Brevet FR2817439A1 — publié le 20020531

DISPOSITIF DE DETECTION DE RAYONNEMENT INFRA-ROUGE DESCRIPTION L'invention se situe dans le domaine de la photodétection de rayonnements électromagnétiques au moyen de détecteurs thermiques, par exemple des micro- bolomètres, et concerne plus particulièrement un dispositif de génération d'image à partir d'un rayonnement IR comportant un module de détection comprenant une pluralité de détecteurs thermiques ayant chacun une résistance électrique spécifique et étant polarisé pour délivrer un signal représentatif d'un rayonnement IR détecté, un module de lecture destiné à transformer ledit signal électrique en signal, vidéo par exemple, exploitable par un bloc de traitement d'image et un module de compensation de signal de courant comportant une première branche destinée à extraire dudit signal électrique un premier signal de courant de polarisation ayant une valeur constante. L'invention concerne également un procédé de correction d'un signal électrique représentant un rayonnement IR détecté par un détecteur thermique ayant une résistance électrique spécifique, le procédé comportant une première étape permettant d'extraire du signal électrique un premier signal de courant de polarisation ayant une valeur constante. La figure 1 représente un détecteur thermique constitué par un microbolomètre 2 dont la grandeur caractéristique mesurable est la résistance électrique. Le micro-bolomètre est constitué d'un absorbeur 4 et d'un thermomètre 6. L'ensemble étant séparé du module de lecture 8 par une couche thermiquement isolante 9. A une température déterminée, par exemple la température de régulation du détecteur, la résistance du micro-bolomètre 2 est donnée par la loi: - qEa R = Ro exp - a kT avec Ea énergie d'activation du matériau (eV); q charge de l'électron; k constante de Boltzmann; T température absolue. Le plan focal du module de détection comporte généralement plusieurs micro-bolomètres 2 qui peuvent être répartis soit sur une matrice à M lignes et N colonnes par exemple au format standard Télévision pour former un dispositif de détection matriciel, soit selon une ligne ou une colonne pour former un module de détection mono-directionnel. Lorsqu'un micro-bolomètre 2 est éclairé par un rayonnement d'énergie IR suffisante, il subit un échauffement proportionnel à la quantité de rayonnement qu'il reçoit. Cet échauffement se traduit par la variation de sa résistance qui est exploitée pour conditionner un courant ou une tension électrique au moyen du module de lecture 8. Un problème des dispositifs de détection de l'art antérieur provient du fait que le signal utile, dû aux variations de température des microbolomètres, représente seulement environ 0.5% du signal total issu du thermomètre 6. De ce fait, pour amplifier le signal nécessaire à la formation d'image, la chaîne d'amplification du module de lecture 8 doit avoir une grande dynamique d'entrée. Cependant, en raison des contraintes géométriques dimensionnelles, il est difficile de réaliser des circuits conciliant une grande dynamique d'entrée, un grand gain, une bonne linéarité et un faible bruit. Une solution connue pour contourner cette difficulté consiste à amplifier uniquement la partie du signal nécessaire à la formation d'image. Pour cela, il faut supprimer une fraction importante du signal délivré par le micro-bolomètre 2, notamment le signal de courant dû à la polarisation des détecteurs. Par ailleurs, du fait que les micro-bolomètres sont très sensibles aux variations de température du plan focal du module de détection, il est nécessaire d'utiliser des moyens de régulation de température pour garantir la stabilité des signaux de sortie. Ceci a pour conséquence d'accroître la complexité et le coût du module de détection. Un autre problème des dispositifs de détection connus provient du fait que les micro-bolomètres fabriqués collectivement présentent des valeurs de résistance dispersées. Aussi, pour un rayonnement IR donné, plusieurs micro-bolomètres sont saturés et délivrent des signaux dont les fluctuations sont situées en dehors de la plage de la dynamique de l'étage d'entrée du module de lecture 8. Aussi, pour diminuer le nombre de micro- bolomètres saturés, il convient d'adapter spécifiquement la réponse de chaque micro-bolomètre pour la centrer dans la dynamique de l'étage d'entrée du module de lecture 8. La figure 2 représente un schéma d'un dispositif de l'art antérieur utilisé