Brevet FR2344117A1 — publié le 19771007

La présente invention concerne de façon générale un appareil de photodétection et plus précisément un dispositif donnant à un tel appareil la possibilité de détecter de la lumière à des longueurs d'onde relativement grandes. La sensibilité, c'est-à-dire l'aptitude à donner une information utile à partir de signaux de faible intensité, est une caractéristique souhaitable des photodétecteurs, notamment de ceux qui forment des images. Cependant, les photodétecteurs connus ont une sensibilité spectrale décroissant dans les régions écartées de la longueur d'onde de sensibilité spect'rale maximale. Par exemple, l'appareillage militaire de vision nocturne est un exemple d'appareil qui peut détecter et former une image d'une cible faiblement éclairée par une lumière infrarouge classique de recherche ou la lumière ambiante, mais qui ne peut pas "voir" la lumière incidente d'un laser infrarouge ou qui peut meme etre détérioré par cette lumière. L'invention concerne donc un appareil de détection photo sensible qui est très sensible dans une bande donnée et étroite de radiations électromagnétiques mais qui peut donner des informations utiles relatives à une ou plusieurs radiations spectrales différentes. L'invention concerne aussi un appareil perfectionné de photodétection. Elle concerne aussi un appareillage de vision nocturne sensible à la lumière d'un laser. Plus précisément, l'invention concerne un appareil de photodétection qui comprend un dispositif photosensible qui est utilement sensible à de l'énergie électromagnétique dans une première plage de longueursdlondeo un dispositif passif de conversion d'énergie qui reçoit l'énergie électro magngtique à une longueur d'onde supérieure à celle de la première plage de longueurs d'onde, et dans une région dans laquelle le dispositif photosensible n'est pas sensible, ce dispositif de conversion émettant de l'énergie électromagnétique dans la première plage de longueurs d'onde en fonction de l'énergie reçue à une longueur d'onde supérieure à celle de cette première plage, ce dispositif de conversion d'énergie étant pratiquement optiquement transparent aux radiations dans la première plage, et un dispositif de couplage optique du dispositif de conversion et du dispositif photosensible, si bien que ce dernier transmet les informations sur l'énergie électromagnétique incidente dans la première plage et aux longueurs d'onde plus grandes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est un schéma d'un appareil de pho todétection réalisé selon l'invention et comprenant un tube renforçateur limage - la figure 2 est une coupe centrale d'un dispositif de conversion d'énergie destiné à l'appareil de la fi gure 1 ; et - la figure 3 est une variante de dispositif de conversion d'énergie selon l'invention. La figure 1 représente un appareil de photodétection utile sous forme d'un appareillage de vision nocturne, portant la référence générale 10. L'appareil 10 comprend un capteur ou détecteur photosensible 12 sous forme d'un tube classique renforçateur d'image, une lentille collectrice 14 et un convertisseur 16 d'énergie placé entre la lentille collectrice 14 et le détecteur 12. Le convertisseur 16 est monté sur le détecteur 12 et il est couplé optiquement à celui-ci par un cordon annulaire 18 d'une colle ou d'un ciment convenable. Le tube renforçateur d'image qui forme le détecteur 12 comprend une plaque avant 20 à optique de fibres et une couche 22 de matière photoémissive déposée à la surface interne de la plaque 20 et formant une photocathode. Les radiations d'une zone visée sont représentées par les traits interrompus 24 et 26, et ces radiations incidentes sont mises sous forme d'une image par la lentille 14, l'image étant finalement transmise par la plaque 20 à la photocathode 22 qui émet des électrons en quantités déterminées par sa propre sensibilité spectrale et la longueur d'onde des radiations reçues. Les électrons provenant de la photocathode 22 sont focalisés par un dispositif 25 à optique électronique sur un écran 30 de matière luminescente. Selon les procédés classiques, une tension accélaratrice appliquée par une alimentation 32 existe entre l'écran 30 et la photocathode 22 et accrott l'énergie du courant d'électrons. Dss alimentations ayant un potentiel nominal d'accélération de 15 kV sont utiles à cet effet. Les électrorr;de la photocathode 22, qui frappent l'écran 30, excitent la matière luminescente et forment des photons optiques et ceux-ci sont transmis hors du tube par un faisceau 34 à optique de fibres sur lequel est déposé l'écran 30. Il faut noter que l'image optique renforcée à la sortie du faisceau 34 peut encore être amplifiée, observée directement ou traitée par un certain nombre de dispositifs connus. Le détecteur qui forme le tube renforçateur d'imge comprend une enveloppe ou un bottier 36 qui maintient convenablement en position la plaque 20, la photocathode 22, l'optique électronique 28, l'écran 30 et le faisceau 34. Lorsque la photocathode 22 est du type classique 5-20, la sensibilité spectrale mesurée en microampères/watts a une valeur maximale