Brevet FR2696875A1 — publié le 19940415

CONVERTISSEUR D'IMAGE INFRAROUGE EN IMAGE VISIBLE L'invention concerne le domaine général de l'imagerie infrarouge et plus particulièrement celui de l'imagerie infrarouge convertie en imagerie visible directement ou par l'intermédiaire d'un capteur de charges de type multiplexeur à transfert de charges (CCD). A l'heure actuelle l'imagerie thermique représente un outil indispensable tant dans le domaine du diagnostic médical ou industriel que dans celui de la sécurité civile ou militaire. De nombreuses solutions ont été proposees pour la réalisation d'imageur thermique ; parmi les solutions les plus prometteuses figurent les systèmes associant un film pyroélectrique à un capteur de charges (CCD). Dans ces dispositifs le multiplexeur CCD est généralement réalisé sur un substrat semiconducteur. Des structures monolithiques comprenant un film pyroelectrique déposé sur le substrat semiconducteur ont été proposées. Elles utilisent des matériaux pyroélectriques de conductivité thermique suffisamment faible pour eviter que l'énergie thermique engendrée par l'absorption du rayonnement infrarouge ne soit communiquée au substrat semiconducteur permettant ainsi d'utiliser ces imageurs à température ambiante sans dispositif de refroidissement. Plus précisément, on réalise la conche pyroélectrique sur des électrodes sont la superficie et la position de finissent sensiblement la superficie et la position d'une zone pyroélectrique correspondant à un pixel de l'imageur. Chacune de ces électrodes constitue ainsi l'une des armatures d'une capacité pyroélectrique, l'autre armature de la capacité pyroélectrique étant constituée par une couche électriquement conductrice déposée sur l'autre face de la couche pyroélectrique et étant commune à toutes les zones pyroélectriques. Pour obtenir une réponse pyroélectrique satisfaisante il est généralement nécessaire de soumettre la couche pyroélectrique à une opération dite de "polarisation", destinée à réaliser l'orientation cristalline du matériau.Dans ce type de structure monolithique, cette opération devient délicate car elle exige d'accéder à toutes les électrodes inférieures de toutes les capacités pyroélectriques. Des solutions ont été proposées pour satisfaire cette exigence mais elles contribuent à compliquer ltélaboration de structure monolithique. T1 semble donc que la conception de tels imageurs pyroélectriqnes fonctionnant à l'ambiante reste ardue. Par ailleurs une autre limitation de ces dispositifs demeure le bruit généré par ] e capteur de charges électriques qui affecte la sensibilité de l'imageur thermique. C'est pourquoi, l'invention propose un imageur thermique et plus précisément un convertisseur d'image thermique en image visible dont la sensibilité est accrue par rapport aux dispositifs cités précédemment et dont l'architecture est telle qu'il devient plus aisé d'effectuer la lecture de l'image directement ou sur un CCD photosensible classique. En effet l'invention concerne lm convertisseur d'image infrarouge en image visible, à base de matériau pyroélectrique, caractérisé en ce qu'il associe un capteur pyroélectrique et un imageur électrooptique à cristal liquide, pour moduler un faisceau de lumière visible. Plus précisément, l'imageur selon l'invention peut comprendre une couche de matériau pyroélectrique en contact avec une cellule à cristal liquide et des moyens pour appliquer les charges liens à l'élévation de température du pyroélectrique, à la cellule cristal liquide.Ces moyens peuvent être d'une part une électrode transparente dans l'infrarouge Ei déposée sur le matériau pyroelectrique (il peut s'agir d'une couche de germanium) d'autre part une électrode transparente Et dans le visible constituant la paroi externe de la cellule à cristal liquide. De préferellce, l'électrode transparente dans l'infrarouge est recouverte d'une couche d'absorbant infrarouge. Dans ce type d'imageur infrarouge, ltopération dite de "polarisation" est effectuée préalablement entre les deux électrodes. Dans l'imageur infrarouge selon l'invention, élément pyroélectrique reçoit le rayonnement inFrarouge