Brevet FR2130442A1 — publié le 19721103

n 2130442 La présente invention concerne tin dispositif pour la détection de rayonnements provenant de sources mobiles. Ce dispositif comporte plusieurs éléments détecteurs sensibles au rayonnement. 5 On sait qu'un rayonnement avec des longueurs d'onde situées en dehors du domaine visible et supérieures à environ 2 à 100 JJ-, notamment comprises entre environ 5 et 10 M, peut être détecté au moyen de détecteurs-localisa-teurs à infrarouge. Les détecteurs-localisateurs sont, dans la 10 forme la plus simple, constitués par des détecteurs doubles montés électriquement en opposition et placés directement côte à côte. De tels détecteurs-localisateurs sont à même de détecter un déplacement de l'objet rayonnant, aussi bien en direction horizontale qu'en direction verticale. 15 Ces détecteurs, connus sont l'ap pellation anglaise "Tracker" ou "Seeker", comportent plusieurs photor'ésistances ou photo-éléments actifs sous la forme de secteurs de cercle, formant ensemble un disque. Les différents secteurs sont pourvus chacun de conducteurs de raccordement 20 électrique et forment des éléments détecteurs séparés. L'emploi de photorésistances dans de tels systèmes présente l'inconvénient que la longueur d'onde est limitée par le niveau de bande du semiconducteur utilisé. Pour des longueurs d'ondes relativement importantes, de tels détecteurs ne peuvent être employés 25 qu'avec un refroidissement spécial. Par exemple, si les éléments semiconducteurs utilisés sont en antimoniure d'indium,ces détecteurs peuvent alors être utilisés pour des longueurs d'ondes allant jusqu'à environ 5*5 H-, moyennant un refroidissement à l'azote. Avec des photo-éléments actifs à semiconducteur, ces 30 détecteurs ne conviennent que pour des longueurs d'onde relativement faibles. La longueur d'onde pour un semiconducteur au silicium est limitée à environ 1,1 P-, tandis que les détecteurs au germanium peuvent être utilisés pour des longueurs d'ondes allant jusqu'à environ 1,6 V>. 35 On peut aussi recourir à des détec teurs thermiques, par exemple à des thermistors. Ces détecteurs peuvent être utilisés sans refroidissement et conviennent aussi pour les grandes longueurs d'onde ; néanmoins leur constante de temps qui est d'au moins environ 10 ^ s est souvent trop îm-40 portante pour qu'ils puissent servir à la localisation. En outre 7? 09F6? 2 2130442 tous les détecteurs-localisateurs connus poux- la détection du déplacement suivant deux axes d'un objet rayonnant, et dont les différents éléments détecteurs forment un disque, présentent l'inconvénient de comporter, au centre du disque, une zone plus 5 ou moins importante ne fournissant aucun signal. Il n'est donc pas possible d'avoir, avec ces détecteurs-localisateurs connus, un signal de sortie ininterrompu lorsque l'objet rayonnant passe de droite à gauche ou de haut en bas, et inversement. La présente invention a pour but de 10 réaliser un détecteur-localisateur à infrarouge permettant sans rencontrer les inconvénients précités la détection d'un déplacement suivant deux axes d'un objet rayonnant, ce détecteur devant en outre avoir une constante de temps très faible. On connaît pour la réalisation de 15 détecteurs élémentaires, des détecteurs de rayonnement constitués d'un corps semiconducteur en antimoniure d'indium sensible au rayonnement, ces détecteurs pouvant être utilisés à la température ambiante moyennant l'emploi d'un champ magnétique. Le fonctionnement de ces détecteurs est basé sur l'effet photo-20 électromagnétique. C'est pourquoi on les connaît aussi sous l'appellation "détecteurs PEM" . De tels détecteurs, lorsque l'on emploie 1'antimoniure d'indium comme cristal détecteur, conviennent pour des longueurs d'onde allant jusqu'à environ 7 V- —8 et possèdent une constante de temps d'environ 3.10 s. Leur g __✓] /O 25 sensibilité de détection est d'environ 5«10 cm W s ' De tels détecteurs ont une faible constante de temps et un pouvoir détecteur élevé, mais ils nécessitent un champ magnétique intense qui, moyennant des dépenses faibles, ne peut être produit que dans un entrefer étroit. C'est pourquoi ces détecteurs 30 ne peuvent être utilisés sous la forme connue de disques de grande surface. On connaît en outre, par le