correspondant à une longueur d'onde d'environ o,66 micron. En outre, la sensibilité spectrale d'une telle photocathode diminue rapidement lorsque la longueur d'onde augmente, et on considère en général que la photocathode est insensible à la lumière dont la longueur d'onde dépasse 0,950 micron. Selon l'invention, le convertisseur 16 d'énergie supprime cette restriction. Le convertisseur 16 est destiné à recevoir l'énergie électromagnétique aux longueurs d'onde supérieures à celles de la lumière pour laquelle la photocathode 22 est sensible et il émet alors de énergie électromagnétique à une longueur d'onde à laquelle la photocathode 22 est normalement sensible de façon utile.En outre, le convertisseur 16 est pratiquement transparent au point de vue optique aux longueurs d'onde de la lumière qui se trouve dans la plage de sensibilité de la photocathode si bien que les possibilités de rassemblement global de l'information du photodétecteur 10 sont avantageusement utilisées. Dans le cas particulier dans lequel on veut utiliser une photocathode S-20 en tirant des informations d'une lumière incidente provenant d'un laser infrarouge à une longueur d'onde de 1,06 micron, le convertisseur 16 selon l'invention est réalisé comme représenté sur la figure 2. Ainsi, une couche 38 de matière émissive est placée entre une fenêtre 40 optiquement transparente et un disque 42 à optique de fibres. Ces trois éléments sont alors enfermés hermétiquement dans un récipient 44. Une matière très utile pour la formation de la couche 38 est un chlorure de lanthane et de néodyme polycristallin, préparé à partir d'une matière fondue par un dépit en phase vapeur et ayant la formule La1 XNdxCl3 dans laquelle x est compris entre 0,01 et 1,0.Un sel avantageux a la formule La0,8Nd0,2Cl3. Cette matière absorbe les radiations dans la plage de longueurs d'onde entourant 1,06 micron et réémet autour de 0,873 micron, cette dernière longueur d'onde se trouvant dans la plage de sensibilité spectrale utile d'une photocathode S-20. Un filtre diélectrique 46 est avantageusement disposé axialement derrière le disque 42 et en général entre les rayons incidents et la face avant du tube renforçateur 12. Le filtre diélectrique 46 est en une matière telle que l'oxyde de thorium ou la silice afin qu'il empoche le passage des radiations à 1,06 micron qui ntont pas été absorbées par la couche 38, mais il laisse passer les radiations électromagnétiques de longueur d'onde plus courte. La description qui précède indique que l'invention met en oeuvre une matière de la couche 38 qui absorbe les radiations électromagnétiques à une première longueur d'onde et qui les réémet à une longueur d'onde plus courte. La plupart des matières qui absorbent de l'énergie réémettent liénergie à des longueurs d'onde plus grandes que ceiles de la lumière absorbée. En conséquence, la couche 38 ne peut & re réalisée selon l'invention qu?en certains matériaux. Dans la matière la plus avantageuse pour les radiations incidentes à 1,06 micron, il est spécifié qu'il faut, pour chaque atome de néodyme, 4 atomes de lanthane et 15 atomes de chlore l ; l'équilibre électrique nécessite que les atomes de néodyme et de lanthane se trouvent à l'état d'oxydation +3, c'est-à-dire dans lequel trois électrons manquent dans la configuration atomique. Les atomes de néodyme-forment la matière active pour la conversion d'énergie alors que les atomes de lanthane et de chlorure forment une matière hôte inerte. Le chlorure de lanthane et de néodyme le plus avantageux est hygroscopique et il doit être protégé contre l'humidité atmosphérique par logement dans le récipient hermétique 44. Lors du fonctionnement de l'appareil 10, le tube renforçateur 12 fonctionne de manière classique et en outre, les radiations incidentes à 1,06 micron sont absorbées par la matière active de la couche 38 et on constate qu'elles induisent une transition du niveau Y ou du second état d'énergie le plus élevé des atomes de néodyme au niveau R, les températures ambiantes faisant apparaître des populations utiles au niveau Y pour la mise en oeuvre de l'invention. Une transition ultérieure au niveau S peut être induite par interaction thermique avec le réseau atomique, par adaptation d'énergie entre les états d'énergie de.ni- veauxélevéset les radiations à 1,06 micron et par interaction ion-ion.Les états excités, c'est-à-dire qui ne sont pas normalement occupés lorsque le système est en équilibre thermique, disparaissent et reviennent à l'état fondamental ou niveau Z avec émission d'énergie sous forme de photons et de phonons, les photons émis formant le signal de sortie de la couche 38, destiné à la photocathode 22. Le système considéré est inhabituel en ce que les photons émis ont une longueur d'onde plus courte que les photons absorbés, si bien que leur énergie est supérieure à celle des radiations d'excitation. Il faut noter que de nombreuses matières h8tes de la matière active de conversion peuvent ventre utilisées, et par exemple, on note que la fluorescence et l'absorption d'énergie du néodyme se présentent dans des matières hôtes telles que le verre de silice, le grenat d'yttrium