Brevet FR2501942A1 — publié le 19820917

250194? La présente invention concerne un appareil de formation d'images thermiques et son procédé de mise en oeuvre. Elle concerne en particulier un appareil du type qui comprend un élément détecteur allongé formé d'une ma- tière photoconductrice, une alimentation reliée aux bornes du détecteur et destinée à assurer une polarisation, un circuit de lecture commandé par le détecteur, un ensemble optique destiné à focaliser une image thermique d'une scène extérieure à la surface du détecteur, et un mécanisme de balayage de l'image le long de l'élément détecteur, l'ap- pareil ayant un fonctionnement tel que des porteurs de char- ge formés par photo-excitation, appelés "photoporteurs" dans la suite du présent mémoire, formés dans l'élément, présen- tent, pour une polarisation et une vitesse convenable de ba- layage, une dérive le long de l'élément avec une vitesse de dérive ambipolaire qui est adaptée à la vitesse de ba- layage. Le brevet britannique n0 1 488 258 décrit un appa- reil de ce type. Plus précisément, dans ce dernier, l'élé- ment détecteur est une bande d'une matière à base de tellu- rure de cadmium et de mercure ayant des contacts de polari- sation à chaque extrémité, et une région de lecture formée entre ces contacts. Deux formes de régions de lecture sont décrites dans ce brevet. Une première forme, assurant une lecture passive, comporte une paire de conducteurs placés au contact de la bande, séparés par une courte distance sui- vant la longueur de celle-ci. L'un de ces conducteurs peut être formé par le contact adjacent de polarisation (le se- cond des deux contacts de polarisation). Le circuit associé de lecture comprend un préamplificateur d'impédance élevée et il est monté entre les deux conducteurs. Ce circuit for- me un signal de sortie qui dépend de la tension existant entre les deux conducteurs, une tension qui est modulée lorsque la résistivité de la région compriseentre les con- ducteurs change du fait de la variation de la densité locale des photoporteurs. Le signal de sortie constitue une repré- 250 1942 sentation analogique et thermique de la scène externe. La configuration géométrique de la région de lecture (c'est- à-dire à la fois l'espacement a des conducteurs et la lar- geur w de la bande) est choisie suivant un compromis entre l'intensité des signaux et la résolution spatiale, et elle dépend de l'importance de la diffusion des photoporteurs (2X) a 2X et w = 2X avec X V (Dt), t la région de lecture, et T désigne la durée de vie des pho- toporteurs. L'autre forme de lecture, de type actif, met en oeuvre une jonction p-n formée dans la bande. Le circuit associé de lecture comprend une impédance de décharge et un préamplificateur monté afin qu'il mesure l'intensité du courant de décharge. La région de lecture et son circuit assurent l'entraînement des photoporteurs; un signal de sortie constituant une représentation analogique de la scène thermique est ainsi formé. Dans ce cas, la constante de temps T du circuit de lecture est choisie afin que la résolution spatiale soit optimale vT v étant la vitesse de dérive des photoporteurs. Dans l'appareil décrit, la distance séparant le premier contact de polarisation de la région de lecture est choisie de manière que le temps maximal de transit des pho- toporteurs soit inférieur à leur propre durée de vie. En fait, dans l'exemple décrit plus précisément, pour une matière présentant une durée de vie relativement longue (de l'ordre de 10 ps), la perte de résolution due à la diffusion des photoporteurs est limitée par restriction de cette dis- tance à une valeur nettement inférieure à la distance qui serait parcourue par les photoporteurs pendant la durée de vie: 1 " vT en fait 1 = 0,5 v-T L'invention concerne un appareil qui se caractérise par la présence d'une matière de détecteur donnant une durée de vie relativement courte aux photoporteurs, et l'espace- ment du premier contact de polarisation et de la région de lecture de l'élément détecteur est tel que, pour la polari- sation et la vitesse convenables de balayage, le temps né- cessaire au balayage de la distance comprise entre le pre- mier contact de polarisation et la région delecture est supérieur à la durée de vie des photoporteurs. Par exemple, l'appareil peut comprendre plusieurs éléments détecteurs disposés en parallèle dans