Le projet Teravis entre l’UCA et le CEA a pour but de développer un système de vision multispectral innovant qui intègre des capteurs de vision couleur, proche infrarouge et térahertz (THz). Ce projet vise à répondre à la problématique d'acquisition d'informations complémentaires et précises à partir de différentes longueurs d'onde, permettant ainsi de détecter des détails invisibles à l'œil nu et d'obtenir une meilleure compréhension des objets et des matériaux.
En combinant les images obtenues par ces différents capteurs, le projet Teravis cherche à mettre au point des techniques de fusion d'images multispectrales, permettant de maximiser l’analyse sémantiques d’une scène donnée. Cela ouvre de nombreuses possibilités d'applications dans des domaines tels que la santé, le contrôle industriel, la sécurité alimentaire et d'autres domaines où la détection et l'identification précises des objets ou des caractéristiques sont essentielles. De manière plus détaillée voici quelques-unes des problématiques auxquelles le projet Teravis cherche à apporter des solutions :

1. Manque d'informations détaillées : Les images couleur standard (RVB) fournissent des informations limitées sur la scène observée. En ajoutant des bandes spectrales supplémentaires, Teravis cherche à obtenir plus d'informations sur les objets et les matériaux.
2. Applications médicales : L'imagerie THz offre la possibilité de voir à travers des tissus biologiques sans utiliser de rayons X.
3. Contrôle industriel non destructif : L'imagerie THz peut être utilisée pour le contrôle non destructif dans l'industrie, permettant d'inspecter les matériaux et les structures sans les endommager.
4. Sécurité alimentaire : L'imagerie multispectrale peut être utilisée pour détecter la présence de moisissures, de contaminants ou d'autres problèmes dans les aliments. Ce dernier point a d’ailleurs été largement motivé par une lettre de soutien de « Cereal Valley » qui voit dans cette technologie de nombreux avantages pour l’agro-alimentaire.

Les objectifs initiaux du projet Teravis étaient :

1. Développement d’un circuit microélectronique pour la perception dans le terahertz
2. Conception d’une caméra intelligente permettant d’intégrer le capteur terahertz et des capteurs visible et IR
3. Etudier des techniques de fusion d’information entre ces différentes modalités pour l’élaboration de sémantique de scènes.

Avancement du projet/résultats obtenus

Le projet Teravis s’est déroulé de Septembre 2018 à juin 2023. Dès le début du projet, il a été décidé de mener en parallèle les activités « TeraHertz » (tâche 2 de la soumission) et la conception de la caméra et de l’architecture de calcul (tâche 3 et 4 de la soumission). Dans la suite de cette section, nous présentons de manière scindée les tâches 2 et 3/4 :

Développement du circuit microélectronique THz (Resp. CEA leti)

Le cœur de cette partie est la conception, le design et le test du circuit « silicium ». Ce circuit intégré réalisé en technologie CMOS représente la partie perception Terahertz du projet.

Le projet nous a permis de financer la fabrication du circuit THz qui a été envoyé en fabrication en juin 2022 et est revenu pour test en février 2023. Ce Circuit prototype, fabriqué en technologie CMOS 130nm, contient une matrice de 15x15 pixels THz réparties en 16 sous matrices de 3x3 pixels, plus une matrice de 9x9 pixels. Il a pour but de déterminer lequel de ces 16 pixels est le plus efficace. En effet, à ces fréquences très élevées (0.3THz ici), les outils de simulation actuels ne nous permettent pas d’obtenir des résultats suffisamment précis pour nous projeter sur la fabrication d’un seul pixel avec un facteur de confiance élevé. Il nous faut donc passer par ce genre de prototype pour valider l’approche.

Circuit THz « ITHAC ». A gauche, la répartition des différents pixels à tester et à droite une photo du circuit fabriqué

L’électronique du pixel est montrée ci-dessous. Chaque pixel contient deux parties : une partie de détection (antenne + NMOS) et une partie de traitement du signal embarqué. Cette dernière se retrouve dans chaque type de pixels, seule la partie détection varie d’un pixel à l’autre (variation du type d’antenne et du type de NMOS utilisés). La vue « Layout » présente ci-dessous le pixel tel qu’envoyé en fabrication. Ce pixel est carré de 200µm de côté. L’antenne est constituée des niveaux métalliques les plus haut disponibles. Le pixel contient une centaine de transistors, ce qui en fait un circuit analogique complexe à concevoir et à tester. Il a été optimisé pour un fonctionnement à 0.3THz, fréquence de travail qui est très intéressante dans des cadres applicatifs tels que la santé ou le contrôle industriel.

