FR3069372A1 - Dispositif d'imagerie a capteur multipixels pour constituer une image avec des rayonnements terahertz - Google Patents
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Abstract
Le dispositif d'imagerie comporte : - une source incohérente de rayons dont la fréquence est comprise entre 0,075 THz et 10 THz pour éclairer un objet, - un capteur (415) de rayonnement provenant de l'objet, qui comporte une pluralité de zones sensibles aux rayonnements issus de la source et qui émet un signal électrique représentatif de l'intensité des rayons issus de la source atteignant chaque zone sensible du capteur, - au moins une optique (260) « de microscope » ayant un facteur de grandissement supérieur à un et une résolution meilleure que quatre fois l'interpixel divisé par le grandissement, située sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l'objet.
Description
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention vise un dispositif d’imagerie à capteur multipixels pour constituer une image avec des rayonnements TéraHertz. Elle concerne, en particulier, le domaine de l’imagerie, par exemple pour le contrôle de qualités de pièces manufacturées.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le domaine TéraHertz (THz) désigne les ondes électromagnétiques dont la fréquence est située entre 0,075 THz et 10 THz, soit en termes de longueur d'onde de 4 mm à 30 pm. Ces ondes sont dites millimétriques, elles sont situées entre l'infrarouge lointain (ou FIR pour Far InfraRed), et les ondes radar (hyperfréquences). L’invention concerne plus particulièrement la gamme 75-700 GHz. En effet dans cette gamme de fréquence, une grande partie des matériaux plastiques et composites non-conducteurs sont transparents au rayonnement. Et les sources de rayonnement sont relativement accessibles en termes de ratio entre le prix de la source et la puissance optique disponible.
Tous les principes optiques utilisés en conception de système visible ou infrarouge s'appliquent au rayonnement THz avec le même rapport de proportion des phénomènes visà-vis de la longueur d'onde. Par exemple la limite de diffraction suit la loi d'Airy : Rdiff = 1,22 λ ON, dans laquelle λ est la longueur d’onde et ON l’ouverture numérique. Soit pour une ouverture numérique ON de 2, et une longueur d'onde de 1 mm, une limite de diffraction de 2,44 mm. Cette limite de diffraction de l'ordre du millimètre correspond à la résolution spatiale moyenne d’un système d'imagerie THz.
Cependant, les systèmes connus n’atteignent pas cette résolution, qui permettrait d'atteindre les performances optimales.
Les systèmes THz existant utilisent des miroirs paraboliques hors axe comme moyen de propagation du faisceau. Ce choix s'explique car, dans beaucoup d'applications, le niveau de puissance de la source est si faible que les pertes introduites par chaque lentille ne sont pas acceptables (pertes par absorption, et surtout pertes par réflexions sur les interfaces).
Cependant l'utilisation de ces miroirs pose de nombreux problèmes :
- difficulté d'alignement avec beaucoup de renvois d'angle,
- prix très élevé des optiques,
- gamme de focale restreinte en particulier sur les fortes ouvertures et
- obligation de travailler en conjugaison infini-foyer et sur l'axe optique.
Par ailleurs, un faisceau THz est invisible à l’œil, et, contrairement à l'infrarouge proche, il n'existe pas de carte photosensible permettant la conversion du rayonnement vers des longueurs d'onde visibles à l’œil. Cet aspect à un impact sur le réglage et l'alignement des systèmes.
On décrit, ci-dessous, des types de sources disponibles dans le domaine THz. Plusieurs méthodes de génération de rayonnement THz de rayonnement THz continu existent et sont utilisables dans un dispositif objet de l’invention, par exemple :
Diode Gunn associée à un multiplieur de fréquence pour aller au-delà de 0,2 THz, par exemple 2 THz,
Diode Impatt associée à un multiplicateur de fréquence pour aller au-delà de 0,2 THz,
Oscillateur fixe ou variable entre 0 et 0,02 THz associé à un multiplicateur de fréquence,
Conversion de fréquence par battement de deux lasers en proche infrarouge, Tube HT appelé BWO (acronyme de Backward-wave oscillator), Excitation d’une cavité de gaz par un laser infrarouge lointain ou Laser à Cascade Quantique (QCL).
Le signal généré par les sources habituellement utilisées dans le domaine THz présente une cohérence très pure, la largeur de la raie d'émission est très fine. Un rayonnement cohérent n'est pas propice à la formation d'image car des franges d'interférences sont générées avec une amplitude très grande sur chaque système le permettant.
Utiliser une source cohérente dans un système d’imagerie alors que la scène à observer n’est pas perpendiculaire en tout point du champ génère une modulation d’amplitude proportionnelle aux variations d’altitudes modulo λ/4. Ce qui est préjudiciable à la qualité de l’image formée.
EXPOSE DE L’INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif d’imagerie, qui comporte :
- une source incohérente de rayons dont la fréquence est comprise entre 0,075 THz et 10 THz pour éclairer un objet,
- un capteur de rayonnement provenant de l’objet, qui comporte une pluralité de zones sensibles aux rayonnements issus de la source et qui émet un signal électrique représentatif de l’intensité des rayons issus de la source atteignant chaque zone sensible du capteur,
- au moins une optique « de microscope >> ayant un facteur de grandissement supérieur à un et une résolution meilleure que quatre fois l'interpixel divisé par le grandissement, située sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l’objet.
Grâce à ces dispositions, le dispositif d’imagerie n’est pas sujet à la présence d’ondes stationnaires du fait de l’incohérence de la source. L’inventeur a déterminé que cette combinaison de moyens optiques et électroniques permet de réaliser des captures d’images avec une résolution maximisée et un niveau de bruit faible, le déplacement relatif de ces moyens et de l’objet permettant de réaliser des images matricielles.
Dans des modes de réalisation, chaque zone sensible du capteur de rayonnement est réalisé selon la technique du « Wafer-level packaging >>, ou WLP, en français assemblage au niveau du substrat.
On rappelle qu’il s’agit d’une technologie d’assemblage d’un circuit intégré alors qu’il fait partie d’un substrat, par opposition avec la méthode traditionnelle dans laquelle on découpe le substrat en circuits individuels avant de les assembler. Cette technologie permet d’atteindre des dimensions de composants bien inférieures à ce qui était obtenu de manière traditionnelle, et d’obtenir une plus grande densité de zones sensibles.
Dans des modes de réalisation, l’interpixel entre les zones sensibles du capteur de rayonnement est compris entre 300 et 800 pm.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte au moins une lentille de forme non symétrique de révolution, par exemple une lentille cylindrique ou une lentille avec des surfaces polynomiales sur X et Y.
Grâce à ces dispositions, l’éclairement de l’objet est concentré sur la zone de la scène qui est imagée par le capteur linéaire.
