Brevet FR2706718A1 — publié le 19941223

DISPOSITIF D'IMAGERIE A DETECTEUR PYROELECTRIQUE L'invention concerne les dispositifs d'imagerie à détecteur pyroélectrique et plus particulièrement les caméras et spectromètres imageurs comportant un modulateur de flux optique connu également sous la dénomination anglo-saxonne de "chopper". Le détecteur pyroélectrique est adapté à des signaux transitoires ou modulés et fournit un signal fonction de son gradient de température; il n'est pas sensible à un flux optique continu. La détection de lumière par détecteur pyroélectrique et en particulier l'imagerie nécessite donc une variation d'éclairement sur le détecteur. Les méthodes, utilisées pour réaliser cette variation artificielle, appliquées aux caméras à détecteur pyroélectrique, consistent essentiellement en: - la défocalisation, en déplaçant le plan focal, en général celui du détecteur, par mouvement de l'optique ou insertion de lame à faces parallèles dans le chemin optique ou en déplaçant le détecteur lui-même - la création d'un mouvement périodique de l'optique de la caméra, par exemple un mouvement circulaire autour de son axe de visée, de petite amplitude par rapport à son champ visuel - un déplacement de la caméra appelé mode panoramique - I'interposition périodique d'un écran opaque au rayonnement infrarouge entre la scène à observer et le détecteur, en général par rotation d'une lame circulaire placée devant le détecteur et possédant des secteurs angulaires alternativement évidés et pleins. Le dispositif de défocalisation nécessite une mécanique compliquée que ce soit pour le déplacement de l'optique, du détecteur ou l'insertion de la lame. La défocalisation n'étant généralement pas complète, son efficacité dépend de la répartition spatiale de la scène à observer et ainsi décroît pour des objets visualisés étendus. Un mouvement périodique de l'optique impose, en plus de sa mécanique, un système d'acquisition et de traitement des données complexe. Quand au mode panoramique, le mouvement de la caméra est une contrainte en soi. Enfin, I'utilisation d'un écran est classiquement liée à celle d'un dispositif motorisé encombrant et compliqué. Les dimensions du disque sont d'autre part importantes: - si l'écran est placé devant le détecteur au voisinage du plan focal, ses dimensions doivent être suffisantes pour assurer une variation quasi simultanée de l'éclairement des lignes ou des colonnes des éléments ou pixels du détecteur, dans le cas habituel où la répartition des éléments est de type matriciel, un temps d'éclairement équivalent pour tous les pixels et une variation rapide d'éclairement de ces pixels - si l'écran est placé en pupille intermédiaire ou au niveau de l'optique de tête, assurant ainsi une variation d'éclairement simultanée sur tout le détecteur, ses dimensions sont généralement au moins doubles de celles de l'optique donc son encombrement est non négligeable par rapport à la caméra. Enfin un inconvénient commun à tous ces dispositifs est la difficulté d'adapter la loi de variation du flux incident pour une meilleure performance du détecteur en se rapprochant par exemple de la fonction créneau. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet I'invention a pour objet un dispositif d'imagerie à détecteur pyroélectrique multiéléments comportant un modulateur du flux lumineux incident constitué d'un écran mobile possédant des zones opaques et transparentes au rayonnement infrarouge et d'un dispositif de déplacement de l'écran, caractérisé en ce que l'écran comporte au moins une zone opaque et une zone transparente et en ce que le dispositif de déplacement comporte des moyens pour déplacer l'écran de façon périodique en translation dans son plan1 suivant une direction contenue dans le plan du détecteur pour éclairer du flux incident de la scène observée puis masquer de ce flux tous les éléments utiles du détecteur, au moins une fois par période. De ce fait, il est possible, par une découpe des zones transparentes de l'écran correspondant à la géométrie de répartition des éléments du détecteur, par exemple des bandes parallèles pour une répartition matricielle, de limiter l'amplitude du mouvement de translation de L'écran pour éclairer puis masquer ces éléments. Ainsi, le faible débattement