Brevet FR2735935A1 — publié le 19961227

DISPOSITIF A COUPLAGE DE CHARGES ADAPTE A L'ACQUISITION RAPIDE D'UN SIGNAL LUMINEUX, ET SON APPLICATION DANS UN LIDAR La présente invention concerne un dispositif à couplage de charges pour analyser temporellement un signal lumineux, ainsi qu'un lidar incorporant un tel dispositif. Un dispositif à couplage de charges (CCD) selon l'invention trouve des applications dans tout système de mesure de distance par réflexion d'impulsions lumineuses (lidar) de résolution spatiale moyenne (typiquement d'au moins d'une centaine de mètres). En particulier, les lidars spatiaux mesurant des impulsions lumineuses réfléchies sur des particules atmosphériques avec une résolution de l'ordre du kilomètre peuvent incorporer un CCD selon l'invention. Un premier type de lidar, dit lidar atmosphérique, permet de déterminer la position des nuages à partir de mesures de temps de vol des impulsions émises et rétroréfléchies par la surface des nuages. Un tel lidar a habituellement pour détecteur une photodiode à avalanche associée à un dispositif de multiplication électronique. Les lidars vents sont un deuxième type de lidars spatiaux qui, en plus de la mesure de distance, effectuent pour chaque altitude une mesure locale de vent en tenant compte de l'effet Doppler (prise en compte de la vitesse du satellite qui est connue et de la vitesse de la masse d'air que l'on cherche à évaluer). Pour cela un lidar vent doit donc résoudre le spectre de longueur d'onde du signal réfléchi. Du fait de l'étalement du spectre sur plusieurs canaux de longueur d'onde, le nombre de photons captés peut être extrêmement faible. La précision de mesure nécessitant un rapport signal à bruit suffisant, il faudra que le bruit de rnesuré so ciüasiment nul et la détectivité maximale. Le besoin de détection multi-canaux condamne lemploi de photodiodes à avalanche. Les détecteurs utilisés devront être des détecteurs multi-éléments éventuellement associés à un dispositif d'amplification électronique de type "galettes de micro-canaux (MCP, "Multi-Channel Plates"). Des MCP associés à des anodes multiples existent, mais ils ont pour inconvénient majeur de présenter des zones mortes entre les anodes, ce qui réduit la sensibilité, et de nécessiter autant de chaines de traitement de signal qu'il y a d'anodes, ce qui rend le système lourd et complexe. On connaît des applications où des CCD sont utilisés à bord de véhicules spatiaux pour réaliser des mesures de distances par rétroréflexion d'impulsions lumineuses. On connaît notamment des systèmes de mesure de position permettant de réaliser un rendez-vous dans l'espace entre un véhicule chasseur muni du laser et du détecteur et un véhicule cible muni de rétroréflecteurs (voir FR-A-2 602 057). Mais le contexte est assez différent de celui des mesures atmosphériques. Premièrement la résolution spatiale recherchée est beaucoup plus fine (de l'ordre de 100 fois). Deuxièmement, le flux lumineux réfléchi est beaucoup plus important et moins diffus, car la cible est coopératrice contrairement aux particules atmosphériques. Un but de la présente invention est de tirer parti des avantages des détecteurs CCD dans les applications, telles que dans les lidars spatiaux, où pour une résolution moyenne en distance, on recherche une grande sensibilité au flux lumineux incident. L'invention propose ainsi un dispositif à couplage de charges pour analyser temporellement un signal lumineux, comprenant une zone image constituée par une matrice de P lignes et N colonnes de sites photosensibles vers laquelle est dirigé le signal lumineux, une zone mémoire constituée par une matrice de M lignes et N colonnes de sites non photosensibles recevant les charges apparues dans la zone image pendant une période d'observation, et un registre de lecture de N sites recevant successivement les charges stockées dans les lignes de la zone mémoire. A la frontière entre la zone image et la zone mémoire, le dispositif présente une zone d'intégration comportant une ligne de N sites.Pendant la période d'observation, les charges apparues dans chaque colonne de la zone image sont transférées le long de cette colonne vers un site respectif de la zone d'intégration à une première fréquence de transfert, et accumulées dans ledit site sur une durée d'acquisition sensiblement supérieure à P fois l'inverse de la première fréquence de transfert. Pendant la période d'observation, les charges accumulées dans chaque site de la zone d'intégration sont transférées le long d'une colonne respective de la zone mémoire en direction du registre de lecture à une seconde fréquence de transfert de l'ordre de l'inverse de la durée d'acquisition. Le CCD réalise ainsi