Brevet FR2572583A1 — publié le 19860502

DISPOSITIF PHOTOELECTRIQUE POUR LA DETECTION D'EVENEMENTS LUMINEUX L'invention concerne un dispositif de détection photo- électrique comprenant une enveloppe à vide munie d'une fenêtre ayant un substrat supportant une photocathode sur la face interne de l'en- veloppe à vide, le dispositif étant sensible au rayonnement lumineux incident entre un seuil bas à longueur d'onde basse X1 et un seuil haut à longueur d'onde X2 plus élevée, les électrons émis par la pho- tocathode étant focalisés, accélérés et défléchis par des moyens élec- troniques pour délivrer des signaux ou une image représentatifs d'évè- nements lumineux projetés sur la photocathode. L'invention concerne également des tubes utilisant ce genre de dispositif de détection photoélectrique tels les tubes dis- secteurs d'image, et d'une manière générale tous les tubes de restitu- tion d'images pour lesquel les erreurs localisées de restitution sont à éliminer. Cet aspect des erreurs localisées présente une grande importance dans les tubes dissecteurs d'image. Ces tubes sont généra- lement destinés à détecter des évènements ponctuels apparaissant dans un champ de vision principalement sous la forme d'une scrutation du ciel comme par exemple dans l'observation des nuages ou des particu- les en météorologie ou dans la poursuite des étoiles en astronomie. L'image détectée par un tel tube apparaît ainsi sous la forme d'une image assez uniforme dans laquelle apparaissent des évènements à dé- tecter de très faible dimension par rapport à l'étendue totale de l'image. Or dans cette image se présentent également des défauts qui peuvent être confondus avec les évènements à détecter ou perturber leur détection et qui ainsi nuisent à l'efficacité du tube dissecteur. Un tube dissecteur est généralement constitué d'une enveloppe à vide pourvue d'une fenêtre d'entrée munie d'une photoca- thode émettant des électrons sous l'action d'un rayonnement lumineux incident. La scène à analyser est projetée optiquement sur la fenêtre d'entrée. Les électrons émis par la photocathode sont accélérés, foca- lisés et défléchis, par une optique électronique appropriée, sur un multiplicateur d'électrons qui présente à son entrée une très petite ouverture. Par un système de balayage électronique, les électrons émis par chaque point de l'image formée sur la photocathode, pénètrent dans le multiplicateur qui restitue par des moyens électroniques habituels un signal électrique que l'on peut visualiser sur un écran ou exploi- ter pour positionner le tube dissecteur. Or lorsque l'image présente les défauts déjà signalés ceux-ci peuvent entraîner une mauvaise perception de l'image ou des difficultés à positionner le tube dissecteur, car le défaut peut se substituer à l'évènement utile du champ d'image, et contrôler ainsi l'asservissement du tube dissecteur. Un tel tube dissecteur est ainsi décrit dans la publi- cation intitulée: "The Image Dissector as an Optical Tracker" de E.H. EBERHARDT publiée dans "Proceedings of the seminar on optical tracking system EL PASO, TEXAS, USA, 18-19 Janvier 1971. I1 y est décrit un tube dissecteur utilisé pour effec- tuer la poursuite des étoiles. Dans le champ d'image obtenu sur la photocathode l'étoile se présente ainsi sous l'apparence d'un point lumineux. Dans ces applications, il peut être nécessaire de déceler des variations de position de l'ordre du micron sur la photocathode. Or, il apparaît très souvent que des défauts puissent être confondus avec l'évènement lumineux à détecter et à suivre. Ce sont principale- ment les variations brutales de sensibilité, à courte distance, entre un point d'image et un autre point d'image voisin, qui créent la per- turbation la plus néfaste. Le but de l'invention est ainsi de diminuer le nombre des défauts de l'image ainsi que les perturbations qu'ils créent. Pour cela l'invention telle que définie dans le préam- bule est remarquable en ce que la fenêtre