Brevet FR2791473A1 — publié le 20000929

Dispositif opto-électronique prémuni contre les détections par un faisceau lumineux collimaté L'invention concerne un dispositif opto- électronique prémuni contre les détections par un faisceau lumineux collimaté, tel notamment qu'un faisceau laser. Les dispositifs opto-électroniques embarqués (caméras, détecteurs d'alerte laser,...) qui comprennent des moyens optiques de focalisation de la lumière entrante sur des photodétecteurs, ont une surface équivalente laser importante et sont facilement repérables par des lidars fonctionnant dans le spectre visible ou dans l'infrarouge en raison de l'effet "oeil de chat": selon cet effet, une onde plane incidente focalisée sur un photodétecteur est renvoyée exactement dans la direction d'incidence par réflexion spéculaire sur le photodétecteur, le flux lumineux réfléchi étant suffisant pour rendre le dispositif aisément repérable par une détection active monostatique. On a donc cherché à augmenter la furtivité de ces dispositifs et à assurer leur non-détectabilité sur une bande de fréquences aussi large que possible, en minimisant leur surface équivalente laser. Les moyens actuellement utilisés dans ce but comprennent des masques antisymétriques de pupille, ou des réseaux de diffraction formés sur les surfaces sensibles des détecteurs, ou la défocalisation des détecteurs ou leur inclinaison par rapport à la direction d'incidence du faisceau de détection. Toutefois, ces moyens connus ne donnent pas satisfaction et ne résolvent pas dans de bonnes conditions le problème de la furtivité des dispositifs opto-électroniques du type précité, pour les raisons indiquées ci-dessous. Les masques de pupille sont des masques antisymétriques de demi-pupille qui bloquent systématiquement les rayons sortant de l'optique. Ces masques ne sont totalement efficaces que sur l'axe optique et laissent ressortir jusqu'à 35 % du flux entrant en dehors de l'axe, selon le type de masque et la position dans le champ. De plus, ils bloquent 50 % du flux entrant et dégradent la fonction de transfert de modulation du dispositif à protéger. Par contre, leurs performances ne dépendent sensiblement pas de la longueur d'onde des faisceaux de détection. Les réseaux de diffraction formés sur les surfaces photo-sensibles des détecteurs ont pour but de diffracter l'énergie incidente en dehors de l'ouverture de l'optique associée. Toutefois, ces réseaux doivent être optimisés par simulation numérique pour la longueur d'onde centrale du faisceau de détection et leur réalisation se fait par dépôt de couches minces. Les facteurs de réduction de la surface équivalente laser attendus sont de l'ordre de 10 à 40 pour la longueur d'onde centrale et les largeurs de bande d'efficacité sont limitées par les performances des réseaux et ne permettent pas de couvrir toute une bande de fréquences de détection. La défocalisation des détecteurs a pour effet de faire diverger l'onde rétro-diffractée en sortie de l'optique. Elle entraîne toutefois une dégradation des performances qui est totalement inacceptable pour une caméra, une correction de la dégradation d'image par calcul en temps réel n'étant pas possible. Quant à l'inclinaison d'un détecteur sur l'axe optique, elle doit être suffisamment importante pour renvoyer les rayons lumineux en dehors du dernier élément du système optique. Plus l'ouverture numérique est faible et plus l'inclinaison du détecteur doit être grande, ce qui n'est pas acceptable pour des imageurs. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et très efficace au problème de la réduction des surfaces équivalentes laser et de la furtivité des dispositifs opto- électroniques du type précité. Elle propose, à cet effet un dispositif opto- électronique prémuni contre les détections par un faisceau lumineux collimaté, en particulier par un faisceau laser, le dispositif comprenant au moins une surface photosensible et des moyens optiques qui reçoivent et focalisent la lumière sur cette surface selon un angle solide d'ouverture, caractérisé en ce que ladite surface est rugueuse et diffuse au moins une partie de la lumière qu'elle reçoit, selon un angle solide de diffusion supérieur à l'angle solide d'ouverture, cette diffusion se produisant pour une bande de fréquences de détection couvrant au moins une octave. L'invention tire parti de la diffusion de la lumière par une surface rugueuse et de la différence des angles solides d'ouverture et de diffusion pour réduire la signature équivalente laser des dispositifs opto-électroniques précités de façon très importante sur une bande de fréquences relativement large. De façon générale, la réduction de la surface équivalente laser selon l'invention est environ dix fois supérieure à celle que l'on obtient avec un réseau de diffraction au centre du champ, elle ne diminue pas dans le champ et la largeur de bande d'efficacité est également supérieure, la protection restant efficace sur l'intégralité de chacune des bandes de détection (spectre visible et bandes II et III de l'infrarouge). Avantageusement, ladite surface rugueuse est globalement