produit par la scène à visualiser. L' élévation de température du pyroélectrique génère alors une quantité de charges e-lectrLques en surface, créant localement un générateur de courant en parallèle avec une capacité, comme 1' illustre la figure I qui représente un schéma électrique de l'ensemble film pyroe-lectriqiie-e-le-ment à cristal liquide. L'électrode transparente dans l'infrarouge commune à tous les éléments pyroélectriques est rl électriquement à l'électrode transparente commune à tous les éléments cristal liquide. Ainsi lorsqu' il apparaît une tension +Vij aux bornes d'un élément pyroélectrique, il apparaît simultanément une tension -Vij aux bornes de l'élément cristal liquide correspondant, puisque 1' ensemble fonctionne en circuit fermé. La tension -Vij génère à son tour un changement d'orientation des molécules cristal liquide qui induit une variation de polarisation d'un faisceau incident de lumière visible de fréquence U. Plus précisément, le déphasage optique introduit par la déformation du cristal liquide est détecté par contraste en lumière polarisée; le rapport signal S à bruit B est alors lié à la puissance incidente P et au déphasage Ai par la relation suivante : S/B = P.A#2/hU ou he est l'énergie d'un photon. Dans une seconde variante de 1 invention, le matériau pyroélectrique et la cellule à cristal liquide sont séparés par une couche isolante présentant des surfaces de métallisation (s1ij) et (52..) reliées par un via conducteur et de dimensions différentes ((52..) étant inférieur à (Si..)) sur ses faces (1) iJ li et (2) de manière à concentrer les charges collecte-es sur une surface ((SI..) d'un pixel infrarouge sur une surface réduite li (S2ij) de cristal liquide. Dans ce cas une matrice de lentilles lJ placées en regard du cristal liquide peut restituer l'image sur toute la surface. Ce type d' imageur permet une lecture visible directe mais il peut également être associe à un CCD classique fonctionnant en lumière visible. En effet l'élément CCD photosensible reçoit localement des informations lumineuses qu'il transforme en données électriques. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 illustre un montage électrique de l'ensemble film pyroélectrique-cellule à cristal liquide - la figure 2 représente un exemple de convertisseur d'image selon l'invention dans lequel le film pyroélectrique est directement en contact avec l'élément à cristal liquide - la figure 3 représente un exemple de convertisseur d'image selon l'invention dans lequel le film pyroélectrique et élément à cristal liquide sont séparés par un jeu d'électrodes intermédiaire - la figure 4 représente un exemple de convertisseur d'image selon l'invention utilisant une structure résonante. Pour réaliser le convertisseur selon l'invention on associe un élément pyroélectrique et un élément cristal liquide. L'élément pyroélectrique peut être de type céramique (PZT) ou de type polymère polyfluorure de vinylidène (PVDF). L'épaisseur de l'élément pyroélectrique est liée à la constante de diffusion thermique du matériau employé et au temps de réponse désiré. Typiquement cette épaisseur peut être de l'ordre d'une dizaine de microns dans le cas des polymères qui ont une conductivité thermique faible, alors qu'elle est de ] 'ordre d'une centaine de microns pour les céramiques qui présentent une diffusivité thermique plus importante. Lorsque le convertisseur d'image selon l'invention utilise un film de polymère ce dernier est de préférence supporté par une fenêtre infrarouge telle qu'une tranche de germanium transparente dans l'infrarouge. L'élément cristal liquide peut être une cellule réalisée selon les méthodes classiques. Les parois de la cellule peuvent être recouvertes d'un film de polyimide et frotté suivant une direction de manière à obtenir des structures connues telles que des structures twistées (TN) ou supertwistées (STN) particulièrement intéressantes pour leur forte sensibilité au champ électrique au voisinage du seuil ou des structures ferroélectriques (SSFLC) offrant une bonne sensibilité à champ nul et une viscosité très faible, améliorant le temps de réponse ou réduisant le