est munie d'au moins un fil- tre de lumière qui détermine le domaine de longueurs d'onde pour lequel le dispositif de détection est opérationnel, en éliminant leslongueurs d'onde supérieures à une longueur d'onde if telle que À1 Ce filtre de lumière peut être un filtre passe-bande qui élimine éga- lement les longueurs d'onde inférieures à une longueur d'onde 'f telle que 1 Dans les structures d'image détectées par un tube dis- secteur, il est apparu que ces défauts étaient dus pour leur majeure partie à une perturbation du fonctionnement de la photocathode, sous la forme de variations de son efficacité quantique. Ces défauts sont habi- tuellement des défauts ponctuels de lO.m x 10pm environ ou des défauts oblongs de lOpm x 50pm environ. Ces défauts peuvent entraîner des va- riations d'efficacité quantique du même ordre de grandeur que les va- riations d'émission quantique qui se produisent sous l'action des évè- nements à détecter et qui sont de l'ordre de 1%. Il s'ensuit qu'il peut être difficile dans bien des cas de discerner le signal utile du signal perturbé. Le pouvoir photoélectrique en transmission YT pour des photons incidents d'énergie hv s'écrit: YT(hv) = a 7em P(x, hv) o I(x, hv). dx o P(x, hv) = P(o, hv). f(x, v, L(hv)) avec e: épaisseur de la photocathode, x:profondeur à laquelle le photon est absorbé, I(x, hv) densité de photons d'énergie hV absorbés à la profon- deur x, P(o, hv): probabilité d'émission des électrons en surface avec des photons d'énergie hv, L(hv):profondeur d'échappement des photoélectrons, v vitesse de recombinaison des électrons à l'interface substrat-photocathode. Ceci indique que le pouvoir photoélectrique dépend de la profondeur à laquelle les photons sont absorbés, donc de la quan- tité de matériau concerné, ainsi que de la profondeur à partir de la- quelle les électrons vont pouvoir s'échapper dans l'enveloppe à vide. Il ressort des observations faites par la demanderesse que ces variations du pouvoir photoélectrique sont en rapport avec la composition et l'épaisseur des couches, la probabilité de sortie des électrons, la topologie des surfaces,... ces paramètres intervenant différemment selon le domaine de longueursd'onde du faisceau incident. Il est apparu que le pouvoir photoélectrique en lumière bleue (Ab = 430 nm) pour une photocathode de composition (Na2 KSb, Cs; est maximal pour une épaisseur de 7 nm environ. Or les antimoniures en couches minces ont tendance à nucléer sur le substrat et à provoquer des variations locales d'épaisseur qui peuvent atteindre 2 nm environ. Egalement les paramètres optiques nm et km des couches, qui sont res- pectivement les indices réel et complexe d'une photocathode d'épais- seur em, sont très sensibles aux variations d'épaisseur et de composi- tion des couches. Il en découle que-des variations locales du pouvoir photoélectrique YT peuvent atteindre des valeurs de 4% environ. Il est apparu que les fluctuations de compositions étaient fortement liées à la nature du substrat, les matériaux alcalins réagissant avec le subs- trat lorsqu'il est en verre. De même, il a été mis en évidence des variations impor- tantes, entre différents échantillons, du pouvoir photoélectrique YT en lumière rouge (ir > 700 nm). Ceci s'avère être dû à une probabilité de sortie des électrons plus faible, et à un gradient de la probabilité de sortie plus élevée, lorsque l'énergie des photons décroît. Ceci se traduit par des variations locales du pouvoir photoélectrique pouvant atteindre 4% c'est-à-dire des variations relatives pouvant atteindre %,. En lumière verte (Xv = 520 nm), les variations du pou- voir photoélectrique se sont avérées beaucoup plus faibles que pour les lumières bleueet rouge. Ceci est dû au fait que les épaisseurs de photocathode utilisées pour avoir un pouvoir photoélectrique maxi- mal sont de l'ordre de 68 nm pour lesquelles les fluctuations d'épais- seur liées à la nucléation des couches ont une action plus