le plan focal de l'ensemble optique, et ayant chacun une source de polari- sation et un circuit de lecture. L'invention concerne aussi un procédé de mise en oeuvre d'un tel appareil de formation d'images thermiques, comprenant la sélection de la polarisation et de la vitesse de balayage de manière que la distance comprise entre le contact de polarisation formé à une première extrémité de l'élément détecteur et la région de lecture qui est éloignée de ce contact, soit balayée pendant un temps supérieur à la durée de vie des photoporteurs. On constate que, tout à fait contrairement aux enseignements du brevet britannique n0 1 488 258, dans le cas d'une matière ayant une durée de vie de photoporteurs relativement courte, il n'est pas du tout nécessaire que la distance séparant le contact de polarisation de la région de lecture soit limitée à un court temps de balayage (c'est- à-dire t rée de vie des porteurs comme selon l'invention, l'étalement des photoporteurs par diffusion reste relativement constant comme indiqué par la relation 2À c 2VfDT Dans le cas d'une matière ayant une durée de vie relativement courte des photoporteurs, cette étendue de dif- fusion et la restriction résultante sur la résolution spa- tiale est acceptable dans les applications de formation d'images. En outre, il est en fait avantageux que le temps de balayage utilisé soit supérieur à la durée de vie des photoporteurs. Bien que des photoporteurs disparaissent par recombinaison, leur densité ne diminue pas. En fait, elle continue à croître lorsque l'exposition de la matière du détecteur se poursuit, jusqu'à un niveau d'équilibre pour lequel la création optique équilibre la recombinaison. Le niveau du signal de lecture et le rapport signal/bruit sont tous deux améliorés du fait de l'augmentation du temps assuré par l'intégration du signal dans l'élément détecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, fai- te en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma en partie sous forme de perspective et en partie sous forme de circuit électri- que, représentant un élément détecteur unique et son ali- mentation de polarisation; - la figure 2 est une vue schématique en plan d'un appareil de formation d'images thermiques, représentant l'en- semble optique et le mécanisme de balayage en particulier; - la figure 3 est un graphique représentant la variation de la sensibilité du détecteur en fonction de sa longueur; et - la figure 4 est une vue en plan d'un détecteur ayant plusieurs éléments disposés en parallèle et destiné à un appareil du type représenté sur la figure 2. La figure 1 représente un détecteur 1 qui est polarisé et comporte une-bande 3 d'une matière photocon- ductrice munie de contacts ohmiques 5 et 7 placés à raison d'un à chaque extrémité, et une région 9 de lecture passive entre ces contacts 5 et 7. Cette région de lecture est formée par l'un des contacts 7 et par un contact supplémentaire 11, lui aussi de type ohmique, séparé du contact 7 par une fai- ble distance. Un préamplificateur d'impédance élevée, fai- sant partie d'un circuit 13 de lecture, est monté entre les 250 194X contacts 7 et Il de lecture. Le détecteur 1 est polarisé par une source 15 de courant constant. Plus précisément, la bande 3 est formée d'une ma- tière à base de tellurure de cadmium et de mercure de type n intrinsèque, tel que CdxHg 1XTe avec x = 0,208 présentant une concentration résultante de donneurs n sen- 14 -3 siblement à 5.10 cm. A la température de l'azote liqui- de, cette matière a une limite de sensibilité vers l'infra- rouge qui est comprise entre 8 et%14 microns, entre 11,5 et 12 microns environ, et elle est donc sensible aux radia- tions de cette gamme de fréquences au moins jusqu'à la fré- quence de coupure. La bande 3 a une épaisseur d de 8 microns, une largeur w de 62 microns et une longueur 1 de 700 microns entre les contacts 5 et 7. La résistance de la bande est d'environ 500 Q2. Elle est montée sur un substrat de saphir (non représenté) et les surfaces de la matière active sont passivées par un oxyde anodique. Les contacts 5, 7 et 11 sont formés d'or métallique déposé par évaporation. Dans les conditions de fonctionnement, cette matière présente une durée de vie des photoporteurs d'environ 2 ps, c'est- à-dire qu'elle est relativement courte. Elle correspond à une distance de diffusion d'environ 25 