bruit d'agitation thermique. L'élément cristal liquide peut également être un film de polymère dans lequel sont dispersées des particules de cristal liquide (PDLC), permettant de réaliser des structures pyroélectriques supportées par ce film. De façon générale, le convertisseur d'image selon l'invention permet d'obtenir une sensibilité accrue par rapport à celle obtenue avec un dispositif dans lequel l'élément pyroélectrique est connecté directement sur un CCD. En effet dans ce type d'imageur il apparaît des charges dites de bruit liées à l'élément CCD, ces charges de bruit sont typiquement de l'ordre de 100 électrons par trame. Dans le cas d'un imageur thermique selon l'invention, la limitation de la détection provient du bruit Shottky de la détection optique (l'envoi de n photons provoquant un bruit de n1/2) et de l'agitation thermique du cristal liquide. Concernant le bruit Shottky1 il est connu qu'une cellule à cristal liquide de quelques microns offre une sensibilité de l'ordre du Radian par Volt, sa capacité étant de l'ordre de 1 nanofarad par cm2 ; un pixel de 100 p x 100 p offre donc une sensibilité de 1013 Radians/Coulomb soit encore 1 pRd/electron. En irradiant l'imageur selon l'invention avec une puissance optique fournie à partir d'un laser d'environ 10 mW on obtient une énergie photonique de l'ordre du nanojoule par pixel et par image ; ces quelques milliards de photons permettant de détecter un déphasage optique de l'ordre de 10 pRd il s'en suit un bruit Shottky d'environ 10 électrons. D'autre part, le cristal liquide est déformé sous l'effet de l'agitation thermique ; cette déformation est fortement couplée à la variation de polarisation électrique et se traduit par une variation de charge a la surface de la cellule. Pour la cellule ci-dessous, la variation moyenne de charges introduites par cette agitation est de l'ordre de 100 électrons. Toutefois, le temps de réponse d'lue cellule cristal liquide et notamment d'une cellule nématique de 1 micron d'épaisseur est de l'ordre de la milliseconde ; en opérant avec un temps d'observation d'un dizième de seconde, on obtient des charges de bruit d'environ 10 électrons. On peut encore diminuer ce bruit en utilisant des cristaux liquides dont le temps de réponse est de l'ordre de la microseconde.Ceci signifie qu'il est particulièrement intéressant d'utiliser des cellules minces (environ 1 micron d'épaisseur) puisqu'il est connu que le temps de réponse d'un cristal liquide varie quadratiquement avec l'épaisseur de la cellule. Les bruits liés à la détection optique et à 1' agitation thermique sont ainsi évalués à une vingtaine d'électrons par trame opposés aux 100 électrons par trame d'un imageur utilisant un pyroélectrique directement couplé à un CCD. Dans un exemple de convertisseur d'image selon l'invention, on utilise un film de polymère de type PVDF déposé sur un substrat transparent dans l'infrarouge pouvant être une tranche de germanium (G). Après dépôt d'éléments réfléchissants (R) sur ledit film de PVDF on met en contact ce dernier avec un film de cristal liquide (XL) déposé sur un substrat de verre (V). Une source de lumière visible Sv vient irradier le convertisseur d'image après passage au travers d'lm polariseur (P) et réflexion sur un miroir semi-refléchissant (M5) comme 11 illustre la figure 2. Les éléments réfléchissant renvoient un faisceau lumineux vers un analyseur (A). Le polariseur (P) et l'analyseur (A) sont mis en position légèrement décroisée soit un angle entre les deux légèrement inférieur à 900 de manière à ne recevoir en sortie du convertisseur que de faibles puissances lumineuses. Dans un autre exemple de convertisseur d'image selon l'invention on interpose entre l'élément pyroélectrique et l'élément cristal liquide une lame portant sur chacune de ses faces un jeu d'électrodes, les deux jeux présentant des électrodes de taille différente de manier à concentrer les charges au niveau du cristal liquide. La figure 3 illustre ce type de convertisseur. L'interface élément pyroélectrique-lame intermédiaire possèdent des électrodes référencées (51..), li l'interface lame (LI) intermédiaire-cristal