brevet allemand 1614.570, un détecteur thermomagnétique dont le fonctionnement est basé sur l'effet Ettingshausen-Nernst induit 35 optiquement et qui est, pour cette raison, appelé "Détecteur OEN". Ce détecteur comporte un corps semiconducteur à deux phases, avec un cristal semiconducteur de composition III-V, en particulier en antimoniure d'indium InSb, contenant des précipitations eutectiques d'une deuxième phase cristalline d'un 40 matériau électriquement bon conducteur, en particulier d'anti- 72 09563 3 2130442 moniure de nickel. Les inclusions ont .avantageusement la forme d'aiguilles parallèles entre elles et perpendiculaires à la surface irradiée du cristal. Outre 11antimoniure de nickel précité, on peut également recourir à des inclusions de composés du type 5 C BV, où C est un élément du groupe Fe, Co, Ni, Or, Mn et BV un élément du 5ième groupe du système périodique des éléments. Des composés convenables sont, par exemple, 1'antimoniure de fer l'est, l'arséniure de fer FeÀs, l'arséniure de cobalt CoAs, 1'antimoniure de chrome CrSb et l'arséniure de chrome OrAs, 10 ainsi que 1 'antimoniure de manganèse HnSb. En outre, ces inclusions peuvent consister en un composé vanadium-gallium, par exemple V^Ga^, ou bien en un composé gallium-vanadium-antimoine, par exemple GaV^Sb^ . Ce détecteur OEU possède une constante de temps de 10"^ s et peut être employé pour des rayons 15 infrarouges ayant pratiquement n'importe quelle longueur d'onde. 7 —1 /? Sa sensibilité de détection est d'environ 10' cmW s ' .Le détecteur peut également être utilisé sans refroidissement, à la température ambiante. Il-est néanmoins difficile d'étendre son application à un détecteur-localisateur suivant deux axes, 20 comportant un disque constitué de plusieurs éléments détecteurs en forme de secteur, cela parce que, tout comme pour le détecteur PEM, un champ magnétique d'intensité suffisante pour assurer le fonctionnement du détecteur ne pourrait alors être obtenu que moyennant des dépenses excessivement élevées. 25 La présente invention est basée sur la constatation que ces détecteurs magnétiques, dont les caractéristiques connues sont avantageuses, permettent également de réaliser un détecteur-localisateur pour la détection suivant deux axes à condition que le rayonnement puisse être en-30 voyé à tout moment à l'un des éléments du détecteur en fonction du déplacement de l'objet rayonnant. Selon l'invention, 'ce problème est résolu par le fait que les éléments détecteurs sensibles aux rayonnements sont constitués par plusieurs corps semiconducteurs en forme de secteur de couronne circulaire, 35 formant ensemble un anneau détecteur placé dans l'entrefer d'un aimant à entrefer annulaire, et par le fait que des moyens reproduisent l'objet rayonnant, en fonction du déplacement de sa position, sur au moins l'un des secteurs de couronne circulaire. Les différents secteurs de couronne circulaire sont séparés les 40 une des autres, à leurs extrémités, par une mince couche élec 72 09563 4 2130442 triquement isolante pouvant être constituée par de l'air, et sont chacun pourvus de connexions électriques. Le rayonnement incident peut être de façon simple, envoyé sur au moins l'un des secteurs de couronne circulaire, après avoir été successi-5 vement réfléchi sur un discriminateur et une optique réfléchissante, ou optique à miroir dont les surfaces réfléchissantes sont chacune engendrées par révolution d'une section de càne. Les détecteurs de rayonnement peuvent aussi "bien être du type PEM que du type OEN. 10 Comme l'objet rayonnant est repro duit sur la surface des corps semiconducteurs non pas sous forme d'un point, mais d'une tache fortement étalée, notamment dans le sens azimutal, l'incidence du rayonnement sur la fin de l'un des corps sèmiconducteurs, ou bien immédiatement avant 15 cette fin, sera accompagnée de l'incidence d'une partie du rayonnement sur le commencement du corps semiconducteur voisin. Les secteurs de couronne circulaire opposés les uns aux autres à la périphérie de la couronne circulaire peuvent être avantageusement montés électriquement en opposition. Ce mode de mon-20 tage présente l'avantage de ne nécessiter qu'un seul canal de transmission pour le signal de sortie en vue de l'identification