microns. Le contact supplémentaire il est à une distance de 50 microns du con- tact 7 le plus proche afin que l'étalement des photoporteurs par diffusion soit adapté et permette un compromis entre le niveau du signal et la résolution spatiale. Le détecteur est placé au foyer d'un ensemble op- tique tel que représenté sur la figure 2. Cet ensemble op- tique comporte une première paire de lentilles 21 et 23 transmettant le rayonnement infrarouge,destinées à collimater et diriger le rayonnement vers une troisième lentille 25. Le détecteur 1 est placé dans le plan focal de cette troi- sième lentille 25 et il est protégé contre la plus grande partie du rayonnement ambiant par un blindage froid 27 qui fait aussi partie de l'ensemble optique. La lentille 25 a une ouverture (c'est-à-dire un rapport de sa distance fo- cale au diamètre) égale à 3 et l'ouverture du blindage 3 est adaptée à cette ouverture de la lentille. Un disposi- tif de refroidissement par effet Joule-Thomson est utilisé pour le maintien du blindage 27 et du détecteur 1 à la tem- pérature de l'azote liquide (77K). Il faut noter que la mobilité ambipolaire p a et la durée de vie T des porteurs en excès dépendent toutes deux des densités n et p des électrons et des trous respec- tivement, la = (n-p) inlp/(nin + Pl%) lorsque la recombinaison électron-électron d'Auger prédo- mine, et 2 T -,2 T i Ai n(n+p) TAi étant la durée de vie intrinsèque d'Auger et n l étant la densité intrinsèque des porteurs. Les densités des électrons et des trous dépendent dans une certaine mesure du flux du rayonnement ambiant. La sélection d'une ouverture pour le système optique entre 2,5 et 3 facilite la restriction du flux ambiant et l'ob- tention d'une mobilité et d'une durée de vie suffisamment élevées, la résolution optimale dépendant de ces deux pa- ramètres. La matière décrite présente une mobilité ambipo- laire de l'ordre de 450 cm V 1 s 1 et une durée de vie des porteurs en excès d'environ 2 ps pour un flux ambiant qui est par exemple de 2.101 cm s 1 (c'est-à-dire dans la bande infrarouge allant jusqu'à la fréquence de coupure). Un mécanisme de balayage est monté entre la se- conde et la troisième lentille 23 et 25. Il comprend un ré- flecteur 29 ayant la forme d'un tambour orthogonal et un miroir basculant 31. Lorsque le réflecteur 29 tourne, l'image d'une scène thermique distante, focalisée à la surface du détecteur 1, balaie la longueur de lblément détecteur 3. Lorsque le courant de polarisation qui circule dans la ban- de 3 est réglé afin que les photoporteurs soient entrainés vers la région 9 de lecture à la même vitesse que l'image, le signal de sortie du circuit 13 est un signal de ligne, c'est-à-dire un signal dépendant du temps et représentatif d'une bande de la scène thermique. Lorsque le tambour 29 et lorsque chacune de ses faces 33 recoupe le faisceau de radiations collimatées, un balayage d'une nouvelle ligne commence. Le miroir basculant 31 avance à chaque fois de manière que, lorsque chaque balayage de ligne commence, une bande différente de la scène thermique forme l'image. La scène thermique est ainsi balayée ligne par ligne jus- qu'à la formation d'une image complète et une nouvelle image commence alors, et ainsi de suite. Dans l'appareil décrit jusqu'à présent, le courant de polarisation est réglé afin qu'il donne un champ de po- larisation de 29 V.cm, et la vitesse de balayage choisie afin qu'elle corresponde à la dérive ambipolaire est d'en- 4 - 1 viron 1,3.10 cm.s. Le temps nécessaire au balayage de la bande à partir du contact 5 qui se trouve à une première extrémité jusqu'à la région 9 de lecture est ainsi tel que - 2 -4 -6 7.10 /1,3.10 5,4.10 S. Ainsi, dans cet exemple, le temps de balayagedé- passe la durée de vie d'un facteur 2,7 environ. A cette fré- quence de balayage, le détecteur transmet des données avec une fréquence d'éléments d'image (c'est-à-dire V/w) d'environ 2,1 MHz. Dans ces conditions de fonctionnement, la sensibi- lité et la décelabilité mesurée avec le rayonnement du corps noir à 500K sont de l'ordre de 1,5.105 VW 1 et 1,7.10 l cm Hz1/2W' respectivement. Dans une variante, lorsque le détecteur fonctionne avec un champ de polarisation de 68 V/cm et pour un balayage ayant une vitesse adaptée de 3,1.104 cm/s, on mesure une sensibilité de 2,5.10 5W 1 et une décelabilité de 2,0.10 cm Hz1/2 W. Dans cet exemple, le