Dans des modes de réalisation, au moins un système optique comporte une lentille optique asphérique.
L’utilisation d’une ou plusieurs lentilles asphériques simplifie le dessin optique, par rapport à l’utilisation de miroirs paraboliques, ou de lentilles sphériques.
Dans des modes de réalisation, au moins un composant optique d’un système optique présente un traitement anti-reflet comportant des microstructures en forme de cônes ou de cratères.
L’avantage de cette méthode est qu’elle permet de réaliser des traitements antireflets large bande et peu sensibles à l’orientation de la surface.
Dans des modes de réalisation, la fréquence d’émission de la source incohérente est modulée.
Dans des modes de réalisation, la source incohérente comporte une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt.
Dans des modes de réalisation, chaque zone photosensible est un nano-transistor, le signal généré par la radiation THz est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte une électronique de proximité pour polariser chaque nano-transistor par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire.
Dans des modes de réalisation, le signal redressé issu de chaque nano-transistor est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal du nano-transistor en injectant un courant dans le canal du transistor, entre le drain et la source et /ou en utilisant des motifs métallisés jouant le rôle d’antennes.
Dans des modes de réalisation, l’électronique de proximité comporte un circuit de compensation de l’offset généré par l’injection du courant entre le drain et la source de chaque nano-transistor, par exemple en utilisant un montage soustracteur.
On augmente ainsi la sensibilité du dispositif.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte au moins un amplificateur faible bruit et faible drift qui amplifie le signal sur la dynamique d’un convertisseur analogique numérique.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de synchronisation de la démodulation du signal avec le signal de modulation d’amplitude de la source.
Ceci assure un rapport signal à bruit maximisé en éliminant tous les bruits additifs à une fréquence autre que la fréquence de modulation de la source.
Le capteur et la source sont synchronisés par un signal d’horloge numérique. La source est modulée en amplitude par ce signal d’horloge ce qui permet de mesurer et de compenser le résidu de signal (offset) présent aux bornes du capteur en l’absence de THz. La compensation est à la fois numérique par une soustraction à haute fréquence du signal mesuré avec THz et sans THz, mais aussi analogique en ajustant la tension à soustraire au signal du capteur pour maintenir le niveau global dans une certaine gamme de tension.
Cette architecture garantie une plus grande sensibilité, un rapport signal/bruit signal amélioré.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un capteur des positions de l’objet à imager, par exemple en utilisant des encodeurs. Ces données de position mesurées sont synchronisées avec les données issues du capteur pour une utilisation sur l’ensemble de la course du déplacement de l’objet, y compris dans les zones d’accélérations et dans les zones ou le déplacement ne suit pas une ligne, ou n’est pas le long des axes naturels du système.
Un moyennage des données calé sur les positions absolues et non sur le temps permet une adaptation à toute vitesse de déplacement
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte une lame séparatrice, la polarisation incidente sur la lame séparatrice étant la polarisation en mode TM (acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d’incidence.
La lame séparatrice est, par exemple, une lame constituée de Si-HRFZ dont l’épaisseur est calculée pour assurer la séparation optimale. Grâce à ces dispositions, il est possible d’effectuer des mesures en réflectométrie. La polarisation en mode TM assure une meilleure stabilité de l’efficacité de séparation lorsque l’épaisseur de la lame séparatrice varie dans sa tolérance de fabrication.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de mesure de l'intensité des rayonnements provenant de l’objet, et/ou de polarisation des rayons provenant de l’objet.
Le dispositif objet de l’invention permet ainsi plusieurs types de mesures.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente, schématiquement et en coupe, un premier exemple de réalisation d’une source TéraHertz incohérente,
- la figure 2 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième exemple de réalisation d’une source TéraHertz incohérente,
- la figure 3 représente, schématiquement et en coupe, un premier mode de réalisation d’un objectif d’imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l’invention,
- la figure 4 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième mode de réalisation d’un objectif d’imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l’invention,
- la figure 5 représente, schématiquement et en coupe, un troisième mode de réalisation d’un objectif d’imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l’invention,
- la figure 6 représente, schématiquement et en coupe, un quatrième mode de réalisation d’un objectif d’imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l’invention,
- la figure 7 représente, schématiquement et en perspective, un premier moyen d’éclairement linéaire d’un objet, mis en œuvre dans des dispositifs objets de l’invention,
- la figure 8 représente une courbe d’éclairement non uniforme,
- la figure 9 représente une courbe d’émission d’une source de lumière pour compenser l’éclairement non uniforme représenté en figure 8,
- la figure 10 représente un système optique fournissant sensiblement la courbe d’émission illustrée en figure 9,
- la figure 11 représente une courbe d’éclairement sensiblement uniforme fournie par le système optique illustré en figure 10, avec le moyen d’éclairement linéaire illustré en figure 7,
- la figure 12 représente, schématiquement et en perspective, un deuxième moyen d’éclairement linéaire présentant des surfaces n'étant pas à symétrie de révolution,
- la figure 13 représente, schématiquement et en coupe, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
- la figure 14 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
- la figure 15 représente, schématiquement et en coupe, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
- la figure 16 représente, schématiquement, un capteur multipixels et
- la figure 17 représente un schéma électronique pour un microscope THz.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION
On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle.
Dans les systèmes de capture d’images objets de l’invention, on met en œuvre des optiques réfractives (lentilles), qui présentent une modularité plus importante que les miroirs, et donnent l'accès à l'utilisation des puissants outils de conception optique assistée par ordinateur.
Dans le domaine de fréquences 100-700 GHz, domaine préférentiel d’utilisation de la présente invention, les indices des matériaux (Polyéthylène haute densité (HDPE), Polyméthylpentène (PMP), Polycarbonate (PC), Silicium HRFZ (Si)) sont constants à quelques pourcents près. Les systèmes objets de l’invention ne présentent donc pas de problème de chromaticité, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de modification du comportement optique des dioptres lorsque la longueur d'onde change.
Préférentiellement, le dispositif d’imagerie objet de l’invention met en œuvre une source TéraHertz (THz) incohérente 100.
Une source THz incohérente 100 est, selon un premier exemple, constituée, comme illustré en figure 1 :
- d’un émetteur TéraHertz 105 (f < 200 GHz) de large bande (0,1 GHz< Δί < 40 GHz), d’un filtre 110 pour limiter la bande d’émission,
- d’amplificateurs ou atténuateurs 115,
- de multiplieurs 120 de fréquence et d’une antenne émettrice 125.