d'un déplacement de l'objet rayonnant suivant un axe. Dans le cas où l'objet rayonnant se déplace perpendiculairement à l'axe optique, lequel est identique à l'axe de révolution de 25 l'aimant à entrefer annulaire, l'image de l'objet rayonnant passe également de la surface de l'un des corps semiconducteurs à celle du corps semiconducteur opposé. Avec le dispositif selon l'invention, il ne peut y avoir de zone morte lors du passage du signal de sortie du sens positif au sens négatif et in-30 versement, car le rayon de courbure dé la pointe du discriminateur peut être rendu plus court que le diamètre de l'image qu'un objectif amont donne de l'objet rayonnant. Dans le cas où les rayons arrivent parallèlement sur l'objectif, le diamètre de l'image est déterminé par la tache de diffraction engendrée 35 par la pupille d'entrée. Comme discriminateur, on peut utiliser un cône dont l'axe de révolution coïncide avec l'axe optique et dont la pointe est dirigée vers le rayonnement incident. Le rayonnement sera alors d'abord réfléchi par le cône, 40 puis par l'optique à miroir dont la surface a la forme d'un 72 0956â 5 2130442 ellipsoïde. L'ensemble de l'un des foyers de l'ellipse génératrice fonne une couronne focale sur les secteurs de couronne circulaire, et le deuxième foyer de cette ellipse génératrice se trouve sur la pointe du cône. Dans un mode de réalisation 5 particulier de l'invention, l'ensemble des deuxièmes foyers forme également, au voisinage de la pointe du discriminateur, line couronne focale qui est perpendiculaire et concentrique à l'axe optique. Le discriminateur et l'optique à miroir peuvent avantageusement être dimensionnés de telle façon que le rapport 10 du diamètre de la couronne focale au voisinage de la pointe du discriminateur , au diamètre de la couronne semiconductrice soit d1environ 1 : 10. La couronne focale au voisinage de la pointe du discriminateur peut aussi bien se trouver sur la surface du discriminateur qu'à une distance prédéterminée de cette surface. 15 Pour projeter le rayonnement sur la couronne semiconductrice, on peut également recourir à un discriminateur et à une optique à miroir dont les surfaces de réflexion ont chacune la forme d'un paraboloïde. En outre, la surface réfléchissante du discriminateur peut avoir la forme d'un 20 hyperboloïde, et la surface réfléchissante de l'optique à miroir la forme d'un ellipsoïde. Dans ces modes de réalisation, les génératrices du discriminateur et de l'optique à miroir sont des sections de cône cofocales, de sorte que l'optique à miroir forme, sur la plus petite couronne focale, au voisinage de la poin-25 te du discriminateur, l'image de la couronne focale se trouvant à la surface du corps semiconducteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la icture de l'exemple non limitatif suivant, décrit en se référant au dessin annexé, sur 30 lequel : la figure 1 représente schématique-ment l'agencement des éléments détecteurs en forme de secteur de couronne circulaire d'un détecteur selon l'invention : la figure 2 est une coupe axiale 35 d'un détecteur selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté, dans l'entrefer d'un aimant à entrefer annulaire 2 pouvant être réalisé d'une façon connue en soi, quatre éléments détecteurs de rayonnement 4- à 7 en forme de secteur de couronne circulai-40 re, lesquels sont ainsi traversés par un champ magnétique radial. 72 09563 b 2130442 Entre les extrémités des différents sectoors sont agencées des minces couches intermédiaires 9 à 12 électriquement isolantes que, pour plus de clarté» on a représenté quelque peu agrandies, cet agencement étant réalisé de telle façon que les élé-5 ments ou corps semiconducteurs 4 à 7 forment, avec les couches isolantes 9 à 12, une couronne circulaire. Les secteurs respectivement opposés à la périphérie de la couronne sont montés électriquement de telle façon que le conducteur de raccordement relié à line extrémité de l'élément semiconducteur 4 reçoive un 10 signal positif ou négatif en cas de déviation respectivement dans le sens Y positif ou Y négatif, ce signal étant disponible à une borne de sortie 14. De la même façon, les éléments semiconducteurs 5 et 7 sont montés de telle façon que soit formé, sur le conducteur de