Study of sub-wavelength structures for infrared imaging

Dans le domaine de l'imagerie infrarouge, on distingue deux types de technologies : les détecteurs refroidis, coûteux et très performants, et les détecteurs thermiques, bas coût et moins encombrants. Dans les deux cas le système optique associé au détecteur représente une part importante du coût total du fait de la production unitaire de lentilles et du besoin en une résolution de plus en plus importante pour suivre la diminution du pas pixel et l'augmentation du format des détecteurs. Dès lors il est intéressant d'explorer des solutions pour diminuer le coût et l'encombrement du système optique tout en maintenant ou en améliorant les performances optiques. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'intéresse à l'utilisation d'optiques sub-lambda ou métasurfaces optiques en matériau diélectrique au sein de systèmes d'imagerie infrarouge. De telles optiques sont peu encombrantes et fabriquées par des moyens issus de l'industrie de la microélectronique ce qui permet d'envisager une fabrication collective donc une diminution des coûts. Ces objets sont obtenus en structurant un substrat plan avec des motifs de taille inférieure à la longueur d'onde. La géométrie de ces motifs, dans des matériaux à forts indices de réfraction et transparents dans l'infrarouge comme le silicium, permettent de modifier les propriétés d'une onde optique : sa polarisation, sa phase, sa dispersion et la transmission. Cependant il est complexe de contrôler tout ces paramètres tout en prenant compte des limites technologiques des outils de fabrication. Ce travail s'est donc orienté vers la conception de systèmes optiques mêlant lentilles réfractives et lames sub-lambda de correction de front d'onde. Pour ce faire nous avons (i) développé un outil de simulation mêlant calculs électromagnétiques par la méthode RCWA, pour rendre compte du comportement d'une optique sub-lambda, et conception optique pour la partie réfractive. Nos optiques sub-lambda ont dès lors des dimensions millimétriques à centimétriques pour être couplées à des lentilles réfractives au sein de systèmes d'imagerie, et notre méthode permet de simuler efficacement de tels systèmes optiques. Dans un second temps nous avons (ii) développé des procédés de fabrication de prototypes d'optiques sub-lambda, notamment pour la correction d'aberration sphérique dans le LWIR (bande 8-14µm de longueur d'onde). (iii) Enfin la caractérisation de nos systèmes optiques a permis de valider notre modèle et de démontrer une forte amélioration de la FTM d'un système optique aberrant associé à une lame sub-lambda de correction de front d'onde (FTM multipliée par 3 à 25 cycles par millimètre). Nos derniers résultats montrent une amélioration sur une bande 8-12µm de nos systèmes optiques et ouvrent la voie vers la conception d'optiques sub-lambda large bande au sein de systèmes d'imagerie infrarouge.In the field of infrared imaging, there are two main types of detectors : cooled detectors, with great sensitivity but expensive, and uncooled detectors, exhibiting precise temperature measurement at moderate cost. In both technologies, the optical systems associated with the detectors represent an important part of the overall cost because of the unitary fabrication process of infrared lenses and the need of more resolved imaging system to follow the shrinkage of the pixel and the increasing array format. Thus, it is important to search for cost effective and low footprint optical solutions exhibiting a high level of performance for infrared imaging systems. In this thesis work we study how dielectric subwavelength structures, or metasurfaces, can adress these issues in infrared systems. Such devices can be made using microelectronics based collective fabrication process, which are cost effective compared to molded infrared optics. Subwavelength optics can be made with silicon, which is transparent in long wave infrared (LWIR) imaging and exhibiting a high refractive index. By designing the geometry of resonators with subwavelength dimensions, one can control light properties like its polarization, phase, transmission and dispersion. However as it is challenging to control all those parameters, even more with fabrication process limitations, we first propose to mix refractive lenses with subwavelength phase blades which correct wavefront errors. (i) We first developed a time effective simulation method mixing electromagnetic calculations with RCWA, for the subwavelength part of the optical system, and classical optical design for the refractive optics. It is worth noting that our subwavelength optics have millimetric to centimetric dimensions to be coupled with refractive lenses, and our method allows us to simulate the overall system. (ii) Then we developed the fabrication process for prototyping subwavelength optics, mainly for spherical aberration correction in LWIR imaging systems. (iii) Finally, we conducted optical characterisations of our systems to validate our model. Our subwavelength optics show an important improvement of the MTF (more than 3 times better at 25 cycles per millimeter) of an optical infrared system by correcting its spherical aberration. Our last results show a improvement of the image quality on a large bandwith (8-12µm) paving the way to large bandwidth subwavelength optics in infrared imaging systems