de l'écran, ses petites dimensions puisque voisines de celles du détecteur, la simplification du dispositif de déplacement de l'écran du fait d'un écran de faible inertie et amplitude de déplacement permettent de réaliser un dispositif d'imagerie, tel qu'une caméra, d'encombrement moindre. L'utilisation d'un modulateur de flux plus simple, sans frottements mécaniques dans certaines réalisations selon l'invention, confère à ce dispositif une fiabilité accrue et un coût réduit. La faible inertie de l'écran permet, par exemple par l'utilisation d'un dispositif résonant piézoélectrique, un déplacement de ce dernier plus proche de la fonction carrée que de la fonction sinusoïdale améliorant ainsi les performances du détecteur donc du dispositif d'imagerie. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif-et faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une géométrie de l'écran mobile - les figures 2, 3A, 3B et 4, des réalisations du modulateur - la figure 5, I'évolution de la température d'un élément du détecteur en fonction du temps, obtenue avec un modulateur de flux selon l'art antérieur et un modulateur selon l'invention. Le modulateur de flux optique comprend un écran et son dispositif de déplacement. L'écran est constitué de parties transparentes et de parties opaques au rayonnement infrarouge. II est placé entre la scène à observer et le détecteur et est animé, selon l'invention, d'un mouvement de translation dans son plan, suivant une direction contenue dans le plan du détecteur. La figure 1 donne un exemple de découpe de l'écran mobile 1 placé devant un détecteur multiéléments de type matriciel. Les dimensions de l'écran sont au moins égales à celles de la matrice des éléments. Les parties transparentes de l'écran sont une succession de bandes verticales parallèles 2 masquant une colonne sur deux de cette matrice. La largeur des bandes X correspond au pas "a" des colonnes de la matrice, le pas de succession Y de ces bandes à "2a". Le déplacement de l'écran est perpendiculaire aux bandes et d'amplitude crête-crête le pas "a". La moitié des éléments du détecteur est masqué pendant la première demi-période de déplacement et la seconde moitié pendant la deuxième demi-période. Ainsi, pendant une demi-période, les colonnes de la matrice des éléments pyroélectriques éclairées par la scène vont emmagasiner des charges correspondant à la différence entre le rayonnement émis par l'écran et celui émis par la scène alors que celles masquées vont emmagasiner des charges correspondant à la différence entre le rayonnement de la scène et celui propre à l'écran et inversement pendant la seconde demi-période. A chaque colonne paire est ainsi attribuée un gain vidéo, à chaque colonne impaire un gain opposé et de même valeur. Ces gains sont inversés lors de la lecture de la trame suivante. Cette configuration d'écran est plus particulièrement adaptée à une lecture de la matrice par colonne, par exemple par l'intermédiaire d'un Dispositif à Transfert de Charges (DTC). Le transfert de charges est synchronisé sur la période de déplacement de l'écran. La fréquence trame est le double de celle de l'oscillation de l'écran. L'écran peut être placé très près du détecteur, le plan focal étant choisi entre l'écran et le détecteur pour diminuer au maximum le flou. Ce n'est pas une obligation et lorsqu'il est positionné plus en amont, les dimensions X et Y sont corrigées du facteur de grossissement "g" correspondant à cet emplacement: X=ag Y=2ag. La largeur des bandes peut également prendre pour valeur un multiple de "a", le pas de succession de ces bandes étant alors 2 fois ce multiple. Le taux de remplissage de l'écran de 1/2 n'est pas indispensable; il peut être réalisé un écran dont le pas de succession des bandes est un multiple quelconque de "a". La largeur des bandes peut n'être qu'approximativement "a" ou un multiple de "a" du fait de l'espacement entre éléments de la matrice. Toutes ces valeurs corrigées le cas échéant du facteur de grossissement. II est également envisageable, en raisonnant non plus sur les colonnes mais lignes de la matrice multiéléments de réaliser ces écrans avec des bandes parallèles horizontales, le déplacement de l'écran se faisant alors dans le sens vertical. D'une manière générale, toute