Brevet FR2294435A1 — publié le 19760709

La présente invention concerne un appareil détecteur de rayonnements visibles et infrarouges - et plus particulièrement des dispositifs mécaniques optiques et électroniques propres à utiliser les bolomètres , qui sont des composants de grande sensibilité , et à tirer le meilleur parti de leurs propriétés . Dans les dispositifs connus de ce genre , qui sont utilisés pour connaitre à distance la température d'un objet , par éxemple celle d'un four , ctest le pyromètre à disparition de filament qui est le plus répandu : on porte un filament au rouge , par le passage d'un courant électrique . C'est quand à la vise , le filament se confond avec l'objet , que la tem pérature est détectée par la connaissance du courant échauffant le filament . Un tel dispositif manque de précision , parcequ' il dépend du jugement personnel de l'observateur , qui , à vue détecte l'instant où le filament se confond avec l'objet .Mais aussi un tel dispositif ne permet de détecter les températures que des objets rayonnant dans le spectre visible On connait aussi d'autrEs dispositifs qui utilisent des composants sensibles , sur lesquels on fait arriver le rayonnement provenant de l'objet -dont on veut connaitre la tewpéra- ture . Mais ces dispositifs utilisent des cellules au sulfure de plomb , travaillant dans des gammes de température étroites. L'appareil suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients . Si on vise l'obJet dont on veut détecter à distance la température , on fait une mesure de son rayonnement , indépendante du jugement de l'observateur , et ceci dans une gamme de température extrèmewent étendue , depuis des valeurs au dessous du zéro centigrade , jusqu'à des températures très élevées et sans limite , puisque le domaine spectral de sensibilité du bolomètre est illimité , notamment dans l'infrarouge. L'appareil détecteur de rayonnements visibles et infrarouges , objet de la présente invention , est illustré sur la figure 1 , pour ses parties mécaniques et optiques Cet appareil a d'abord pour objet de concentrer le rayonnement provenant de l'objet , dont on veut connaitre la température , sur un bolomètre , dont on peut définir le principe comme une résistance électrique variable avec la températue , dépendant donc de l'énergie de rayonnement absorbée Il est constitué par une lame mince de matériau hermistance déposé sur un substrat très mince thermiquement et électriquement isolant .L'absorption du rayonnement à déceler provoque une élevation de température de la thermistance , ce qui entraine une diminution de la résistance Le bolomètre (1) est fixé sur un support (2) toujours à la même température - environ 452C Il reçoit le rayonnement réfléchi par le miroir (3) parabolique , et revêtu d'une couche d'or , de façon à ce que son spectre de refléxion soit très étendu dans l'infrarouge Ce miroir (3) est solidaire d'un équipage mobile (4) , actionné par la manette (5) de façon à assurer la mise au point sur l'objet visé , avec l'aide d'un viseur escamotable. Avant d'arriver sur l'élément sensible (1) , le rayonnement est interrompu périodiquement grace à un diaphragme mobile (6) maintenu à la même température que (2) Tout cet ensemble est placé dans une enceinte (7) , en légère surpression d'air , de façon à éviter l'entrée de poussières susceptibles de se déposer sur le miroir .L'enceinte (7) est précédée d'une tubulure (8) comportant à son intérieur des canelures (9) constituant des pièges à lumière L'appareil détecteur de rayonnements visibles et infrarouges , objet de la présente invention , est illustré sur la figure (2) pour sa partie électronique Le bolomètre (1) est placé dans une sorte de pont de Wheatstone - et à cet effet , l'élément bolométrique sensible (10) qui reçoit le rayonnement est mis en opposition awec un élément de meme nature (11) déposé sur le même substrat , mais non exposé au rayonnement . Ils sont à la mëme température , qui est détectée par une petite thermistance (12) , placée à côté de (10) et (11) , sur le même substrat .Celle ci controle le circuit de régulation de température (13) Le pont de Wheatstone est complété par les résistances (14) - et aussi les capacités de filtrage (15) . Il est alimenté par le circuit (16) , fournissant un courant dont la tension a une très faible ondulation - de l'ordre du microvolt A ce point (17) apparait une tension alternative du fait que le rayonnement reçu par le bolomètre est intérrompu périodiquement par le diaphragme mobile (6) Ce courant alternatif passe à travers le condensateur (18) et entre dans l'amplificateur (19) , dont l'impédance d entrée est très