connexion de l'élément semiconducteur 5 15 un signal disponible sur une borne de sortie 15, ce signal ayant un signe positif ou négatif selon que la déviation du rayonnement incident a lieu dans les sens X positif ou négatif. Chacun des éléments semiconducteurs 6 et 7 a l'une de ses extrémités connectées au potentiel zéro par une borne 16 ou 17 respective» 20 ment. Les signes des deux signaux de sortie aux bornes 14 et 15 indiquent ainsi le sens de la déviation latérale de l'objet rayonnant par rapport à l'axe optique. Les signaux de sortie aux bornes 14 et 15 peuvent, de façon connue, être utilisés comme grandeur de réglage pour un dispositif de poursuite. Ce dis-25 positif de poursuite fait tourner la tête de mesure avec le dispositif selon l'invention, selon la déviation de l'objet rayonnant dans la direction X et/ou Y, jusqu'à ce que les deux signaux soient nuls. L'importance de cette rotation constitue a-lors une mesure de la déviation angulaire de l'objet rayonnant 30 non représenté sur la figure par rapport à l'axe optique avant le mouvement de poursuite. Le dispositif selon l'invention permet donc de connaître non seulement la direction du changement de lieu d'un objet rayonnant, mais encore la grandeur de la déviation correspondante. 35 Sur la figure 2, on a représenté par des flèches le rayonnement provenant d'un objet non représenté et envoyé par un objectif qui est symbolisé par une lentille 20, mais qui peut tout aussi bien être un objectif à miroir, sur un discriminateur 22 dont la surface de réflexion a 40 la forme d'un cône et dont la pointe se trouve sur l'axe optique 72 09563 7 2130442 représenté en trait mixte. Le cône du discriminateur est relié par un support 23 à l'aimant à entrefer annulaire 2. Le rayonnement, après réflexion par le discriminateur 22, parvient, a-près une autre réflexion à la surface d'une optique à miroir 24 5 sur la surface d'une couronne semiconductrice 26 formée, selon la figure 1, de détecteurs individuels 4 à 7 isolés électriquement les uns par rapport aux autres et ayant la forme de secteurs de couronne circulaire. Ces détecteurs sont agencés sur un support annulaire 28 dans l'entrefer de l'aimant 2, lequel ai-10 mant peut être du type à entrefer annulaire employé pour les haut —parleurs. Le support 28 est en un matériau électriquement isolant, avantageusement en céramique. Les conducteurs de raccordement allant aux "bornes 14 et 15 passent par un perçage correspondant pratiqué dans le fond de 1'aimant 2 et par une 15 ouverture dans le "boîtier 30 de l'aimant 2. Les espaces intermédiaires 32 et 34 dans le boîtier 30 et dans l'aimant 2 peuvent être avantageusement remplis d'une résine coulée. L'optique à miroir 24, dont la surface réfléchissante, dans le présent exemple, a la forme d'un ellipsoïde, est agencée dans une 20 coiffe 31 vissée sur le boîtier 30 de l'aimant et pourvue d'une ouverture appropriée pour l'entrée du rayonnement incident. On a également représenté, sur le fond du boîtier 30, les deux bornes de raccordement 16 et 17 qui peuvent être au potentiel zéro dans le circuit électronique pour les signaux reçus. 25 L'ellipse génératrice de l'optique à miroir 24 est déterminée par la position de l'un de ses foyers, à la distance E de l'axe optique, sur la surface de la couronne de détecteurs 26, et par la position de son autre foyer qui peut se trouver à la pointe du cône 22. 50 L'ensemble des foyers sur la cou ronne de détecteurs 26 constitue ici un cercle focal de rayon E. Le grand axe de l'ellipse peut être avantageusement choisi égal à la somme du rayon E du cercle focal et de la distance h séparant le foyer se trouvant à la pointe du cône 22, du plan du-35 dit cercle focal. Qrâce à cette disposition, le rayon principal H arrivant parallèlement à l'axe optique tombe perpendiculairement sur la couronne de détecteurs 26, comme représenté en trait interrompu sur la figure. La forme et 1'agencement du discri-40 minateur 22 associé à l'optique à miroir 24 peuvent être avant a- 72 09563 8 2130442 geusement choisis de façon telle que le cercle focal formé à la surface de la couronne semiconductrice 26 soit reproduit par l'optique à miroir 24 au voisinage de la pointe du discriminateur 22. Cela permet d'obtenir, pour un angle