Une source THz incohérente 100 est, selon un second exemple, constituée, comme illustré en figure 2 :
- d’un émetteur 130 en bande basse, c’est-à-dire dans l’intervalle de fréquence allant de 0,1 GHz à 40 GHz, émettant sur une bande étroite (f < 1 GHz), d’un modulateur 135 sur une bande 0,1 GHz< Δί < 40 GHz,
- d’amplificateurs ou atténuateur 140,
- de multiplieurs 145 de fréquence et
- d’une antenne émettrice 150.
L’émetteur 110 ou 130 génère un signal incohérent tel que, dans une durée plus courte que le temps d’acquisition du capteur, l’émetteur émet un spectre d’émission suffisamment étendu pour balayer l’onde stationnaire.
Dans des modes de réalisation, l’émetteur 110 ou 130 est une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt.
Dans des modes de réalisation, l’émetteur 110 ou 130 est une source accordable telle qu’un oscillateur à fréquence variable ou JIG.
Le modulateur 135 est accordé pour que, une fois multiplié par chaque multiplieur de fréquences 145, le signal généré ait une largeur de bande d’émission préférentiellement dans l’intervalle 0,1 GHz< Δί < 10 GHz. On note que le modulateur 135 est modulable sur une bande très étroite (par exemple de 200 MHz).
Les amplificateurs 115, 140 ou atténuateurs servent à ajuster la puissance d’entrée du signal avant chaque multiplieur de fréquences 120 ou 145. Les multiplieurs, amplificateurs et atténuateurs peuvent utiliser des structures sur PCB (acronyme de printed circuit board pour circuit imprimé) ou bien guidées (aux fréquences considérées, on peut manipuler ces ondes électromagnétiques confinées dans des guides d’onde métallique).
Le choix de l’antenne 125 ou 150 permet de paramétrer les propriétés optiques du faisceau qui sort du dernier multiplieur 120 ou 145 : polarisation, mode TEM (transverse electromagnetic mode pour mode électromagnétique transverse), divergence et taille du point d'émission.
La source présentée en figures 1 et 2 utilise un spectre d’émission qui assure un balayage au moins égal à λ/4 ce qui permet de réduire la sensibilité aux ondes stationnaires dans l’image tout en permettant de choisir la fréquence de travail et la polarisation.
Concernant les optiques d’imagerie la résolution spatiale est liée à la dimension du plus petit spot que l’on peut focaliser à travers le système. Le rayon du spot est donné par la loi d’Airy Rdiff = 1,22 λ ON, dans laquelle λ est la longueur d’onde et ON l’ouverture numérique.
La résolution spatiale est donc proportionnelle à la longueur d'onde λ, et à l'ouverture numérique ON utilisée dans le système de focalisation. Cette ouverture ON se calcule grâce au diamètre D de l'optique de focalisation et à la focale f de cette optique ON = f / D.
Pour une longueur d'onde λ fixe, on peut donc optimiser la résolution du système en choisissant un diamètre D d’optique plus grand, ou une focale d’optique f plus courte.
L'ouverture numérique ON est physiquement limitée à une valeur de 0,5. Mais dans l'air avec des indices optiques réalistes (d’une valeur de 1,5 par exemple), il est très difficile d'atteindre des ouvertures inférieures à 0,7.
Pour maximiser le diamètre D du faisceau, on prend en compte la divergence de la source afin de choisir la focale f de la première lentille de façon que le faisceau emplisse entièrement cette première lentille. Ainsi le diamètre D du faisceau est égal au diamètre de la première lentille, et le paramètre ouverture numérique ON est donc optimisé.
Préférentiellement, le dispositif d’imagerie objet de l’invention utilise des lentilles asphériques (figures 3 à 6 et 13 à 15).
On rappelle ici qu’une lentille sphérique est une lentille dont la forme de chaque surface suit une sphère. Lorsqu'on utilise des lentilles sphériques sur des grands diamètres, il apparaît une aberration liée à la courbure de la lentille, appelée « aberration sphérique >>. Les rayons marginaux (passant à proximité du bord de la lentille) ne se focalisent pas au même endroit que les rayons paraxiaux (passant au centre de la lentille). Cet effet vient contrebalancer le gain en résolution avec l'augmentation du diamètre du faisceau, car le faisceau focalisé avec aberration sphérique ne suit plus la loi d'Airy citée plus haut. De plus, l'introduction de cette aberration sphérique perturbe toute la propagation du faisceau THz en créant des anneaux de lumière au lieu d’un point de focalisation (« spot >>) bien circulaires : il y a une perte d’énergie en plus d'une perte d'information.
Il existe plusieurs solutions pour résoudre ce phénomène, la plus simple est d'utiliser des lentilles dites asphériques. Pour une lentille asphérique la forme de la courbure suit une sphère au niveau du centre, mais en dehors du centre, la courbure est corrigée afin d'annuler l'aberration sphérique. En optique visible et infrarouge, ces lentilles sont très coûteuses à fabriquer du fait de leur forme complexe.
En THz, étant donné les méthodes de fabrication utilisées, il est aussi simple de fabriquer une lentille sphérique qu'une lentille asphérique.
On réalise une impression 3D et/ou du micro-usinage avec une rugosité résiduelle entre 0,02 et 0,1 mm. La mesure des paramètres de propagation de la source permet de définir l’éclairement en entrée du système : divergence, répartition de l’énergie
On optimise le système en faisant varier les distances entre les optiques, les rayons de courbures des surfaces ainsi que les coefficients de conicité (d’où l’asphéricité)
Le critère d’optimisation du système peut être défini par exemple sur la minimalisation de la taille du spot en plusieurs points du champ, ou bien la minimisation de la différence de front d’onde en plusieurs points du champ.
La longueur d’onde du faisceau étant millimétrique une rugosité de 1/100 est suffisante pour assurer une bonne efficacité de transmission. Ces rugosités sont compatibles des microfraises utilisés sur les tours et fraiseuses modernes et de l’impression 3D par dépôt de fil.
Dans la conception de l'imageur toutes les lentilles sont donc conçues asphériques afin d'atteindre les performances optiques maximum en termes d'aberration sphérique et de limiter le nombre de lentilles utilisées.
Concernant les traitements antireflets des lentilles et, le cas échéant, de la lame séparatrice, leur structure consiste en une structure de surface sur les optiques réfractives qui a pour effet de diminuer la réflexion de chaque dioptre en agissant sur l’indice optique à la surface de la lentille.
Une première méthode consiste à déposer une ou plusieurs couches de matériau diélectrique dont l’indice optique est plus faible que l’indice optique de la lentille traitée, par exemple l’indice optique du matériau de traitement est proche de la racine carrée de l’indice optique de la lentille. L’épaisseur de la couche à déposer est de l’ordre du quart de la longueur d’onde moyenne utilisée. Cette épaisseur du matériau de traitement est relativement grande en THz, comparé à l’infra-rouge, ce qui pose des problèmes sur la technique de dépôt.