sensiblement plane, c'est-à-dire non incurvée, et l'angle solide de diffusion est sensiblement égal à 2t stéradians. Le rapport de l'énergie lumineuse qui est renvoyée par cette surface rugueuse dans la direction du faisceau incident de détection et de l'énergie qui serait réfléchie dans cette direction par une surface semblable non rugueuse est sensiblement égal au rapport des angles solides d'ouverture et de diffusion dans le cas d'une diffusion isotrope. Quand l'angle solide de diffusion est égal à 2n Sr, ce rapport est très faible et le facteur de réduction de la surface équivalente laser est très important: il est de 170 dans un exemple de réalisation décrit en détail dans ce qui suit. La couche superficielle photosensible d'un détecteur classique a en général une épaisseur faible, du même ordre de grandeur que l'amplitude de la rugosité à former, de sorte qu'il ne serait pas possible d'attaquer chimiquement ou mécaniquement cette couche superficielle pour la rendre rugueuse sans détruire du même coup les propriétés de photodétection de cette couche superficielle. L'invention prévoit donc de déposer, à la surface d'un détecteur préexistant, une couche mince de matière photosensible, qui est ensuite rendue rugueuse. En variante, l'invention propose également de fabriquer des détecteurs avec une couche superficielle plus épaisse de matière photosensible, à laquelle on donne ensuite une rugosité appropriée aux longueurs d'onde à diffuser, tout en conservant une épaisseur de matière suffisante pour assurer la détectivité. Cette rugosité de la couche photosensible peut être obtenue par photosensibilisation de la matière, par exemple par exposition à un flux lumineux à travers un masque de speckle (granularité), puis par attaque chimique ou ionique. En variante, cette rugosité peut être obtenue par dépolissage mécanique ou chimique. Les caractéristiques de rugosité de la surface du détecteur selon l'invention sont définies par des paramètres statistiques tels que la rugosité quadratique moyenne et la fonction de corrélation, la rugosité quadratique moyenne étant supérieure ou égale à environ 1/5 de la longueur d'onde centrale de la bande de longueurs d'onde à diffuser, la longueur de corrélation étant du même ordre de grandeur (la longueur de corrélation étant la longueur pour laquelle la fonction de corrélation a une valeur égale à sa valeur en zéro divisée par e). De façon générale, l'invention permet de réduire efficacement et simplement les risques de détection des dispositifs opto- électroniques, la réduction de leurs surfaces équivalentes laser étant très importante (de l'ordre de 170 dans l'exemple précité). Cette réduction de surface équivalente laser est large bande, efficace dans tout le champ et d'autant plus efficace que l'ouverture numérique de l'optique de focalisation est grande. Elle s'applique à tous les dispositifs opto-électroniques vulnérables par effet "oeil de chat", qu'ils soient du type monodétecteur ou qu'ils comprennent une pluralité de détecteurs à agencement matriciel ou autre. L'invention permet de conserver les performances de ces dispositifs et est applicable aux dispositifs existants par simple remplacement ou modification de leurs photodétecteurs, sans toutefois modifier la fonction de transfert de modulation optique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un dispositif opto-électronique auquel l'invention est applicable; - la figure 2 illustre schématiquement le principe de la réduction de la surface équivalente laser d'un tel dispositif, selon l'invention. En figure 1, la référence 10 désigne un photodétecteur ou un ensemble plan de photodétecteurs dont la surface sensible 12 est placée au foyer d'une lentille 14 qui est ici la représentation schématique d'un système optique de formation d'une image d'une zone observée sur la surface 12 du détecteur 10. Quand un faisceau lumineux collimaté ou un faisceau laser est capté par la lentille 14 et focalisé sur la surface 12 du détecteur, les rayons entrants 16 sont réfléchis spéculairement sur la surface 12 du détecteur et ressortent collimatés dans la direction incidente comme indiqué en 18 (le système optique étant réglé sur l'infini). Le niveau de flux lumineux qui est ainsi renvoyé dans la direction incidente est suffisant pour rendre aisément repérable le dispositif constitué du détecteur 10 et de l'optique 14. C'est l'effet "oeil de chat" qu'il faut réduire le plus possible pour assurer la non-détectabilité des dispositifs opto-électroniques embarqués tels que les détecteurs d'alerte laser, les imageurs visibles et infrarouges, etc. L'invention propose pour cela de rendre rugueuse la surface 12 du détecteur 10, pour diffuser la lumière au lieu de la renvoyer dans la direction d'incidence. En figure 2, la référence 20 désigne l'angle solide de diffusion de la lumière par la surface 12, qui est égal à 2n Sr dans le cas de la diffusion par une surface plane, et la référence 22 désigne l'angle solide d'ouverture du système optique 14 ou angle solide de l'onde rentrante focalisée sur la surface 12 du détecteur. Si l'on considère que la diffusion de la lumière par la surface 12 est isotrope, c'est-à-dire homogène dans l'angle solide 20, le facteur de réduction de SEL (Surface Equivalente Laser) du détecteur 10 est sensiblement égal au rapport des angles solides de diffusion 20 et d'ouverture 22. Dans le cas d'une lentille convergente 14 ayant une ouverture de 4,4, ce qui correspond à un angle solide d'ouverture de 4,6. 