Bibliographie & annexes
Présentation
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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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Détecteurs thermiques résistifs
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1. Principe de la détection thermique
Deux types de détecteurs infrarouges coexistent : les détecteurs quantiques et les détecteurs thermiques.
Les détecteurs quantiques sont basés sur la mesure d'un courant généré par la création de paires électron-trou par suite de l'absorption du rayonnement infrarouge dans un matériau semi-conducteur adapté à la longueur d'onde à détecter. Les détecteurs thermiques sont quant à eux, basés sur la mesure de l'élévation de température d'un matériau absorbant le rayonnement infrarouge à détecter.
Nous ne rappellerons que brièvement le principe des détecteurs infrarouges de type quantique, ceux-ci faisant l'objet du dossier [E4060] Détecteurs infrarouges.
Historique de la détection infrarouge
Les premières expérimentations sur ce qui allait être connu comme « l'infrarouge » quelques siècles plus tard, datent du xvi e siècle. Bien que l'on connaisse depuis la plus haute antiquité l'effet de la concentration du rayonnement solaire avec des miroirs et des lentilles, c'est en effet Giovanni Battista Della Porta (1535-1615), à la fin du xvi e siècle, qui a détecté avec son visage la concentration par un miroir convexe de la chaleur issue d'une bougie et du froid issu d'un bloc de glace. C'est ensuite au début du xvii e siècle que, pour la première fois, des savants ont remplacé la sensibilité du visage ou de la main par un instrument de mesure : l'ancêtre du thermomètre à colonne de liquide. Ensuite, les expérimentations et les expérimentateurs se multiplient. Enfin au début du xix e siècle Sir Frederick William Herschel (1738 – 1822) met en évidence l'existence d'un rayonnement au delà du rouge qu'il appelle les « calorific rays » et le Comte Rumford développe une cavité noircie pour absorber les radiations, cavité toujours utilisée dans certains détecteurs (thermopile, pyroélectrique) ...
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Principe de la détection thermique
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
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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