Une deuxième méthode, utilisée préférentiellement dans le dispositif d’imagerie objet de l’invention consiste à former des microstructures en forme de cônes ou de cratères à l’aide d’une méthode de micro-usinage, par exemple le « laser drilling >> (fraisage laser) à l’aide d’un laser femto seconde. Ces microstructures de dimensions inférieures à la longueur d’onde, créent un gradient d’indice apparent à la surface des dioptres qui annule la réflexion sur la face car il n’y a plus la discontinuité d’indice qui cause la réflexion. L’avantage de cette méthode est qu’elle permet de réaliser des traitements anti-reflets très large bande et moins sensibles à l’orientation de la surface, contrairement au cas du dépôt de couche.
L’utilisation de ce type de traitement augmente le rendement énergétique des systèmes optiques à plusieurs lentilles en augmentant la transmission de chaque dioptre optique. Grâce aux traitements antireflets, on augmente l’énergie projetée sur le capteur de plusieurs dizaines de pourcents. Les traitements anti-reflets participent également à l’élimination des images parasites et des ondes stationnaires.
En ce qui concerne l’électronique du capteur multi-pixel, pour le circuit analogique, on réalise une injection d’un courant dans le canal du transistor.
Pour augmenter la sensibilité du capteur THz à base de HEMT on injecte un courant de l’ordre de quelques dizaines de μΑ dans le canal du transistor. Cela a pour conséquence d’augmenter de plusieurs ordres de grandeur la réponse électrique en présence de rayonnement THz. L’injection se fait par un composant générateur de courant directement relié au transistor par son drain, le composant peut être par exemple un LM334 associé à une résistance, le choix de la valeur de la résistance permet de paramétrer la quantité de courant injecté.
Le signal utile aux bornes du transistor en présence de rayonnement THz étant la tension entre son drain et sa source, il est nécessaire d’isoler le transistor et le composant injectant le courant du reste de la chaîne d’amplification par un montage suiveur ayant une impédance très forte. Ainsi le courant injecté ne peut se propager que dans le transistor et non dans la chaîne d’amplification.
Correction analogique de l’offset généré par le courant
La résistance du canal du transistor étant de l’ordre du kOhm, l’injection du courant dans le canal génère un offset continu aux bornes de celui-ci. Cet offset est présent qu’il y ait du THz ou non. Cet offset peut être de l’ordre de plusieurs centaines de mV ce qui est problématique pour la chaîne d’amplification. En effet les amplificateurs amplifient autant le signal utile généré par le THz que l’offset continu : au-delà d’un certain niveau l’offset provoque une saturation des entrées des différents amplificateurs. Il est donc nécessaire de soustraire une tension continue du même ordre de grandeur que la tension d’offset au signal généré par le transistor afin de permettre à la chaîne d’amplification de rester dans sa gamme de fonctionnement en entrée.
Amplification
L’amplification est choisie telle que le bruit généré par celle-ci est faible, qu’il ait une dérive la plus faible possible, et une bande passante suffisante pour les fréquences de travail. Par exemple un amplificateur OPA735 de Texas Instruments présente les performances requises. On choisit classiquement deux étages d’amplification : le premier de gain fixe de 10 ou 100 à proximité de la surface sensible, qui assure le transport d’un signal plusieurs ordre de grandeur plus fort que le niveau de bruit induit par le circuit. Puis le deuxième amplificateur de gain variable (par exemple entre 1 et 10) à proximité du convertisseur analogique numérique (ADC). Ce qui permet au total d’atteindre un facteur maximal d’amplification de 1000 tout en étant capable d’adapter l’amplification pour remplir la plage de conversion de l’ADC.
On observe, en figure 17, un transistor 815 recevant une tension de grille 805 et une injection de courant 810 sur son drain, la tension sur le drain étant fournie à un suiveur 820. En sortie du suiveur 820, un soustracteur 830 soustrait une tension 825, puis deux amplificateurs 835 et 840 amplifient le signal.
Modulation/Démodulation du signal
Le bruit généré par le transistor augmente fortement lorsqu’on injecte du courant. Il n’est plus intéressant de le faire fonctionner en mode continu (DC) car le niveau de bruit est trop important, en particulier le bruit basse fréquence lié à la tension d’offset. Cependant en plaçant le signal utile à une fréquence de l’ordre du kHz on obtient un rapport signal à bruit supérieur à 60dB, contre environ 45dB en mode continu sans courant injecté. L’intérêt de l’injection du courant se trouve dans ce rapport signal à bruit qui est meilleur avec le courant pour une fréquence de travail située entre 100Hz et 100kHz.
Il existe plusieurs méthodes pour moduler et démoduler un signal, en particulier celle de la détection synchrone qui est largement utilisée dans les systèmes THz. Cette méthode présente un inconvénient : elle nécessite des temps d’intégration long qui diminuent fortement la vitesse d’acquisition.
Dans le cas présent, on procède de la façon suivante : la source est modulée de manière externe par un composant électronique programmable (par exemple un FPGA) qui commande un modulateur d’amplitude radiofréquence. Le composant programmable maîtrise les états haut et bas de la modulation : sur l’un, le THz est émis par la source ; sur l’autre, aucun signal n’est émis. Alternativement, le signal reçu par le capteur est soit le signal utile lié à la présence de rayonnement THz, soit le bruit de fond en l’absence de THz. Le composant programmable échantillonne le signal provenant du capteur durant les états haut et les états bas, il produit deux moyennes : l’une correspondant au niveau de signal moyen sur l’état haut, l’autre au niveau de signal moyen sur l’état bas. Par soustraction de ces deux moyennes on obtient le signal correspondant au THz seul filtré de ses composantes basses fréquences grâce à la différence haut - bas, et filtré de ses composantes hautes fréquences grâce à la moyenne sur chaque état haut et bas. C’est ce signal différentiel moyenné qui est produit en sortie du capteur.
L’avantage de cette méthode est qu’on peut conserver des vitesses d’acquisition élevées à condition d’avoir des ADC rapides (200.000 échantillons par seconde, par exemple), des bandes passantes d’amplification adaptées. De plus cette méthode est peu coûteuse en calculs, ce qui permet de l’implémenter pour toute une matrice de détecteur, le calcul étant fait indépendamment sur chaque capteur.
Cette architecture garantit une plus grande sensibilité, un bruit signal réduit et une synchronisation du signal avec la position de l’objet optimale.
