Compact infrared cryogenic wafer-level camera: design and experimental validation

International audienceWe present a compact infrared cryogenic multichannel camera with a wide field of view equal to 120 degrees. By merging the optics with the detector, the concept is compatible with both cryogenic constraints and wafer-level fabrication. The design strategy of such a camera is described, as well as its fabrication and integration process. Its characterization has been carried out in terms of the modulation transfer function and the noise equivalent temperature difference (NETD). The optical system is limited by the diffraction. By cooling the optics, we achieve a very low NETD equal to 15 mK compared with traditional infrared cameras. A postprocessing algorithm that aims at reconstructing a well-sampled image from the set of undersampled raw subimages produced by the camera is proposed and validated on experimental images. (C) 2012 Optical Society of Americ

Towards the integration of optical functions on the infrared focal plane array Application to the design and manufacture of an infrared cryogenic on-chip camera

La miniaturisation des systèmes optiques est un domaine de recherche qui suscite un grand intérêt scientifique actuellement. En effet, moins volumineux et moins chers, ils peuvent prétendre à être diffusés dans des applications diverses. L'objectif de cette thèse est de concevoir des systèmes d'imagerie extrêmement compacts, intégrés au plus près du détecteur infrarouge refroidi, et idéalement solidaires de celui-ci. Des travaux de recherche sont actuellement menés pour miniaturiser les systèmes optiques : moins volumineux et moins chers, ils peuvent prétendre à être diffusés dans des applications diverses. L'objectif de cette thèse est de concevoir des systèmes d'imagerie extrêmement compacts, intégrés au plus près du détecteur infrarouge refroidi, et idéalement solidaires de celui-ci. J'ai tout d'abord mis en évidence des stratégies pour la simplification et la miniaturisation des systèmes optiques. Parmi elles, les approches menant à des systèmes multivoies semblent être les plus prometteuses pour concevoir des systèmes à la fois compacts et performants. J'ai alors proposé deux architectures multivoies simples, compactes et intégrées au plus près du détecteur infrarouge. La première, de champ d'observation égal à 120°, intègre une matrice de microlentilles à quelques centaines de micromètres seulement du détecteur infrarouge : elle est qualifiée de caméra sur puce. Des défis technologiques ont dû être relevés pour réaliser ce composant. J'ai développé un algorithme de reconstruction d'images et évalué expérimentalement les performances de la caméra. Ce système produit, après traitements, une image échantillonnée au pas de 7,5 µm. Cette valeur est deux fois meilleure que celle qui pourrait être obtenue avec une caméra monovoie classique, associée à un détecteur infrarouge à l'état de l'art actuel, avec un pas pixel de 15 µm. J'ai contribué à la réalisation du second système en développant une méthode originale et simple pour en fabriquer les matrices de microlentilles. Cette technique consiste à mouler par compression de la poudre de bromure de potassium à température ambiante.Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de détecteurs infrarouges, qui intègrent une fonction d'imagerie.Miniaturizing optical systems is a research area of great interest nowadays: if they were smaller and cheaper, optical systems could be widespread in many applications. This work aims at designing very compact optical systems for imagery applications, which could be integrated near the infrared cryogenic detector and ideally directly on it.First, I have presented original design strategies to simplify and miniaturize optical systems. Approaches which lead to multichannel systems seem to be the most interesting ones to design compact and effective systems. Then, I have proposed two multichannel optical architectures, which are simple, compact, and integrated near the infrared detector. The first camera, which has a field of view equal to 120°, integrates a microlens array at a few hundreds of micrometers only of the infrared detector: it is called a wafer-level camera. Technological challenges have been overcome to manufacture this component. I have developed an image processing method, and assessed the characteristics of the camera experimentally. This system samples the final image with a pitch equal to 7,5 µm. This value is two times better than the one which could be obtained by using a one-channel camera associated with a state-of-the-art infrared detector, with a pixel pitch equal to 15 µm. In order to manufacture the second architecture, I have developed an original and simple method to obtain the microlens arrays, by compression molding of Potassium Bromide powder at ambient temperature. This work gives some elements to design a new generation of infrared detectors with an imagery function