liquide possèdent des électrodes référencées (S2ij) et telles que (S2ij) Une source de lumière visible fournit un faisceau lumineux qui en transmission après passage au travers du convertisseur d'image et de polariseur et d'analyseur légèrement décroisés, traverse un réseau de lentilles (RL) de manière à restituer l'image sur toute la surface. Avec les deux jeux d'électrodes transparentes dans le visible pouvant typiquement être réalisées en oxyde d'indium et d'étain, on parvient à amplifier la sensibilité du convertisseur en augmentant la variation de polarisation du faisceau incident visible. Il est encore possible d'augmenter la sensibilité optique de l'imageur selon l'invention en insérant la cellule cristal liquide dans une structure résonante fonctionnant en réflexion. Pour cela on utilise une électrode transparente (ET) d'épaisseur X/4n si X est la longueur d'onde du faisceau incident, n l'indice du cristal liquide de manière à obtenir une lame semi-réfléchissante et conductrice pouvant être réalisée en oxyde d'indium et d'étain. Les électrodes (S2ij) sont dans ce cas métalliques et réfléchissantes de manière à assurer la résonance dans la cavité résonante cristal liquide (CR) comme l'illustre la figure 4. Avec une telle structure on parvient à augmenter l'effet de variation de polarisation de la lumière incidente, ce qui peut être particulièrement utile dans le cas d'un système utilisé en vision oculaire directe. Dans tous les exemples d' imageurs thermiques décrits précédemment il est non seulement possible d'effectuer une lecture de l'image en vision oculaire directe mais également par l'intermédiaire d'un CCD classique photosensible. Dans tous ces exemples, la sensibilité peut aussi être augmentée en polarisant l'ensemble pyroélectrique-cristal liquide à l'aide d'une tension alternative commune à tous les pixels. Il est connu que certaines structures telles que les structures (STN) ou les structures (SSFLC) offrent un effet de seuil et donc une sensibilité de la déformation à la tension quadratique moyenne appliquée très importante. REVENDICATIONS 1. Convertisseur d'image infrarouge en image visible, à base de matériau pyroélectrique, caractérisé en ce qu'il associe un capteur pyroélectrique et un imageur électrooptique à cristal liquide, pour moduler un faisceau de lumiere visible. 2. Convertisseur d'image selon la revendication l, caractérisé en ce que la déformation du cristal liquide induite par l'apparition de charges surfaciques au niveau du capteur pyroélectrique est détectée par contraste en lumière polarisée. 3. Convertisseur d'image selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce outil comprend une couche de matériau pyroélectrique en contact avec un élément cristal liquide et des moyens pour appliquer les charges liées à l'élévation de température du pyrolectriq, à la cellule cristal liquide. 4. Convertisseur d'image selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau pyroélectrique et l'élément cristal liquide sont séparés par une couche isolante, présentant des surfaces de métallisation (SI..) et (S2ij) reliées par un via conducteur et de dimensions différentes sur ses deux faces (1) et (2) de manière à concentrer les charges collectées sur une surface (S1..) d'un li pixel infrarouge sur une surface réduite (S2ij) de cristal liquide. 5. Convertisseur d'image selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau pyroélectrique est un polymère pyroélectrique. 6. Convertisseur d'image selon la revendication 5, caractérisé en ce que le polymère est le polyfluorure de vinylidène. 7. Convertisseur d'image selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que élément cristal liquide est constitué par un film de polymère dans lequel sont dispersées des billes de cristal liquide. 8. Convertisseur d'image selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément cristal liquide est une cellule cristal liquide comprenant deux substrats transparents dans le visible et un cristal liquide fluide. 9. Convertisseur d'image selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'élément cristal liquide est voisine de un micron.