Dans le cas de l’utilisation d’un capteur linéaire possédant une ou plusieurs lignes de photosites (ou pixels), ce capteur multipixels 700 est constitué, comme illustré en figure 16 :
- d’une ou plusieurs rangées 705 de détecteurs THz 710. Chaque détecteur THz est un nano-transistor RF en GAAS, GAN, ou INP dans une technologie inférieure à 0,25 pm qui, par effet plasma, dans son canal redresse les ondes THz dans les bandes 0,1 THz à 2,5 THz. Chaque nano-transistor est packagé dans un micro packaging de surface < 0,5 mm2 ;
- d’une électronique de proximité 715 pour polariser chaque détecteur. Un nanotransistor pour être un redresseur efficace est polarisé par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire. Le signal redressé est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal en injectant un courant entre le drain et la source ;
d’une électronique de proximité 720 pour mettre en forme le signal THz. Le signal redressé est une différence de potentiel continu entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel. L’électronique de proximité 720 est à haute impédance pour ne pas atténuer l’amplitude du signal et pour forcer l’injection du courant de polarisation dans le transistor et non dans le circuit d’amplification. Un montage soustracteur compense l’offset généré par l’injection du courant entre le drain et la source. Un ou des amplificateurs faible bruit et faible drift amplifie le signal sur la dynamique du Convertisseur Analogique Numérique (CAN) 725 ;
- d’une électronique 725 pour digitaliser parallèlement le signal. Ce convertisseur analogique -numérique 725 possède une grande dynamique en amplitude (> 12 bits) et est rapide (> 100 kSamples/s ou milliers d’échantillons par seconde) ;
- d’un système 730 d’acquisition et de traitement du signal pour la réduction du bruit. De la même façon que dans le cas du capteur ponctuel, la source THz est modulée en amplitude ce qui permet de réaliser une mesure différentielle moyennée.
- d’un système 735 de communication haute vitesse via un protocole de communication Ethernet, USB ou cameralink (marques déposées).
Le capteur et la source sont synchronisés par un signal d’horloge numérique. La source est modulée en amplitude par ce signal d’horloge ce qui permet de mesurer et de compenser le résidu de signal (offset) présent aux bornes du capteur en l’absence de THz. La compensation est à la fois numérique par une soustraction à haute fréquence du signal mesuré avec THz et sans THz, mais aussi analogique en ajustant la tension à soustraire au signal du capteur pour maintenir le niveau global dans une certaine gamme de tension.
Dans le cas du capteur multipixels, les positions absolues de l’objet à imager sont mesurées par un encodeur. Ces données de position sont alors synchronisées avec les données issues du capteur THz pour une utilisation sur l’ensemble de la course du déplacement y compris dans les zones d’accélérations. Et enfin un moyennage des données calé sur les positions absolues et non sur le temps permet une adaptation à toute vitesse de déplacement
Cette architecture garantie la plus grande sensibilité, un bruit signal réduit et une synchronisation du signal avec la position de l’objet optimal.
Le capteur multipixels 700 est réalisé selon la technique du « Wafer-level packaging >> (ou WLP, en français assemblage au niveau du substrat). Il s’agit d’une technologie d’assemblage d’un circuit intégré alors qu’il fait partie d’un substrat, par opposition avec la méthode traditionnelle dans laquelle on découpe le substrat en circuits individuels avant de les assembler. Cette technologie permet d’atteindre des dimensions et des proximités de composants bien supérieures à ce qui était obtenu de manière traditionnelle.
Le capteur multipixels 700 permet d’agrandir spatialement le champ de vue et donc de réaliser des images à haute résolution avec une grande fréquence de rafraîchissement (fréquence ligne > 1 kHz). Chaque capteur 700, y compris son électronique de proximité est en charge de redresser l’onde THz qu’il reçoit localement et de fournir un signal adapté en impédance pour les étages électroniques suivants. Dans l’électronique 720, chaque circuit soustracteur suivi d’un amplificateur, ou amplificateur différentiel, permet d’amplifier le signal utile.
Le signal est numérisé à haute cadence (Fréquence d’acquisition > 1 kHz) au plus près de la sortie analogique.
La démodulation du signal est réalisée de manière synchrone avec le signal de modulation de la source sur les signaux provenant de chaque pixel, ce qui assure un rapport signal à bruit maximisé en éliminant tous les bruits additifs à une fréquence autre que la fréquence de modulation de la source.
Le capteur multipixels 700 est situé dans le plan focal du système optique d’imagerie. Chaque capteur ponctuel est en charge de redresser l’onde THz, d’amplifier le signal utile. Le signal est numérisé à haute cadence (Fréquence d’acquisition > 1 kHz) au plus près de la sortie analogique
La faible surface des capteurs permet une grande compacité et donc il résulte une grande résolution spatiale. Les composants photosensibles sont disposés en ligne avec, par exemple, un espace entre deux composants de l’ordre de 300 pm et un interpixel de 800 pm, chaque composant ayant une dimension de 500 pm x 1 mm. La polarisation individuelle de chaque capteur permet de garantir une homogénéité de sensibilité capteur à capteur en conservant une haute sensibilité. La gestion parallèle de tous les signaux permet de garantir une très haute vitesse d’acquisition. Un traitement du signal embarqué permet un filtrage temps réel pour obtenir le meilleur rapport signal à bruit. Une communication par via un protocole de communication Ethernet, USB ou cameralink permet par gestion des paquets de d’envoyer les lignes à haute cadence de chaîner plusieurs capteurs multi pixels sans perte de données.
Le point de départ de la conception des systèmes d’imagerie pour capteur linéaire est la résolution spatiale imposée par le capteur. Le dispositif d’imagerie objet de l’invention présente, dans ses modes de réalisation multipixels, un inter-pixel de 800 pm, et selon le modèle, une ligne de 64, 128 ou 192 pixels. Par choix du champ de vision du côté de l'objet à imager, on impose la résolution spatiale optimale de l'ensemble capteur et objectif.
Par exemple, dans le cas d'un champ de vision de 30 mm coté objet, il est nécessaire d'assurer un échantillonnage correct de la scène selon de critère de Shannon (quatre pixels pour une paire de lignes à la résolution maximale). Ainsi la résolution spatiale optimale de la caméra (capteur et objectif) est de 0,53 pl/mm (paires de lignes par millimètre) en fréquence. Une résolution optique supérieure du système ne pourrait pas être échantillonnée correctement par la caméra, une résolution optique inférieure conduirait à disposer d'un nombre de pixel/mm excessif donc de ne pas bénéficier de toute la ressource disponible. Cette approche indique également directement le grandissement nécessaire au système optique, ici 1,71 x.
Suite à ce préalable, on est capable de donner une cible de performance au système optique. Connaissant la fréquence de travail, par exemple 255 GHz, on calcule par la loi d’Airy que l'objectif à concevoir doit avoir une ouverture numérique coté objet de 1,31, une ouverture numérique coté image de 2,23. On peut également estimer la dimension du diamètre de l'objectif nécessaire pour atteindre cette ouverture numérique : ici 75 mm.