Optiques binaires et application à l'imagerie - Optiques focalisantes

International audienceThis paper studies the imagery properties of binary optics which are optical components that can be coded by a succession of patterns, either opaque or transparent; or etched or not etched. Compared to conventional optical components that use the refraction or reflection to modify the path of the light, the binary optics use the diffraction property of the light thanks to its wave nature. Focusing binary optics will be addressed, that concentrate light at a single focal point and whose properties are close to conventional optics.L’article traite des propriétés d’imagerie des optiques binaires qui sont des composants optiques codés par une succession de motifs, soit opaques ou transparents, soit gravés ou non gravés. Par rapport aux composants optiques classiques qui utilisent la réfraction ou la réflexion pour modifier la direction des rayons lumineux, les optiques binaires exploitent le phénomène de la diffraction qui sollicite l’aspect ondulatoire de la lumière. Sont développées les optiques binaires focalisantes, c'est-à-dire qui concentrent la lumière en un point focal et dont les propriétés sont proches de celles d’une optique classique

Optiques binaires et application à l'imagerie - Optiques auto-imageantes

International audienceBinary optics are optical components coded by a succession of patterns, either opaque or transparent; or etched or not etched. In particular, this paper studies the Self-Imaging Binary Optical Components (COBAI). COBAI are optical components that have the property to replicate, along the propagation axis of light, a single diffractive pattern, some of them being able to channel the light along focal lines. This property provides them outstanding imagery properties different from the ones of conventional optics.Les optiques binaires sont des composants optiques codés par une succession de motifs, soit opaques ou transparents, soit gravés ou non gravés. Cet article traite plus particulièrement des Composants Optiques Binaires Auto-Imageant. Les COBAI sont des composants qui ont pour spécificité de répéter, selon l’axe de propagation de la lumière, un même motif de diffraction, certains même de canaliser la lumière selon des lignes focales. Cela leur donne des propriétés d’imageries remarquables différentes de celles des optiques conventionnelles

Optiques binaires et application à l'imagerie - Optiques auto-imageantes

International audienceBinary optics are optical components coded by a succession of patterns, either opaque or transparent; or etched or not etched. In particular, this paper studies the Self-Imaging Binary Optical Components (COBAI). COBAI are optical components that have the property to replicate, along the propagation axis of light, a single diffractive pattern, some of them being able to channel the light along focal lines. This property provides them outstanding imagery properties different from the ones of conventional optics.Les optiques binaires sont des composants optiques codés par une succession de motifs, soit opaques ou transparents, soit gravés ou non gravés. Cet article traite plus particulièrement des Composants Optiques Binaires Auto-Imageant. Les COBAI sont des composants qui ont pour spécificité de répéter, selon l’axe de propagation de la lumière, un même motif de diffraction, certains même de canaliser la lumière selon des lignes focales. Cela leur donne des propriétés d’imageries remarquables différentes de celles des optiques conventionnelles

Design strategies to simplify and miniaturize imaging systems

International audienceWe present the range of optical architectures for imaging systems based on a single optical component, an aperture stop, and a detector. Thanks to the formalism of third-order Seidel aberrations, several strategies of simplification and miniaturization of optical systems are examined. Figures of merit are also introduced to assess the basic optical properties and performance capabilities of such systems; by this way, we show the necessary trade-off between simplicity, miniaturization, and optical performance

Texturation directe par laser femtoseconde d'une lentille de Fresnel à gradient d'indice dans un verre de chalcogénure à base de GeS2 pour des applications dans le moyen infrarouge