élevée En sortant de (19) , le courant passe par le condensateur (20) dont le rôle est d'éliminer toute composante continue Il entre dans le circuit (21) qui est un filtre passebande , qui est réglé sur la fréquence de hachage du diaphragme mobile (6) , et élimine tous les autres Après le condensateur (22) , il apparait en (23) une tension alternative sinusoldale sans composante continue - image amplifiée des tensions engendrées en (17) - rendues dès ce moment sinusoidales par la forme du hachage mécanique produit par le diaphragme mobile (6) - et débarrassées notamment des composantes haute fréquence pouvant être issues du bolomètre Cette tension en (23) apparait sur la borne de sortie (24) - et peut être utilisée par exemple par un oscilloscope, constituant une réponse quasi instantannée et sans inertie de I'information donnée par le bolomètre Cette tension apparait sur l'entrée du circuit (25) dont l'objet est 1) de redresser sans tension de recul les deux alternances produites en (23) , 2) d'en fournir une valeur efficace et filtrée à l'amplificateur d'instrumentation (26) Ce dernier comporte deux réglages : - en (27) celui de la température de consigne , par une tension variable qui se retranche de celle issue de (25) , - en (28) celui du gain Ainsi on peut délimiter plus ou moins largement la zone de température à observer - autour d'une température fixée à 1' avance La tension issue de (26) apparait sur la borne de sortie (29) st aussi sur l'entrée du galvanomètre (30) à point zéro milieu Ces différentes dispositions permettent de faire travailler le bolomètre (12) dans les meilleures conditions -1) de sensibilité en autorisant le réglage en (16) de la tension de polarisation , le réglage en (13) de la température de fonctionnement du bolomètre , et ceci pour une fréquence de modulation choisie une fois pour toutes par (6) en fonction des courbes de sensibilité et de bruit -2) de réduction du bruit , en jouant sur sa courbe spectrale 1) par une alimentation (16) très fortement filtrée 2) par l'action du filtre passebande (21) éliminant les fréquences parasites 3) Far le choix de la fréquence de modulation en (6) Enfin le circuit (13) effectue la régulation de température du diaphragme (6) : cette régulation a besoin d'être très précise , parcequ'elle joue le rôle de base de comparaison avec le rayonnement reçu , le bolomètre "voyant" succèssivement l'objet et les pales du diaphragme , ce qui se traduit par les tensions de crête maximum et minimum de la sinusoïde apparaissant en (24) On note aussi , lorsque la température de l'objet est inférieure à celle du support (2) , que la tension alternative apparaissant en (24) s'inverse de phase , ce qui est bien com préhensible , puisque le point chaud vu par le bolomètre est constitué par le diaphragme mobile (6) , et le point froid par l'objet visé Ltappareil objet de l'invention peut être utilisé dans tous les cas où la détection à distance du rayonnement d'un objet est nécessaire , dans le domaine dur-visible , du proche et lointain infrarouge , - notamment pour connaitre la variation de température de l' objet visé autour d'un point - pour l'observation du passage d'objets chauds , et mesurer à distance leur température , - pour l'étude de phénomènes thermiques transitoires - pour mesurer la température ùes fluides avec précision ... et dans tous les cas pour assurer l'asservissement du con trole des températures sans contact , mais à distance Tel qu'il a été conçu , et tel qu'il vient d'etre décrit , l'appareil constitue un détecteur de tous les rayonnements , du visible au lointain infrarouge . On peut interposer un filtre pour limiter le spectre des rayonnements arrivant sur l'élément sensible REVENDICATIONS 1- Appareil détecteur de rayonnements visibles et infra-rou ges , comportant des dispositifs propres à exploiter au mieux les propriétés ds l'élément sensible bolomètre pour la détection des rayonnements , caractérisé par le fait qu'il comporte un miroir parabolique qui permet de concen trer sur le bolomètre le rayonnement que l'on veut mesurer. 2- Appareil détecteur de ratonnements visibles et infra-rou ges suivant la revendication 1 , caractérisé par le fait qu'il comporte un diaphragme mobile maintenu à la meme température , qui interrompt périodiquement le rayonnement et permet d'établir une base de comparaison à la mesure 3- Appareil détecteur de rayonnements visibles et infra-rou ges suivant la revendication 1 , comportant des circuits électroniques propres à recueillir à amplifier à filtrer le signal fourni par le bolomètre , et à délimiter plus ou moins largement la zône de température à observer