont en effet constaté qu'un filtre interférentiel se comporte également comme un filtre angulaire en raison de sa tolérance angulaire. C'est à dire que la gamme de longueur d'onde de coupure dépend de l'incidence. En effet, un filtre interférentiel bloque, pour chaque incidence, une gamme de longueur d'onde différente.

Par exemple, un rayon 53 ayant une longueur d'onde λ₁est bloqué (réfléchi et/ou absorbé) si son incidence est supérieure à un angle θ₁alors qu'un rayon 55 ayant une longueur d'onde λ₂est bloqué (réfléchi et/ou absorbé) si son incidence est supérieure à un angle θ₂différent de l'angle θ₁.

Selon un mode de réalisation, la couche 41 est formée par l'empilement de plusieurs couches d'indices de réfraction différents. A titre d'exemple, la couche 41 comprend une alternance de premières couches d'un premier matériau ayant un premier indice de réfraction et de deuxièmes couches d'un deuxième matériau ayant un deuxième indice de réfraction différent du premier indice de réfraction. A titre d'exemple, la couche 41 comprend une alternance de couches réalisées en fluorure de magnésium et de couches réalisées en alumine ou une alternance de couches réalisées en pentoxyde de tantale et de couches réalisées en dioxyde de silicium. En variante, la couche 41 comprend une alternance de couches réalisées dans un ou plusieurs des matériaux de la liste : fluorure de magnésium, alumine, pentoxyde de tantane, dioxyde de silicium, pentoxyde de trititane, dioxyde d'hafnium. La couche 41 peut, en outre, comprendre une alternance de couches réalisées en or, en argent, en chrome, en nickel ou en aluminium ou en un ou plusieurs de leurs dérivés.

En variante, la couche 41 illustrée en peut être située entre le réseau de microlentilles 29 et la matrice 31 ou entre la matrice 31 et le capteur d'images 21.

La illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images 57.

Plus particulièrement, la illustre un dispositif d'acquisition d'images 57 similaire au dispositif 19 illustré en à la différence près que la couche 41 est une plaque de fibres optiques (FOP, Fiber Optic Plate).

La couche 41 correspond au groupement de plusieurs fibres optiques accolées et agencées de façon sensiblement parallèle à l'axe Y.

Selon le mode de réalisation illustré en , chaque fibre optique comprend un coeur 61 entouré d'une gaine 62. Le coeur est en un premier matériau ayant un premier indice de réfraction et la gaine est en un deuxième matériau ayant un premier indice de réfraction, les premier et deuxième matériaux étant transparents au rayonnement incident, et le premier indice étant supérieur au deuxième indice.

A titre d'exemple, tel que cela a été représenté en , les espaces entre les fibres otiques sont comblés par une résine noire 63, de préférence absorbante au rayonnement considéré. En d'autres termes, la couche 41 comprend une résine noire 63 servant à combler les trous entre les fibres optiques.

La sélection angulaire des fibres optiques est due à la différence d'indice de réfraction entre le coeur 61 et la gaine 63 des fibres. Les fibres optiques ont une ouverture numérique qui dépend donc des indices de réfraction du cœur 61 et de la gaine 62. L'ouverture numérique des fibres est calculée par la formule suivante :

L'incidence maximale dépend notamment des caractéristiques des fibres optiques, de l'épaisseur de la couche 41.

A titre d'exemple, chaque fibre optique a une forme sensiblement cylindrique à base circulaire. Le diamètre externe d'une fibre optique est, par exemple, compris entre 6 µm et 25 µm.

Selon le mode de réalisation illustré en , la couche 41 est située sur la face supérieure du réseau 27 de microlentilles 29 et est, par exemple, fixée à celle-ci au moyen d'un adhésif. Toutefois, la couche 41 peut, en variante, être située entre les microlentilles 29 et la matrice 31 ou entre la matrice 31 et le capteur d'images 21.

La illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images 65.

Plus particulièrement, la illustre un dispositif d'acquisition d'images 65 similaire au dispositif 19 illustré en à la différence près que la couche 41 est une couche structurée et située entre le réseau de microlentilles 29 et la matrice 31.

La couche 41 correspond, de préférence, à une couche structurée telle qu'un cristal photonique, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une couche en un premier matériau ayant un premier indice de réfraction traversée par des piliers 67 s'étendant selon l'axe Y et agencés en réseau, les piliers 67 étant en un deuxième matériau ayant un deuxième indice de réfraction différent du premier indice de réfraction, les premier et deuxième matériaux étant transparents au rayonnement incident.