géométrie de découpe de l'écran est réalisable, permettant de s'adapter à la répartition des pixels du détecteur pyroélectrique, par exemple des bandes parallèles en diagonales, orientées à 45 , pour des détecteurs dont les éléments sont disposés en quinconce ainsi qu'à la structure des moyens de lecture associés tels que lecture par ligne ou colonne des DTC. Concernant les autres caractéristiques de l'écran, il possède avantageusement une surface noire et rugueuse pour éviter les réflexions. II est préférentiellement réalisé dans un matériau bon conducteur thermique de façon à assurer une température d'écran uniforme, par gravure mécanique ou chimique d'un matériau opaque au rayonnement infrarouge par exemple par micro-usinage d'un substrat en Silicium ou Quartz ou par photogravure, ou encore par dépôt d'un absorbant infrarouge sur substrat transparent tel que Germanium. L'insertion d'un refroidisseur à effet Peltier et éventuellement de résistance chauffante dans l'écran permet d'ajuster sa température et de maximiser le rapport signal sur bruit du détecteur. La figure 2 représente l'écran couplé à son dispositif de déplacement. Cet ensemble comprend une partie mobile, L'écran 3 constitué de bandes verticales 4 découpées dans une zone opaque 5, reliée à une partie fixe 6 par rapport au détecteur par de fines poutrelles ou bras flexibles 7 qui autorisent un mouvement de l'écran que l'on peut assimiler à une translation perpendiculaire aux bandes puisque de faible amplitude. L'ensemble 3, 6, 7 est micro-usiné dans le même substrat semiconducteur. Deux peignes capacitifs 8, 9, 10, 11 sont réalisés par gravure sur ce substrat, I'espace interélectrodes étant évidé pour permettre le déplacement des armatures mobiles8, 9 solidaires de l'écran 3 par rapport aux armatures fixes 10, Il solidaires de la partie fixe 6. Les forces de mise en mouvement de l'écran sont la résultante de forces électrostatiques exercées sur les armatures de ces condensateurs variables par l'application d'une tension, la variation de potentiel entre les armatures créant le mouvement. La présence des 2 peignes capacitifs n'est pas indispensable mais permet de répartir les forces de translation de l'écran. Cette conception du modulateur dont le dispositif de déplacement et l'écran sont réalisés par micro-usinage sur un même substrat est particulièrement adaptée à un positionnement de l'écran immédiatement devant le détecteur. Un autre mode de réalisation du dispositif de déplacement de l'écran est représenté à la figure 3A et sur sa vue en coupe figure 3B.. Les parties transparentes de l'écran 12 sont des bandes horizontales 13 et son déplacement se fait de haut en bas. Sur la figure 3B, L'écran 12 est placé devant un détecteur 14 entouré de son armature fixe 15. II est supporté haut et bas par deux bilames piézoélectriques 16 et 17, d'un côté solidaires de l'écran par exemple par brasure et de l'autre solidaires de l'armature fixe 15. Pour des longueurs de bilames de l'ordre du centimètre et une tension de commande de 40 V, les déplacements de l'écran sont d'environ 100 pu. La figure 4 décrit une autre variante du dispositif. L'écran 18 est actionné par une lame élastique 19 reliée à un électroaimant 20, l'autre extrémité étant fixe. Les vibrations de la lame sont transmises à l'écran par l'intermédiaire d'un bras de liaison 21. Les montants horizontaux de l'armature 22, par exemple en forme de cadre, sur laquelle est fixé le détecteur sont munis de rainures 23 et 24 faisant l'office de guides de déplacement pour l'écran et de butées horizontales à leurs extrémités, celles-ci pouvant être confondues avec les montants verticaux de l'armature. La fréquence de déplacement de l'écran est la fréquence de résonance de la lame La figure 5 représente les courbes de réponse en température d'un élément du détecteur pyroélectrique, la courbe 25 lorsque le déplacement de l'écran donc le flux lumineux incident est une fonction sinusoïdale du temps, la courbe 26 lorsque ce déplacement est une fonction carrée. L'écart de température plus important obtenu avec la courbe 26 indique une amélioration du signal pyroélectrique lorsque la variation de flux se rapproche de la fonction carrée. REVENDICATIONS 1 - Dispositif imagerie à détecteur pyroélectrique