Brevet FR2599919A1 — publié le 19871211

CAMERA THERMIQUE A BALAYAGE VERTICAL. L'invention concerne une caméra thermique comportant un analyseur et un objectif ou un système afocal à un ou plusieurs champs disposé en amont de l'analyseur, ledit analyseur comprenant un système de balayage optico-mécanique 05 qui déplace l'image de la scène sur une mosaïque de détecteurs. Dans les caméras de ce genre, le système de balayage optico-mécanique effectue l'analyse de la scène suivant deux directions de l'espace, par exemple en coordonnées rec10 tangulaires. Le passage d'une direction à l'autre en un laps de temps très court nécessite des moyens mécaniques complexes pour réaliser des basculements et des mouvements supplémentaires qui, de plus, doivent être correctement synchronisés. Souvent les moyens optiques diffèrent selon la direction de ba15 layage. La caméra de l'invention a pour but de pallier un inconvénient en associant ladite mosaïque de détecteurs à des dispositifs à transfert de charge (DTC). Le système de balayage optico-mécanique se trouve ainsi notablement simpli20 fié. L'invention est remarquable en ce que ladite mosaïque de faible longueur'est constituée de plusieurs lignes parallèles d'éléments détecteurs, disposées de façon à obtenir l'échantillonnage spatial sans perte de résolution, lesdites lignes étant associées à des dispositifs à transfert de charge pour 25 réaliser l'analyse de la scène dans la direction des lignes par transfert des charges générées dans les éléments détecteurs, ledit balayage optico-mécanique étant effectué dans une seule direction de l'espace normal à la direction des lignes au moyen, par exemple, d'un miroir plan oscillant selon un 30 mouvement linéaire à retour rapide correspondant à l'analyse - 2 d'une trame, le multiplexage desdites charges fournissant en sortie de chaque DTC un signal vidéo série. La disposition des éléments détecteurs doit assurer une fréquence spatiale d'échantillonnage compatible avec 05 la fréquence de coupure de la fonction sinC des détecteurs. A cet effet les éléments détecteurs ayant une forme imposée, l'échantillonnage spatial sans perte de résolution est obtenu en fixant le décalage longitudinal entre deux lignes successives selon le théorème de Nyquist et le pas des éléments dans 10 une ligne selon le nombre de lignes, chaque ligne comportant le même nombre d'éléments, déterminé par la longueur de la mosaïque. La conception de cette mosaïque sous l'aspect de deux ou quatre lignes de faible longueur facilite son refroi-15 dissement et le choix d'échantillons homogènes de matériau. Les signaux issus de chaque DTC et correspondant à une ligne d'éléments détecteurs sont retardés par rapport aux signaux correspondant à la ligne suivante de l'intervalle temporel entre lesdites lignes pour que ces différents signaux 20 correspondent à une même ligne de la scène. La disposition des éléments avec sortie latérale des connexions, permet de monter les DTC de part et d'autre de la mosaïque, supprimant ainsi les problèmes liés à l'éclairage des détecteurs par la face arrière, ce qui entraîne l'utilisa25 tion pour le détecteur, du matériau tel que Cd Hg Te massif ou en couche mince dont la technologie est bien maîtrisée. Cette structure peut être multipliée en réalisant une extension du détecteur dans une seconde direction afin d'améliorer les performances. La disposition proposée est telle que la géométrie du détecteur est indépendante de tout standard de télévision utilisé pour la visualisation des images analysées par une caméra thermique conforme à l'invention. On peut donc, pour un détecteur donné, passer d'un standard de télévision (625 1, 50 Hz, - 875 1, 60 Hz - 525 1, 60 Hz etc...) à un autre par de -3 simples modifications de réglages. Réciproquement, pour un standard de télévision donné, il est possible de modifier les performances de l'ensemble en améliorant les détecteurs (détecteur de taille dif05 férente, en nombre différent, avec un pas différent, etc...). En particulier, l'amélioration des technologies de réalisation du détecteur, de réalisation des DTC, d'hybridation, sont utilisables sans modification du système. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la 10 description suivante d'un dispositif donné à titre d'exemple non limitatif, ladite description étant accompagnée de dessins qui représentent: figure 1: le schéma d'ensemble de la caméra thermique conforme à l'invention, figure 2: une mosaïque de détecteurs sous la forme d'une barrette à quatre lignes parallèles d'éléments détecteurs, figure 3: une autre mosaïque de détecteurs sous la forme d'une barrette à deux lignes parallèles d'éléments 20 détecteurs. La caméra thermique à balayage vertical schématisée sur la figure 1 est constituée: - d'un analyseur comprenant la mosaïque de détecteur D, un objectif à grande ouverture 0 et un miroir de balayage M. 25 - d'un système afocal à plusieurs grossissements placé en amont de l'analyseur (non représenté). La mosaïque de détecteurs D a la forme d'une barrette composée par exemple de quatre lignes (L1...L4) d'éléments, décalées les unes par rapport aux autres et disposées 30 dans le plan focal de l'objectif 0 qui forme sur la mosaïque l'image de la scène. Les lignes L1...L4 sont associées respectivement à des dispositifs à transfert de charge Q1..