Brevet FR2582859A1 — publié le 19861205

INTENSIFICATEUR D'IMAGE FONCTIONNANT DANS L'INFRAROUGE MOYEN La présente invention concerne les intensificateurs d'image fonctionnant dans l'infrarouge moyen. Les intensificateurs d'image pour vision nocturne fonctionnant en vision directe qu'on utilise à l'heure actuelle emploient une émission photoélectronique pour le processus de photodétection primaire, et ils sont donc limités aux longueurs d'ondes de la gamme visible et de l'infrarouge proche, ne dé- passant pas un micron, comme par exemple celles produites par la lumière de la lune ou des étoiles, de façon à obtenir l'énergie nécessaire pour l'émission photoélectronique. Ces dispositif utilisent de façon caractéristique des plaques ou galettes munies de microcanaux pour amplifier les électrons qui sont ensuite di- rigés vers un écran à luminophores, pour donner une image vi- sible. Les systèmes d'imagerie pour le rayonnement infra- rouge moyen (c'est-à-dire celui résultant de la chaleur), qui a une énergie insuffisante pour l'émission photoélectronique, sont des systèmes indirects, employant des réseaux d'éléments semiconducteurs connectés à des dispositifs de visualisation par des ensembles de fils. Ces systèmes sont donc complexes, volumineux, lourds et coûteux. La demanderesse a trouvé qu'il était possible de réaliser une intensification d'image dans l'infrarouge moyen à la tempéra- ture ambiante, et sans la nécessité d'un système de refroi- dissement, par l'utilisation d'une lentille pour former une image dans l'infrarouge moyen sur une membrane donnant lieu à une émission thermoélectronique, et en multipliant dans des canaux d'une galette munie de microcanaux les électrons qui sont émis par l'arrière de la membrane sous l'effet du rayonnement infrarouge moyen reçu sur la face avant de la membrane. Dans des modes de réalisation préférés, le flux d'électrons provenant de la galette munie de microcanaux est dirigé vers un dispositif de visualisation électroluminescent pour donner une image visible; on utilise un modulateur pour ad- mettre et bloquer de façon répétée le rayonnement infrarouge moyen incident; et on utilise un étage d'extraction d'image pour produire des signaux liés à la différence entre le flux d'électrons provenant de la galette munie de microcanaux lorsque le rayonnement infrarouge moyen incident est admis, et le flux d'électrons lorsque le rayonnement infrarouge moyen incident est bloqué. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe verticale schématique d'un intensificateur d'image fonctionnant dans l'infrarouge moyen conforme à l'invention; la figure 2 est une coupe verticale schématique d'un étage d'extraction d'image du dispositif de la figure 1, conforme à l'invention; la figure 3 représente le circuit équivalent d'un élément de l'étage d'extraction d'image de la figure 2; la figure 4 est une coupe verticale, partiellement schématique, d'un autre étage d'extraction d'image conforme à l'invention; et la figure 5 représente le circuit équivalent d'un élément de l'étage d'extraction d'image de la figure 4. En considérant la figure 1, on voit un intensifica- teur d'image fonctionnant dans l'infrarouge moyen, 10, qui comprend un système de lentille transparent à l'infrarouge moyen, 11, une fenêtre transparente à l'infrarouge moyen, 12, un modulateur d'image dans l'infrarouge moyen 14 (une cellule de Pockels, qui transmet le rayonnement pendant une durée T" et qui bloque le rayonnement pendant une durée égale au cours de chaque cycle), une galette munie de microcanaux 16 (ayant des canaux conducteurs dont les axes sont écartés de 50 à 100 microns, un gain maximal de 104 et un débit de sortie maximal de 108 électrons/canal-seconde), une membrane 18 supportée sur la face avant de la galette munie de microcanaux 16 et compre- nant une couche de support en dioxyde de silicium 19 et une cathode 20 (consistant en une matière Cs-O-Ag, code Si, ayant - une énergie d'extraction faible, d'environ 1,2 eV), et un étage d'extraction d'image 22. Les éléments 12 à 22 sont con- tenus à l'intérieur d'un joint hermétique formé entre les éléments 12 et 22. La membrane 18 a une épaisseur comprise entre 10 nm et 10 pm, et comprise