faible. De même, le gradient de la probabilité de sortie des électrons est faible aux environs de la longueur d'onde de la lumière verte. Il ressort d'expérimentations faites par la demanderesse que les variations importantes du pouvoir photoélectrique YT conduisant à l'apparition des défauts préalablement définis au niveau de la pho- tocathode, étaient en-priorité dus à l'association des mécanismes qui viennent d'être décrits, ceux-ci étant actifs pour des longueurs d'onde de lumière incidente se situant du côté des longueurs d'ondes élevées, vers le seuil de sensibilité i2 de la photocathode. Pour cela l'invention supprime l'influence du seuil de sensibilité À2 du dispositif de détection en filtrant le spectre de lumière incidente et en supprimant ce seuil haut k2.Le seuil haut de sensibilité du dispositif de détection après filtrage est alors celui du filtre interposé. Ce filtre est par exemple un filtre interférentiel constitué par un empilement de couches de matériaux à haut et bas indice optique, dont les épaisseurs sont déterminées en fonction de la bande spectrale o la transmission est souhaitée. Les matériaux à indice opti- que élevé sont par exemple ZrO2, CeO2, ZnS, Ti02, Ta205, W03. Les maté- riaux à indice optique faible sont par exemple MgF2, NaAl F2, Ca F2, Ba F. La réalisation d'un filtre adapté à un type de photoca- thode donné va pouvoir s'effectuer de la manière suivante. On dépose une photocathode sur un substrat et on détermine le pouvoir photoélec- trique de cette photocathode en fonction de la longueur d'onde. Sur cette courbe de sensibilité on définit la longueur d'onde Àf (par exem- ple if = 760 nm) pour laquelle cette sensibilité est à environ 10%O de sa sensibilité maximale. Le filtre est alors déterminé pour éliminer les longueurs d'ondes supérieures à la valeur Xf donc éliminer les lon- gueurs d'ondes voisines du seuil de sensibilité i2 (X2 > Àf)' Les cou- ches de matériaux à haut et bas indice optique vont être empilées les unes sur les autres avec des épaisseurs qui vont être fonction du type de filtre désiré. Pour cela on réalise un filtre passe-bas coupant les longueurs d'ondes supérieures à Àf = 760 nm pour lequel, àla longueur d'onde ÀfA = Xf = 760 nm, la transmission du filtre passe-bas est par exemple de l'ordre de 10%. Le filtre est, par exemple, constitué d'un empilement de couches dont les épaisseurs égalent un quart ou une demi longueur d'onde X0 (avec X = 0,58 XfA), soit dans l'exemple choisi 0 = 440 nm. L'empilement sera alors du type A: À À Ài p (B). 2(H). -4-(B) o - (B) signifieune épaisseur, égale à o, dumatériau (B)à bas indice n, et -- (H) signifie une épaisseur, égale àb, du matériau (H) à haut indice N, le nombre p indiquant que cette structure est répétée p fois. Mais il est également apparu que le seuil bas de sensibilité du dispositif de détection photoélectrique était également responsable des défauts du pouvoir photoélectrique de la photocathode. Aussi une améliora- tion supplémentaire est donnée à l'invention en supprimant également le seuil bas de sensibilité du dispositif de détection photoélectrique. Pour cela, on définit également une longueur d'onde À'f = 440 nm au-dessous de laquelle existe une zone o apparaissent des perturbations apportées par les interactions de nature chimique entre le substrat et la photocathode. Dans le cas d'une photocathode de composition Na2K Sb, Cs et d'épaisseur égale à 68 nm, sa sensibilité pour ' f = 440 nm est égale à environ 90.