Système infrarouge non refroidi grand champ très bas coût

Dans un premier temps, j’applique le raisonnement que j’ai développé ci-dessus afin de concevoir une caméra infrarouge non refroidie possédant un grand champ et réalisable à faible coût. Elle est basée sur l’utilisation d’une lentille de Fresnel d’ordre élevé intégrée dans une configuration de type landscape lens.

En suivant cette piste, la démarche à d’abord consisté à optimiser une architecture optique constituée d’une pupille d’entrée placée en amont et suivie d’une lentille de Fresnel. La lentille de Fresnel est en silicium et possède une épaisseur fixée d’1mm. Le silicium n’a pas l’habitude d’être utilisé en infrarouge car il est absorbant. Toutefois, en utilisant un composant d’épaisseur 1mm nous nous attendons à limiter l’absorption du silicium. La caméra est de plus conçue pour fonctionner avec un détecteur petit format composé de 80x60 pixels au pas de 25µm et sensible aux longueurs d’onde comprises entre 7 et 14µm (LWIR).

Figure 3.29 – Illustration de notre caméra domotique LWIR grand champ bas coût.

Nous avons optimisé notre imageur sous le logiciel Zemax à l’aide de la surface appelée

arrière d’une lame à faces parallèles. La surface diffractive est placée côté détecteur dans le but de limiter les effets d’ombrage. Elle porte l’essentiel de la puissance optique du système.

La Fig. 3.29 montre l’architecture optique que nous avons ainsi retenue. Notre caméra possède un champ de vue de 130^◦ sur la diagonale du détecteur, correspondant à un champ de 98^◦ sur la hauteur. Elle a une focale de 1,32mm pour un encombrement total de 2,88mm. Son nombre d’ouverture est égal à 1,46. Dans le tableau ci-dessous les différentes caractéristiques optiques de notre imageur sont rassemblées.

Propriété Valeur

Encombrement du système optique L 2,88mm

Champ d’observation FOV 130^◦

Nombre d’ouverture N 1,46

Distance focale f 1,32mm

Épaisseur de la lentille de Fresnel 1mm

Rayon de courbure -3,2mm

Conicité -0,9

Format du détecteur 80x60 pixels

Pas pixel 25µm

Table 3.2 – Caractéristiques optiques de l’architecture non refroidie basée sur une lentille de Fresnel illustrée dans la Fig. 3.29.

Notons que le proccus d’optimisation sous Zemax a naturellement convergé vers un système pour lequel la pupille est placée à une distance de la surface Fresnel proche de la distance focale (d=1,47mm). Nous avons ainsi obtenu un système quasi télécentrique côté image.

Les FTM polychromatiques [7 ;14]µm de ce système estimées par le logiciel Zemax sont données à la Fig. 3.30 pour différents champs d’observation. Elles sont affichées jusqu’à la fréquence de Nyquist du détecteur. Nous pouvons noter que le contraste des hautes fréquences à la fréquence de Nyquist reste supérieur à 40% sur tout le champ. Les aberrations géométriques (coma, aberration sphérique, astigmatisme, courbure) de notre

système landscape lens quasi-télécentrique sont donc dans l’ensemble bien corrigées. La distorsion est l’aberration géométrique prédominante de notre système mais elle pourra être corrigée par post-traitement. Notons tout de même que la qualité image de notre système a tendance à décroitre à mesure que l’angle de champ augmente. Cette dégrada-tion s’observe essentiellement dans la direcdégrada-tion tangentielle correspondant à la direcdégrada-tion du champ.

Figure 3.30 – Illustration de la FTM polychromatique [7 ;14]µm de notre caméra domotique pour différents champs d’observation. La courbe de FTM notée T est la courbe de FTM tan-gentielle, celle notée S est la courbe de FTM sagittale.

En fait, il est important de remarquer que la surface Fresnel du logiciel Zemax modélise un composant diffractif idéal infiniment fin. En aucun cas le logiciel ne nous laisse la possibilité de définir la profondeur de gravure de la lentille de Fresnel. Il ne considère pas les sauts de phase du profil diffractif réel. Ainsi, Zemax estime la qualité optique de notre système en se basant sur des considérations purement géométriques et les effets diffractifs de notre composant, liés aux sauts de phase entre les différents anneaux, ne sont pas pris en compte. Les courbes de FTMs résultantes sont ainsi nécessairement trop optimistes.

Dans la pratique, il est nécessaire de définir et de tenir compte de la profondeur de gravure de notre lentille de Fresnel. Celle-ci est particulièrement contrainte par l’état de l’art de la technique de fabrication que l’on envisage. Ici, notre système a été conçu

pour répondre à des besoins d’imagerie infrarouge non refroidie bas coût. Nous souhaitons alors qu’il puisse être réalisé par photolithographie. Les progrès en terme de fabrication d’optiques diffractives sont très rapides et la profondeur de gravure maximale pouvant être réalisée par photolithographie ne cesse d’augmenter. Néanmoins, lorsque nous avons fait réaliser notre lentille, une profondeur de 50µm constituait un bon compromis. Une telle gravure réalisée dans du silicium correspond à un ordre de diffraction nominal élevé,

p = 12 à λ₀ = 10, 07µm. A la Fig. 3.31, je montre le profil réel de notre lentille de Fresnel domotique en silicium gravée à 50µm dont il faut tenir compte afin d’estimer les performances de notre système. Remarquons que ce composant comprend 8 zones.

Figure 3.31 – Profil réel de notre lentille de Fresnel domotique en silicium gravée à 50µm (p = 12 à λ₀ = 10, 07µm). (a) Vue de dessus. (b) Coupe.

Du fait que la configuration landscape lens, la pupille est placée en amont de la lentille de Fresnel. La zone de la lentille éclairée va alors varier en fonction de l’angle d’observation. A la Fig. 3.32 je montre la zone illuminée de la lentille de Fresnel pour différents demi-angles de champ. En bord de champ, on éclaire environ 8 zones. Nous verrons dans la partie 3.4 que nous pouvons alors localement assimiler le profil éclairé à un réseau de pas donné. Cela va nous permettre de quantifier la dégradation de la qualité image hors axe liée aux effets diffractifs.

Figure 3.32 – Zone illuminée de la lentille de Fresnel en fonction du demi angle de champ d’observation θ. (a) θ=0^◦ (sur l’axe). (b) θ=40^◦ (champ intermédiaire). (c) θ=65^◦ (bord de champ).