-Q4 répartis de part et d'autre desdites lignes et reliés aux éléments détecteurs de la mosaïque. -4 L'ouverture numérique de l'objectif est de F/1 avec un diamètre de pupille d'entrée de 28,6 mm. L'axe de rotation du miroir de balayage M est parallèle à la direction des lignes du détecteur. Ainsi le dé05 placement de l'image se produit perpendiculairement aux lignes à une vitesse v dans le plan du détecteur. Deux lignes successives, séparées par l'intervalle p passent donc sur la même partie de la scène avec un intervalle temporel C= p/v. En retardant les signaux d'une ligne par rapport à la suivante de 10 D, et en effectuant ligne après ligne le multiplexage desdits signaux, on obtient en sortie S du détecteur un signal vidéo série qui correspond à la même ligne du paysage. Le miroir M est entraîné par un moteur couple. Sa position instantanée est mesurée par un capteur optique numé15 rique utilisant comme source une diode laser et comme récepteur un codeur. Les informations données par ce capteur sont comparées à une valeur de consigne fournie par un générateur de rampe. Ceci confère au mouvement du miroir une grande précision. A la rampe de consigne peut être superposée une tension extérieure permettant de compenser des vibrations angulaires résiduelles de la plateforme (fonction stabilisation fine dans la direction verticale). Le scanner ainsi constitué présente un champ ver25 tical de 16,8' et un champ horizontal de 25,8' pour un mouvement linéaire du miroir de 8,4'. Le rendement de balayage est de 0,81. La solution présentée permet le couplage facile avec un télémètre laser à I0,6/ i Elle permet également de 30 réaliser facilement une caméra de pilotage. La dimension des éléments détecteurs détermine la résolution angulaire. Si les éléments ont une forme carrée de côté c, la fréquence de coupure correspondant au premier zéro de la fonction sinC est égale à 1/c dansl'espace des fréquen35 ces spatiales. Le pas des éléments étant égal à kc (k étant un -5 nombre tel que 2k soit un nombre entier supérieur à 1) leur répartition le long de la ligne détermine la fréquence spatiale d'échantillonnage. Pour faire coïncider la fréquence maximale du spectre de la fonction échantillonnée avec cette fré05 quence 1/c, le pas des détecteurs doit être égal à c/2. Ceci est obtenu en répartissant les détecteurs affectés au balayage d'une ligne sur 2k rangées horizontales décalées entre elles d'un demi élément. Cette disposition permet en outre de placer un nombre important de détecteurs sur une longueur assez fai10 ble. Le détecteur d'imagerie de la caméra thermique à balayage vertical est une barrette linéaire de 12,8 mm de long qui peut se présenter sous les versions suivantes: Une première version de géométrie G1 représentée 15 sur la figure 2 comprend quatre lignes (L1...L4) d'éléments détecteurs (k = 2). Si lesdits éléments sont des carrés de côté c = 25 Jm, les lignes sont décalées les unes par rapport aux autres dans le sens de la ligne de 12,5/ m. Les sorties de ces éléments sont situées de part et d'autre des quatre lignes 20 et sont couplées à quatre DTC (Q1'..Q4). Le pas des éléments dans une ligne étant de 50/ms, il faut compter 256 éléments par ligne pour la longueur donnée de 12,8 mm, soit un nombre total d'éléments de 1024. Cette disposition est compatible avec les technologies caractérisées par l'éclairage des élé25 ments par la face avant et le couplage détecteurs-DTC par conducteurs placés de part et d'autre des éléments détecteurs. Ces derniers sont alors réalisés sur du matériau massif ou en couche mince. Une seconde version de géométrie G2, également 30 compatible des mêmes technologies, correspond à une augmentation du nombre des éléments par une réduction de leur taille: le nombre total d'éléments est alors de 1448 (362 éléments par ligne) avec les dimensions d'élément de 17,7 x l7, 7?Jt2 pour la même longueur de ligne (12,8 mm). 