% de sa sensibilité maximale. On définit alors un filtre passe-haut qui avec les mêmes notations que précédemment pourra être du type B -À(H). (B) . p avec oÀ = 0,84 ÀfB. La valeur de Xf8 = Xf est celle pour laquelle la transmission du filtre passe-haut est par exemple de l'ordre de 10%. Avec fB = 440 nm alors À = 370 nm. Pour délimiter une bande utile de transmission du filtre il est possible de disposer des filtres des types A et B de part et d'autre du substrat. Il est également possible de réaliser un filtre d'un type C tel que: À0 À0 p n. o -2 (B). -4(H). Dans ce dernier cas pour déterminer un filtre ayant une transmission par exemple entre 480 nm et 680 nm la valeur de longueur d'onde à prendre en considération pour la réalisation de l'empilement sera alors À = 570 nm. Pour une photocathode de composition Na2 KSb, Cs l'épaisseur de celle-ci sera de 68 nm pour avoir un pouvoir photo- électrique maximal dans le vert. Selon un premier pode de réalisation le filtre ainsi déterminé peut être réalisé sous la forme d'une structure amovible pla- cée devant la fenêtre d'entrée du détecteur photoélectrique, lefiltre étant monté sur un support solidaire de l'enveloppe à vide. Selon un second mode, il est également possible de dé- poser directement les couches constituant le filtre sur la fenêtre d'entrée du détecteur photoélectrique à l'extérieur et/ou à l'inté- rieur de l'enveloppe àvide. Selon ce second mode plusieurs variantes de réalisation sont possibles. Selon une première variante préférentielle de réalisa- tion, on élimine les longueurs d'ondes élevées du spectre en déposant le filtre passe-bas sur la face externe du substrat. S Selon une seconde variante de réalisation, on élimine les deux extrémités du spectre en déposant le filtre passe-bas sur la face externe du substrat et le filtre passe-haut sur la face interne du substrat entre le substrat et la photocathode. Selon une troisième variante de réalisation, on élimine les deux extrémités du spectre en déposant le filtre passe-bande sur la face externe du substrat. Dans le cas o le filtre n'est pas situé sur la même face du substrat que la photocathode, le filtre est adapté spécifique- ment à cette photocathode. Dans le cas o le filtre est disposé entre le substrat et la photocathode, il est nécessaire d'opérer préalable- ment une mesure de sensibilité sur une photocathode témoin déposée directement sur un substrat de même nature, pour déterminer l'étendue du spectre o les corrections sont à effectuer. Dans ce cas pour réa- liser le filtre situé à l'intérieur de l'enveloppe on évitera d'utili- ser ZnS et Na A1 F2. Le substrat qui supporte la photocathode est habituel- lement réalisé en verre. Or les variations de composition de la photo- cathode qui sont dues aux réactions chimiques des alcalins avee le verre peuvent être diminuées en remplaçant ce substrat vitreux par un substrat monocristallin tels que le quartz ou le corindon. Le substrat ayant alors un meilleur état de surface permet une meilleure nucléa- tion des couches constitutives de la photocathode ou des filtres amé- liorant ainsi leurs propriétés respectives. Cette atténuation des va- riations du pouvoir photoélectrique avec la nature monocristalline du substrat est surtout sensible dans la partie bleue du spectre. Aussi une autre variante de l'invention corrigeant les parties rouge et bleue du spectre consiste à utiliser un filtre passe-bas - pour la correction de la partie rouge du spectre - placé sur la face externe du substrat monocristallin. Un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non 8. limitatif, est décrit ci-après à l'aide des figures qui représentent: figure 1: une représentation schématique d'un tube dis- secteur d'images, figure 2: une structure de fenêtre selon l'invention, s5 figure 3: trois courbes donnant en fonction de la ion- gueur d'onde: - les variations du pouvoir photoélectrique d'une photocathode de type (Na2 K Sb, Cs), - - la transmission d'un filtre interférentiel passe-bas, - les variations du pouvoir photoélectrique de la même photocathode munie du filtre interférentiel passe-bas selon l'invention. La figure 1 représente un tube dissecteur d'images com- prenant une enveloppe à vide 10, ayant une fenêtre d'entrée formée d'un substrat 12 sur lequel est déposée une photocathode 11. A l'intérieur de l'enveloppe à vide et à l'opposé de la fenêtre d'entrée du tube est disposé un multiplicateur d'électrons 