Compte tenu des paramètres optiques déterminés ci-dessus, on voit que l'objectif à concevoir pour répondre à la problématique est un objectif de type microscope, c’est-à-dire permettant d’agrandir la scène tout en assurant la séparation des détails de celle-ci. Cette optique « de microscope >> a un facteur de grandissement supérieur à un et une résolution meilleure que quatre fois l'interpixel divisé par le grandissement. Cette optique est située sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l’objet.
En effet, contrairement à l’objectif de photographie ou à une lunette de vision lointaine (télescope), l’objectif de microscope présente les caractéristiques globales suivantes : la scène à imager est plus petite que la taille du capteur, les pixels du capteur sont du même ordre de grandeur que les détails moyens de la scène. Le rapport de reproduction est bien supérieur à un (une scène de 100 pm x 100 pm sera reproduite sur un capteur de 10 mm x 10mm : grandissement de 100). L'objectif travaille à faible distance de l'objet, et son ouverture objet peut atteindre des valeurs telles que 0,7.
En ce qui concerne l’utilisation d’un objectif de microscope, on rappelle qu’une optique de microscopie permet à la fois de grandir l’objet à observer, et de séparer les détails de cet objet afin qu’il soit observable. C’est la combinaison d’un grandissement et d’un pouvoir de résolution qui caractérise un tel système optique.
Dans le cadre des systèmes d’imagerie à objectif de microscope en imagerie THz, d’une part la scène est généralement plus petite que la taille de la matrice de détecteur, et le détecteur est de l’ordre de grandeur des détails de la scène, il est donc nécessaire d’avoir un grandissement de la scène et de ses détails pour l’imager. D’autre part l’image de la scène doit se former en assurant un pouvoir de résolution de l’objet suffisant pour pouvoir observer ses détails, ce qui implique en général de travailler avec des fortes ouvertures, donc à proximité de l’objet et avec des optiques de grand diamètre comparativement à la scène.
Pour répondre à la problématique de l'imagerie de champ THz, l'objectif de microscope est le meilleur candidat :
- les pixels du capteur sont gros comparés aux détails de l’image à former,
- le capteur est de grande dimension : > 150 mm pour 192 pixels et
- la résolution à atteindre nécessite de très fortes ouvertures.
La conséquence de ce choix est que l'objectif est volumineux, d'une dimension similaire, ou plus grande que les objets à imager.
Les résultats en termes de nombre de lentilles de l’optique, leurs formes, et leurs dimensions dépend beaucoup du grandissement visé, et de la résolution attendue, ainsi que du tirage de l'objectif (distance entre objet et première lentille)
Les objectifs présentent au minimum deux groupes de lentilles :
1er groupe : à proximité de l'objet, permet la collection de la lumière issue de l'objet avec l'ouverture ciblée et
- 2ème groupe : à proximité de l'image, permet de former l'image de l'objet avec l'ouverture image ciblée.
Pour des objectifs faiblement contraints (par exemple grandissement de deux, et longueur d'onde faible), il est possible de concevoir un objectif sur ce principe avec une seule lentille par groupe, donc seulement deux lentilles en tout. Cela est rendu possible en particulier grâce à la capacité de fabriquer des lentilles asphériques.
Pour des objectifs plus contraints (par exemple grandissement de 1 et longueur d'onde élevée) il est nécessaire d'utiliser plus d'une lentille par groupe :
- compensateur de champ dans le premier groupe pour limiter la courbure de champ et
- deux ou trois lentilles dans le deuxième groupe pour limiter les épaisseurs et les aberrations
Dans certains modes de réalisation, l'objectif présente en réalité trois groupes de lentilles, le deuxième groupe étant divisé en deux sous-groupes séparés d'un espace d'air important, c'est le cas en particulier lorsque l'objectif est télécentrique coté image.
Exemples de réalisation
Exemple 1, figure 3 : champ objet 40 mm, grandissement 1,3x, 235 GHz
L’objectif 200 possède deux groupes 205 et 210 d’une lentille chacun, il n'est pas télécentrique coté image. Cet objectif 200 a été conçu avec la contrainte d'un tirage objet supérieur à 50 mm. La MTF (acronyme de « modulation transfer fonction >> pour fonction de transfert de modulation) montre une résolution de 0,4 pl/mm, soit 1,92 mm de résolution rapporté à l'objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sur tout le champ : l'image n'est pas perturbée par les aberrations.
Exemple 2, figure 4 : champ objet 30 mm, grandissement 1,7x, 235 GHz
L’objectif 215 possède trois lentilles 220, 225 et 230, le deuxième groupe étant divisé en deux sous-groupes d’une lentille. Objectif télécentrique coté image. La MTF coté image montre une résolution de 0,45 pl/mm, soit 1,3 mm de résolution rapporté à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sur tout le champ : l'image n'est pas perturbée par les aberrations.
Exemple 3, figure 5 : champ objet 52 mm, grandissement 1 x, 140 GHz
L’objectif 235 présente un deuxième groupe divisé en deux sous-groupes. Quatre lentilles 240, 245, 250 et 255 sont nécessaires pour obtenir le grandissement de 1 et la télécentricité coté image. La MTF coté image montre une résolution de 0,40 pl/mm, soit 2,5 mm de résolution rapporté à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sauf en bord de champ (défaut léger).
Exemple 4, figure 6 : champ objet 50 mm, grandissement 3,1,235 GHz
L’objectif 260, de fort grandissement en deux groupes, avec un compensateur de champ dans le premier groupe. Cet objectif, à trois lentilles 265, 270 et 275 permet d'atteindre des résolutions inférieures à la longueur d'onde. La MTF coté image montre une résolution de 0,41 pl/mm, soit 780 pm de résolution rapportée à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sauf en bord de champ (défaut léger).
L’objectif d’imagerie THz sert à faire l’image d’un objet situé dans le champ vers un plan image situé à l’opposé de l’objectif. La condition pour fonctionner dans les spécifications est d’avoir en entrée un signal THz suffisant pour la sensibilité de détection dans le plan image. Dans une réalisation classique, cet objectif est intégré dans une chaîne incluant une source, un système de projection de l’éclairement de la source, l’objectif lui-même, un capteur multi-pixel, et un système d’analyse informatisé (non représenté).
L’objectif est donc un élément est clé dans la chaîne décrite ci-dessus car c’est lui qui assure la résolution spatiale optique sur l’objet à imager. Les dimensions de l’objectif sont intrinsèquement liées à ses performances : plus la résolution désirée est grande plus les lentilles sont de grande dimension, et la longueur de l’objectif est importante.