temps de balayage dépasse la durée de vie d'un facteur de 1,1 environ. On constate que la sensibilité R (déterminée comme étant la tension de sortie obtenue pour une densité de rayonnement de 1 W parvenant sur un carré ayant pour côté la largeur de la bande, sur le détecteur) est donnée par la formule R 2 2 a /1 - exp(-1/vT)7 EÀw dniia 250 1942 n étant le rendement quantique de transformation des photons infrarouges en photoporteurs, pour les radiations de la bande spectrale de largeur EÀ jusqdà la longueur d'onde de coupure, T étant la durée de vie des porteurs, 1, w et d les dimensions de la bande, a la distance du dispositif de lecture, pa la mobilité ambipolaire, n la concentration ré- sultante des donneurs et v la vitesse de balayage. Le rende- ment quantique est par exemple de 0,6. Il peut être amélioré par utilisation d'un revêtement anti-réfléchissant, par exemple par pulvérisation d'une mince couche de sulfure de zinc sur la surface du tellurure de mercure et de cadmium et sur le revêtement anodique. Comme 1 'indique la figure 3, la sensibilité du détecteur pour une vitesse spécifiée de ba- layage augmente lorsque la longueur du détecteur augmente. La décelabilité est aussi améliorée lors de l'utilisation d'un détecteur de grande longueur, comme indi- qué par la relation D* cc / - exp (- v) dans laquelle la décelabilité De est une mesure du rapport signal/bruit et, dans ce cas, elle est déterminée comme étant le rapport signal/bruit pour la largeur de bande uni- taire, lorsqu'une densité de rayonnement de 1 W par carré de côté égal à la largeur parvient sur le détecteur, multipliée par la largeur. Bien qu'on obtienne un meilleur niveau de signal (c'est-à-dire une meilleure sensibilité) et un meilleur rapport signal/bruit (cl'est-à-dire une meilleure décelabilité) par utilisation de détecteurs de grande longueur, c'est-à- dire pour un paramètre 1 élevé, la dissipation d'énergie est alors accrue. Finalement, la sélection dépend des restric- tions fixées en pratique par la source de polarisation et par le réglage de température, et la sélection de la longueur 1 est un compromis entre ces considérations antagonistes. Lors- quion peut tolérer une dissipation d'énergie relativement élevée, un détecteur dont la longueur peut atteindre 5 à 6 fois le produit nT constitue un compromis intéressant en pratique;par exemple, le détecteur décrit dans le premier exemple peut être porté à une longueur de 1400 microns par exemple donnant un temps de balayage de 10,8 microns, avec une augmentation correspondante de la sensibilité R et de là décelabilité D*. Il faut noter que le dispositif de lecture passif formé par les contacts 11 et 7 peut être remplacé par un dispositif de lecture actif. Dans ce cas, le contact 11 est remplacé par une diode formée par implantation ou dif- fusion dans la bande au voisinage du contact 7 de polarisa- tion. On sait que la diode peut être reliée à la masse par une résistance de décharge et que le courant circulant dans cette résistance peut être mesuré par un préamplificateur d'impédance élevée. La combinaison de ce préamplificateur et de la résistance de décharge remplace alors le circuit 13 de sortie indiqué précédemment. Comme indiqué aussi pré- cédemment, la constante de temps de ce circuit, qui est déterminée par la lrgeur de bande du préamplificateur, est réglée afin qu'elle corresponde à la diffusion des photo- porteurs et que la résolution soit optimale. Le détecteur utilisé dans l'appareil de la figure 2 peut avoir un contenu parallèle. Ainsi, le détecteur re- présenté sur la figure 4 comporte un arrangement de huit éléments parallèles 31 à 38. Tous les éléments ont les mêmes dimensions et sont formés de la même matière que l'élément unique décrit précédemment. Ce détecteur est placé dans le plan focal de la lentille 25 (ouverture égale à 3) de l'appareil de la figure 2. Chaque élément 31 à 38 est monté sur un substrat de saphir et est séparé de l'élément voisin par un espace de 12,5 microns de largeur. Des contacts d'or métallique 41 à 48 et 51 à 58 sont formés aux extrémités des éléments et sont disposés en éventail afin que la fixation des fils de sortie soit facilitée. D'autres contacts métal- liques 61 à 68 sont aussi formés à une extrémité afin qu'ils permettent la lecture. Ces contacts 61 à 68 et les contacts adjacents 51 à 58 sont reliés par paires 