Brevet FR2350684A1 — publié le 19771202

L'invention concerne un tube à vide convertisseur d'images infrarouges en images visibles sur un écran de phosphore et un procédé de mise en oeuvre dudit tube. Ce tube utilise une cible pyroélectrique ; il fonctionne au voisinage de la tem pérature ambiante. Des études relatives à un tube convertisseur de ce type ont fait l'objet de publications ou conférences. Dans la revue "Electronics letters vol. 10, 1974, page 452, les auteurs étant Boot A.H.A.et Casteline J.G., on décrit un tube convertisseur d'images infrarouges dans lequel la cible pyroélectrique est utilisée comme miroir d'électrons. A l'image thermique reçue par la cible correspond une image de charges électri- ques apparaissant par effet pyroélectrique. Celle-ci est lue à l-'aide d'un faisceau électronique balayant toute la cible. Les électrons réfléchis formant l'image électronique sont focalisés sur un écran luminophore. Ce tube présente l'inconvénient d'utiliser un canon à électrons et un système de focalisation élec tromagllétique, ce qui le rend encombrant, et complique les circuits d'alimentation.Le système de focalisation nécessite en outre une très grande précision dans la planéité et l'homogédéité de la surface de la cible. Lors d'une conférence faite par H,R,A.Alting- Mees et N.J. Koda dans le cadre de la manifestation Scientifique intitulée "I E E E Symposium on Applications of Ferroelectrics" a Albuquerque - Nouveau Mexique (Etats-Unis d'Amérique) les 9 et il Juin 1975, a été présenté le principe d'un tube convertisseur qui se compose d'une cible pyroélectrique sur laquelle est déposée une photocathode en forme d'une grille. Les électrons issus de cette cible appelée cible pyro-émissive sont fo calisés électromagnétiquement sur un écran de phosphore qui reproduit dans le visible, l'image thermique reçue sur la cible. L'utilisation d'une photocathode en contact avec le matériau pyroélectrique, semble poser des problèmes technologiques que l'on résous en utilisant un matériau pyroélectrique, LiTaO3) compatible avec la nature de la photo cathode mais dont le facteur de mérite est au moins deux fois plus faible que celui du sulfate de triglycine, matériau le plus couramment utilisé pour ce genre d'applications. La sensibilité thermique du tube se trouve de ce fait affectée. Par ailleurs, comme la photocathode est placée entre la cible pyroélectrique et l'écran le taux de transfert de modulation entre le relief de potentiel de la cible et l'émission électronique de la photocathode est faible. Le but de l'invention est la visualisation directe d'images thermiques de spectre d'émission limité inférieurement en longueur d'onde à 2t environ, à l'aide d'un dispositif compact. L'émission spectrale du corps noir à la température de 3000K est centrée sur la longueur d'onde de iO/um ce qui conduit à utiliser la fenêtre 8-14Xum du spectre où l'atmosphère est transparente aux radiations infrarouges.Les performances recherchées pour un tel tube sont dans un premier temps, celles d'une caméra vidicon pyroélectrique, à savoir que l'écart minimum de température détectable b T est par exemple pour deux résolutions spatiales exprimées en paires de lignes par millimètre (symbole pl/mm) ss T = 0 > 3. C à 2.5.pl/mm et dT = 30C à Spl/mm Par rapport au dispositif décrit dans les arts antérieurs cités, le dispositif selon la présente invention offre l'avantage d'avoir une cible placée entre la source d'électrons et l'écran, ce qui permet d'obtenir un taux de transfert de modulation élevé entre le relief de potentiel sur la cible et le flux d'électrons modulé.Pour ce faire, la cible pyroélectrique est percée de trous qui laissent passer plus ou moins les électrons issus de la source en fonction du relief de potentiel existant sur une face de la cible. En outre, comme la source est complètement séparée de la cible pyroélectrique, celle-ci peut être choisie indépendamment de considérations de compatibilité de nature de ladite cible avec celle de la source. Cette cible peut être constituée de l'un des matériaux parmi les plus performants du point de vue pyroélectricité, par exemple le sulfate de triglycine ou encore et surtout le fluoroberyllate de triglycine deutéré. De son côté la source d'électrons peut être par exemple soit une photo cathode éclairée par un rayonnement visible ou ultraviolet, soit une source à émission de champ, soit encore une source