Brevet FR2537277A1 — publié le 19840608

MOSAIQUE DE DETECTEURS INFRAROUGES A MOSAIQUE DE BICONES La présente invention concerne une mosalque de détecteurs infrarouges limitant l'angle d'incidence du faisceau infrarouge tombant sur la mosalque par effet de filtrage angulaire et, plus précisément, une mosaïque de détecteurs infrarouges comprenant une mosaïque de bicônes dans laquelle chaque bicone est associé à un détecteur. Les détecteurs infrarouges quantiques ont fait ces dernières années des progrès décisif s, notamment dans deus directions. D'une part, leur sensibilité s'est considérablement améliorée et les mesures que l'on peut effectuer avec de tels dispositifs sont souvent limitées, non par le bruit du détecteur lui-meme, mais par les fluctuations fondamentales du flux de rayonnement qui provient de l'objet à détecter et du fond qui l'entoure Ces fluctuations induisent au niveau du détecteur un bruit du type Schottky qui limite la précision des mesures. En d'autres termes, les performances potentielles d'un détecteur infrarou$efesont plus limitées par le détecteur lui-meme mais par la quantité de photons qu'il reçoit. Cette quantité de photons dépend de la surface du détecteur, de son environnement et de l'angle sous lequel il revoit des photons venant du fond. D'autre part il est possible d'associer en parallèle un grand nombre de détecteurs pour former des matrices ou mosaïques. Si l'on considère un détecteur infrarouge enfermé dans une boîte noire et froide percée d'un trou pour établir la communication avec l'extérieur, le flux de photons perçu par le détecteur est le produit de la luminance photonique t dans le milieu extérieur par l'angle solide déli p mité par le diaphragme et le détecteur.Ce flux est donné par l'expres- 2 2 2 sion : Q = L Ud - tp X a sin 6 où 2a est le diamètre ou la largeur du détecteur et 2 O l'angle centré sur le détecteur et s'appuyant sur les bords du diaphragme. Pour diminuer le bruit dû à ce flux de photons, il est important de réduire l'angle O à la valeur minimale nécessaire à l'observation en cours Le produit = = 4 a sin est l'invariant de Lagrange.La présence de cet invariant reflète la conservation de l'énergie. Si tout en conservant # on ,ouvre le faisceau au maximum o. = n/2, la section mi- nimale de concentration du flux deviendra a tel que a - X /4 o d'ou sin O= a /a ( i ) o L'utilisation d'une matrice de détecteurs est surtout utile pour examiner simultanément de multiples points de l'objet étudié (imagerie) Cette technique remplace alors celle du balayage par un seul détecteur. Comme chaque détecteur regarde un point différent de l'objet, la mesure est équivalente à un échantillonnage des luminances des divers points de l'objet avec un pas p égal à l'intervalle entre les détecteurs .Si la distribution des luminances comprend des fréquences spatiales supérieures à l/2p, il se produit un phénomène de recouvrement de spectres. Dans une mosaïque, les détecteurs ne sont pas jointifs et leur largeur ou leur diamètre 2a est inférieure au pas p. Chaque détecteur opère une intégration des phénomènes sur une 4a2 surface 4a (détecteurs carrés). Cela correspond à un face trage des fréquences spatiales élevées mais ce filtrage est d'autant moins efficace que a est petit devant p. Si on d'esFeEar T , le taux de remplissage surfacique de la matrice 22 # = 4a/p lorsque T D'autre part, l'utilisation de matrices de grandes dimensions limite beaucoup l'usage de diaphragmes refroidis. La dimension latérale de la matrice pouvant dépasser le diamètre du diaphragme, tous les points de la matrice ne peu vent entre limités simultanément par le diaphragme optimal. L'utilisation d'un cône réfléchissant comme filtre angulaire pour concentrer un faisceau-optique, en remplace- ment d'une lentille, a été suggérée et essayée par plusieurs auteurs, notamment par : - Williamson D.E., JOSA 42,p.712-715 (1952), Cone Channel Condenser - W. Witte, Cone Channel Optics, Infrared Physics 5, 4, p. 179-186 (1965) - Burton C.H., Cone Channel