L'utilisation d'une ligne de pixels comme capteur nécessite l'utilisation d'un éclairage sur une ligne de la scène afin de concentrer l'énergie de la source sur la partie de l’objet observée par le capteur linéaire. La source émet un rayonnement sur un cône d'émission déterminé par son cornet. La répartition de l'énergie dans le cône d'émission présente une distribution d’énergie non uniforme et circulaire car celle-ci est en général de distribution gaussienne et à symétrie de révolution. Le système de linéarisation de la source vise deux objectifs :
- rendre l'éclairement de la source linéaire et rendre l'éclairement de la source uniforme sur la scène.
Dans des modes de réalisation, l'éclairement de la scène est conçu parallèle dans une direction, et focalisé dans la direction perpendiculaire. L'utilisation d'une lentille cylindrique 290 est une solution pour atteindre cet objectif. Le faisceau 285 issu de la source est agrandi sur le même diamètre que la scène à éclairer, puis avec une lentille dont la courbure est asphérique à géométrie cylindrique (et non à géométrie de révolution) on focalise le rayonnement dans une seule direction de l'espace, comme illustré en figure 7.
La linéarisation 280 par la méthode précédente présente un éclairement nonuniforme car la distribution de l'éclairement de la source ne l’est pas. La focalisation de la distribution d’énergie de la source dans une seule direction de l'espace garde la même distribution inhomogène reportée long de la ligne d’éclairement.
La figure 8 représente une distribution d'énergie 300 en sortie de source 100.
Avec un logiciel de conception optique, il est possible de calculer la distribution à géométrie de révolution optimale pour assurer un éclairement uniforme une fois transformé par la lentille cylindrique. Cette distribution étant connue, le logiciel l'utilise comme cible pour optimiser les lentilles de mise en forme du faisceau à la sortie de la source 100. Par exemple un éclairement présentant une distribution 305, illustrée en figure 9, forme une distribution uniforme après une lentille cylindrique.
Pour réaliser une uniformisation de l’éclairement sur la ligne observée par le capteur d’image linéaire, en deux étapes de conception, on forme un système 310 à trois lentilles 315, 320, 325, comme illustré en figure 10 :
- au cours d’une première étape, on calcule la distribution 305 nécessaire à l'entrée de la lentille cylindrique 325,
- au cours d’une deuxième étape, on réalise une optimisation d'un système à deux lentilles asphériques 315, 320 pour former cette distribution 305.
La figure 11 illustre la distribution 330 résultant de la mise en oeuvre du système optique 310.
Dans une autre méthode de linéarisation, on remplace les deux lentilles 315 et 320 de mise en forme du faisceau par une seule lentille, présentant au moins une surface n'étant pas à symétrie de révolution (sphère, asphère), mais représentant des splines ou des polynômes. Dans ce cas, un ensemble de deux lentilles 335 et 340 permet de rendre l'éclairement linéaire et uniforme, comme illustré en figure 12 :
- la lentille 335 sert à la mise en forme du faisceau pour préparer la distribution d'énergie (lentille à surface polynomiale XY, par exemple)
- la lentille 340 cylindrique asphérique réalise la focalisation du faisceau dans une seule direction.
L'avantage de cette méthode est qu'elle est plus simple à mettre en oeuvre dans un logiciel de calcul : une macro de passage de l'éclairement circulaire gaussien de la source à l'éclairement linéaire uniforme est directement implémentée au niveau de l'optimisation sans passer par une étape intermédiaire de calcul de l'éclairement nécessaire à l'entrée de la lentille cylindrique 340. Le calcul de la macro, complexe pour un système à symétrie de révolution, on brise cette symétrie dès la première lentille. Cela apporte l'avantage de diminuer le nombre de lentilles nécessaires.
La conception de l’éclairement prend en compte la source utilisée (longueur d’onde, divergence). Le système d’éclairement permet de projeter assez d’énergie THz sur un plan de l’espace pour ensuite utiliser un objectif de collection et un capteur pour former une image d’un objet placé dans ce plan de l’espace.
Le système de linéarisation permet de choisir comment répartir l’énergie issue de la source afin d’éclairer le plus efficacement la scène. Un système bénéficiant de ce type d’éclairement a la plus grande efficacité énergétique, ce qui permet d’utiliser des capteurs moins sensibles, ou de faire des images d’objets très opaques ou peu réfléchissants.
Dans un autre mode de réalisation l’éclairement peut être un rectangle dont les largeurs et hauteurs peuvent être choisies par le concepteur. Dans ce cas l’éclairement est collimaté sur l’objet à étudier ce qui permet d’une part d’avoir une plus grande profondeur dans laquelle l’éclairement est optimale et d’autre part d’avoir la pupille de sortie du système d’éclairement à l’infini afin d’éviter d’avoir une partie de l’image de la source qui se superpose avec l’image de l’objet.
Pour réaliser un éclairement rectangulaire on procède selon la deuxième méthode décrite ci-dessus : un calcul photométrique permet de déterminer une macro de passage entre un éclairement gaussien de révolution et un éclairement rectangulaire uniforme (ou rectangulaire avec un profil d’intensité particulier. De plus, on impose l’angle d’incidence des rayons nul ponctuel sur l’objet afin de rendre l’éclairement collimaté). Cette macro est implémentée dans le logiciel de conception pour faire l’optimisation de deux lentilles à surface n’étant pas à symétrie de révolution qui génèrent au niveau de l’objet un éclairement rectangulaire tel que défini par le concepteur.
En ce qui concerne la lame séparatrice, par exemple les lames 435 et 455 illustrées en figures 14 et 15, le silicium Haute Résistivité est très couramment utilisé dans le domaine THz pour la fabrication de fenêtres optique, de séparateur de faisceau, ou de lentilles de collection hémisphériques. Préférentiellement, le système de capture d’images objet de l’invention utilise ce matériau pour ses lames semi-réfléchissantes. En effet, l'indice très élevé de 3,41 permet d'obtenir sur une seule face de matériau une séparation du faisceau en deux composantes réfléchie et transmise de 45% et 55% respectivement.
Pour assurer la fonction de lame-séparatrice (idéalement 50% de transmission et 50% de réflexion) la lame doit être conçue avec soin, car le passage à travers les deux faces de la lame provoque des interférences du faisceau avec lui-même qui fait varier notablement les performances du composant.
Préférentiellement, la lame séparatrice est l’objet d’un traitement antireflet sur une seule face de son matériau. Ainsi il n’apparait pas de réflexion sur cette face, et les interférences ne se produisent pas. Pour le traitement, on choisit préférentiellement un matériau d’un indice proche de 1,8, et on adapte son épaisseur à un sous-multiple de la longueur d'onde.