thermoionique. De plus,une galette de microcanaux multiplicateurs d'électrons est placée entre la cible pyroélectrique et l'écran ce qui permet de multiplier par un facteur de lsordre de 1000 ou plus encore, le flux d'électrons qui atteint l'écran et d'augmenter ainsi la sensibilité du dispositif. Enfin il est possible de prévoir une version de ce tube utilisant une focalisation de proximité, ce qui supprime les bobines et les électrodes de focalisation et permet d'ob- tenir un tube de très petites dimensions. Ainsi selon l'invention il est mis au point un tube de visualisation d'une image thermique, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte à vide munie d'une ou plusieurs fe nêtres transparentes au rayonnement, l'une d'elles, en particulier, située du côté objet, étant transparente à l'infrarouge et, à l'intérieur de ladite enceinte, une série d'électrodes sensiblement planes et parallèles les unes par rapport aux autres, à savoir, dans l'ordre, à partir du côté objet, une source d'électrons, une grille d'extraction des électrons émis par ladite source, une cible en forme de lame de matériau pyroélectrique métallisée sur l'une de ses faces et percée de trous régulière ment disposés sur la surface de ladite cible, et sur laquelle se forme l'image infrarouge de l'objet, éventuellement une électrode supplémentaire en regard avec la face non métallisée de la cible, une galette de microcanaux multiplicatrice d'électrons, un écran luminophore et des moyens intérieurs et/ou extérieurs à l'enceinte pour porter lors de l'affichage de l'image sur l'écran les diverses électrodes à des potentiels électriques tels qu'il existe un champ accélérateur entre source d'électrons et grille d'extraction, un champ retardateur entre grille et cible, un champ accélérateur dans les espaces cible-galette, galette, et galette-écran. L'intensité de polarisation électrique de la cible pyroélectrique utilisée dans ledit tube est affectée de phénomènes d'hystérésis en fonction du champ électrique qui lui est appliqué. Par ailleurs, le matériau n'est pas un diélectrique parfait mais présente aussi des propriétés conductrices. Ces phénomènes et propriétés perturbent et rendent difficile dans la plupart des cas la visualisation de l'objet thermique par simple projection de son image sur la cible. L'invention met au point un procédé de mise en oeuvre dudit tube palliant, dans tous les casr les inconvénients dus à l'existence de ces propriétés. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation de ladite invention accompagnée de dessins qui représentent Figure 1 : une coupe schématique d'un mode de réalisation du tube selon l'invention. Figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f : une série de diagrammes de flux d'électrons et de potentiel d'électrodes en fonction du temps illustrant le procédé de mise en oeuvre du tube selon l'invention. Sur la coupe de la figure 1, dans un but de simplification on a omis de représenter l'enceinte à vide contenant les éléments du tube sauf les fenêtres d'entrée et de sortie respectivement 10 et 9. En 8 est représenté l'axe du tube. Sur la face de la fenêtre d'entrée 10, interne au tube, est disposée la photocathode 11. Celle-ci pour la commodité du dessin est représentée séparée de la fenêtre 10. Derrière vient une grille métallique 12 portée à un potentiel électrique positif par rapport à celui de la photocathode de telle sorte qutil exste un champ accélérateur pour les électrons émis par la photo cathode en direction de ladite grille et que celle-ci soit transparente aux électrons.En 13, en aval de la grille, dans le sens de propagation des électrons, est représentée une lame en matériau pyroélectrique, en sulfate de triglycine par exemple, percée de trous régulièrement disposés sur la surface de cette lame. Une électrode 14 est évaporée sur l'une quelconque des faces de la cible pyroélectrique, laquelle électrode est portée à un potentiel fixe inférieur à celui de la grille 12 de telle sorte qu'il existe un champ électrique retardateur entre grille et cible pour les électrons venant de la photocathode et passant à travers la grille. La photo cathode Il est éclairée à travers la glace 10 à laide de la source lumineuse 15 de manière uniforme de telle sorte que se produise une émission électronique uniforme sur toute la surface de ladite photocathode vers l'intérieur du tube. Sur cette figure il est