61-51 à 68-58 aux bornes d'une impédance élevée d'entrée d'un préamplificateur correspondant (non représenté). Dans cet arrangement parallèle, le miroir pivotant 31 de balayage 250 1942 d'image avance de manière que la scène thermique soit ba- layée bande par bande à raison de 8 lignes à la fois, jusqu'à formation d'une image d'information. Les signaux de ligne peuvent ensuite être traités afin qu'ils forment un signal vidéo pour un moniteur de télévision. REVENDICATIONS 1. Appareil de formation d'images thermiques, du type qui comprend - un élément détecteur allongé (3) formé d'une matière photoconductrice, - une alimentation (15) de polarisation reliée aux bornes du détecteur, - un circuit (13) de lecture commandé par le dé- tecteur, - un ensemble optique (21 à 27) destiné à:focali- ser une image d'une scène thermique à la surface du dé- tecteur, et - un mécanisme (31, 33) de balayage de l'image le long de l'élément détecteur (3), - les photoporteurs créés dans l'élément détec- teur (3) dérivant le long de l'élément (3) avec une vitesse de dérive ambipolaire adaptée à la vitesse de balayage, pour des valeurs convenables de la polarisation et de la vitesse de balayage, ledit appareil étant caractérisé en ce que la matière du détecteur a une durée de vie de photoporteurs qui est re- lativement courte, et le premier contact de polarisation (5) et la région de lecture (9) de l'élément détecteur (3) sont séparés par une di-tance telle que, pour des valeurs convenables de la polarisation et de la vitesse de balayage, le temps nécessaire au balayage de la distance comprise en- tre le premier contact (5) de polarisation et la région (9) de lecture est supérieur à la durée de vie des photopor- teurs. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps de balayage de la distance comprise entre le premier contact (5)'de polarisation et la région (9) de lecture est supérieur à la durée de vie des photoporteurs d'un facteur compris entre 1 et 6. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le temps nécessaire au balayage de la distance com- prise entre le premier contact (5) de polarisation et la région (9) de lecture est supérieur à la durée de vie des photoporteurs d'un facteur compris entre 1 et 3 inclus. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le temps nécessaire au balayage de la distance com- prise entre le premier contact (5) de polarisation et la région (9) de lecture est supérieur à la durée de vie des photoporteurs d'un facteur compris entre 3 et 6 inclus. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs éléments détecteurs (3) disposés parallèlement les uns aux autres dans le plan focal de l'ensemble optique (21 à 27) et ayant chacun une alimentation (15) de polarisation et un circuit (13) de lecture. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément détecteur (3) ou chaque élément détecteur est formé d'une matière à base de tellurure de cadmium et de mercure et est sensible au rayonnement infrarouge de la bande spectrale comprise entre 8 et 14 microns. 7. Procédé de mise en oeuvre d'un appareil de formia- tion d'images thermiques comprenant un élément détecteur allongé (3) formé par une matière photoconductrice, ledit procédé étant du type qui comprend la polarisation de l'élé- ment détecteur 130) et le balayage d'une image d'une scène thermique sur la surface de l'élément détecteur (3) avec une vitesse adaptée à la vitesse de dérive ambipolaire des photoporteurs créés dans l'élément détecteur (3), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la sélection de la polarisation et de la vitesse de balayage de manière que la distance comprise entre le contact de polarisation (5) qui se trouve à une première extrémité de l'élément détecteur (3) et la région de lecture (9) placée à dis- tance, soit balayée pendant un temps supérieur à la durée de vie des photoporteurs. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le temps de balayage est supérieur à la durée de vie des photoporteurs d'un facteur compris entre 1 et 6. 250 194' 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le temps de balayage est supérieur à la durée de vie des photoporteurs d'un facteur compris entre 1 et 3 inclus. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le temps de balayageest supérieur à la durée de vie des photoporteurs d'un facteur compris entre 3 et 6 inclus.