Optics, Infrared Physics (1975), 15, p. 157-159. La limitation de la méthode est bien connue : la réduction de surface ne peut transgresser la loi de conservation de $ . Si le faisceau à l'entrée du cône a une demi-ouverture d et un rayon b, le rayon minimal de concentration est b donné par l'équation o b = b sin d = $/4 (2) o Au delà de la section du cône correspondant à ce rayon, les faisceaux optiques sont refoulés vers l'entrée du cône. En revanche, si une source émettant dans tout le demi-espace (#=#/2) est appliquée sur la petite section d'un tronc de cône de~rayon bo, à l'autre extrémité de o rayon b, le faisceau fera un angle maximum # tel que b = b sin cb o Si l'on dispose devant un détecteur, un tronc de cône refroidi et réflecteur latéralement d'ouvertures b et b , le détecteur o ne percevra le fond venant de l'extérieur que pour des angles inférieurs à # tels que sin = b0,"b (3) Les rayons parvenant à l'entrée du tronc de cône sous un angle supérieur à ç seront refoulés par réflexion et le détecteur sera protégé d'une partie du fond.Le tronc de cône com- poxte comme un filtre angulaire sélectionnant les rayons se propageant au voisinage de l'axe et reflechissant les autres. Mais un détecteur placé juste derriere l'ouverture de rayon b recevrait du rayonnement sous incidence élevée o ce qui n'est pas la situation optimale pour les détecteurs, Pour adapter exactement le détecteur au faisceau, le premier tronc de cône est suivi d'un second, divergent, qui ramène les faisceaux à un angle conforme à l'optimisation du détecteur. En fait, la détermination des paramètres des deux troncs de cône suit l'ordre inverse. Le détecteur de rayon a étant optnnal pour une demi- ouverture de faisceau de e on a pour le premier tronc de cône a = a sin o o, D'autre part la condition de filtrage angulaire donne pour le second tronc de cône b = b sin# o et l'on prend ao = b o Conformément à l'invention, la mosaïque de détecteurs comprend une plaque en matériau bon conducteur de la chaleur, ladite plaque étant percée dune pluralité de icônes ayant le même pas que les détecteurs de la mosaique. de détec- teurs et respectivement coaxiaux avec les détecteurs et des moyens de refroidir ladite plaque. De préférence1 le rayon b des bases des troncs de cône dirigées vers l'objet est égal à (#272) fois le pas p des détecteurs dans la mosaïque. De cette façon la face avant de la mosaïque de bicornes est.toute entière occupée par les bases des bicônes. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - la Fig. 1 représente un détecteur recevant un faisceau infrarouge sous un angle Q. Elle donne l'expression de l'étendue géométrique du faisceau et l'expression de l'invariant de Lagrange pour trois couples de valeurs de O et de a - les Figes. 2 et 2b montrent les deux troncs de cône formant le bicône; - les Figs. 3a et:3b représentent un bicône isolés et - la Fig 4 représente la mosaïque de détecteurs associée à la mosalque de bicônes. La Fig. 1 représente un détecteur l'de rayon a et un diaphragme Â délimitant un faisceau entrant de demi-ou verture o O L'étendue du faisceau est 2 = 2 Ud = a sin O. et l'invariant de Lagrange est # = 4a sin O La Fig. 2a représente un tronc de cône convergent ayant une grande base de rayon b et une petite base qui peut avoir un rayon b'o > bo , bo ou b "o l'angle #. Dans le plan de la base b , les rayons entrants sont réfléchis. Les o rayons ne peuvent jamais pénétrer dans la partie comprise entre les bases b et b" o On limite le tronc de cône à la base o o b'o de rayon légèrement supérieur à b . L'angle d'entrée du o faisceau est alors très voisin de # donné par l'équation (3). La Fig. 2b représente un tronc de cône divergent placé entre le tronc de cône de la Fig. 2a et la mosaïque de détec teurs. Sa petite base a un rayon a voisin de b' et sa o o grande base de sortie a pour rayon a et l'angle de sortie du faisceau est O donné par l'équation ( 1). Dans les Figs. 3a et 3b, on a représenté un icône isolé 1 comprenant un tronc de cône convergent 