admis que cette photo cathode fonctionne en transmission. Il va de soi que cette photocathode pourrait aussi fonctionner en réflexion, la source 15 se trouverait alors placée à droite de ladite photocathode. L'objet à visualiser est placé en 16 du côté gauche de la photocathode. L'optique 17 en donne une image thermique focalisée sur la cible py roélectrique 13 au travers de la photocathode 11, des rayons principaux issus de l'objet étant par exemple les rayons 6 et 7. De ce fait, ladite photocathode est choisie de telle sorte que sa sensibilité spectrale soit située en dehors du spectre d'émission thermique de l'objet à visualiser, et qu'elle soit transparente aux radiations thermiques émises par l'objet. Par ailleurs dans le but d'obtenir une bonne résolution spatiale d mage, la faveur est donnée aux photocathodes dont le spectre d' émission des photoélectrons présente une distribution en énergie étroite. Cette photocathode est par exemple avantageusement une photocathode de type CsI ou Cs2Te utilisée au seuil de sa sensibilité spectrale. La source 15 d'éclairage est par exemple une source de rayonnement ultraviolet. Lorsque l'image thermique de l'objet 16 est focalisée sur la cible pyroélectrique 13, apparaît, sur la face de la cible non portée a-un potentiel fixe un relief de potentiel qui modifie la transmission du flux d'électrons en provenance de la photocathode à travers les trous de ladite cible, lequel flux est modulé. Cette modulation permet d'obtenir au sortir des trous de la cible une image électronique réplique de l'image thermique de l'objet. Cette image électronique est ensuite intensifiée dans la galette de microcanaux à émission secondaire électronique i8 puis transformée en une image visi- ble sur l'écran luminophore 19. A cette fin, les faces de la galette sont métallisées et portées de même que l'écran à des potentiels électriques de valeurs telles que les électrons au sortir de lacible soient placés dans un champ électrique accélérateur dans tout l'espace cible écran. L'image électronique est focalisée par proximité sur la face d'entrée de la galette de même que sur l'écran. Le tube de ce fait présente une structure compacte et des dimensions réduites, tandis que les images sont absentes de déformation sur toute leur surface. Par ailleurs son alimentation en tension se trouve être des plus simples. Dans d'autres modes de réalisation, la source d'électrons est une source thermoionique pane constituée par une nappe de filaments chauffés ou â effet de champ. Par ailleurs, dans certaines variantes, il est ajouté une électrode supplémentaire plane en regard de la face non métallisée de la cible, électrode dont le rôle apparait ci-après dans la description de la mise en oeuvre du tube. Le procédé de mise en oeuvre du tube comprend plusieurs passes dont certaines sont illustrées à l'aide des diagrammes des figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f. Ces diagrammes représentent en coordomiécs rectangulaires des flux de rayonnement et d'électrons, et des potentiels d'électrodes à l'intérieur du tube en fonction du temps. Ces figures sont disposées les unes en dessous des autres de manière que les axes des abscisses suivant lesquels est indiqué le temps soient parallèles et que l'origine des temps soit sur une même perpendiculaire auxdits axes. Pour expliquer ce procédé on suppose, dans un premier temps, les électrodes portées à des potentiels électriques fixes. La première phase du procédé est en relation avec l'hystérésis de l'intensité de polarisation du matériau en fonction du champ électrique appliqué. Compte tenu de cet hystérésis, il importe de fixer, avant toute observation d'image, la polarisation initiale du matériau. Cet état initial est par exemple celui qui résulte de l'application d'un fort champ électrique à la cible, perpendiculairement à son épaisseur de telle sorte que les moments électriques élémentaires du matériau aient tous la même orientation. Cette orientation est, par exemple, telle que pour une augmentation de température en un point de la cible par rapport à la température ambiante, des charges électriques positives apparaissent en ce point sur la face non métallisée de ladite cible. Il en résulte alors une modification des lignes équipotentielles dans le tube, et un accroissement de la transmissisn des électrons à travers les trous de la cible au voisinage dudit point.Au contraire, par