Brevet FR2580394A1 — publié le 19861017

DISPOSITIF DE LIMITATION ET D'UNIFORMISATION DU CHAMP DE VUE DE MOSAIQUES DE DETECTEURS IR. L'invention concerne un dispositif de limitation et d'uniformisation du champ de vue de détecteurs au moyen d'un faisceau de fibres optiques refroidies, transparentes dans la bande de sensibilité spectrale désirée et qui trans- mettent auxdits détecteurs le flux utile venant de la scène observée. La nécessité de limiter le champ de vue d'un dé- tecteur s'impose lorsque le fond est à une température suffi- sante pour rayonner dans le spectre de sensibilité du détec- teur. Il en résulte un flux parasite qui augmente le bruit ainsi que le signal continu fourni par le détecteur d'une fa- çon dépendante de la température du fond. Un moyen simple de protection contre ce flux pa- rasite consiste à placer à l'avant du détecteur un écran froid limitant l'angle solide sous lequel le flux est reçu à la va- leur utile correspondant au rayonnement émis par la scène. Dans le cas d'un détecteur comportant de multi- ples éléments sensibles, l'écran froid limite le champ de vue de chaque détecteur d'une façon différente. L'angle délimité par cet écran dépend de la position de chaque élément sensible par rapport à l'écran froid. Ceci est particulièrement marqué pour les détec- teurs à traitement dans le plan focal, qui comprennent généra- lement une mosaïque d'éléments répartis sur une surface rec- tangulaire. Chaque élément sensible occupant par rapport à l'écran froid une place particulière reçoit un flux différent des autres éléments. Une partie de ce flux est le flux utile (généralement la partie centrale venant d'un objectif) l'autre partie est le flux du fond (généralement la partie annulaire venant de la monture de l'objectif). - 2 - Cet effet vient s'ajouter aux variations de sensi- bilité des éléments détecteurs et aux variations de couplage entre ces éléments et les circuits d'exploitation des charges apparaissant sur les détecteurs. Comme le flux venant des mon- tures de l'objectif est fonction de la température de ces mon- tures, cet effet doit être corrigé afin que la réponse de tous les détecteurs au flux continu soit uniforme. La correction peut être effectuée en recevant les flux considérés cidessus sur une extrémité d'un faisceau de fibres optiques dont l'autre extrémité est couplée au détec- teur ainsi qu'il est indiqué dans le préambule. Chaque élément sensible du détecteur reçoit ainsi le rayonnement de la scène vers laquelle il est dirigé dans un angle solide égal à l'an- gle d'acceptance d'une fibre, tandis que le rayonnement para- site en provenance du fond et dont les angles d'attaque sont supérieurs à cet angle d'acceptance est absorbé dans la gaine de la fibre. Le brevet japonais n' 58-43673 décrit un disposi- tif de ce genre dans lequel une extrémité d'un faisceau de fi- bres optiques est mise au contact d'un élément détecteur cons- titué par un photocapteur à barrière de Schottky. La configu- ration de ce détecteur dont la face opposée à celle exposée au rayonnement comporte de multiples électrodes pose un problème de refroidissement qui est résolu par l'immersion du détecteur dans de l'azote liquide. Le rôle de la fibre optique est de transférer sur le détecteur, à travers le liquide réfrigérant, le flux incident à l'autre extrémité du faisceau et d'assurer le refroidissement uniforme du détecteur par contact entre le détecteur et la fibre d'une part et entre la fibre et le li- quide réfrigérant d'autre part. Le but de ce dispositif n'est donc pas de limiter le champ et il s'applique au cas particu- lier d'un détecteur à barrière de Schottky éclairé par la face arrière dont le fonctionnement nécessite l'immersion dans un milieu réfrigérant. La traversée de ce milieu impose une gran- de longueur du faisceau de fibres dont une extrémité est à la -3température ambiante extérieure et l'autre extrémité est à la température du réfrigérant. Il en résulte une consommation im- portante de liquide réfrigérant. - Le dispositif de l'invention a pour but d'assurer la limitation et l'uniformité du champ de vue de mosaïques de détecteurs. Il s'applique à toutes sortes de détecteurs pou- -vant être convenablement refroidis sans qu'une immersion s'avère nécessaire. Conformément à l'invention ledit dispositif com- porte un faisceau de fibres optiques constitué par une galette de faible épaisseur, solidaire