toutes les fonctions temps réel d'acquisition, d'intégration et de mémorisation qui, dans les applications traditionnelles de comptage de photons, auraient été réalisées par un ensemble de chaînes de détection rapides et complexes. Le CCD permet donc de simplifier considérablement le système de détection, et présente en outre les avantages suivants - efficacité quantique très élevée de l'ultraviolet au proche infrarouge, surtout pour les CCD amincis - taux de remplissage de la surface sensible égal à 100% - possibilité de transfert des charges à haute fréquence sur des détecteurs de surface moyenne - possibilité d'intégration et de stockage de l'information dans la structure CCD sans dégradation en maintenant le courant de génération de charges internes à des valeurs ne dégradant pas les performances (par refroidissement et/ou en utilisant la technologie MPP (Multi Pinned Phase)) - bruit de lecture inférieur à quelques électrons pour des fréquences moyennes de lecture des pixels (20 à 100 kHz), voire réduction de ce bruit à des valeurs inférieures à 1 électron par des méthodes non destructives de lecture multiple ("skipping") ; - suppression du dispositif d'amplification électronique en amont du capteur. La résolution spatiale du détecteur est proportionnelle à la durée d'acquisition. Si le nombre M de lignes de la zone mémoire est au moins égal au rapport entre la durée de la période d'observation et la durée d'acquisition, la totalité des mesures relatives à une période d'observation peut être stockée dans le CCD, puis traitée ultérieurement par un système n'ayant pas les mêmes contraintes de rapidité. Un lidar selon l'invention comprend une source lumineuse impulsionnelle telle qu'un laser, et un système de détection, comportant un dispositif à couplage de charges tel que défini ci-dessus, disposé pour recevoir des échos réfléchis des impulsions lumineuses émises par la source. S'il s'agit d'un lidar vent, le système de détection comporte en outre un filtre optique agencé pour diriger vers différentes colonnes de la zone image du CCD des composantes spectrales de longueur d'onde différentes des échos des impulsions lumineuses. On peut alors traiter jusqu'à N canaux de longueur d'onde différents. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation préféré mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique d'un lidar conforme à la présente invention - la figure 2 est une vue en plan schématique d'un CCD selon l'invention - la figure 3 montre un exemple de chronogramme des signaux de commande appliqués à différents sites du CCD de la figure 2 - les figures 4 et 5 sont des schémas illustrant le transfert des charges dans le CCD de la figure 2 ; et - la figure 6 montre schématiquement un satellite en orbite équipé d'un lidar selon l'invention. Le lidar représenté sur la figure 1 comprend une source 10 d'impulsions lumineuses et un système de détection comprenant une optique de plan focal 12 et un capteur CCD 14. La source 10 est par exemple constituée par un laser de type Nd-YAG émettant des impulsions de durée très courte (typiquement 20 à 30 ns). La longueur d'onde d'émission est par exemple de 355 ou 532 nm. Les impulsions ont par exemple une énergie d'un joule et une cadence de répétition de 10 Hz. L'optique 12 reçoit les impulsions lumineuses émises par la source 10 et rétroréfléchies sur un milieu distant, et les dirige vers la zone image du CCD 14. Une optique relais 18 focalise le signal lumineux reçu sur la zone image du cCD 14, et un filtre interférentiel 16 distribue les composantes spectrales de longueurs d'onde différentes du signal reçu vers différentes colonnes de la zone image du CCD 14. Le filtre 16 peut être de type Fabry-Pérot ou de type Fizeau. Le CCD 14 a la structure représentée schématiquement sur la figure 2. Sa zone image 20 se présente comme une matrice de P lignes et N colonnes de sites photosensibles sur laquelle le signal lumineux reçu est focalisé (P=N=16 dans l'exemple représenté). Dans le sens du transfert des charges (du haut vers le bas sur la figure 2), la zone image 20 est suivie par une zone d'intégration 22 constituée par une ligne de N sites, par une zone mémoire 24 constituée par une matrice de M lignes et N colonnes de sites non photosensibles (M=32 dans l'exemple représenté), et par un registre de lecture 26 constitué par une ligne de N sites.Les transferts de charges dans la zone image 20, dans la zone d'intégration 22, dans la zone mémoire 24 et dans le registre de lecture 26 sont commandés par des signaux respectifs + ", délivrés par un générateur 28 de signaux d'horloge. Le générateur 28 est cadencé par un séquenceur 30 synchronisé sur les instants d'émission des