pour adapter la réponse du micro-bolomètre 2 à la dynamique de l'étage d'entrée du module de lecture 8. Ce dispositif comporte un module de compensation 10 dans lequel une branche d'ébasage 12 permet d'extraire une partie constante correspondant au signal de courant de polarisation du courant électrique Idet délivré par le micro-bolomètre 2. A cet effet, la branche d'ébasage 12 comporte un micro-bolomètre passif 14 générant un bruit de même formulation analytique que le bruit du micro-bolomètre actif 2 et présentant une résistance thermique faible par rapport à la résistance thermique du micro- bolomètre actif 2. De ce fait, sa sensibilité à la scène est très faible mais sa sensibilité aux fluctuations de température du plan focal est identique à celle du micro-bolomètre actif 2. Dans le dispositif représenté à la figure 2, le micro-bolomètre actif 2 est polarisé en tension et est couplé à l'étage d'entrée du module de lecture 8 via un transistor d'injection 16 piloté par une première source de tension filtrée 17. La branche d'ébasage 12 délivre quant à elle un courant Ieb par l'intermédiaire du premier transistor d'injection 22 piloté par une source de tension filtrée 24. La différence (Imes = Idet Ieb) est traitée par le module de lecture 8, dans lequel le courant est converti en une tension Vs par un convertisseur courant-tension. La tension Vs est ensuite fournie au bloc de traitement d'image 18 en vue de générer une image représentative du rayonnement IR capté. Le microbolomètre passif 14 est monté en série avec un premier transistor 22 dont la conduction est commandée par une deuxième source de tension filtrée 24. Après extraction par la branche 12 du signal de polarisation, le courant Imes résultant comporte encore des dispersions dues aux écarts entre les résistances électriques des micro-bolomètres 2 répartis sur le plan focal du module de détection 1. Il est alors souhaitable d'effectuer un ébasage adapté à chaque micro-bolomètre pour supprimer le courant excédentaire ou déficitaire dû à cette dispersion des résistances bolométriques. Un ébasage adapté permet de diminuer la Courant mesuré fraction en autorisant la Courant détecteur soustraction d'un courant adapté à chaque micro- bolomètre. Or, pour mettre en oeuvre un ébasage adapté, il convient d'utiliser un système numérique apte à mémoriser des valeurs de coefficients Cx(i,j) pour toute l'image et réaffecter ensuite ces coefficients préalablement convertis par une conversion de type NumériqueAnalogique au plan focal. La conversion des données numériques en signaux analogiques est une opération source de bruit et il est difficile d'utiliser des convertisseurs Numériques-Analogiques disponibles actuellement sur le marché sans dégrader de manière excessive le bruit du détecteur thermique lorsque la correction est envisagée sur le signal de polarisation en entier. En outre, la mise en oeuvre d'un ébasage adapté nécessite une prise de référence définitive ou périodique. Pour une prise de référence définitive, une procédure de calibration peut être mise en place lors de la fabrication du module de détection. Cette procédure comporte plusieurs phases: - Phase d'acquisition des données analogiques d'une scène uniforme. - Phase de conversion des données analogiques en données numériques afin d'être mémorisées. - Phase de mémorisation des données numériques. A l'issue de cette procédure, une mémoire est configurée et sera la représentation à une température donnée du plan focal considéré. Cette procédure qui a l'avantage d'être faite une fois pour toutes, présente cependant les inconvénients suivants: - chaque détecteur nécessite une calibration initiale spécifique. - toute variation ou dérive à long terme ne sera pas prise en compte. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur cités ci-dessus au moyen d'un dispositif de conception simplifiée capable de fournir une correction adaptée à chaque détecteur thermique. Un autre but de l'invention est de réduire la sensibilité des détecteurs thermiques aux variations de température du plan focal. Selon l'invention, le module de compensation comporte au moins une deuxième branche d'ébasage destinée à extraire du signal électrique délivré par un détecteur au moins un deuxième signal de faible amplitude dû à la dispersion des résistances électriques des détecteurs thermiques et/ou aux fluctuations de la température du plan focal du module de détection. Selon l'invention, l'une