Schéma du pixel THz. A gauche, le schéma bloc et à droite une image du dessin « Layout » du pixel

A cette fin, nous avons également ajouté dans le circuit un pixel de test qui ne contient pas d’antenne et dont les sorties de chaque sous blocs sont disponibles. Cela est indispensable pour paramétrer correctement chaque sous bloc, vérifier leur bon fonctionnement et mesurer leurs performances. Ce test est fait sur une paillasse électronique standard.

Environnement de test électrique du circuit ITHAC

Ces mesures sont encore en cours à l’heure actuelle. Nous prévoyons une fin de test pour la fin du mois. Il s’en suivra une mise en place dans notre environnement THz qui nous permettra de caractériser la réponse de chaque pixel soumis à un faisceau THz de 0.3THz. Ceci fait, nous pourrons sélectionner le meilleur pixel qui sera dans un futur proche utilisé pour la conception d’une matrice de démonstration de dimension beaucoup plus élevée (32x32 ou 64x64 pixels). Ce pixel devrait nous permettre de réaliser à nouveau des images comme celle présentée ci-dessous par la méthode du scanning (le pixel est déplacé millimétriquement afin de scanner la scène qui nous intéresse), mais avec une sensibilité attendue nettement meilleure qu’avec le pixel d’ancienne génération utilisé pour les images ci-dessous.

Images THz par la méthode de scan Les stries liées à la fabrication du couteau céramiques sont bien visibles et pourraient être vérifiés. Le scan des feuilles permet de montrer, grâce à l’absorption des ondes THz par l’eau, le taux d’humidité de chaque feuille (la plus humide au centre, la plus sèche à droite)

 
Cette augmentation de sensibilité nous permettra d’utiliser des sources d’illumination THz moins puissante et beaucoup moins encombrante (à base de laser dans le cas ci-dessus). Ces sources électroniques, en cours de développement par ailleurs, compactes et peu consommantes, associées à notre futur détecteur matriciel nous permettrons de proposer le premier système de vision THz complet, compact et portable et de l’utiliser pour la prospection de domaines applicatifs pertinents afin de permettre une montée en TRL de notre système et une industrialisation à terme.

Conception de la smart caméra et architecture de calcul (Institut Pascal)

La conception de la smart caméra était originellement imaginée en un bloc unique. Pour des raisons technologiques (compatibilité entre les capteurs d’images, hétérogénéité des modules électroniques…) il a été décidé de traiter chaque modalité de manière séparée. Dans premier temps, nous avons donc lancer la conception de la modalité thermique LWIR (Long Wave Infra-Red). Ce premier bloc a été réalisé en collaboration avec l’entreprise régionale Sma-RTy et a permis la réalisation d’une première caméra thermique intelligente basée sur un capteur d’image thermique de chez Lynred (Grenoble). Cette caméra a été associée à une caméra visible et des premiers travaux de recalage visible/thermique ont été réalisés.
La caméra LWIR développée se manifeste sous la forme suivante :

Vue extérieure de la caméra thermique (LWIR) et circuit électronique réalisé

De manière complémentaire à cette caméra thermique LWIR, nous avons aussi conçu une caméra SWIR (Short Wave Infra-Red) permettant de percevoir des longueurs d’onde plus proche du visible. Le SWIR est relativement utile en agroalimentaire car il permet de faciliter la classification de denrées abimées mal récoltées.

Image pris dans le spectre visible et SWIR

Un autre applicatif du SWIR est sa possibilité de « voir » à travers de la fumée

Comparatif Visible classique et SWIR (Source : Kowa lenses)

L’électronique de caméra SWIR intégre un capteur Lynred et se manifeste sous la forme suivante :