impulsions par la source 10. Les charges délivrées en série depuis le registre de lecture 26 sont fournies à un étage 32 de lecture et d'amplification qui met en forme les mesures pour un système numérique 34 d'interprétation et de traitement des mesures. Le séquenceur 30 définit après chaque émission d'une impulsion dans la source 10 une période d'observation correspondant à une fenêtre temporelle pendant laquelle les échos réfléchis sont susceptibles de parvenir au système de détection. Au cours de cette période d'observation, le CCD 14 est commandé pour mesurer et stocker le signal optique reçu. Après la fin de la période d'observation, et avant le début de la période d'observation relative à la prochaine impulsion laser, le séquenceur 30 a le temps de commander la lecture du contenu du registre 26. La résolution spatiale du CCD est donnée par une durée d'acquisition T correspondant à l'inverse de la fréquence F de transfert de charges dans la zone mémoire 24. Dans la zone image 20, les charges sont transférées le long des colonnes à une fréquence plus élevée f. La zone d'intégration 22 sert à accumuler colonne par colonne les charges qui sont apparues pendant chaque durée d'acquisition T dans la zone image 20. Les charges sont donc transférées de la zone image 20 vers la zone d'intégration 22 à la fréquence f, et de la zone image 22 vers la zone mémoire 24 à la fréquence F. La figure 3 montre les signaux de commande , ', " qui peuvent être adressés aux zones 20, 22, 24 pour réaliser ces différentes fréquences de transfert, dans un exemple à quatre phases par site, indexées A, B, C, D dans le sens du transfert des charges (c'est-à-dire du haut vers le bas sur la figure 2 ou de la gauche vers la droite sur les figures 4 et 5). La figure 3 montre les signaux de commande sur une durée d'acquisition T. Un signal de commande de niveau haut sur la figure 3 correspond à la présence d'un puits de potentiel sous la portion correspondante du site, comme l'illustrent les figures 4 et 5. Sur les figures 4 et 5, la référence 36 désigne le masque métallique déposé sur le CCD 14 pour masquer les sites de la zone d'intégration 22, de la zone image 24 et du registre de lecture 26 vis-à-vis de la lumière. On notera toutefois que la zone d'intégration 22 pourrait être partiellement ou totalement exposée à la lumière. Dans le cas représenté sur les figures 4 et 5, la zone d'intégration peut ainsi être vue comme une première ligne de la zone mémoire mais, si elle était complètement exposée à la lumière, on pourrait la considérer comme la dernière ligne de la zone image ou, si elle était partiellement exposée à la lumière, comme une zone intermédiaire à cheval sur la zone image et la zone mémoire. Une durée d'acquisition T commence, entre les instants repérés par t0' à t4' sur la figure 3 et correspondant respectivement aux cinq lignes de la figure 4, par un cycle de transfert le long des colonnes de la zone mémoire 24. Au cours de ce même cycle, les charges présentes dans les puits de potentiel 38 de la zone d'intégration 22 sont transférées vers la première ligne de la zone mémoire 24. Pendant la majeure partie de la durée d'acquisition, entre les instants repérés par t0, et t0 sur la figure 3, les charges ne sont pas transférées dans la zone image 20 vers la zone d'intégration 22, les phases vAS 4 > E' 4 > C' B CE D et A restant constantes. Pendant ce temps, les photons incidents sur la zone image génèrent des électrons qui se piègent dans les puits de potentiel de la zone image. A la fin de la durée d'acquisition, le séquenceur 30 commande P cycles de transfert dans la zone image vers la zone d'intégration. Le premier de ces cycles, entre les instants t0 et t4, est détaillé sur le schéma de la figure 5. A la fin des P cycles de transfert, toutes les charges 42 apparues dans une colonne de la zone image 20 ont été transférées dans le puits de potentiel correspondant 38 de la zone d'intégration 22. Au début de la durée d'acquisition suivante, ces charges seront transférées vers la première ligne de la zone mémoire 24. On observe que, pendant les P cycles de transfert à la fin de la durée d'acquisition, certaines charges peuvent continuer à apparaître dans la zone image sans atteindre la zone d'intégration 22. Ces charges seront affectées à la durée d'acquisition suivante. Pour que ceci ne perturbe pas les mesures, on prévoit que la fréquence de transfert f dans la zone image soit sensiblement (au moins deux fois) supérieure à P fois l'inverse de la durée d'acquisition T. On comprendra que diverses structures de CCD et divers modes de commande permettent d'obtenir les fréquences de transfert différentes de part et d'autre de la zone d'intégration 