Dans des modes de réalisation, on obtient une efficacité de séparation de 50% en choisissant l’épaisseur de la lame : par calcul des composants de l’onde entrant en interférence on est capable de déterminer quelle épaisseur conduit à une efficacité de 50%.
En ce qui concerne la polarisation incidente sur la lame séparatrice, préférentiellement on utilise la polarisation en mode TM (acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d’incidence. L’inventeur a, en effet, déterminé que la polarisation en mode TM assure une meilleure stabilité de l’efficacité de séparation lorsque l’épaisseur de la lame séparatrice varie dans sa tolérance de fabrication.
La lame séparatrice est utilisée sur un faisceau faiblement divergent pour être la plus efficace. Préférentiellement, on l’insère dans un faisceau collimaté. La lame séparatrice est traversée deux fois par le faisceau optique : une fois lorsqu’il provient de la source, une deuxième fois lorsqu’il revient de l’objet vers le détecteur.
La lame séparatrice est utilisée pour concevoir un système optique en réflexion, où l’éclairement de l’objet et la récupération du flux provenant de l’objet se font du même côté de l’objet.
Un dispositif d’imagerie multipixels objet de l’invention intègre les éléments suivants :
- une source THz,
- un système optique constitué de lentilles pour réaliser l’éclairement linéaire,
- un système optique constitué de lentilles pour réaliser la collection de l’éclairement après transmission à travers l’objet ou réflexion sur l’objet,
- d’une lame séparatrice dans le cas de la réflexion,
- un capteur multipixels et
- une unité de traitement du signal sortant du capteur.
De manière générale il est compliqué d'utiliser le mode transmission soit à cause des dimensions de l'objet, soit à cause de contraintes d’environnement industriel. Le mode réflexion est donc couramment utilisé. Il existe plusieurs manières d'agencer l'éclairage et l'objectif pour mettre en place ce mode.
En mode transmission, le système optique complet présente deux parties 400 et 410 séparées, l'une pour l'éclairage linéaire, l'autre pour l’objectif d'imagerie. Par exemple, dans le système optique du dispositif 40 illustré en figure 13, les trois lentilles de gauche, partie 400, pour l'éclairage, les deux de droite, partie 410, pour l'objectif. Entre les deux, l'espace libre permet d'insérer l'objet 405 dont des images doivent être captées par le capteur 415.
L'ouverture de l'éclairage est adaptée à l'ouverture de l'objectif pour ne pas perdre d'énergie en dehors de l'objectif.
Dans un mode de réalisation du dispositif 42 illustré en figure 14, avec réflexion à travers tout l’objectif, les trois lentilles de droite 420 forment l'éclairage qui est projeté au niveau du plan image de l'objectif 430. L'éclairage passe ensuite par l'objectif 430 pour être projeté sur l'objet 425. Enfin l'objectif 430 forme l'image de l'objet 425 qui est projeté à 90° sur le capteur 415 grâce à une lame semi-réfléchissante 435.
L'éclairage est alors conçu pour éclairer uniformément l'objet 425 à travers l'objectif 430.
Dans un mode de réalisation du dispositif 44 illustré en figure 15, avec réflexion à l’intérieur de l’objectif, l'éclairage 440 prend en compte une lentille supplémentaire 460 après la lentille cylindrique 465 : la dernière lentille de l'objectif 450. Ainsi l'éclairage est inséré directement à la sortie de l'objectif 450. L'objectif 450 fonctionne grâce à une lame semiréfléchissante 455 qui renvoie la lumière réfléchie à 90° vers les deux autres lentilles et le capteur linéaire 470.
L'avantage de cette conception est d'être plus compacte, et d'introduire moins de pertes avec moins de lentilles traversées par le faisceau THz entre la source et le capteur.
Le système d’éclairement permet d’avoir un éclairement homogène de la scène, le système de collection une très grande résolution exploitée par l’extrême compacité des pixels du capteur multipixels.
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Dispositif d’imagerie (40, 42, 44), caractérisé en ce qu’il comporte :- une source (100) incohérente de rayons dont la fréquence est comprise entre 0,075 THz et 10 THz pour éclairer un objet,- un capteur (415, 470) de rayonnement provenant de l’objet, qui comporte une pluralité de zones sensibles aux rayonnements issus de la source et qui émet un signal électrique représentatif de l’intensité des rayons issus de la source atteignant chaque zone sensible du capteur,- au moins une optique (235, 260) « de microscope >> ayant un facteur de grandissement supérieur à un et une résolution meilleure que quatre fois l'interpixel divisé par le grandissement, située sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l’objet.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque zone sensible du capteur de rayonnement est réalisé selon la technique du « Wafer-level packaging », ou WLP, en français assemblage au niveau du substrat.
- 3. Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel l’interpixel entre les zones sensibles du capteur de rayonnement est compris entre 300 et 800 pm.
- 4. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte au moins une lentille de forme non symétrique de révolution, par exemple une lentille cylindrique ou une lentille avec des surfaces polynomiales sur X et Y.
- 5. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel au moins un système optique comporte une lentille optique asphérique.
- 6. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel au moins un composant optique d’un système optique présente un traitement anti-reflet comportant des microstructures en forme de cônes ou de cratères.
- 7. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la fréquence d’émission de la source incohérente est modulée.
- 8. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la source incohérente comporte une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt.
- 9. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel chaque zone photosensible est un nano-transistor, le signal généré par la radiation THz est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel.
- 10. Dispositif selon la revendication 9, qui comporte une électronique de proximité pour polariser chaque nano-transistor par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire.
- 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le signal redressé issu de chaque nanotransistor est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal du nano-transistor en injectant un courant dans le canal du transistor, entre le drain et la source et /ou en utilisant des motifs métallisés jouant le rôle d’antennes.
- 12. Dispositif selon l’une des revendications 10 ou 11, dans lequel l’électronique de proximité comporte un circuit de compensation de l’offset généré par l’injection du courant entre le drain et la source de chaque nano-transistor, par exemple en utilisant un montage soustracteur.
- 13. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 12, qui comporte au moins un amplificateur faible bruit et faible drift qui amplifie le signal sur la dynamique d’un convertisseur analogique numérique.
- 14. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 13, qui comporte un moyen de synchronisation de la démodulation du signal avec le signal de modulation d’amplitude de la source.
- 15. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 14, qui comporte un capteur des positions de l’objet à imager, par exemple en utilisant un encodeur.
- 16. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 15, qui comporte une lame séparatrice, la polarisation incidente sur la lame séparatrice étant la polarisation en mode TM (acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d’incidence.
- 17. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 16, qui comporte un moyen de mesure de l'intensité des rayonnements provenant de l’objet, et/ou de polarisation des rayons provenant de l’objet.
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