d'un support froid, au contact ou à faible distance d'éléments détecteurs d'une mosaïque de p rangées de q éléments occupant une grande surface par rapport aux dimensions d'un élément et fournissant p x q sorties de signal éventuellement multiplexées, l'ensemble desdits élé- ments étant fixé par l'une de ses faces sur ledit support froid à l'intérieur d'une enceinte vide d'air ou remplie d'un gaz à faible conductivité thermique, ladite galette étant en regard d'un hublot, lesdits galettes et hublot étant transpa- rents dans la bande spectrale désirée, l'angle solide sous le- quel chaque éliment sensible doit recevoir du flux étant égal à l'angle d'acceptance d'une fibre. On sait que les fibres optiques ont un angle d'ac- ceptance maximum au-delà duquel les rayons ne subissent plus la réflexion totale entre le coeur et la gaine et se perdent dans celle-ci ou sont absorbes par le matériau liant les dif- férentes fibres pour obtenir une galette. Si no est l'indice du milieu ambiant, n1 l'indice du coeur et n2 l'indice de la gaine, l'angle d'acceptance u est donné par la relation: no sin u = V(n21 - n22)1/2. La galette étant refroidie, la contribution éner- gétique des rayons plus inclinés est négligeable et la galette joue le rôle d'un écran froid définissant le même angle pour tous les éléments détecteurs. - 4 - Si la galette de fibres est précédée par un objec- tif dont la pupille de sortie est à l'infini et dont l'ouver- ture est plus grande ou égale à celle des fibres, les seuls rayons tombant sur les détecteurs sont issus de la scène dont on veut mesurer le rayonnement. Ainsi les inconvénients signalés ci-dessus, varia- tion du flux parasite selon l'emplacement de l'élément d5tec- teur, selon la température de la monture, bruit amené par le flux parasite, sont éliminés. La description suivante en regard des dessins an- nexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peutêtre réalisée. La figure 1 montre des configurations d'angles so- lides de détecteurs disposés dans le plan focal, à une distan- ce z d'un écran froid. La figure 2 représente la structure d'un disposi- tif de limitation du champ de vue de mosaïques de détecteurs conforme à l'invention. La figure 3 représente une première application du dispositif conforme à l'invention, associant une fibre optique à chaque élément sensible du détecteur, celui-ci étant plaqué à la fibre. La figure 4 représente une seconde application du dispositif conforme à l'invention, associant une fibre optique à chaque élément sensible du détecteur, celui-ci étant à la distance d de la fibre. La figure 5 montre une troisième application du dispositif conforme à l'invention, associant k fibres optiques à chaque élément sensible du détecteur, plaquées ou non aux éléments. La figure 1 montre l'allure des angles solides réels QR de certains éléments sensibles d'un détecteur (par exemple les éléments n' 1, 16 et 32), délimités par un écran froid E situé à une distance z du détecteur, ce dernier étant dispos& dans le plan focal F. Soient %R1, QR16 et QR32 5= ls angles solidus correspondant respectivement à ces éléments. Le champ utile qu de chacun des éléments a été de même représenté sur cette figure. On considère par exemple un écran froid situé à 5 mm d'une mosaïque de 32 lignes de 32 éléments détecteurs carrés de 50 im de côté espaces de 50 pm. Cette mosaïque étant placée au foyer d'une optique ouverte à F/4 et dont la pupille est située à l'infini, découpe des angles solides réels va- riant selon la position des éléments entre 0,49 et 0,62 stéra- dlan, alors que le champ de vue utile vaut 0,05 stéradian. La structure du dispositif de l'invention repré- serntée Sur la figure 2 compor e une galette mince de fibres optiques 1 solidaire d'un support froid 2 sur lequel est fixé le détecteur 4 et disposée au contact ou à très petite distan- ce de ce dernier. Le support froid 2 est partie d'une enveloppe 3 fermée à l'avant par un hublot 5. La galette de fibres et le hublot sont transpa- rents-dans la bande spectrale de transmission désirée qui peut être choisie de façon à adapter la sensibilité spectrale de l'ensemble au problème posé par les conditions d'utilisation. Ainsi la fibre peut jouer le rôle d'un filtre froid, ce qui améliore la sensibilité du détecteur par réduction du flux du fond. L'espace clos 6 délimité par l'enveloppe 3 et le hublot 5 est vide d'air ou rempli d'un gaz à faible