Présentation
EnglishRÉSUMÉ
Les plans focaux sont les techniques de caractérisation des détecteurs infrarouges matriciels. A ce jour, différentes filières de détection (thermique ou quantique) s'offrent au concepteur de systèmes infrarouges. Cet article s'efforce d'apporter une aide dans le choix des différents composants du marché. L'évaluation des performances électro-optiques de ces détecteurs est nécessaire et permet de renseigner un modèle capteur. Les techniques de caractérisations électro-optiques des plans focaux infrarouges sont ensuite largement exposées (matériel, détermination du point de fonctionnement, mesure de la réponse spatiale...).
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Nicolas GUÉRINEAU : Ingénieur Supoptique, docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
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Riad HAIDAR : Ingénieur Supoptique, docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
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Sylvie BERNHARDT : Ingénieur Supoptique, docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
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Isabelle RIBET-MOHAMED : Ingénieur Supoptique, docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
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Marcel CAES : Docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
INTRODUCTION
Dans ce dossier sont traitées des techniques de caractérisation des détecteurs infrarouges matriciels, appelés plans focaux infrarouges. Durant la dernière décennie, les technologies de ces détecteurs infrarouges n’ont cessé de progresser et atteignent aujourd’hui une maturité industrielle qui permet la production de grands formats (320 × 240 pixels, 640 × 512 pixels) à des coûts de plus en plus accessibles. Aujourd’hui, différentes filières de détection (thermique ou quantique) s’offrent au concepteur de systèmes infrarouges.
Dans la première partie de ce dossier, s’adressant en priorité à l’ingénieur qui doit concevoir un système infrarouge, un état de l’art de ces technologies est présenté. Pour une application donnée, le concepteur doit effectuer un choix entre différents composants du marché. Pour cela, une évaluation des performances électro-optiques de ces détecteurs est nécessaire. Pour cette phase d’évaluation, on peut se contenter de données commerciales ou publiées des constructeurs. Mais un travail de compilation de ces informations est alors indispensable pour comparer les performances des différents candidats face aux niveaux de performances requis par l’application. On verra que cette phase de compilation consiste à renseigner un « modèle capteur ». Une fois alimenté, ce modèle permet de prédire les performances du capteur pour des conditions d’utilisation imposées (niveaux de flux, temps d’intégration, bande spectrale, etc.). On présente le modèle capteur des principales filières de détection (thermiques ou quantiques).
La deuxième partie est dédiée à l’exposé des techniques de caractérisations électro-optiques des plans focaux infrarouges et s’adresse à tout expérimentateur, qu’il soit utilisateur, expert ou technologue. Pour l’utilisateur, la phase de caractérisation permet de recaler le modèle capteur par quelques points de test, afin de vérifier le bon fonctionnement du capteur et les performances annoncées par le constructeur.
Pour l’expert, les caractérisations électro-optiques constituent un poste lourd qui nécessite l’établissement de protocoles de mesures, l’acquisition de bancs de test étalonnés, le développement d’électroniques dédiées aux mesures et le traitement de données expérimentales volumineuses. En effet, un plan focal infrarouge échantillonne une scène suivant plusieurs dimensions (spatiale, radiométrique, temporelle et spectrale) avec des résolutions associées qu’il faut évaluer et ce pour des conditions d’utilisation qui changent avec l’application. Pour le technologue, l’enjeu est de développer des prototypes de détecteurs complexes aux performances extrêmes (matrices mégapixels, multispectrales,…). Dans ce cas, des caractérisations fines sont très utiles et permettent de restituer des paramètres technologiques à partir du composant final.
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Présentation
2. Caractérisations
2.1 Matériel nécessaire
Ce paragraphe est consacré à la présentation d’éléments clés nécessaires à la mise en œuvre et à la caractérisation d’une matrice de détecteurs infrarouges. Dans un premier temps, on décrit l’environnement direct de la matrice qui se compose du cryostat (dans le cas des détecteurs refroidis), de l’électronique de proximité et du système d’acquisition. Vient ensuite l’instrumentation mise en œuvre pour l’étalonnage radiométrique du détecteur, qui se construit autour de sources de référence de rayonnement infrarouge. Les autres éléments d’un banc de test, décrits dans le reste de ce paragraphe, dépendent alors du type de caractérisation, des spécificités de l’application (par exemple : imagerie active ou radiométrie très faible flux) et des particularités du composant (conditionnement dans un cryostat opérationnel ou dans un cryostat de laboratoire, température de fonctionnement, gamme spectrale…).
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Dans le cas de la détection infrarouge, les photons à détecter ont une énergie comparable à l’énergie d’agitation thermique dans le matériau si celui-ci fonctionne à température ambiante. Cela implique qu’un détecteur fonctionnant à température ambiante s’éblouit lui-même. Ce problème est résolu en refroidissant le détecteur. Plus la longueur d’onde de coupure d’un détecteur est élevée, plus celui-ci doit être refroidi.
Ainsi, les matrices HgCdTe fonctionnent typiquement à 90 K pour une longueur d’onde de coupure de 5 µm et à 77 K pour une longueur d’onde de coupure de 9 µm.
La température des détecteurs influence directement leurs performances : courant d’obscurité, longueur d’onde de coupure, réponse (suivant la filière technologique considérée). Il est donc impératif de bien stabiliser la température du plan focal, surtout pour des composants de longueur d’onde de coupure élevée. En outre se pose le problème de l’uniformité de température de la matrice et de la...
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Caractérisations
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PAJANI (D.) - Thermographie. Principes et mesure. - Techniques de l’Ingénieur R 2 740 Mesures physiques, sept. 2001.
-
(2) - PAJANI (D.), AUDAIRE (L.) - Thermographie. Technologies et applications. - Techniques de l’Ingénieur R 2 741 Mesures physiques, sept. 2001.
-
(3) - * - Dossier Vision IR : du composant à l’image. Comptes-Rendus Académie des Sciences, Physique, Tome 4 déc. 2003.
-
(4) - GAUSSORGUES (G.) - Détecteurs infrarouges. - Techniques de l’Ingénieur E 4 060. Électronique, sept. 1996.
-
(5) - AUDAIRE (L.) - Détecteurs de rayonnement optiques. - Techniques de l’Ingénieur R 6 450 Mesures mécaniques et dimensionnelles, déc. 2000.
-
(6) - TISSOT (J.-L.) - * - Opto-electronics...
NORMES
-
Thermographie infrarouge. Vocabulaire relatif à la caractérisation de l’appareillage. Décembre 1991. - NF A 09-400 -
-
Thermographie infrarouge. Caractérisation de l’appareillage. Avril 1993. - NF A 09-420 -
-
Thermographie infrarouge. Méthodes de caractérisation de l’appareillage. Décembre 1994. - NF A 09-421 -
-
Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie. Décembre 1994. - NF X 07-001 -
-
Grandeurs et unités. Rayonnements électromagnétiques et optiques. Décembre 1993. - NF X 02-206 -
ANNEXES
1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
(liste non exhaustive)
HAUT DE PAGE1.1 Constructeurs français de plans focaux IR
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Filière MCT et µbolo : CEA/LETI Grenoble
https://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti
Filière multipuits quantiques : Thales R&T Francehttp://www.research.thalesgroup.com/optic_and_optronic_solutions/infrared_detection.htm
HAUT DE PAGE1.3 Fournisseurs de matériel de caractérisation
1.3.1 Corps noirs, collimateurs, spectromètres
Bruker Optics
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