de préférence entre 1 et 10 pm; elle ne doit pas être mince au point que le rayonnement la traverse sans être absorbé, et elle ne doit pas être épaisse au point qu'il existe un gradient de température à l'intérieur, à cause du refroidissement à la périphérie. Elle présente une émission thermoélectronique notable à des températures qui ne sont que modérément élevées, et elle a une conductivité électrique suf- fisante pour remplacer les électrons perdus par émission, sans faire apparaître un champ électrique latéral perturbateur. En considérant la figure 2, on note que le premier mode de réalisation de l'étage d'extraction d'image 22 com- prend une fenêtre de sortie en verre 24 qui porte une couche 26 d'oxyde d'étain, transparente et conductrice de l'électri- cité, déposée sous vide. La surface de la couche d'oxyde d'étain 26 supporte des éléments 23, ayant chacun environ 80 microns de largeur, qui sont séparés les uns des autres par une distance entre axes de 100 microns, qui ont une forme gé- nérale carrée en vue en plan, et qui sont disposés en lignes et en colonnes sur la fenêtre en verre 24. Chaque élément 23 comprend une couche électroluminescente 28 (par exemple une ma- tiêre électroluminescente faisant partie de la famille du sul- fure de zinc, d'une épaisseur comprise entre 10 et 100 microns), une couche métallique conductrice de l'électricité 30 (par exemple un alliage nickel-chrome disponible sous la désignation commerciale Inconel) sur la couche 28, une couche de verre 32 d'une épaisseur de 1 à 10 microns sur la couche 30, une couche métallique collectrice 34 conductrice de l'électricité sur la couche 32, et une matière résistive 36 adjacente aux couches 28 à 32 et située sous la couche collectrice 34. En considérant la figure 3, qui représente le circuit équivalent d'un seul élément 23, on note que I désigne le flux d'électrons qui tombe sur la couche collectrice 34. La résistance R1 est constituée par la couche de verre 32, et le condensateur C1 est constitué par la couche de verre 32 et par les couches conductrices 30, 34 situées de part et d'autre de la couche 32. La résistance R2 est formée par la couche de sulfure de zinc 28 et le condensateur C2 est formé par la cou- che de sulfure de zinc 28 et par les parties adjacentes des couches conductrices 26, 30, de part et d'autre de la couche 28. La résistance de dérivation R3 est formée par la matière 36. Le condensateur C3 est à l'extérieur des éléments de l'in- tensificateur 10 contenu dans une enceinte hermétique, et il est connecté à la couche d'oxyde d'étain 26. L'alimentation Ps est également connectée à la couche d'oxyde d'étain 26 par l'intermédiaire d'une résistance externe R4. On choisit les matières et les dimensions des constituants dans chaque élément 23 de façon à obtenir certaines caractéristiques électriques. La valeur de la résistance R1 est très supérieure à la valeur de la résistance R2; pour obtenir ceci, on conçoit la couche de verre 32 de façon que son courant de fuite soit aussi faible que possible. La capacité du condensateur C1 est très supérieu- re à la capacité du condensateur C2, et la capacité du conden- sateur C3 est très supérieure à la capacité du condensateur C2, de façon que le rapport 1:(1 + C2/C3 + C2/C1), qui déter- mine la fraction de la composante modulée du flux d'électrons qui est appliqué à la couche électroluminescente 28, soit aus- si élevé que possible. Le produit de la capacité du condensa- teur C2 par la résistance de R2 est très supérieur à la valeur de 1/wm, en désignant par w m/21t la fréquence de modulation du rayonnement d'entrée du modulateur 14. Les valeurs réelles sont les suivantes: C1 10-13 F C2 o4 F R1 1015 ohms R2 1013 ohms R3 5 x 1012 ohms -3 Ceci fait que la constante de temps de relaxation de la couche électroluminescente 28 est longue par rapport à la période de modulation du rayonnement, pour minimiser les pertes résisti- ves pour le signal modulé. La rigidité diélectrique maximale que doivent avoir les condensateurs est de 105 V/cm. En considérant la figure 4, on voit une coupe verti- cale, partiellement schématique, d'un second mode de réalisa- tion de l'étage d'extraction d'image 22, qui est désigné ici