Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L'imagerie infrarouge a connu une véritable révolution avec le développement et la mise à disposition du marché civil de matrices de détection infrarouge non refroidies, jusque-là réservée aux domaines militaire, spatial et civil de haut de gamme. Le développement des technologies de la microélectronique sur silicium a permis la réalisation de matrices de détection non refroidies de plus en plus performantes, à des prix de revient bien inférieurs à ceux accessibles aux détecteurs refroidis. Ces progrès ont ouvert la voie à l'imagerie infrarouge pour le civil et à l'accroissement des quantités pour le militaire. Les principes de base de la détection infrarouge en non refroidi, ainsi que la fabrication de ces détecteurs sont décrits, et leur utilisation dans une caméra est abordée.
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Infrared imaging has undergone a true revolution with the development and the placing on the civil market of the uncooled infrared detectors, hitherto reserved for upscale military, space and civil activities. The development silicon microelectronics has allowed for the manufacture of increasingly efficient uncooled detectors, which are much cheaper than cooled detectors. These advances have paved the way for the use of infrared imaging in the civil sector and increasing quantities for military use. The basic principles of uncooled infrared detection and the manufacture of these sensors are described, as well as their use in a camera.
Auteur(s)
-
Jean-Luc TISSOT : Directeur technique et directeur de la division marketing, ULIS
INTRODUCTION
L'imagerie infrarouge a connu depuis le début des années 1990 une véritable révolution avec le développement et la mise à disposition du marché civil de matrices de détection infrarouge non refroidies. Jusque là, l'utilisation de l'imagerie infrarouge était réservée aux domaines militaire, spatial et civil de haut de gamme. En effet, les seuls détecteurs disponibles étaient basés sur une détection de type quantique qui nécessite un matériau semi-conducteur dont la largeur de bande interdite est adaptée à la longueur d'onde à détecter comme l'est le silicium pour la détection dans le domaine du visible. Dans le cas de l'infrarouge, les énergies à détecter sont plus faibles (environ 0,1 eV pour la bande spectrale centrée à une longueur d'onde de 10 µm) et donc la bande interdite du matériau semi-conducteur doit être de 0,1 eV ou 100 meV. Cette faible énergie fait qu'à la température ambiante le courant photonique généré dans la structure de détection (photodiode) est complètement masqué par le courant thermique. La seule solution est alors de recourir au refroidissement du photodétecteur pour diminuer le courant d'origine thermique jusqu'à une valeur qui permet la lecture du courant photonique. Ces contraintes (matériau semi-conducteur de faible largeur de bande interdite et machine de refroidissement) font que les détecteurs infrarouges de type quantique sont chers à développer et à produire et chers à utiliser.
En revanche, la détection thermique, basée sur la mesure de l'élévation de température d'un matériau absorbant le flux infrarouge incident, ne nécessite plus de refroidissement pour fonctionner. La difficulté est alors d'intégrer les fonctions nécessaires à ce type de détection dans des pixels suffisamment petits pour réaliser des rétines à deux dimensions de taille raisonnable, adaptées aux applications d'imagerie. Ce sont les développements des technologies de la microélectronique sur silicium qui ont permis, en levant ces difficultés, cette révolution de l'imagerie infrarouge.
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Principes de fabrication
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5. Principales caractéristiques des détecteurs non refroidis
La 1 met en évidence, quel que soit le principe utilisé pour le détecteur thermique, les deux paramètres essentiels que sont l'isolation (ou résistance) thermique Rth et la masse (ou capacité) calorifique Cth de l'ensemble constitué de l'absorbeur et du thermomètre. Ces paramètres déterminent l'élévation de température de l'absorbeur et donc la valeur du signal délivré par le thermomètre, et la vitesse de réponse à un flux infrarouge variable.
Par ailleurs, les paramètres électro-optiques les plus employés pour caractériser les détecteurs non refroidis développés pour l'imagerie sont la NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), en millikelvins, et la réponse en mV (variation de la température de scène). Ces paramètres sont normalisés pour une ouverture optique de f/1, une fréquence trame voisine de 30 Hz et un fond ambiant à 300 K. Notons que la notion de détectivité normalisée (D*), habituellement utilisée pour les détecteurs infrarouge refroidis, est peu utilisée pour les détecteurs non refroidis car leur bruit dominant est le bruit basse fréquence qui ne peut pas être normalisé à la dimension du pixel (cf. § 6.1.3).
5.1 Constante de temps thermique
Le temps de réponse d'une structure telle que celle représentée 1, est gouverné par la masse calorifique Cth (en J/K) des éléments absorbeur et thermomètre, ainsi que par leur isolation thermique Rth (en K/W) selon la formule suivante :
( 14 )
Le temps de réponse de la structure doit être compatible avec la fréquence de lecture utilisée pour l'application visée. En effet, la constante de temps τ fixe la...
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Principales caractéristiques des détecteurs non refroidis
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PUTLEY (E.H.) - History of infrared detection – Part I, The first detector of thermal radiation, - Infrared Phys. Vol. 22, pp. 125-131 (1982).
-
(2) - DAVIES (T.) - The history of near infrared spectroscopic analysis..., - Analysis magazine 26, no 4, M17-M19 (1998).
-
(3) - HERSCHEL (W.) - Phil. Trans. Roy. Soc.London, - Part II, pp. 284-292 (1800).
-
(4) - * - [http://coolcosmos.ipac.caltech.edu]
-
(5) - BERTRAND (F.), TISSOT (J.L.), DESTEFANIS (G.) - Second generation cooled infrared detectors state of the art and prospects, - 4th International workshop on advanced infrared technology and applications, Florence – Italie, 15-16 septembre 1997.
-
(6) - HOOGE (F. N.) - 1/f noise sources, - IEE Transaction on electron devices, Vol. 41, no 11 (Nov....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Détecteurs infrarouges
-
Radiométrie et sources non cohérentes
SPIE Defense, Security & Sensing. Conférence, cours et salon.
A lieu tous les ans aux États-Unis en avril). [ http://www.spie.org]
SPIE Security + Defence Europe, Conférences, cours et salon.
A lieu tous les ans en Europe. [ http://www.spie.org]
Journées d'Études THERMOGRAM [ http://www.institut-thermographie.com]
QIRT (Quantitative infrared thermography)
HAUT DE PAGE
Il faut distinguer, d'une part, le nombre réduit des développeurs de technologies de détection infrarouge en non refroidi et, d'autre part, le nombre important de fabricants de systèmes ou caméras basés sur ces détecteurs. Cet encadré donne un aperçu des acteurs impliqués dans le développement des technologies de détection en non refroidi. Le marché s'approvisionne auprès de ces acteurs, en détecteurs ou en modules (détecteur + électronique de mise en œuvre) pour réaliser des systèmes infrarouges.
Les développements en détection infrarouge « non refroidi » ont été initiés principalement aux États-Unis et en Grande-Bretagne.
Des travaux ont en effet été menés aux États Unis depuis le début des années 1980 chez Honeywell qui a développé une filière...
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