International audienceChalcogenide glasses have attracted growing interest for their potential to meet the demands of photonic applications in the Mid-Wavelength InfraRed (MWIR) and Long-Wavelength InfraRed (LWIR) transmission windows. In this work, we investigated the photosensitivity to femtosecond laser irradiation of a dedicated chalcogenide glass, along with its possible applications in micro-optics. In order to address the SWaP problem (Size, Weight and Power), this work took advantage of recent techniques in femtosecond laser direct writing to imprint flat and integrated optical systems. Here, we wanted to simplify an infrared multispectral imaging system which combines a lens array and a filter array. Each channel has a focal length of 7 mm and an f-number of 4. We show in this paper that the chosen GeS2-based chalcogenide glass is very promising for the fabrication of graded index optics by fs-laser writing, and particularly for the fabrication of Fresnel lenses. We note a very important phase variation capacity in this infrared material corresponding to refractive index variations up to +0.055. A prototype of Fresnel GRIN lens with a refractive index gradient was fabricated and optically characterized in the Vis range.Les verres de chalcogénure ont suscité un intérêt croissant pour leur potentiel à répondre aux exigences des applications photoniques dans les fenêtres de transmission de l'infrarouge moyen (MWIR) et de l'infrarouge lontain (LWIR). Dans ce travail, nous avons étudié la photosensibilité à l'irradiation laser femtoseconde d'un verre chalcogénure dédié, ainsi que ses applications possibles en micro-optique. Afin de résoudre le problème SWaP (Size, Weight and Power), ce travail a profité des techniques récentes d'écriture directe par laser femtoseconde pour imprimer des systèmes optiques plats et intégrés. Ici, nous avons voulu simplifier un système d'imagerie multispectrale infrarouge qui combine un réseau de lentilles et un réseau de filtres. Chaque canal a une distance focale de 7 mm et un nombre d'ouverture de 4. Nous montrons dans cet article que le verre chalcogénure à base de GeS2 choisi est très prometteur pour la fabrication d'optiques à gradient d'indice par écriture laser fs, et en particulier pour la fabrication de lentilles de Fresnel. Nous constatons une capacité de variation de phase très importante dans ce matériau infrarouge correspondant à des variations d'indice de réfraction jusqu'à +0.055. Un prototype de lentille de Fresnel à gradient d'indice de réfraction a été fabriqué et caractérisé optiquement dans le domaine Vis

Texturation par laser femtoseconde d'une lentille de Fresnel dans une lame optique pour des applications en imagerie dans le moyen infrarouge

International audienceAn important challenge in infrared imaging today consists in addressing the SWaP problem (Size, Weight and Power), for example by simplifying as much as possible the optical system before the sensor. The work presented in this paper takes advantage of recent techniques in femtosecond laser direct writing to imprint optical systems. This work aims at merging a lens array with a filter array by writing gradient index lenses with a femtosecond laser inside a dedicated glass substrate. A classical gradient index lens requires a huge refractive index variation, which cannot be reached today with femtosecond laser processing (Δnmax ~ 0,05). So, we decided to turn towards writing a gradient index Fresnel lens. A first-order Fresnel lens was designed with a Δnmax < 5.10−2 discretised into 8 index levels to guarantee a diffraction efficiency of 85% on the overall spectral bandwidth of the filters. We studied a chalcogenide glass because of his good properties in mid-IR optics. We compared the different laser responses of the material: threshold of permanent changes, quantitative phase and index variation. Finally, we showed that reaching a phase variation of π radians with femtosecond laser writing is possible even for a huge scanning speed (0,01 mm/s up to 25 mm/s). By overlapping the written lines, we were able to implement a maximum phase variation of 8 radians (with only one written layer), demonstrating the possibility to write quickly a GRIN Fresnel lens with a diameter of some millimeters.Un défi important dans l'imagerie infrarouge consiste aujourd'hui à résoudre le problème SWaP (Size, Weight and Power), par exemple en simplifiant autant que possible le système optique avant le capteur. Le travail présenté dans cet article tire parti des techniques récentes de texturation par laser femtoseconde pour créer des systèmes optiques. Ce travail vise à fusionner une matrice de lentilles avec une matrice de filtres en écrivant des lentilles à gradient d'indice avec un laser femtoseconde dans un substrat dédié. Une lentille classique à gradient d'indice nécessite une variation importante de l'indice de réfraction, qui ne peut être atteinte aujourd'hui avec une fabrication par laser femtoseconde (Δn ~ 0,05). Nous avons donc décidé de nous tourner vers l'écriture d'une lentille de Fresnel à gradient d'indice. Une lentille de Fresnel du premier ordre a été conçue avec un Δn < 5e-2 discrétisé en 8 niveaux d'indice afin de garantir une efficacité de diffraction de 85% sur la bande passante spectrale globale des filtres. Nous avons étudié un verre de chalcogénure en raison de ses bonnes propriétés optiques dans le moyen infrarouge. Nous avons comparé les différentes réponses laser du matériau : seuil de changements permanents, variation quantitative de phase et d'indice. Enfin, nous avons montré qu'atteindre une variation de phase de π radians avec une texturation laser femtoseconde est possible même pour une vitesse d'écriture très élevée (0,01 mm/s à 25 mm/s). En superposant légèrement les lignes texturées, nous avons pu mettre en œuvre une variation de phase maximale de 8 radians (avec une seule couche), démontrant la possibilité d'écrire rapidement une lentille de Fresnel GRIN d'un diamètre de quelques millimètres