Brevet FR2721721A1 — publié le 19951229

La présente invention concerne un transducteur permettant la génération physique de scènes dans le spectre infrarouge se rapportant au domaine de la simulation physique de scènes infrarouges. Cette technique est utilisée pour le test des équipements optroniques fonctionnant dans ce domaine de longueur d'onde et consiste à générer artificiellement une répartition spatiale de rayonnement infrarouge simulant une scène, et à observer cette répartition avec l'équipement à tester. Pour simuler une scène à grande distance on place le générateur de scènes au foyer d'un collimateur. Le but est généralement de simuler une scène complexe, par exemple, une cible sur un fond que l'on cherchera à détecter avec un équipement d'imagerie ou de veille, ou à poursuivre avec un autodirecteur. Différents principes connus de générations de scènes sont utilisés. Ces principes peuvent être divisés en quatre principales catégories: modulation spatiale de la température d'un corps noir, - émission de rayonnement non thermique, - modulation spatiale d'un rayonnement thermique, et - combinaison de ces différents principes. Ces principes ont été mis en oeuvre dans diverses réalisations. Les plus utilisés sont la valve Hughes utilisant la modulation par rotation de polarisation et entrant dans la catégorie de la modulation spatiale d'un rayonnement thermique, et la cellule de Bly utilisant un chauffage par rayonnement visible et entrant dans la catégorie de la modulation de la température d'un corps noir. Concernant la cellule de Bly, celle-ci est constituée d'une membrane mince de collodion recouverte de noir d'or. L'ensemble est placé dans un cryostat qui permet de refroidir la membrane et donc de simuler un fond froid. Ce cryostat est partiellement rempli d'hélium gazeux, ce qui permet de diminuer la constante thermique de la membrane dans le cas de scènes évolutives. L'échauffement de la membrane est produit par rayonnement d'une lumière visible émise par exemple, au travers d'une première fenêtre du cryostat laissant passer les rayonnements de lumière visible, par un projecteur de cinéma. Le film projeté est préparé de façon à tenir compte de la fonction de transfert de la membrane afin de restituer l'émission infrarouge voulue. Celle-ci est restituée au travers d'une fenêtre du cryostat laissant passer les rayons infrarouges. Dans d'autres réalisations le rayonnement du projecteur est modulé par un dispositif à cristaux liquides. La cellule de Bly a l'avantage d'être un dispositif passif simple à mettre en oeuvre, ne comportant qu'un nombre limité d'éléments. Toutefois ces principaux inconvénients sont: - la difficulté de fabrication de la membrane, - la fragilité de celle-ci qui, outre les difficultés de fabrication et de mise en place, limitant l'échauffement applicable et donc la dynamique de la scène infrarouge produite, et - la diffusion thermique latérale du rayonnement dans la membrane limitant la résolution spatiale de la scène. L'invention a pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet, I'invention a pour objet un transducteur permettant la génération physique de scènes dans le spectre infrarouge, convertissant un rayonnement de lumière visible émis par la scène à simuler en un rayonnement infrarouge, caractérisé en ce que le transducteur est constitué d'un substrat opaque au rayonnement de lumière visible et transparent au rayonnement infrarouge, la face du substrat en regard de la scène à simuler étant préformée pour construire une matrice de membranes élémentaires, semblables en taille, et isolées thermiquement les unes des autres, chaque membrane élémentaire étant isolée thermiquement du substrat tout en étant liée mécaniquement au substrat uniquement par leurs extrémités pour réduire au maximum la conductivité thermique entre chaque membrane élémentaire et le substrat, la membrane ainsi formée absorbant directement le flux lumineux par sa face en regard de la scène à simuler et émettant par sa face opposée le flux de rayonnement infrarouge au travers du substrat, chaque membrane élémentaire de la matrice restituant ainsi un pixel de la scène à simuler de dimension suffisamment petite pour obtenir la résolution spatiale désirée. Les principaux avantages du transducteur selon l'invention sont ceux apportés par la cellule de Bly dont la membrane apporte en plus: une rigidité mécanique permettant de réaliser de très grandes surfaces, une capacité thermique très réduite donc une rapidité de réponse et une énergie de commande réduite, une possibilité d'ajuster la constante de temps de refroidissement en jouant sur l'épaisseur du support de la membrane, et un découplage des pixels entre eux donc pas de diffusion latérale de la chaleur et une meilleure définition des images. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui suit et des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une représentation partielle en perspective d'un transducteur selon l'invention, - la figure 2, une coupe partielle d'un transducteur selon l'invention exposant le principe de fonctionnement du transducteur, - la figure 3a, une coupe partielle d'un mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention, - la figure 3b, un schéma optique relatif au mode de réalisation de la figure 3a, - la figure 4, un simulateur de scènes infrarouges utilisant une cellule de Bly comportant un transducteur selon l'invention. Sur ces figures, les éléments homologues sont référencés par les mêmes repères. Les nouvelles technologies de micro-usinage sur silicium permettent, grâce à l'utilisation judicieuse des gravures sélectives et anisotropes, de fabriquer des microstructures de type poutres, membranes ou tables autosupportées sur un substrat de silicium. Il est ainsi possible de fabriquer par voie collective, c'est-à-dire simultanément, des matrices d'éléments semblables de taille de l'ordre de 10-9 m2 en enchaînant une série d'étapes classiques de micro- électronique; la taille totale de la matrice étant de 104 à 10-3 m2. Ces technologies peuvent être mis en oeuvre pour réaliser une matrice de membranes élémentaires. Chaque membrane élémentaire absorbe le flux de lumière visible et s'échauffe, émettant ainsi un flux infrarouge du point de la scène correspondant. La figure 1 illustre une représentation partielle en perspective d'un transducteur selon l'invention. Chaque membrane élémentaire 1 i a la forme d'un plateau par exemple carré de 3.10-5 m de côté, espacé régulièrement les uns des autres. Chaque plateau est supporté par quatre pieds 2i disposés respectivement à chaque coin du plateau assurant un lien mécanique entre la membrane 1 i et un substrat 3 servant de support à la membrane 1i. Ces pieds 2i doivent être les plus fins possible pour réduire au maximum la conductivité thermique entre la membrane l i et le substrat 3. Chaque membrane élémentaire li se trouve donc suspendue au dessus du substrat 3. Les espaces vides 4i séparant les membranes 1 i entre elles et les membranes 1i avec le substrat 3 assurent une isolation thermique de la membrane 1 i permettant ainsi d'augmenter la fonction de transfert de modulation en optique connue sous l'abréviation FTM. Chaque membrane élémentaire 1 i génère un pixel de l'image infrarouge restituant la scène à simuler. Pour cela la dimension latérale de chaque membrane élémentaire 1 i doit être suffisamment petite pour obtenir la résolution spatiale désirée. La membrane li est réalisée, par exemple, en silice ou nitrure de silicium et elle est déposée sur un substrat 3 en silicium. Un matériau absorbant la lumière visible non représenté, noir métallique ou polysilicium par exemple, dont le coefficient d'absorption est supérieur à celui de la membrane pour accentuer l'absorption naturelle de la membrane 1 i peut être déposé sur la face de la membrane 1i en regard de la scène à simuler. Un vide 4i est ensuite créé sous la membrane 1 i par attaque chimique sélective, soit du substrat 3 de silicium lui-même, soit d'une couche sacrificielle non représentée déposée entre le substrat 3 et la membrane 1 i. Dans un autre mode de réalisation 3 la membrane 1 i peut être réalisée à partir du substrat 3 de silicium lui-même. Dans ce cas elle est micro-usinée entièrement par attaque chimique sélective du substrat 3. Un procédé de fabrication connu assez simple consiste à déposer successivement sur le substrat 3 une couche sacrificielle optionnelle, les pieds 2i servant de support mécanique aux quatre coins de chaque membrane élémentaire 1 i, la membrane proprement dite, et éventuellement le matériau absorbant. Une attaque chimique sélective de la couche sacrificielle optionnelle ou du substrat 3 lui-même, permet ensuite de créer les vides 4i. La figure 2 illustre le principe de fonctionnement d'un transducteur selon l'invention. L'éclairage de rayonnement visible s'effectue directement sur la membrane 1i, I'observation infrarouge s'effectue au travers du substrat 3 en silicium qui est opaque au rayonnement visible et donc isole le rayonnement infrarouge émis de l'éclairage visible. Dans un autre mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention, illustrée par la coupe partielle de la figure 3a, la surface apparente des pixels du transducteur représentant respectivement un point de la scène à simuler, est augmentée à l'aide d'un réseau de lentilles élémentaires 5i déposées ou gravées sur la surface du substrat 3 opposée à la membrane 1i. Ces lentilles élémentaires 5i sont réalisées par exemple selon les techniques de l'optique binaire. Pour faire coïncider les pixels avec les lentilles élémentaires 5i correspondantes, il est préférable d'utiliser des techniques de gravure double face. Cette figure permet de distinguer le substrat 3 supportant sur sa première face la matrice de membranes élémentaires 1 i, et supportant sur sa deuxième face le réseau de lentilles élémentaires 5i centrées respectivement sur chaque membrane élémentaire 1 i. Une lentille élémentaire 5i est constituée de trois disques 6, 7 et 8 superposés de diamètre décroissant et est équivalente à une lentille convergente. La figure 3b illustre le schéma optique respectif au mode de réalisation de la figure 3a. La figure 4 illustre un schéma optique d'un simulateur de scènes infrarouges à partir de scènes visibles préenregistrées mettant en oeuvre par exemple une cellule de Bly dont la membrane est réalisée à partir d'un transducteur selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, un