suite d'un abaissement de température en un point de la cible, la transmission électronique se trouve diminuée au voisinage de ce point. Les autres phases du procédé sont en relation avec le fait que la cible pyroélectrique n'est pas un diélectrique parfait, mais est aussi conductrice. De ce fait, après avoir acquis une charge par effet pyroélectriquevla cible se décharge naturellement avec la constante du temps I = 80 f où et F sont respectivement la constante diélectrique et la résistivité du matériau de cible et 60 la constante diélectrique du vide. Cette constante du temps peut prendre des valeurs s'étalant de quelques minutes à quelques heures, suivant la nature et la qualité du cristal utilisé, notamment de son taux d'impureté. Le procédé selon l'invention concerne le cas où cette constante de temps est très inférieure à la période normale d'utilisation du dispositif. Il prévoit alors, un hachage périodique du flux de radiations thermiques, issu de l'objet à visualiser, le temps d'ouverture et de fermeture du hacheur étant très petit devant la constante de temps, mais de l'ordre de grandeur de la constante thermique du matériau. Le hachage du flux est réalisé indifféremment à l'aide d'un obturateur à roue dentée tournante, placée entre l'objet thermique et le tube, soit en appliquant un mouvement alternatif ou circulaire au tube ou à un élément optique placé entre celui-ci et la source et déplaçant de ce fait l'image de l'objet thermique par rapport à la cible. Ce flux reçu par le tube passe alternativement d'une valeur nulle à une valeur maximale.Ce flux est représenté en fonction du temps sur la figure 2a dans un système de coordonnées rectangulaires. Ce flux a la ferme d'un signal carré de période T. Sur la figure 2a sont indiquées les premières alternances, puis après une interruption en pointillés, les alternances qui se déroulent au-delà d'un temps t très supérieur a Sur la figure 2b, située en dessous de la figure 2a, sont indiquées en correspondance avec les variations de flux, les variations du potentiel Y d'un point image de l'objet sur la face non métallisée de la cible, ledit point image étant à une température supérieure à l'ambiante, le potentiel de référence étant celui de la face métallisée supposé égal à 0. Dans la suite pour la facilité du langage, un tel point sera dit point chaud. Sur la figure 2c, on a de même, représenté les variations du potentiel V sur la cible d'un point image de température inférieure à l'ambiante dit point froid. Un point chaud entraîne sur la cible une augmentation du potentiel tandis qu'un point froid entraîne lui, une baisse de potentiel. Il faut distinguer les phénomènes se produisant au cours des premières périodes de hachage, de ceux se produisant au bout d'un temps supérieur à C . Au cours des premières périodes le potentiel du point chaud croit à partir de zéro pendant l'ouverture du flux et revient à zéro pendant la fermeture9 tandis qu'au cours desdites premières périodes le potentiel du point froid décroît à partir de zéro pendant l'ou- verture, et revient à zéro pendant la fermeture. Ces phénomènes sont indiqués sur la partie gauche des figures 2b et 2c. Cependant, en raison de la conductibilité électrique du cristal, la composante moyenne de potentiel en icaque point de la face non métallisée de la cible, décroît et tend vers le potentiel de la face métallisée de la cible avec la constante de temps G de décharge électrique du matériau. De ce fait, au bout d'un temps t très supérieur à G , le potentiel d'un point respectivement chaud et froid varie de part et d'autre de zéro comme il est indiqué sur les portions droites (audelà des pointillés) des figures respectivement 2b et 2c. Du fait de l'augmentation du potentiel de la cible la transmission électronique de la cible au niveau d'un point chaud, croit, ce qui fait apparaître le point chaud comme brillant sur l'écran. Par contre, la baisse de potentiel en un point froid, le fait apparaître comme un point sombre. La transmission électronique F de la cible au voisinage d'un point chaud et d'un point froid, est représentée en fonction du temps1 respectivement sur la figure 2d et sur la figure 2e. La partie gauche représente les premières alternance de hachage, la partie droite (au-delà des pointillés) la transmisslon, au--delà d'un temps t très supérieur à W Sur ces figures l'ordonnée Fm représente la transmission électronique