10 -2Sr, le facteur de réduction de SEL est égal à -2 27/4,6.10, soit environ 155. Des mesures expérimentales ont été effectuées sur une photodiode éclairée par un faisceau laser à travers une lentille d'un diamètre de 48 millimètres et ayant une ouverture de 4,4. Le flux réfléchi dans la direction d'incidence a été mesuré à une longueur d'onde de 633 nm avec un diamètre angulaire de détection de 44,6 microradians. Lors des mesures, on a d'abord éclairé par le faisceau laser la surface lisse ou polie de la photodiode, puis cette surface rendue rugueuse avec une rugosité quadratique moyenne ___ -..zu.4.. Q. I- de 1,1 im. La moyenne des mesures pour plusieurs points d'impact du faisceau laser sur la surface de la photodiode donne un facteur de réduction de SEL moyen égal à 170, ce qui est en bon accord avec la théorie (la valeur théorique calculée étant de 155). La rugosité de la surface 12 du détecteur est définie par des paramètres statistiques tels que sa valeur quadratique moyenne et la fonction de corrélation, comme indiqué ci-dessous: n2 - rugosité quadratique moyenne = [ z2 n i= fonction de corrélation Fj= zizi+j i o zi et zj sont les hauteurs des aspérités de la surface 12. La surface 12 diffuse une lumière de longueur d'onde donnée si sa rugosité quadratique moyenne est supérieure ou égale à environ 1/5 de cette longueur d'onde. Une rugosité quadratique moyenne définie pour une longueur d'onde donnée permet de diffuser la lumière de façon optimale sur une bande de longueurs d'onde allant du quart environ de cette longueur d'onde donnée à quatre fois environ cette longueur d'onde. Le matériau semiconducteur qui forme la couche superficielle photosensible d'un détecteur peut être rendu rugueux soit par dépolissage mécanique ou chimique, soit par attaque chimique ou ionique après exposition à un flux lumineux à travers un masque de speckle. Quand cette couche de matière photosensible est assez mince et du même ordre de grandeur que la rugosité à former, l'invention prévoit d'abord de déposer une couche supplémentaire mince de matière photosensible, telle qu'une résine, sur la surface À, w.,, ,a12 ti rb,..;N,tY û d'un photodétecteur et ensuite de traiter cette couche supplémentaire comme indiqué ci-dessus pour la rendre rugueuse, sans entamer la surface préexistante du photodétecteur. - En variante, il est également prévu de fabriquer des photodétecteurs directement avec une couche superficielle plus épaisse de matière photosensible qui est ensuite rendue rugueuse de la façon précitée sans dégrader les propriétés requises de photodétectivité. REVENDICATIONS 1 - Dispositif opto-électronique prémuni contre les détections par un faisceau lumineux collimaté, en -particulier par un faisceau laser, le dispositif comprenant au moins une surface photosensible (12) et des moyens optiques (14) qui focalisent la lumière sur cette surface selon un angle solide d'ouverture (22), caractérisé en ce que ladite surface (12) est rugueuse et diffuse au moins une partie de la lumière qu'elle reçoit selon un angle solide de diffusion (20) supérieur à l'angle solide d'ouverture (22), cette diffusion se produisant pour une bande de fréquences couvrant au moins une octave. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface (12) est globalement sensiblement plane et en ce que l'angle solide de diffusion (20) est sensiblement égal à 2n stéradians. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport de l'énergie lumineuse réfléchie par ladite surface (12) dans la direction d'un faisceau incident et de l'énergie lumineuse qui serait réfléchie dans cette direction par une surface semblable non diffusante est sensiblement égal au rapport des angles solides d'ouverture (22) et de diffusion (20). 4 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite surface (12) a été rendue rugueuse par attaque chimique ou ionique, après exposition à un flux lumineux à travers un masque de speckle. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite surface (12) est rendue rugueuse par dépolissage mécanique ou chimique. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite surface (12) est en matériau semiconducteur. 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite surface (12) est formée par une couche mince de matière photosensible qui a été déposée sur la surface d'un détecteur préexistant et rendue ensuite rugueuse. 8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la rugosité de ladite surface (12) est définie par des paramètres statistiques tels que sa valeur quadratique moyenne et la fonction de corrélation, ladite valeur quadratique moyenne étant supérieure ou égale à environ 1/5 de la longueur d'onde centrale de la bande de longueurs d'onde à diffuser.