35 -6 Le détecteur de géométrie G2 analyse la scène sous forme de quatre systèmes de points décalés horizontalement d'un quart de période d'une des lignes et décalés verticalement d'une quantité temporelle t liée à la distance entre 05 lignes. Pour faire coïncider les quatre systèmes de points sur une même horizontale, il faut retarder les signaux issus de la ligne L4 de cette même quantité dans la ligne à retard r3, intercaler les signaux avec ceux de la ligne L3 dans le multiplexeurp..3, puis procéder de la même façon jusqu'à la ligne 10 LI. Les DTC couplés à chaque ligne de 256 ou de 362 éléments transfèrent les signaux vers les circuits de retard et de multiplexage. L'ensemble des signaux multiplexés apparaît ainsi sur la borne de sortie S. La troisième version est une extrapolation de la 15 version précédente à deux dimensions. Elle consiste en une répétition du même motif de 1448 éléments en quatre lignes huit fois, ce qui fournit un nombre total d'éléments de 11 584. Les éléments correspondants des huit motifs sont reliés par un DTC réalisant les fonctions de retard et de sommation. Ceci permet 20 à détectivité égale d'améliorer la sensibilité globale d'un facteur. La figure 3 représente un détecteur de géométrie G1 qui comprend deux lignes L1 et L2 d'éléments détecteurs(k = 1). Avec des éléments de 25 x 25,.m2, le pas entre élé25 ments d'une même ligne est de 25,dm. Les éléments sont donc jointifs. Les lignes L1 et L2 sont décalées de 12,5 "m. Pour une longueur de détecteur de 12,8 mm, il faut compter 512 éléments par ligne soit un nombre total d'éléments de 1024. Le fonctionnement de ce détecteur est identique 30 à celui des détecteurs de géométrie G2 décrits ci-dessus. La sensibilité spectrale des détecteurs ainsi conçus est comprise par exemple entre 7,5/Lm et 10,51m avec du Cd Hg Te. Leur utilisation dans une autre bande spectrale infrarouge ou dans toute l'étendue du spectre infrarouge est 35 également possible selon la nature du matériau des éléments détecteurs. - 7 L'ensemble détecteur d'imagerie est refroidi dans un vase-Dewar au moyen d'une machine cryogénique de puissance nominale 0,5 w ou 1 w à 80'K. La conception du plan focal et du vase Dewar doit minimiser la puissance cryogénique 05 à fournir. Selon le standard de télévision utilisé, les temps d'intégration et fréquences d'horloges sont différents. On a ainsi les valeurs suivantes: Standard TV 625/50 Hz 875/60 Hz 1250/50 Hz Temps d'un cycle 64 eLs 38,1es 32 /Ls (Intégration + transfert) Temps de lecture 52 Eus 30,9/Às 26 Ls Nombre total de M pixel/s 19,7 Mp/s 26,9 Mp/s 39,4 Mp/s Les deux ou quatre DTC longitudinaux transférant 15 les charges vers l'extérieur sont pilotés par des horloges de même fréquence, mais de phases différentes, ajustables par l'utilisateur. Les tensions continues de polarisation et de commande sont communes aux différents DTC et circuits de 20 stockage. 2 5 9 9 9 1 9 -8 REVENDICATIONS: 1. Caméra thermique comportant un analyseur et un objectif ou un système afocal à un ou plusieurs champs disposé en amont de l'analyseur, ledit analyseur comprenant un système 05 de balayage optico-mécanique qui déplace l'image de la scène sur une mosaïque de détecteurs, caractérisée en ce que ladite mosaïque de faible longueur est constituée de plusieurs lignes parallèles d'éléments détecteurs disposées de façon à obtenir l'échantillonnage spatial sans perte de résolution, lesdites 10 lignes étant associées à des dispositifs à transfert de charges (DTC) pour réaliser l'analyse de la scène dans la. direction des lignes par transfert des charges générées dans les éléments détecteurs, ledit balayage optico-mécanique étant effectué dans une seule direction de l'espace normale à la di15 rection des lignes au moyen, par exemple, d'un miroir plan oscillant selon un mouvement linéaire à retour rapide correspondant à l'analyse d'une trame, le multiplexage desdites charges fournissant en sortie de chaque DTC un signal vidéo série. 2. Caméra thermique selon la revendication 1, ca20 ractérisée en ce que les signaux issus de chaque dispositif à transfert de charges et correspondant à une ligne d'éléments détecteurs sont retardés par rapport aux signaux correspondant à la ligne suivante de l'intervalle temporel entre lesdites lignes pour que ces différents signaux correspondent à une mê25 me ligne de la scène. 3. Caméra thermique selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que chaque élément détecteur ayant une forme imposée, l'échantillonnage spatial sans perte de résolution est obtenu en fixant le décalage longitudinal entre deux 30 lignes successives selon le théorème de Nyquist et le pas des éléments dans une ligne selon le nombre de lignes; chaque ligne comportant le même nombre d'éléments déterminé par la longueur de la mosaïque. 4. Caméra thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits éléments détecteurs sont -9 constitués d'un matériau sensible au rayonnement infrarouge dans une bande spectrale déterminée. 5. Caméra thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'extrapolation à deux dimen5OS sions de ladite mosaYque de détecteurs est obtenue par la superposition de n mosaïques identiques dont les sorties latérales sont reliées à un dispositif à transfert de charges intégrant les fonctions de retard et de sommation des charges transférées. 6. Caméra thermique selon l'une des.revendications 1 è 5, caractérisé en ce que la disposition des éléments détecteurs est indépendante du standard de télévision, le passage d'un standard à un autre pouvant être effectué par des modifications de réglages.