13 devant lequel est disposé une plaque 15 présentant une petite ouverture 14. Egalement à l'intérieur de l'enveloppe sont disposées des électrodes 17 placées-à des poten- tiels adéquats pour accélérer et focaliser les électrons émis par la photocathode 11. Des bobines de déflexion 16 défléchissent le faisceau d'électrons et assurent le balayage afin que les électrons émis par chaque point de la photocathode soient focalisés sur l'ouverture 14 selon un trajet 18. Ce faisceau d'électrons est ensuite repris par le multiplicateur 13 qui fournit sur une sortie 19, un signal électrique qui est repris soit par un tube moniteur soit par un dispositif élec- tronique de traitement du signal. Devant le substrat 12 est disposé un filtre interférentiel 20. - Un dispositif optique non représenté sur la figure pro- jette la scène à analyser, sur la fenêtre d'entrée du tube dissecteur. Sur la figure 2 est représenté plus en détail l'ensem- ble de la fenêtre d'entrée du tube dissecteur selon un exemple non limitatif. Sur la face du substrat 12, qui est située du côté intérieur de l'enveloppe à vide est disposée la photocathode 11. Sur la face du substrat 12, qui est située à-l'extérieur de l'enveloppe à vide, est disposé un filtre interférentiel 20 constitué d'un empilement de cou- ches 201, 202,..., 20p qui selon cette figure sont constituées de couches d'un matériau à bas indice 201, 203,..., 20p alternées avec des couches d'un matériau à haut indice 202, 204,..., 20p_1. Cet empilement est représentatif des filtres du type A déjà décrits. La scène à analyser est projetée sur le tube dissecteur selon un fais- ceau incident 22 de lumière de longueurs d'onde s'étalant sur un spec- tre large. Il traverse le filtre interférentiel 20 pour donner à la sortie un faisceau de lumière dont les longueurs d'ondes sont limitées dans la partie haute et éventuellement dans la partie basse selon les caractéristiques données au(x) filtre(s) en rapport avec l'invention décrite préalablement. Ce faisceau à longueurs d'ondes filtrées tra- verse le substrat 12 puis est absorbé dans la photocathode 11 pour donner naissance à des électrons émis sur toute la surface de la pho- tocathode. A l'aide des électrodes 17 de focalisation et d'accélé- ration et des bobines de déflexion 16 indiquées sur la figure 1, on fait arriver les électrons émis par chaque point-image de la photoca- thode sur la petite ouverture 14 située à l'entrée du multiplicateur d'électrons 13. Le signal électrique obtenu est ensuite traité par des moyens de traitement dont les caractéristiques permettent de discerner deux points-image distants sur la photocathode de quelques microns. Sur la figure 3 sont représentées trois courbes: - La courbe 1 représente le pouvoir photoélectrique d'unephotocathode de composition (Na2 K Sb, Cs) ayant une épaisseur de 68 nm, pour une longueur d'onde variant de 400 nm à 850 nm, déposée sur lafenê- tre d'entrée d'un tube dissecteur. On constate entre 850 nm et 760 nm un accroissement rapide du pouvoir photoélectrique. Dans cet exemple, c'est cette partie du spectre de la lumière incidente que l'invention élimine en interposant un filtre. On constate également pour les longueurs d'onde plus faibles une diminution du pouvoir photoélectrique de la photocathode spécialement entre 450 nm et 400 nm. Cette partie du spectre de longueurs d'ondes peut également être supprimée par filtrage. Le pouvoir photoélectrique YT est dans cet exemple égal à 10% de sa valeur maximale vers Àf = 760 nm. Le filtre à interposer est alors déterminé pour qu'il ait une transmis- sion d'environ 10l pour cette longueur d'onde, ce qui aura pour effet de ramener pour cette longueur d'onde le pouvoir photoélec- trique à environ 1% de la valeur maximale. Dans la partie utile du spectre le pouvoir photoélectrique doit être le moins possible altéré c'est-à-dire que le filtre doit présenter une transmission élevée. - La courbe 2 représente les caractéristiques