et d'aluminium, le fluorure de calcium, l'oxyde d'yttrium et d'aluminium et d'autres matières. En outre, certains autres élé ments des terres rares peuvent dtre utilisés comme matière active en plus du néodyme, par exemple des sels de praséodyme, d'holmium, d'erbium et de dysprosium. L'invention concerne aussi le cas dans lequel la couche 38 de conversion d'énergie comprend éventuellement en plus de petites quantités de composés des métaux de transition tels que le fer et yttrium à l'état bivalent ou trivalent chargé positivement. Ces "impuretés actives" coopèrent au -transfert d'énergie dans la matière active principale que sont les atomes d'un élément des terres rares. Les petites quantités incorporées de tels composés des métaux de transition absorbent de l'énergie et la transfèrent aux atomes des éléments des terres rares qui réémettent alors énergie à une longueur d'onde plus courte comme décrit précédemment. La figure 3 représente une variante de convertisseur d'énergie permettant une meilleure compréhension de l'invention, les éléments du mode de réalisation de la figure 3 qui sont analogues à ceux du mode de réalisation de la figure 1 portant des références identiques suivies du suffixe a. Le conuertisseur 16a d'énergie de la figure 3 comprend une seconde couche 48 de matière émissive ainsi qutun filtre diélectrique correspondant 50. La couche 48 contient de l'holmium à l'état d'oxydation 3, placé dans une substance hbte convenable. L'activité des atomes d1hol- mium dans la couche 48 est analogue à celle des atomes de néodyme dans la couche 38, mais les atomes d'hclmium absorbent les radiations incidentes à 1,65 micron environ et émettent l'énergie électromagnétique transformée à une seconde longueur plus courte. Le filtre diélectrique 50 qui coopère avec la couche 48 est destiné à arrêter les radiations qui n'ont pas été absorbées à la longueur d'onde de 1,65 micron et à transmettre les radiations de plus courte longueur d'onde. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Appareil de photodétection, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif photo sensible qui présente une sensibilité utile aux radiations électromagnétiques dans une première plage de longueurs d'onde, un dispositif passif de conversion d'énergie destiné à recevoir l'énergie électromagnétique à une longueur d'onde plus grande que celle de la première plage de longueurs d'onde et dans une plage pour laquelle le dispositif photosensible nlest pas sensible, le dispositif de conversion émettant des radiations électromagnéXtiques dans la première plage de longueurs d'onde lorsqu'il reçoit les radiations électromagnétiques à une plus grande longueur d'onde, ce dispositif de conversion étant pratiquement transparent au point de vue optique aux radiations de la première plage de longueurs d'onde, et un dispositif de couplage optique du dispositif de conversion et du dispositif photosensible afin que ce dernier transmette des informations relatives à l'énergie électromagnétique incidente à la fois dans la première plage de longueurs d'onde et pour les longueurs d'onde plus grandes. 2. Appareil de photodétection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif photosensible comprend un tube renforçateur image. 3. Appareil de photodétection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de conversion d'énergie comprend une substance qui émet de énergie électromagnétique àune longueur d'onde inférieure à celle de l'énergie électromagnétique incidente, et un support d'une telle substance. 4. Appareil de photodétection selon la revendication 3" caractérisé en ce que ladite substance est un sel d'un élément des terres rares. 5. Appareil de photodétection selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément des terres rares est choisi dans le groupe qui comprend le néodyme et l'holmium. 6. Appareil de photodétection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le véhicule est choisi dans le groupe qui comprend le grenat d'yttrium et d'aluminium et le chlorure de lanthane. 7. Appareil de photodétection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de conversion d'énergie comprend de plus moins de 1 % d'un composé d'un métal de transition choisi dans le groupe qui comprend le fer et l'yttrium. 8. Appareil de photodétection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un bottier pour le dispositif de conversion d'énergie. 9. Appareil de photodétection selon la revendication 1, caractérissé en ce qu'il comprend de plus un second dispositif de conversion d'énergie destiné à recevoir énergie électromagnétique à une seconde longueur d'onde différente et à émettre de l'énergie électromagnétique dans la première plage de longueurs d'onde. 10. Appareil de photodétection selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend en outre un filtre optique placé entre le dispositif photosensible et le dispositif de conversion d'énergie, ce filtre étant destiné à empêcher le passage de l'énergie électromagnétique aux longueurs d'onde supérieures à celles de la première plage, et à transmettre l'énergie dans la première plage de longueurs d'onde.