conducti- bilité thermique. La partie 2 de l'enveloppe 3 servant de support au détecteur a la forme d'un doigt dont l'intérieur 7 est refroi- di par un procédé quelconque: contact intime avec un milieu réfrigérant tel que l'azote liquide, détente de gaz en circuit ouvert, utilisation d'une machine à froid en circuit fermé etc... -6- Le détecteur disposé dans l'espace clos 6 est constitué par une mosaïque de p rangées de q éléments. Grâce à l'interposition de la galette de fibres optiques entre le faisceau incident et le détecteur, les rayons reçus par chaque élément sont situés à l'intérieur d'un angle solide Su corres- pondant à l'angle d'acceptance d'une fibre. Ces p rangées de q éléments fournissent p x q sorties de signal constituant la fonction de détection. Si une fonction de multiplexage des p x q sorties de signal sur une sortie unique doit être ajoutée à la fonc- tion de détection, l'ensemble des deux fonctions peut être réalisé sous une forme hybride ou dans une même structure mo- nolithique du détecteur pour les détecteurs infra-rouge de deuxième génération. Les figures 3, 4 et 5 donnent des applications possibles d'utilisation de fibres optiques refroidies définis- sant le champ de vue utile 2u de chaque élément détecteur. Pour fixer les idées, les croquis sont effectués pour les ca- ractéristiques de mosaïques et d'optique mentionnées ci-des- sus. On rappelle d'autre part que chaque galette de fibres consiste en l'association de fibres (... fn-1 fn, fn+1'''-) revêtues d'une gaine (-. gn-1 gns gn+l,...) et liées par un enrobage r type résine ou soudées entre elles ainsi qu'il est représenté sur les figures 3 et 4, chaque fibre comprenant el- le-même un verre de coeur et un verre extérieur étant associée à un seul élément détecteur. Sur la figure 3 les éléments détecteurs...en_1, en, en+1... sont plaqués en regard des fibres correspondantes alors que sur la figure 4 ils en sont séparés par la distan- ce d. L'association d'une seule fibre à chaque élément sensible du détecteur impose l'obtention d'un bon centrage de la fibre optique sur l'6lément sensible. Cette contrainte se trouve éliminée si l'on fabrique des fibres optiques sensibles à l'infra-rouge et qui ont un diamètre faible devant les - 7 - dimensions d'un é1lment -ensible. C'est le cas de la r9alisa- tion représent5e sur la ?igure 5 o k fibres fi sont associées a chaque él5ment dtecte1r. Ces fibres sont de m9me liées en- tre elles de façon à constituer une galette convenablement re- froidie qui peut être pl!quée ou non au détecteur. -8- REVENDICATIONS: 1. Dispositif de limitation et d'uniformisation du champ de vue de détecteurs au moyen d'un faisceau de fibres optiques refroidies, transparentes dans la bande de sensibili- té spectrale d6sir5e et qui transmettent auxditsdétecteurs le flux utile venant de la scène observée, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte ledit faisceau de fibres optiques constitué par une galette de faible épaisseur, solidaire d'un support froid, au contact ou à faible distance d'éléments dé- tecteurs d'une mosaïque de p rangées de q éléments occupant une grande surface par rapport aux dimensions d'un élément et fournissant p x q sorties de signal, l'ensemble desdits élé- ments étant fixé par l'une de ses faces sur ledit support Froid à l'intérieur d'une enceinte vide d'air ou remplie d'un gaz à faible conductibilité thermique, ladite galette étant en regard d'un hublot transparent dans ladite bande spectrale, l'angle solide sous lequel chaque élément sensible doit rece- voir du flux étant égal à l'angle d'acceptance d'une fibre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit détecteur comporte en plus de la fonction de détection fournissant p x q sorties de signal, une fonction de multiplexage desdites p x q sorties de signal sur une sortie unique. 3. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que chacun-desdits éléments détecteurs est associé à une seule fibre optique de ladite ga- lette. 4. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que chacun desdits éléments détecteurs est associé à plusieurs fibres optiques de ladite galette. 5. Dispositif selon les revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que la bande de transmission spectrale des fibres est adaptée à l'utilisation de façon à filtrer le signal inci- dent et/ou à augmenter la sensibilité du détecteur par l'usage d'un filtre froid.