22. Par exemple, en conservant une structure à quatre phases, on pourrait commander des transferts dans la zone image vers la zone d'intégration sans interruption pendant toute la durée d'acquisition, les charges étant alors transférées au fur et à mesure de leur apparition, au lieu d'attendre la fin de la durée d'acquisition. Les valeurs numériques du dimensionnement et du séquencement du CCD 14 dépendent de l'application considérée. La figure 6 montre un satellite 50 en orbite terrestre équipé d'un lidar selon la figure 1, pointé selon un angle a par rapport au nadir. Le domaine d'altitude dans lequel on souhaite effectuer la mesure a une hauteur h, et le satellite 50 est lui-même situé à une hauteur H au-dessus de ce domaine. Ainsi, la période d'observation suivant l'émission d'une impulsion laser doit au moins inclure une fenêtre temporelle commençant 2H/(c.cosa) après l'émission de l'impulsion et de durée 2h/(c.cosa). Pour des angles de pointage a inférieurs à 600 environ et une dynamique en altitude typique h-40 km, la période d'observation peut donc avoir une durée limitée à environ 500 Es. La durée d'acquisition T est choisie en fonction de la résolution en altitude recherchée (tu10 Rs dans l'application décrite ici). Pour une résolution en altitude de 1 km, la durée d'acquisition T est de l'ordre de 6 Rs. Pour assurer une mobilité suffisante des électrons dans le matériau semiconducteur du CCD, les sites de la zone image 20 ont de préférence des dimensions inférieures à 30 Rm parallèlement à la surface du CCD. Dans le cas où P=N=16, si on considère un pixel typique de 23x23 pin, on peut ainsi réaliser soit un détecteur équivalent de 368x368 pin, soit 16 canaux de détection de 23x368 pin. Compte-tenu de la faible quantité de charges à transférer, les sites de la zone mémoire 24 ont de préférence, le long de la direction des colonnes, une dimension plus petite que ceux de la zone image. Ceci permet de réduire la quantité de charges générées en obscurité pendant le transit dans la zone mémoire.Si les sites ont une hauteur de 11,5 pin et une largeur de 23 pin dans la zone mémoire, celle-ci ne requiert qu'une surface de 368x368 pxn pour M=32 et N=16. La fréquence f de transfert des charges dans la zone image 20 est par exemple de 12 MHz. Dans ce cas, si on considère que la fréquence f doit être au moins égale à 2P fois la fréquence F correspondant à l'inverse de la durée d'acquisition, cette fréquence F serait d'au plus 375 kHz (T=2,66 rus), ce qui correspond à une résolution minimale en altitude d'environ 400 mètres en pointage nadir. Le nombre M de lignes dans la zone mémoire 24 est pris au moins égal au rapport entre la durée de la période d'observation et la durée d'acquisition T. M doit donc au moins être égal au rapport entre la dynamique en altitude h et la résolution en altitude du système. Pour 30 km de dynamique en altitude et pour une gamme de résolution allant de 450 m à 1000 m, on peut estimer qu'on a besoin au minimum de M=32 et au maximum de M=100. Pour une fréquence de lecture de 50 kpixel/s, permettant avec des CCD courants des bruits de lecture de 2 à 3 électrons en moyenne, la totalité du registre 26 peut être lue en 10 ms si M=32, N=16, et en 32 ms si M=100, N=16. Le registre 26 peut donc être entièrement lu entre deux périodes d'observation successives dès lors que la source 10 opère à des cadences de répétition plus petites que 30 à 100 Hz. Le CCD comporte N canaux de détection, un par colonne, qui procurent une résolution spatiale perpendiculairement à la direction des colonnes. Comme le filtre interférentiel 16 distribue le flux lumineux incident sur les colonnes en fonction de la longueur d'onde, le CCD permet une résolution en longueur d'onde des échos des impulsions. La source 10 étant monochromatique, le CCD peut être utilisé pour des mesures Doppler dans un système de lidar vent. Pour optimiser l'efficacité quantique, le CCD peut être aminci et éclairé par l'arrière. Compte-tenu de la petite dimension du CCD, et donc des faibles capacités parasites résultantes, le générateur des signaux d'horloge 28 peut être implanté sur la même puce, ce qui permet de limiter le nombre de signaux de commande externes. Si le CCD est polarisé par la technique MPP (multi-pinned phase), le courant d'obscurité est inférieur à 20 pAmp/cm2 pour une température de 250C, soit 330 électrons par seconde à 250C en zone mémoire. Dans certaines applications, il peut être nécessaire de refroidir le CCD pour réduire encore les charges dues au courant d'obscurité, lorsqu'on recherche une très grande sensibilité pour un temps total de lecture relativement important. REVENDICATIONS 1. Dispositif à couplage de charges (14) pour