des première et deuxième branches est dédiée à la compensation des dispersions de résistance et l'autre branche est dédiée à la compensation des fluctuations de température au plan focal. Il est également possible d'utiliser une même branche pour réaliser les deux types de compensation. Grâce à l'ébasage réalisé par cette deuxième branche, le signal appliqué à l'entrée du module de lecture présente une amplitude notablement réduite par rapport au signal de polarisation. Le fait de n'avoir à corriger que des courants faibles dus à la seule dispersion des résistances électriques permet d'utiliser des circuits de traitement classiques, notamment des convertisseurs numériques-analogiques classiques pour générer les valeurs numériques des coefficients CX(i, j) sans dégrader de manière excessive le bruit du détecteur thermique. En outre, lorsque le signal délivré par le détecteur est un courant, ces convertisseurs numériques-analogiques (CNA) peuvent être intégrés de façon monolithique avec les détecteurs thermiques. Le dispositif selon l'invention permet d'améliorer le rendement lors de la fabrication des détecteurs thermiques en réduisant le nombre de détecteurs saturés. En effet, les détecteurs qui originellement avaient une réponse située en dehors de la plage d'entrée linéaire du module de lecture ne sont plus considérés a priori comme non conformes. Le dispositif selon l'invention permet également d'augmenter la sensibilité de sortie du dispositif de détection et d'améliorer l'homogénéité de réponse sur l'image obtenue. Selon l'invention, la deuxième branche est reliée à un circuit de correction destiné à générer, pour chaque détecteur thermique, une consigne spécifique permettant de commander l'extraction dudit deuxième signal. Selon l'invention, la deuxième branche comporte un détecteur thermique passif monté en série avec un premier transistor dont la conduction est commandée par ladite consigne spécifique. Selon l'invention, la deuxième branche comporte uniquement une source de courant et un deuxième transistor dont la conduction est commandée par ladite consigne spécifique, cette consigne peut être numérique ou analogique. Selon un mode de réalisation, la deuxième branche comporte deux sousbranches, chaque sous branche comportant une source de courant calibrée associée à un transistor de commutation dont la commande est avantageusement réalisée par un signal numérique. Selon l'invention, le détecteur thermique passif de la deuxième branche présente une résistance élevée par rapport à la résistance du micro-bolomètre passif de la première branche. Selon l'invention, chaque détecteur thermique est constitué par un microbolomètre Le procédé selon l'invention permet d'effectuer un ébasage en deux étapes, une première étape permettant d'extraire du signal électrique délivré par un détecteur thermique un premier signal de valeur constante dû à la polarisation de ce détecteur thermique, et une deuxième étape consistant à extraire du signal électrique un deuxième signal, de faible niveau par rapport au premier signal. Le procédé selon l'invention, comporte en outre une phase de calibration du détecteur thermique comportant les étapes suivantes: a) défocaliser la scène; b) mémoriser le signal résultant de l'étape précédente; c) utiliser le signal mémorisé pour commander l'extraction du signal de faible niveau dépendant d'au moins une caractéristique intrinsèque au détecteur thermique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente un schéma de principe d'un micro-bolomètre utilisé dans un dispositif selon l'invention; - Les figures 2 représentent un schéma de principe d'un dispositif de l'art antérieur, - la figure 3 représente schématiquement et partiellement un premier mode de réalisation d'un dispositif de détection selon l'invention, - la figure 4 représente schématiquement et partiellement un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de détection selon l'invention, - la figure 5 représente schématiquement et partiellement un troisième mode de réalisation d'un dispositif de détection selon l'invention, - la figure 6 illustre schématiquement et partiellement un dispositif permettant de réaliser une calibration d'un détecteur thermique selon l'invention, - la figure 7 représente schématiquement et partiellement un dispositif de compensation des fluctuations de température du plan focal d'un dispositif de détection selon l'invention. Dans la description qui suit, les