multiéléments (14) comportant un modulateur du flux lumineux incident constitué d'un écran mobile (1; 3; 12; 18) possédant des zones opaques (5) et transparentes (4; 13) au rayonnement infrarouge et d'un dispositif de déplacement de l'écran, caractérisé en ce que l'écran (1; 3 12 18) comporte au moins une zone opaque (5) et une zone transparente (4; 13) et en ce que le dispositif de déplacement comporte des moyens (7, 8, 9, 10, Il; 16,17; 19, 20, 21, 23, 24) pour déplacer l'écran de façon périodique en translation dans son plan, suivant une direction contenue dans le plan du détecteur pour éclairer du flux incident de la scène observée puis masquer de ce flux tous les éléments utiles du détecteur (14) au moins une fois par période. 2 - Dispositif d'imagerie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur multiéléments (14)est du type à répartition matricielle où chaque élément est disposé à l'intersection d'une ligne et d'une colonne et en ce que les parties transparentes (2;4) de l'écran (1; 3) sont une succession de bandes parallèles aux colonnes de la matrice, périodiquement espacées d'un multiple de l'intervalle qui sépare deux colonnes consécutives, corrigé du facteur de grossissement lié à la position amont de l'écran (1; 3) relativement à celle du détecteur (14). 3 - Dispositif d'imagerie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur multiéléments (14) est du type à répartition matricielle où chaque élément est disposé à l'intersection d'une ligne et d'une colonne et en ce que les parties transparentes (13) de l'écran (12)sont une succession de bandes parallèles aux lignes de la matrice, périodiquement espacées d'un multiple de l'intervalle qui sépare deux lignes consécutives, corrigé du facteur de grossissement lié à la position amont de l'écran (12) relativement à celle du détecteur (14). 4 - Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la largeur des bandes parallèles (2; 4; 13) est égale à l'espace séparant deux bandes consécutives, en ce que le mouvement de translation est perpendiculaire aux bandes et en ce que l'amplitude crête crête de ce mouvement est cette largeur, toutes ces valeurs corrigées du facteur de grossissement lié à la position amont de l'écran (1; 3; 12). 5 - Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de déplacement de l'écran (1; 3; 12; 18) comporte des moyens élastiques (7; 16, 17; 19). 6 - Dispositif d'imagerie selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de déplacement de l'écran est constitué d'un bras de liaison (7) reliant l'écran (3) à une partie solidaire du détecteur (6), perpendiculaire au sens de déplacement de l'écran (3), réalisé par découpe dans le même substrat que l'écran (3) et tel que sa flexion autorise ce déplacement et crée une force de rappel. 7 - Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de déplacement de l'écran (3) est constitué par les armatures mobiles d'au moins un condensateur variable, I'une (8,9) solidaire de l'écran (3), L'autre (10,11) du détecteur (14), entre lesquelles est appliquée une tension variable, les forces électrostatiques exercées générant le mouvement. 8 - Dispositif d'imagerie selon les revendications 6 et 7 caractérisé en ce que les éléments constitutifs du dispositif de déplacement de l'écran (3) tels que la partie solidaire du détecteur (6), les bras de liaison (7) et les armatures du condensateur (8, 9, 10, 11) sont réalisés sur le même substrat que l'écran (3). 9 - Dispositif d'imagerie selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de déplacement de l'écran (12) est constitué d'au moins un bilame (16, 19) relié à l'écran (12). 10 - Dispositif d'imagerie selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de déplacement de l'écran (18) est constitué d'au moins une lame vibrante (19) reliée à l'écran (18). 11 - Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran (1; 3; 12; 18) est muni au moins d'un refroidisseur à effet Peltier. 12 - Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran (1; 3; 12; 18) est muni au moins d'une résistance chauffante. 13 - Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran (1; 3; 12; 18) est de couleur noire et de surface rugueuse. 14 - Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans une caméra infrarouge.