2 et un tronc de cône divergent 3,des grandes bases 6 et 7 et une petite base 8 On a supposé que les axes des bicônes étaient aux sommets d'un carré de coté p. et que les rayons des grandes bases b étaient égaux à la moitié de la diagonale du carré. Dans ces conditions, la face avant des la mosaSque de bicônes est formée par une série de points discrets 4 situés dans un méme plan et par des segments 'hyperbole 5 passant par ces points La Fig. 4 représente en perspective la mosaïque de détecteurs 10 et la mosaïque de bicônes 20 écartées l'une de l'autre.Leur assemblage se fait au moyen de boulons 30 passant par des trous 32 et des écrous 31. La mosaïque de détecteurs 10 comprend une pluralité de détecteurs 11 disposés matriciellement, de forme-circulaire et de rayon a. La distance entre centres de détecteurs adjacents est égale à p. La mosaïque de détecteurs est entourée d'un cadre métallique33. La mosaïque de bicônes est une plaque 21, en cuivre par exemple,dans laquelle les icônes 2-3 sont percés. L'usinage des icônes peut se faire selon différents procédés par exemple par poinçonnage ou par étincellage. On a représenté seulement les icônes de cinq lignes et deux colonnes. On retrouve sur la face avant les points discrets 4 et les courbes paraboliques 5 délimitant les embouchures 6 des icônes sur le plan avant de la plaque 21. L'embouchure 6 donne accès au tronc de cône convergent 2 suivi du tronc de cône divergent 3. Ce dernier a une eibou- chure 7 qui quand la mosaïque "détecteurs-bicônes" est assem-: blée viennent recouvrir les détecteurs ll La plaque 21 présente au moins une chambre 22 dans laquelle circule un fluide réfrigérant. La mosaSque de bicônes refroidie placée devant une mosalque de détecteurs infrarouges limite les échanges d'énergie entre les détecteurs et le milieu ambiant, réduit le flux de photons atteignant les détecteurs à la quantité strictement nécessaire et limite les déperditions thermiques entre les détecteurs et le fond. Dans la description précédente, on a supposé que les bicônes avaient une section circulait. Les bicônes peuvent être remplacés par les troncs de pyramides convergents-divergents ayant des bases dans le plan avant de la mosaSque qui garnissent sans vide cette face. La base de ces troncs de pyramides peut entre des triangles équilatéraux, des carrés ou des hexagones rEguliersO Dans ce cas les axes des troncs de pyramide qui sont les axes des cercles circonscrits coïncident respectivement avec les axes des détecteurs. - R E VE N D I- A T I 0 8 S - 1 - Mosalque de détecteurs infrarouges caractérisée en ce qu'elle comprend une plaque (21) en matériau bon .conduc- teur de la chaleur percée d'une pluralité de trous biconiques ou bipyramidaux dont les axes coincident respectivement avec les axes des détecteurs infrarouges de la mosaïque, lesdits trous ayant une partie convergente (2) dont la petite base (8) et la grande base (6) sont dimensionnes pour que lesdits trous réfléchissent les rayons ayant une obliquité dépassant un certain seuil et une partie divergente (3) dont la petite base (8) et la grande base (7i sont dimen.sionnées pour que les rayons sortants desdits trous aient une obliquité donnée. 2 - Mosaïque de détecteurs- infrarouges conforme à la revendication 1-, caractérisée en ce que les trous sont biconiques et que les grandes bases (6) et (7) sont circu- laires et ont des rayons respectifs b et a et que la petite base (8) a un rayon aO-= b et que les angles limi- tes d'entrée 9 et de.sortie O du faisceau dans le tronc biconique sont donnés par sin e = ao/a et sin = b0,/b 3 - MosaSque de détecteurs infrarouges conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que les détecteurs in- frarouges de la mosaïque sont disposés en matrice carrée de pas P et que le rayon de la grande base (6-) de la partie convergente des trous est égal à ( #2 / 2 )p. 4 - MosaSque de détecteurs infrarouges conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la p1que (21) comporte des moyens de refroidissement (22).