éléments remplissant la même fonction dans le dispositif de l'art antérieur et dans le dispositif selon l'invention seront désignés par des références identiques. Par ailleurs, afin de simplifier l'illustration de l'invention, un seul détecteur thermique a été représenté sur les figures 1 à 7. La figure 1 décrite précédemment représente schématiquement un microbolomètre 2 qui peut être réalisé de manière monolithique avec le module de lecture 8, ou rapporté sur ce dernier au moyen d'un procédé adapté, par exemple des microbilles, dans le cas d'un plan de détection hybridé. La figure 2 a été décrite précédemment et illustre schématiquement un module de compensation 10 dans un dispositif de l'art antérieur. La figure 3 représente un dispositif selon l'invention dans lequel le module de détection 1 comporte un micro-bolomètre 2 polarisé en tension pour délivrer un courant Idet représentatif d'un rayonnement IR détecté. Afin d'éviter l'échauffement du micro- bolomètre 2, la polarisation du micro-bolomètre 2 est ll réalisée selon un mode pulsé. Le courant Idet est fourni à un module de compensation de signal 10 comportant une première branche 12 permettant de réaliser un premier ébasage pour extraire dudit signal Idet un premier signal de valeur constante égale approximativement à % du courant de polarisation du micro-bolomètre 2. La première branche d'ébasage 12 comporte un premier micro-bolomètre passif 14 en série avec un premier transistor de commande de conduction 22 piloté par une source d'alimentation filtrée 24. Cette première branche 12 permet de soustraire un courant Iebl du courant Idet délivré par le micro-bolomètre actif 2. La valeur du courant Ieb, est préalablement calculée en fonction de la résistance Rb du micro-bolomètre actif 2 et de la résistance Rcompl du premier micro-bolomètre passif 14. La tension de commande du premier transistor 22 est calculée de sorte que le courant qui circule dans la première branche 12 soit égal à Iebl. Le courant Il résultant de la soustraction du courant Iebl représente approximativement 10% du courant de polarisation du micro-bolomètre actif 2. Le module de compensation 10 comporte en outre une deuxième branche 30 permettant de réaliser un deuxième ébasage destiné à extraire du signal électrique Il résultant du premier ébasage un deuxième signal Ieb2 de faible niveau par rapport à Iebl et dû à la dispersion des résistances électriques des détecteurs thermiques et/ou aux fluctuations de la température du plan focal du module de détection 1. Ladite deuxième branche 30 est reliée à un circuit de correction 32 destiné à générer, pour chaque détecteur thermique 2, une consigne spécifique permettant de commander l'extraction dudit deuxième signal Ieb2- La deuxième branche d'ébasage 30 comporte un deuxième micro-bolomètre passif 34 ayant une résistance Rcomp2 élevée par rapport à la résistance du premier micro-bolomètre passif 14. La valeur du courant Ieb2 extraite par cette deuxième branche 30 est proportionnelle à l'inverse de la valeur de la résistance Rcomp2 et est réglée par un deuxième transistor 36 dont la conduction est commandée par une tension Veb2 délivrée par le circuit de correction 32. Cette tension Veb2 est calculée en fonction de la résistance Rb du microbolomètre actif 2 et de la résistance Rcomp2 du deuxième micro-bolomètre passif 34 de sorte que le courant qui circule dans le deuxième branche 30 soit égal à Ieb2-. Le circuit de correction 32 comporte un générateur 40 destiné à fournir une consigne numérique Cx(i,j) représentant la tension Veb2 et un convertisseur numérique-analogique 42 destiné à convertir la consigne numérique en signal analogique de commande du deuxième transistor 36. Un module d'atténuation 44 de la tension Veb2 est agencé en amont du deuxième transistor 36 afin de réduire le bruit introduit par le convertisseur numérique-analogique 42. Pour un module de détection matriciel, le deuxième ébasage est réalisé par une consigne numérique Cx(i,j) préalablement stockée dans une mémoire externe et calculée spécifiquement pour chaque micro-bolomètre 2. La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation dans lequel la deuxième branche d'ébasage comporte uniquement un deuxième transistor 36 commandé directement par un générateur 50 apte à délivrer une tension analogique continue. Cette tension est appliquée au deuxième transistor 36 pour régler le courant Ieb2 - Comme dans le premier mode de réalisation, le