de transmission d'un filtre interférentiel convenant à cette fonction formé de 7 cou- ches alternées de ZnS et de MgF2 assurant l'élimination de la par- tie haute du spectre. - La courbe 3 indique le pouvoir photoélectrique de la photocathode de la courbe 1 déposée sur un substrat de verre muni d'un filtre ayant les caractéristiques de la courbe 2, indiquant que la partie haute du spectre incident a été rendue inopérante. Bien évidemment l'invention concerne les tubes de res- titution d'images pour lesquels des variations à très courtes distan- ces du pouvoir photoélectrique produisent des effets néfastes à éli- miner. ll REVENDICATIONS: 1. Dispositif de détection photoélectrique comprenant une enveloppe à vide munie d'une fenêtre ayant un substrat supportant une photocathode sur la face interne à l'enveloppe à vide, le dispositif étant sensible au rayonnement lumineux incident entre un seuil bas à longueur d'onde basse X1 et un seuil haut à longueur d'onde X2 plus; élevée, les électrons émis par la photocathode étant focalisés, accé- lérés et défléchis par des moyens électroniques pour délivrer des si- gnaux ou une image représentatifs d'événements lumineux projetés sur la photocathode, caractérisé en ce que la fenêtre est munie d'au moins un filtre de lumière qui détermine le domaine de longueurs d'onde pour lequel le dispositif de détection est opérationnel, en éliminant les longueurs d'onde supérieures à une longueur d'onde if telle que i1 2. Dispositif de détection photoélectrique selon la reven- dication l, caractérisé en ce que le filtre de lumière est un filtre passe-bande qui élimine également les longueurs d'onde inférieures à une longueur d'onde XIf telle que À1 3. Dispositif de détection photoélectrique selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la-longueur d'onde XIf est la longueur d'onde pour laquelle la sensibilité initiale du dispositif de détection est d'environ 10% de sa sensibilité initiale maximale. 4. Dispositif de détection photoélectrique selon une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la longueur dronde XIf est égale à 440 nm. 5. Dispositif de détection photoélectriqueselon une des revendications l à 4, caractérisé en ce que le(s) filtre(s) présen- te(nt) pour les longueurs d'onde Àf et/ou B'f une transmission égale à environ 10% de sa(leur) transmission(s) maximale(s). 6. Dispositif de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre de lumière est disposé devant la fenêtre à l'extérieur de l'enveloppe à vide. 7. Dispositif de détection photoélectrique selon l'unedes revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre de lumière est disposé sur la face externe du substrat-de la fenêtre. 8. Dispositif de détection photoélectrique selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre de lumière est disposé sur la face interne du substrat de la fenêtre. 9. Dispositif de détection photoélectrique selon les reven- dications 7 et 8, caractérisé ence que le filtre est un filtre passebande constitué d'un filtre de lumière passe-haut sur la face interne et un filtre de lumière passe-bas sur la face externe du substrat de la fenêtre. 10. Dispositif de détection photoélectrique selon une des o10 revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le filtre de lumière est un filtre interférentiel constitué d'un empilement de couches minces. 11. Dispositif de détection photoélectrique selon une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la fenêtre à un substrat monocristallin. 12. Dispositif de détection photoélectrique selon la reven- dication 11, caractérisé en ce que lafenêtre a un substrat constitué d'une lame de quartz. 13. Dispositif de détection photoélectrique selon la reven- dication 11, caractérisé en ce que la fenêtre a un substrat constitué d'une lame de corindon. 14. Dispositif de détection photoélectrique caractérisé en ce que c'est un tube dissecteur d'images selon une des revendications 1 à 13.