par la référence 22'. Ce mode de réalisation comprend une fe- nêtre de sortie inférieure en verre 50, sur laquelle est dépo- sée une couche d'oxyde d'étain transparente et conductrice de l'électricité, 52. Des éléments 54 sont supportés sur la cou- che 52 et chacun d'eux a une largeur d'environ 80 microns, il est séparé des éléments adjacents par une-distance entre axes d'environ 100 microns, il a une forme générale carrée en vue en plan, et les différents éléments sont disposés en lignes et en colonnes sur la fenêtre en verre 50. Chaque élément 54 comporte une couche de verre 58, une couche métallique con- ductrice de l'électricité 60 au-dessus, une couche électrolu- minescente 62 au-dessus, et une couche collectrice conductrice de l'électricité 64 au sommet. En position adjacente aux cou- ches 58-64, se trouvent une couche collectrice conductrice de l'électricité 66 et des diodes D1, D2 et une résistance R4, placées au-dessous de la couche 66, et représentées schémati- quement sur la figure 4. Des fils de tungstène 68 d'environ 10 microns de diamètre sont suspendus à une distance comprise entre 100 microns et 1 millimètre au-dessus des couches col- lectrices 64, 66, en alignement avec ces dernières. La figure 5 montre le circuit équivalent d'un élé- ment 54. Le condensateur C4 est formé par la couche électro- luminescente 62 et par les couches conductrices 60, 64 situées de part et d'autre de celle-ci. Le condensateur C5 est formé de façon prédominante par la couche de verre 58 et par les parties adjacentes des couches conductrices 52, 60 situées de part et d'autre de la couche 58, et il est également formé par les partie en recouvrement des couches 52, 66 et par les composants situés entre elles. Les matières et les dimensions des composants sont telles que la valeur de la résistance R4 est comprise entre 1012 et 1013 ohms, et est de préférence de 1013 ohms, et la capacité du condensateur C5 est comprise en- tre 101 et 1015 farads. De plus, la capacité du condensa- teur C5 est au moins 10 fois supérieure à la capacité du con- J densateur C4, et la rigidité diélectrique maximale des con- densateurs est de 105 V/cm. Pendant le fonctionnement, le système de lentille 11 projette un rayonnement dans l'infrarouge moyen, pour former une image dans l'infrarouge moyen sur la face avant de la mem- brane 18, ce qui échauffe de manière variable des parties de la membrane. Le modulateur 14, fonctionnant de façon répétiti- ve, admet le rayonnement infrarouge moyen incident pendant une durée T., et il bloque le rayonnement infrarouge moyen inci- dent pendant une durée T,, à une fréquence de 100 Hz. Des électrons sont émis par la face arrière de la membrane 18, en une quantité liée à la température de la membrane aux posi- tions à partir desquelles les électrons sont émis, et ces électrons entrent dans les divers canaux de la galette munie de mi- crocanaux 16. Les électrons sont multiplies à l'intérieur des canauxde la galette munie de microcanaux 16. Le flux d'électrons provenantde la galette munie de microcanaux 16 est dirigé vers l'étage d'extraction d'image 22, dans lequel le flux d'élec- trons résultant de l'émission thermoélectronique de fond (c'est-à-dire celui qui n'est pas dû à l'image formée sur la membrane 18), est soustrait du flux total, et l'image visible qui est visualisée par l'étage 22 est basée sur la différence. On peut utiliser l'étage d'extraction d'image 22, représenté en détail sur les figures 2 et 3, lorsque l'émis- sion thermoélectronique qui résulte de l'image dans l'infra- rouge moyen présente un niveau comparable à celui de l'émis- sion de fond de la membrane 18 à la température ambiante. On peut utiliser l'étage d'extraction d'image 22', représenté en détail sur les figures 4 et 5, lorsque l'émission thermo- électronique due à l'image dans l'infrarouge moyen est très inférieure à l'émission de fond de la membrane 18 à la tempé- rature ambiante. Dans le fonctionnement de l'étage d'extraction d'image des figures 2 et 3, du fait que la valeur de la ré- sistance R1 est très grande, la quasi-totalité de la compo- sante continue du flux d'électrons Ie de la galette de micro- canaux passe par la résistance de dérivation