à la température ambiante. Alors que la transmission électronique durant les premières alternances est supérieure ou inférieure à Fm suivant qu'il s'agit d'un point chaud ou d un point froid, celleci oscille autour de cette valeur au bout d'un temps t trs su périeur à r . Il s'ensuit qu'un point chaud ou un point froid apparaît alternativement comme brillant et sombre. Ainsi l'information moyenne détectée sur l'écran est nulle. Pour faire apparaître l'information et différentier les points chauds des points froids, le procédé selon l'invention prévoit une détection du signal en grandeur et signe avant son affichage sur l'écran. Selon un premier mode de réalisation, cette détection s'opère en bloquant et débloquant le fonctionnement du tube en synchronisme avec le hacheur en annulant par exemple la tension appliquée à la photocathode, à la galette de microcanaux ou à l'écran, le blocage et le déblocage étant légèrement en déphasage retard par rapport à l'ouverture et à la fermeture du hacheur. Dans le cas d'utilisation d'une source dtélec trons photoémissive, le blocage et le déblocage s'obtient aussi en hachant le flux de lumière éclairant la source. Le cycle de blocage et déblocage est indiqué sur la figure 2f où h tonsiaz de blocage en forme de signal carré est représentée en fonction du temps en correspondance avec les signaux des figures 2a, 2b, 2c, 2d et 2e. Le signal de tension est représenté a titre d'exemple comme déphasé de T/4, par rapport au signal de hachage. Pour un tel déphasage, un point chaud apparaît uniquemeiit comme brillant et un point froid uniquement comme sombre. Il en serait de même pour un déphasage plus petit, la règle étant que ce déphasage peut être d'autant plus petit que la constante de temps thermique de la cible est elle meme plus petite devant la périe- de T du hacheur. La valeur Tj4 est la valeur limite du déphasage utilisée lorsque la constante de temps thermique est g-aTIt-e devant T, et lorsque l'on veut obtenir une image dite en positif pour laquelle un point chaud ou froid est traduit sur l'écran en point respectivement brillant ou sombre. Il va de soi que l'on peut faire usage de dé phasage compris entre T et 3T et que l'on obtient alors une ima2 4 ge en négatif pour laquelle poings chaudes et froid" correspondent sur l'écran à des points respectivement sombres et brillants. Un deuxième mode de réalisation du procédé consiste à éviter que la composante moyenne des potentiels de la cible ne s'annule, de telle sorte que l'information moyenne détectée ne soit pas nulle. Pour cela on effectue une sorte de verrouillage du signal dans le tube à la fin de chaque fermeture du hacheur c'est-à-dire aux instants t c + kT indiqués sur la figure 2a, k étant un nombre entier. Ce verrouillage est favorablement obtenu en bombardant à chaque fermeture du hacheur la face non métallisée de la cible avec des électrons issus de la photocathode et fortement accélérés à l'intérieur du tube à l'aide d'une tension périodique telle que le taux d'émission électronique secondaire de la face non métallisée de la cible soit supérieur à i, et en collectant les électrons secondaires à l'aide d'une grille placée près de ladite face et portée à un potentiel voisin de celui de ladite face à son état initial. Le potentiel de la face non métallisée se trouve ainsi stabilisé à une valeur voisine de celle de la grille et pratiquement égale a celle qu'il avait initialement. Pendant le verrouillage, on porte le potentiel de la face métallisée de la cible à un potentiel voisin de celui de l'électrode collectrice. On peut noter au passage, que ce mode de réalisation du procédé permet de polariser dans le sens désiré la cible pyroélectrique comme l'exige la mise en oeuvre du dispositif dans sa première phase. Cette grille collectrice peut être avantageusement la grille 12 d'extraction d'électrons de la figure 1, si cette grille est en regard de la face non métallisée de la cible. Dans le cas où la face non métallisée est en regard de la galette de microcanaux, on utilise avantageusement l'électrode d'entrée de la galette ou une électrode supplémentaire. REVENDICATIONS : 1. Tube photoélectrique convertisseur d'image infrarouge d'un objet en image visible, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte à vide munie d'une ou plusieurs fenêtres transparentes au rayonnement, l'une d'elles, en particulier, située du côté objet, étant