prédéterminé formé avec l'axe optique, par le rayonnement incident, la netteté optimale de l'image reproduite sur le plan situé à une distance h. de la couronne semiconductrice 26. On peut donc ainsi capter également des rayonnements arrivant selon une direction d'incidence s'écartant notablement de l'axe optique. En utilisant un cône 22 comme discriminateur (comme représenté sur la figure 2), ce cercle focal de rayon r peut avantageusement se trouver sur la surface latérale du cône. Le rapport du rayon R du cercle focal à la surface de la couronne semiconductrice 26 au rayon r du cercle focal à la surface du cône peut 8tre avantageusement de l'ordre de 10 : 1. Si la génératrice de la surface réfléchissante du discriminateur est une parabole ou une hyperbole, ce cercle focal ne se trouve pas sur la surface réfléchissante. 72 09563 9 2130442 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la détection de raycns provenant d'une source mobile, avec plusieurs éléments détecteurs sensibles au rayonnement, caractérisé par le fait que les éléments détecteurs sensibles au rayonnement sont constitués par des corps semiconducteurs en forme de secteur de couronne circulaire constituant un anneau de détecteurs dans l'entrefer d'un aimant à entrefer annulaire, et par le fait que des moyens sont prévus pour reproduire , en fonction du déplacement de la 10 source de rayonnement, l'objet rayonnant sur au moins l'un des secteurs de couronne circulaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rayonnement est envoyé par un discriminateur et par une optique à miroir dont les surfaces de 15 réflexion sont engendrées par la révolution de section de cône, sur au moins l'un des secteurs de couronne circulaire de l'anneau de- détecteurs. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la surface réfléchissante du discri- 20 minateur a la forme d'une surface latérale de c8ne et que la surface réfléchissante de l'optique à miroir a la forme d'un ellipsoïde. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le grand axe de l'ellipse généra- 25 trice de la surface réfléchissante de l'optique à miroir est égal à la somme de la distance comprise entre l'un de ses foyers, se trouvant à la surface de l'anneau de détecteurs, et le centre de cet anneau, et de la distance comprise entre son deuxième foyer, se trouvant à la pointe du cône, et le plan de 30 la surface irradiée de l'anneau de détecteurs. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le cercle focal constitué par l'ensemble des foyers à la surface de l'anneau de détecteurs est reproduit, par l'optique à miroir, au 55 voisinage de la pointe du discriminateur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la distance comprise entre le foyer se trouvant au voisinage de la pointe du discriminateur et l'axe optique est environ l/10ème de la distance comprise entre 40 le foyer se trouvant à la surface de l'anneau de détecteurs et 72 09563 10 2130442 l'axe optique. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que là surface réfléchissante du discriminateur a la forme d'un hyperboloïde, et que la surface ré- 5 fléchissante de l'optique à miroir /La forme d'un paraboloïde cofocal. 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes du discriminateur et de l'optique à miroir ont chacune la forme 10 d'un paraboloïde. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les corps semiconducteurs sont en un matériau semiconducteur convenant pour l'exploitation de l'effet photo-électromagnétique. 15 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les corps semiconducteurs sont en un matériau semiconducteur convenant pour l'exploitation de l'effet Ettingshausen-Nernst induit optiquement. 20 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les corps semiconducteurs sont en un matériau semiconducteur dont le cristal comporte des précipitations eutectiques d'une deuxième phase cristalline "bonne conductrice de l'électricité, ces précipitations étant agancées 25 parallèlement entre elles et perpendiculairement à la surface irradiée des corps semiconducteurs. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les corps semiconducteurs sont en antimoniure d'indium (InEb) et les précipitations en antimoniu- 30 re deni€kel (NiSb).