R3, et seule la composante alternative du flux d'électrons, qui correspond à l'image dans l'infrarouge moyen sur la membrane 18, est diri- gée vers la couche électroluminescente 28, et produit une image visible de l'image de rayonnement infrarouge moyen sur la membrane 18. Dans le fonctionnement de l'étage d'extraction d'image des figures 4 et 5, les fils 68 associés aux couches collectrices 64 et les fils 68 associés aux couches collec- trices 66 sont commutés alternativement entre des tensions positive et négative, en synchronisme avec l'admission et le blocage du rayonnement infrarouge moyen par le modulateur 14. Lorsque le modulateur 14 admet le rayonnement infrarouge moyen, tous les électrons provenant de la galette munie de microca- naux 16 sont déviés vers les couches collectrices 64, par l'application d'une tension positive aux fils situés face aux couches collectrices 64, et d'une tension négative aux fils situés face aux couches collectrices 66. Lorsque le rayonne- ment infrarouge moyen est bloqué par le modulateur 14, tous les électrons provenant de la galette munie de microcanaux 16 sont dirigés vers les couches collectrices 66, par l'application d'une tension négative sur les fils qui se trouvent face aux couches collectrices 64, et d'une tension positive sur les fils qui se trouvent face aux couches collectrices 66. Si aucun rayonnement infrarouge moyen n'est projeté sur la membrane 18, les flux d'électrons qui tombent sur les couches collectrices 64, 66 sont les mêmes; les potentiels des couches collectrices 64, 66 sont égaux, et il n'y a pas de différence de potentiel de part et d'autre de la couche électroluminescente 62 (condensateur C4 sur la figure 5). Lorsqu'une image de rayonnement infrarouge moyen est projetée sur la membrane 18, les flux d'électrons qui tombent sur les couches collectrices 64, 66 diffèrent, et une différence de potentiel égale au produit de la différence des flux d'élec- trons par la valeur de la résistance R4 apparalt de part et d'autre de la couche électroluminescente 62, et provoque la visualisation d'une image visible. D'autres modes de réalisation entrent dans le cadre de l'invention. A titre d'exemple, on peut utiliser d'autres matiè- res pour la membrane et la cathode (par exemple en fonction des températures de fonctionnement et du rayonnement qui est détecté), et on peut utiliser différents moyens pour extraire du flux d'électrons les signaux liés aux images de rayonne- ment infrarouge moyen. La matière de cathode de type Cs-O-Ag décrite cidessus présente une émission thermoélectronique utile au voisinage de 300 K. La matière(BaO/SrO)-Ni présente une émission utile dans la plage 400-700 K, et la matière Ba-W présente une émission utile dans la plage de 375 à 500 K. D'autres candidats pour une matière de cathode à faible éner- gie d'extraction sontindiqués dans le Tableau 4.1 de l'ouvrage de Bleaney et col., Electricity and Magnetism, (Oxford, Cla- rendon Press, 1965). On peut utiliser des matières et des composants dif- férents pour obtenir les circuits équivalents représentés sur les figures 3 et 5, et on peut modifier ces circuits en se ba- sant sur les mêmes principes pour extraire des signaux d'ima- ge. De plus, dans l'étage d'extraction d'image, on peut obte- nir une image visible en employant des diodes électrolumines- centes, des cristaux liquides ou des panneaux de cellules à plasma (par exemple d la manière décrite dans l'ouvrage de G.F. Weston et R. Bittleston, Alphanumeric Displays (McGraw Hill, 1982)), à la place des matières électroluminescentes. On pourrait augmenter la luminosité de la visualisation obtenue par l'un quelconque de ces moyens en utilisant un second éta- ge, ou même des second et troisième étages, d'intensification d'image, comme il est courant dans certains instruments de vision nocturne existants. Une autre solution consiste à pro- jeter directement sur un écran à luminophores le flux d'élec- trons provenant de la galette de microcanaux, et à extraire l'image infrarouge de l'image visible résultante par des techniques de traitement d'images optiques connues. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Intensificateur d'image de rayonnement infrarouge moyen (10, caractérisé en ce qu'il comprend: une galette munie de microcanaux de formation d'image (16); une membrane à émis- sion thermoélectronique (18), placée devant lagalette munie de microcanaux, cette membrane (18) émettant des électrons lors- qu'elle est exposée à un rayonnement infrarouge moyen, et un système de lentille (11) destiné à former une image de rayon- nement infrarouge moyen sur la membrane, grâce à quoi les électrons émis par la membrane (18) sont multipliés dans des canaux de la galette munie de microcanaux-.(16). 2. Intensificateur d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de gé- nération d'image visible (22, 22') destinés à produire une image visible à partir de l'image de rayonnement infrarouge moyen, sur la base du flux d'électrons que produit la galette munie de microcanaux (16). 3. Intensificateur d'image selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un modulateur (14) qui fonctionne de façon répétitive de manière à laisser passer le rayonnement infrarouge moyen vers la membrane (18) et à bloquer le rayonnement infrarouge moyen dirigé vers la membrane (18), et des moyens d'extraction d'image (22, 22') destinés à permettre l'obtention de signaux dont le niveau est lié à la différence entre le flux d'électrons lorsque au- cune image de rayonnement infrarouge n'apparaît sur la mem- brane (18) et le flux d'électrons lorsqu'une image de rayon- nement infrarouge moyen apparaît sur la membrane (18). 4. Intensificateur d'image selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de génération d'image visible et les moyens d'extraction d'image (22) sont consti- tués par un ensemble d'éléments discrets (23) supportés par une plaque de verre (24), chacun de ces éléments comprenant un élément de génération de lumière visible (28). 5. Intensificateur d'image selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément (23) comprend un ré- seau résistances-condensateurs (R1, R2, R3, C1, C2), de fa- çon que la composante variable du flux d'électrons provenant de la galette munie de microcanaux (16) apparaisse dans l'élément de génération de lumière visible (28), et que la composante non variable traverse d'autres composants. électriques dans l'élément précité (23). 6. Intensificateur d'image selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément (54) comprend deux collecteurs (64, 66) destinés à recevoir le flux d'électrons, et des moyens (68) sont prévus pour diriger alternativement ce flux d'électrons vers un collecteur (64) puis vers l'autre collecteur (66), en synchronisme avec l'admission et le blo- cage du rayonnement infrarouge moyen par le modulateur (14). 7. Intensificateur d'image selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque élément (54) comprend des moyens (D1, D2, C4, R4) destinés à appliquer à l'élément de génération de lumière visible (62) des signaux liés à la dif- férence de niveau desflux d'électrons reçus par les collec- teurs (64, 66). 8. Intensificateur d'image selon la revendication 7, caractérisé en ce que des électrodes (60, 64) de l'élément de génération de lumière visible (62) sont directement con- nectées aux deux collecteurs (64, 66) ou sont formées d'un seul tenant avec ces derniers, et les collecteurs sont con- nectés à une résistance commune (R4). 9. Intensificateur d'image selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérise en ce que l'élément de génération de lumière visible (28, 62) est un élément élec- troluminescent. 10. Intensificateur d'image selon l'une quelconque des revendications 5 ou 8, caractérisé en ce que l'élément de génération de lumière visible (28, 62) est constitué par une matière électroluminescente de la famille du sulfure de zinc. 11. Intensificateur d'image selon l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 7, caractérisé en ce que l'élément de génération de lumière visible fait partie du groupe com- prenant une diode électroluminescente, un élément à cristaux liquides et un élément à panneau à plasma. 12. Intensificateur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que la membrane (18) comprend une cathode en une matière appartenant au grou- pe qui comprend: Cs-O-Ag, (BaO/SrO)-Ni, et Ba-W.