transparente à l'infrarouge et, â l'intérieur de ladite enceinte, une série d'électrodes sensiblement planes et parallèles les unes par rapport aux autres, à savoir, dans l'or drue, à partir du coté objet, une source d'électrons, une grille d'extraction des électrons émis par ladite source, une cible en forme de lame de matériau pyroélectrique métallisée sur l'une de ses faces et percée de trous régulièrement disposés sur la surface de ladite cible, et sur laquelle se fo me l'image infrarouge de I1 objet, éventuellement une électrode supplémentaire en regard avec la face non métallisée de la cible, une galette de microcanaux multiplicatrice d'électrons, un écran luminophore et des moyens intérieurs et/ou extérieurs à l'enceinte pour porter lors de l'affichage de l'image sur l'écran, les diverses électrodes à des potentiels électriques tels qu'il existe un champ accélérateur entre source d'électrons et grille d'extraction, un champ retardateur entre grille et cible, un champ accélérateur dans les espaces cible-galette, galette, et galette-écran. 2. Tube photoélectrique selon la revendication 1, caracténsé en ce que la source d'électrons est une photocathode éclairée par un rayonnement visible ou ultraviolet. 3. Tube photoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'électrons est une source thermoionique. 4. Tube photoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'électrons est une source à émission de champ. 5. Procédé de mise en oeuvre du tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte comme opérations essentielles une opérations de hachage du flux infrarouge émis par l'objet sur la cible en matériau pyroélectrique, ledit hachage pouvant résulter indifféremment d'un obturateur tournant à roue dentée placée entre objet et tube d'un mouve ment alternatif ou circulaire appliqué au tube o à un élément optique placé entre tube et objet, d'une opératin de fixation de la polarisation électrique du matériau pyroélectrique à un état initial précis avant visualisation de l'objet, et une opération consistant dam une détection du signal en grandeur et signe avant son affichage sur l'écran. t. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite opération de détection est réalisée par déblocage et blocage du fonctionnement du tube en synchronisme retard avec respectivement l'ouverture et la fermeture du hacheur. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le blocage et déblocage du tube s'effectuent en annulant la tension électrique appliquée à la source d'électrons, à la galette de microcanaux ou à l'écran. 8. Procédé selon les revendications 2 et 6, caractérisé en ce que le blocage et déblocage du tube s'effectuent en hachant le flux de lumière éclairant la source photoémissive d'électrons. 9. Procédé selon lune des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le déphasage retard entre ouverture du hacheur et déblocage du tube est compris entre O et T T représentant la période du hacheur, un point brillant de l'image correspondant à un point chaud de l'objet. 10 Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le déphasage retard entre ouverture du hacheur et déblocage du tube est compris entre T et 3T, un 2 4 brillant de l'image sur l'écran correspondant à un point froid de l'objet. 11. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les opérations de fixai ion de polarisation électrique initiale de la cible et-de détection du signal en signe et amplitude comportent une stabilisation par émission secondaire électronique du potentiel de la face non métallisée de la cible à la valeur du potentiel d'une électrode collectrice des électrons secondaires placée a proximité de ladite face, ladite émission secondaire se produisant d'une façon récurrente avant l'instant de chaque ouverture du hacheur. 12. Procédé selon la revendication il, caractérisé en ce que ladite électrode collectrice d'électrons est celle dite grille d'extraction des électrons dans la revendication li la face non métallisée de la cible étant en regard de ladite grille. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite électrode collectrice d'électrons est l'élec- trode d'entrée de la galette de microcanaux, la face non métallisée de la cible étant en regard de ladite galette. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite électrode collectrice d'électrons est l'élec- trode dite supplémentaire de la revendication 1.