projecteur de type projecteur de cinéma utilisé comme source de lumière visible non représenté projette une scène, ou une suite de scènes préenregistrées 9, sur une première lentille convergente 10 permettant de focaliser le rayonnement de lumière visible sur une première face de la membrane li formant le transducteur selon l'invention, au travers d'une fenêtre étanche 11, transparente au rayonnement de lumière visible, du cryostat 12 de la cellule de Bly. Après conversion du rayonnement visible en rayonnement infrarouge par le transducteur selon l'invention le rayonnement infrarouge est émis au travers d'un deuxième fenêtre étanche 13 transparente au rayonnement infrarouge du cryostat 12 vers une deuxième lentille convergente 14 permettant ainsi de pointer le rayonnement infrarouge simulant la scène visible vers un équipement optronique infrarouge à tester. D'autres matériaux opaques à la lumière visible et transparents au rayonnement infrarouge peuvent être utilisés pour réaliser le substrat 3 support des membranes élémentaires 1 i sans sortir du cadre de l'invention. De même la forme des membranes élémentaires 1 i peut être quelconque. REVENDICATIONS 1. Transducteur permettant la génération physique de scènes dans le spectre infrarouge, convertissant un rayonnement de lumière visible émis par la scène à simuler en un rayonnement infrarouge, caractérisé en ce que le transducteur est constitué d'un substrat (3), opaque au rayonnement de lumière visible et transparent au rayonnement infrarouge, la face du substrat (3) en regard de la scène à simuler étant préformée pour construire une matrice de membranes élémentaires (1i), semblables en taille, et isolées thermiquement les unes des autres, chaque membrane élémentaire (1 i) étant isolée thermiquement du substrat (3) tout en étant liée mécaniquement au substrat (3) uniquement par leurs extrémités (2i) pour réduire au maximum la conductivité thermique entre chaque membrane élémentaire (1 i) et le substrat (3), la membrane ainsi formée absorbant directement le flux lumineux par sa face en regard de la scène à simuler et émettant par sa face opposée le flux de rayonnement infrarouge au travers du substrat (3), chaque membrane élémentaire (1i) de la matrice restituant ainsi un pixel de la scène à simuler de dimension suffisamment petite pour obtenir la résolution spatiale désirée. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'un même matériau constituant le substrat (3) et la matrice de membranes élémentaires (l i), les membranes élémentaires (1 i) étant usinées par attaque chimique sélective du matériau formant ainsi des espaces vides (4i) entre chaque membrane élémentaire (1 i), et entre chaque membrane élémentaire (1 i) et le reste du substrat (3) servant de support aux membranes élémentaires (1 i). 3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un substrat (3) et d'au moins une couche déposée sur le substrat servant de support à la couche, cette couche formant les membranes élémentaires (1 i) après attaque chimique sélective de la couche. 4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une couche sacrificielle est déposée entre la couche formant les membranes élémentaires (1i) et le substrat (3), et qui, après attaque chimique sélective de la couche sacrificielle, forme les espaces vides (4i) entre les membranes élémentaires (1 i) et entre les membranes élémentaires (1 i) et le substrat (3). 5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les faces des membranes élémentaires (1 i) en regard de la scène à simuler, sont recouvertes d'un matériau absorbant la lumière dont le coefficient d'absorption est supérieur au coefficient d'absorption des membranes élémentaires (1 i). 6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la face du substrat (3) opposée à la matrice de membranes élémentaires (1 i) supporte un réseau de lentilles optiques élémentaires (5i), chaque lentille élémentaire (5i) étant centrée respectivement sur chaque membrane élémentaire (1 i) et permet d'augmenter la surface apparente des pixels. 7. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réseau de lentilles élémentaires (5i) est gravé sur la face du substrat (3) selon une technique d'optique binaire. 8. Transducteurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat (3) est en silicium. 9. Simulateur de scènes infrarouges à partir de scènes visibles préenregistrées, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, disposé à l'intérieur d'une enceinte cryostatique (12), et recevant sur sa face sensible (li) au rayonnement de lumière visible une succession de scènes préenregistrées (9) et restituant sur sa face opposée la scène équivalente dans le spectre infrarouge, la scène préenregistrée (9) tenant compte de la fonction de transfert thermique de la membrane (1 i) pour restituer une émission infrarouge déterminée. 10. Simulateur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une première lentille convergente (10) permettant de focaliser le rayonnement de lumière visible sur le transducteur, et une deuxième lentille (14) convergente permettant de focaliser le rayonnement infrarouge émis par le transducteur sur un équipement optronique infrarouge à tester.