Les piliers 67 ont, en , des formes sensiblement cylindriques, dont la base correspond à un cercle, une ellipse, un carré, un rectangle, un parallélogramme, un polygone, etc. En variante, les piliers 67 ont des formes sensiblement de cônes, de cônes tronqués, de pyramides, ou de pyramides tronquées. Les piliers 67 peuvent, en variante avoir des formes quelconques.

Les propriétés du cristal photonique, notamment les dimensions des piliers 67 et l'agencement des piliers 67 en réseau, sont choisies pour que la combinaison de la couche 41 et la structure associant le réseau 27 de microlentilles 29 et la matrice 31 d'ouvertures 33 permette de bloquer complétement les rayons incidents ayant une incidence supérieure à la première incidence maximale. Le blocage complet des rayons incidents ayant une incidence supérieure à la première incidence maximale permet de réduire, voire de supprimer, la diaphonie optique.

Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. Les modes de réalisations décrits ne se limitent pas aux exemples de dimensions et de matériaux mentionnés ci-dessus.

Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims

Filtre angulaire (23) pour dispositif d'acquisition d'images (19 ; 51 ; 57 ; 65) comportant un empilement comprenant :
une couche (41) comprenant des milieux d'indices de réfraction différents et transparents audit rayonnement, la couche (41) ne laissant passer que les rayons dudit rayonnement dont les incidences sont inférieures à une première incidence maximale ; et
une matrice (31) d'ouvertures (33) délimitées par des murs (35) opaques à un rayonnement visible et/ou infrarouge et un réseau (27) de microlentilles (29),
l'ensemble formé par la matrice d'ouvertures et le réseau de microlentilles ne laissant passer que les rayons dudit rayonnement dont les incidences sont inférieures à une deuxième incidence maximale inférieure à la première incidence maximale.
Filtre angulaire selon la revendication 1, dans lequel ladite couche (41) comprend plusieurs sous-couches (411, 413, 415, 417).
Filtre angulaire selon la revendication 2, dans lequel l'indice de réfraction de chaque sous-couche (411, 413, 415, 417) est différent de l'indice de réfraction de la sous-couche (411, 413, 415, 417) qu'elle recouvre d'au moins 0,15, de préférence 0,2.
Filtre angulaire selon la revendication 1, dans lequel la couche (41) est un filtre interférentiel.
Filtre angulaire selon la revendication 1, dans lequel la couche (41) est un panneau de fibres optiques.
Filtre angulaire selon la revendication 5, dans lequel la couche (41) comprend un groupement de fibres optiques.
Filtre angulaire selon la revendication 5, dans lequel la couche (41) comprend un groupement de fibres optiques parallèles chacune entourée d'un matériau opaque.
Filtre angulaire selon la revendication 1, dans lequel la couche (41) correspond à une couche microstructurée pouvant s'assimiler à un cristal photonique, la couche microstructurée ayant une résolution plus importante que la résolution du réseau de microlentilles
Filtre angulaire selon la revendication 8, dans lequel la couche (41) comprend un film d'un premier matériau transparent audit rayonnement traversé par des piliers (67) d'un deuxième matériau transparent audit rayonnement agencés en réseau.
Filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le réseau (27) de microlentilles (29) est situé entre la matrice (31) et la couche (41).
Filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la couche (41) est située entre le réseau (27) de microlentilles (29) et la matrice (31).
Filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la matrice (31) est située entre le réseau de microlentilles (29) et la couche (41).
Filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel la deuxième incidence maximale qui correspond à la demi-largeur à la moitié de la transmittance maximale est inférieure à 10°, de préférence inférieure à 4°.
Filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel la première incidence maximale qui correspond à la demi-largeur à la moitié de la transmittance maximale est supérieure à 15° et inférieure à 60°.
Filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel la première incidence maximale est inférieure ou égale à 30°.
Filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans lequel les ouvertures (33) sont remplies d'air, d'un vide partiel ou d'un matériau au moins partiellement transparent dans les domaines du visible et de l'infrarouge.
Filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel :
chaque ouverture (33) est surmontée par une seule microlentille (29) ;
chaque microlentille (29) recouvre une seule ouverture (33) ; et/ou
l'axe optique de chaque microlentille (29) est aligné avec le centre d'une ouverture (33).
Dispositif d'acquisition d'images (19 ; 51 ; 57 ; 65) comportant un filtre angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, et un capteur d'images (21).