courant Ieb2 dans la deuxième branche 30 est calculé de sorte que la dynamique du courant Imes soit située dans la dynamique de l'étage d'entrée du module de lecture 8. La figure 5 représente un troisième mode de réalisation de l'invention dans lequel la deuxième branche 30 comporte trois sous-branches 52, 54 et 56 montées en parallèle, chaque sous-branche étant susceptible de conduire un courant prédéterminé. La valeur du courant dans chacune des sous-branches 52, 54 et 56 est fixée respectivement par un transistor 57, 58 et 59 en régime de saturation agencé en série avec la sous-branche correspondante. Un transistor en régime de saturation étant un équivalent électrique à une source de courant. Le principe consiste toujours à soustraire le courant d'ébasage en au moins deux branches. La première branche permet de soustraire un courant Ieb1 constant et la deuxième branche permet de soustraire un courant Ieb2 adapté à chaque détecteur et calculé en fonction d'une part, de sa résistance bolomètrique spécifique, et d'autre part, de la température du plan focal. Chaque sous-branche 52, 54 et 56 permet d'extraire un courant différent représentant une fraction du courant Ieb2. La conduction dans chacune des branches 52, 54 et 56 est autorisée respectivement par les interrupteurs 60, 62 et 64. La sélection d'une sous-branche est réalisée par des signaux logiques fournis par une unité programmable 66 qui commandent sélectivement les interrupteurs 60, 62 et 64. Ces signaux logiques peuvent être chargés par un registre approprié depuis l'extérieur du circuit. Bien entendu la deuxième branche 30 peut comporter un nombre N de sous-branches qui peut être modifié aisément selon la valeur du courant Ieb2 à extraire. En fonctionnement, on affecte à la sous-branche 52 un courant élémentaire Ieb représentant un bit de poids faible, un courant 2xIeb pour la sousbranche 54 de poids intermédiaire, et un courant 4XIeb pour la sousbranche 56 de poids fort. On peut alors configurer le module de compensation 10 pour soustraire des courants allant de 0 à 7* Ieb, soit huit niveaux de courants différents. La figure 6 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel la deuxième branche 30 comporte plusieurs sous-branches 70, 72, 74. Chaque sous-branche est reliée à un générateur de courant calibré respectivement 76, 78, 80 réalisé par exemple de façon monolithique dans le circuit. La sélection d'une sous-branche est réalisée par des signaux logiques fournis par une unité logique programmable 66, qui commande sélectivement les interrupteurs 60, 62 et 64. Les signaux logiques peuvent être chargés par un registre approprié depuis l'extérieur du circuit ou un registre d'apprentissage dans le circuit. La figure 7 représente un dispositif de compensation dans lequel chaque branche d'ébasage inclut un micro-bolomètre de compensation passif respectivement 14, 34 et o une boucle de contre- réaction 40 permet de réinjecter une mesure de la température du plan focal dans chacune des branches d'ébasage 12, 34 afin de moduler les courants à extraire en fonction de la température du plan focal. Ceci permet de diminuer la sensibilité du détecteur aux fluctuations de la température du plan focal. Ainsi, le dispositif selon l'invention permet d'augmenter la sensibilité de sortie des détecteurs thermiques sans introduire de bruits supplémentaires. REVENDICATIONS 1. Dispositif de génération d'image à partir d'un rayonnement IR comportant un module de détection (1) comprenant une pluralité de détecteurs thermiques (2) ayant chacun une résistance électrique spécifique et étant polarisé pour délivrer un signal représentatif d'un rayonnement IR détecté, ledit dispositif comportant un module de lecture (8) destiné à transformer ledit signal électrique en signal exploitable par un bloc de traitement d'image (18) et un module de compensation de signal électrique (10) comportant une première branche (12) permettant de réaliser un premier ébasage destiné à extraire dudit signal électrique un premier signal de valeur constante dû à la polarisation des détecteurs thermiques (2), dispositif caractérisé en ce que le module de compensation (10) comporte au moins une deuxième branche (30) permettant de réaliser un deuxième ébasage destiné à extraire du signal électrique résultant du premier ébasage au moins un deuxième signal de faible niveau dû à la dispersion des résistances électriques des détecteurs thermiques et/ou aux fluctuations de la température du plan focal du module de détection. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite deuxième branche (30) est reliée à un circuit de correction (32) destiné à générer, pour chaque détecteur thermique, une consigne spécifique permettant de commander l'extraction dudit deuxième signal. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième branche (30) comporte un détecteur thermique passif (34) monté en série avec un deuxième transistor (36) dont la conduction est commandée par ladite consigne spécifique. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième branche (30) comporte uniquement une source de courant et un premier transistor de commande (36) dont la conduction est commandée par ladite consigne spécifique. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième branche (30) comporte une pluralité de sous-branches (52,54,56) montées en parallèle, chaque sous-branche étant susceptible de conduire un courant prédétermine. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première branche (12) comporte un détecteur thermique passif (14) agencé en série avec un premier transistor de commande (22) dont la conduction est commandée par une tension constante. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque détecteur thermique (2) est constitué par un micro-bolomètre. 8. Dispositif selon les revendications 3 et 7, caractérisé en ce que le deuxième micro-bolomètre passif (34) de la deuxième branche (30) présente une résistance élevée par rapport à la résistance du premier micro-bolomètre passif (14) de la première (12). 9. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de correction (32) comporte un générateur (40) destiné à fournir une consigne numérique, un convertisseur numérique- analogique (42) destiné à convertir ladite consigne numérique en tension analogique pour commander le deuxième transistor (36). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de correction (32) comporte en outre un module d'atténuation (44). 11. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de correction (32) comporte un générateur (50) de tension continue destiné à fournir une tension analogique continue permettant de régler le courant dans ladite deuxième branche (30). 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le bloc de compensation (10) comporte une boucle de régulation permettant de réinjecter dans chacune des branches d'ébésage (12), (30) une mesure de la température du plan focal du module de détection (1) de manière à moduler les valeurs des signaux extraits par la première branche (12) et la deuxième branche (30) en fonction de la température du plan focal de détection. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les microbolomètres actifs (2) sont répartis sur le plan focal du dispositif de détection en M lignes et N colonnes. 14. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le convertisseur numérique- analogique (42) est intégré de façon monolithique avec le micro-bolomètre (2). 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'une des première et deuxième branches (12, 30) est dédiée à la compensation des dispersions de résistance et l'autre branche est dédiée à la compensation des fluctuations de température au plan focal. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la deuxième branche (30) comporte deux sous-branches, chaque sous branche comprenant une source de courant équilibrée associée à un transistor de commutation commandée par un signal numérique. 17. Procédé de correction d'un signal électrique représentant un rayonnement IR détecté par un détecteur thermique (2) ayant une résistance électrique spécifique, ledit procédé comportant une première étape permettant d'extraire du signal électrique un premier signal de polarisation ayant une valeur constante, procédé caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième étape consistant à extraire du signal électrique un deuxième signal, de faible niveau par rapport au premier signal. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à générer une consigne spécifique permettant de commander l'extraction dudit deuxième signal. 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte une phase de calibration du détecteur thermique (2) comportant les étapes suivantes: a) défocaliser la scène; b) mémoriser le signal résultant de la défocalisation de la scène; c) utiliser le signal mémorisé pour commander l'extraction du signal faible niveau.