analyser temporellement un signal lumineux, comprenant une zone image (20) constituée par une matrice de P lignes et N colonnes de sites photosensibles vers laquelle est dirigé le signal lumineux, une zone mémoire (24) constituée par une matrice de M lignes et N colonnes de sites non photosensibles recevant les charges apparues dans la zone image pendant une période d'observation, et un registre de lecture (26) de N sites recevant successivement les charges stockées dans les lignes de la zone mémoire, caractérisé en ce que, à la frontière entre la zone image et la zone mémoire, le dispositif présente une zone d'intégration (22) comportant une ligne de N sites, en ce que, pendant la période d'observation, les charges apparues dans chaque colonne de la zone image sont transférées le long de cette colonne vers un site respectif de la zone d'intégration à une première fréquence de transfert (f), et accumulées dans ledit site sur une durée d'acquisition (T) sensiblement supérieure à P fois l'inverse de la première fréquence de transfert, et en ce que, pendant la période d'observation, les charges accumulées dans chaque site de la zone d'intégration sont transférées le long d'une colonne respective de la zone mémoire en direction du registre de lecture à une seconde fréquence de transfert (F) de l'ordre de l'inverse de la durée d'acquisition (T). 2. Dispositif à couplage de charges selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sites de la zone image (20) ont des dimensions inférieures à 30 microns parallèlement à la surface du dispositif. 3. Dispositif à couplage de charges selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les sites de la zone mémoire (24) ont, le long de la direction des colonnes, une dimension plus petite que ceux de la zone image (20). 4. Dispositif à couplage de charges selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la durée d'acquisition (T) est inférieure à 10 microsecondes. 5. Lidar, comprenant une source lumineuse impulsionnelle (10) et un système de détection disposé pour recevoir des échos réfléchis des impulsions lumineuses émises par la source, caractérisé en ce que le système de détection comporte un dispositif à couplage de charges (14) comprenant une zone image (20) constituée par une matrice de P lignes et N colonnes de sites photosensibles vers laquelle sont dirigés les échos reçus, une zone mémoire (24) constituée par une matrice de M lignes et N colonnes de sites non photosensibles recevant les charges apparues dans la zone image pendant une période d'observation suivant l'émission de chaque impulsion lumineuse par la source, et un registre de lecture (26) de N sites recevant successivement les charges stockées dans les lignes de la zone mémoire, en ce que, à la frontière entre la zone image et la zone mémoire, le dispositif à couplage de charges présente une zone d'intégration (22) comportant une ligne de N sites, en ce que, pendant chaque période d'observation, les charges apparues dans chaque colonne de la zone image sont transférées le long de cette colonne vers un site respectif de la zone d'intégration à une première fréquence de transfert (f), et accumulées dans ledit site sur une durée d'acquisition (T) sensiblement supérieure à P fois l'inverse de la première fréquence de transfert, et en ce que, pendant chaque période d'observation, les charges accumulées dans chaque site de la zone d'intégration sont transférées le long d'une colonne respective de la zone mémoire en direction du registre de lecture à une seconde fréquence de transfert (F) de l'ordre de l'inverse de la durée d'acquisition (T). 6. Lidar selon la revendication 5, caractérisé en ce que le système de détection comporte un filtre optique (16) agencé pour diriger vers différentes colonnes de la zone image (20) du dispositif à couplage de charges des composantes spectrales de longueurs d'onde différentes des échos des impulsions lumineuses. 7. Lidar selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les sites de la zone image (20) ont des dimensions inférieures à 30 microns parallèlement à la surface du dispositif à couplage de charges (14). 8. Lidar selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les sites de la zone mémoire (24) du dispositif à couplage de charges (14) ont, le long de la direction des colonnes, une dimension plus petite que ceux de la zone image (20). 9. Lidar selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la durée d'acquisition (T) est inférieure à 10 microsecondes. 10. Utilisation d'un lidar selon l'une quelconque des revendications 5 à 9 à bord d'un satellite (50), pour analyser des échos des impulsions lumineuses réfléchis par des particules atmosphériques.