Brevet FR2874427A1 — publié le 20060224

L'invention concerne une unité d'isolation thermique pour un détecteur et son utilisation. On sait que les détecteurs, par exemple les détecteurs à semi- conducteurs à base de HgCdTe, PtSi et InSb ainsi que ce qu'on appelle les QWIPs (quantum well infrared photo detectors) n'atteignent leur sensibilité optimale de rayonnement qu'à des températures qui sont largement inférieures à la température ambiante. C'est pourquoi un refroidissement des détecteurs est nécessaire. Pour obtenir un effet de to refroidissement rapide et durable, les détecteurs sont le plus souvent disposés dans une unité d'isolation thermique. On utilise à cet effet dans bien des cas des boîtiers sous vide à double paroi avec une fenêtre perméable aux rayonnements. Ces détecteurs sont proposés par exemple par la société AIM-AEG Infrarot-Module GmbH, Heilbronn. En thermographie, ces unités d'isolation thermique destinées à un détecteur sont combinées avec une optique additionnelle pour former un système de caméra ou de reproduction. Par système de reproduction au sens de cette demande, on entend un détecteur avec une optique se plaçant devant (optique additionnelle) qui assure la reproduction de scènesobjets sur le détecteur. Dans l'industrie, on a recours par exemple à la thermographie pour vérifier la surchauffe ou le sous-refroidissement de produits ou d'installations. Dans le domaine scientifique, la thermographie est utilisée entre autre dans les domaines de la recherche climatique et la médecine. Dans le secteur militaire, la thermographie sert à l'exploration et à la reconnaissance du terrain. De manière désavantageuse un système de reproduction suivant l'état de la technique a besoin de suffisamment d'espace aussi bien pour l'unité d'isolation thermique du détecteur que pour l'optique additionnelle de reproduction correspondante. La présente invention a donc pour but d'indiquer une unité d'isolation thermique pour un détecteur qui permette une construction compacte. L'invention a encore pour but d'indiquer une utilisation technique d'une unité d'isolation thermique de ce type. Le premier but est atteint avec une unité d'isolation thermique pour un détecteur dans laquelle, suivant l'invention, une optique de reproduction d'une scène-objet sur le détecteur est disposée dans un boîtier isolant thermiquement avec une fenêtre, entre cette fenêtre et un détecteur disposé à l'intérieur du boîtier. -o Du fait que dans l'unité d'isolation thermique, de toute façon nécessaire, pour un détecteur, une optique est disposée entre la fenêtre dans le boîtier et le détecteur, on réalise déjà un système de reproduction fonctionnel sur un espace très petit. On exploite ainsi de manière idéale et de façon simple l'espace de construction nécessaire à la réalisation d'une unité d'isolation thermique. Du fait de son intégration à l'unité d'isolation thermique, l'optique de reproduction se trouve ainsi à faible distance du détecteur. De ce fait, l'optique peut être maintenue petite dans ses dimensions géométriques. Ceci entraîne comme autre aspect positif une réduction des coûts. Du fait qu'une optique est logée dans le boîtier de l'unité d'isolation thermique, la température de l'optique peut être maintenue stable. Etant donné que l'indice de réfraction d'une optique dépend de la température, ceci revient à fixer le foyer de l'optique en une position fixe. Après ajustage unique du détecteur par rapport à l'optique, il est ainsi toujours garanti un comportement optimal de reproduction sur le détecteur. Une unité d'isolation thermique de ce type convient donc particulièrement à son utilisation dans des conditions extrêmes, concernant la température, sans qu'il soit nécessaire d'accepter des réductions de la qualité concernant le comportement de reproduction. On peut par là renoncer à des moyens coûteux et complexes pour la stabilisation de la température de l'optique. Suivant les exigences de qualité des reproductions des scènes-objets sur le détecteur, il est dans certaines circonstances même possible de renoncer totalement à une autre optique qui se trouverait à l'extérieur du boîtier, devant la fenêtre. Dans une variante avantageuse, l'optique se trouvant dans l'unité d'isolation thermique est conçue comme un filtre froid. Les unités d'isolation thermique contiennent le plus souvent des filtres froids standard. Un filtre froid est un filtre optique qui se trouve devant le détecteur et qui est utilisé pour bloquer un rayonnement d'arrière-plan to à l'extérieur d'une gamme de longueurs d'ondes souhaitée, afin de réduire ainsi le bruit. Dans la pratique, ces filtres sont des plaques minces qui sont constitués d'un matériau optique approprié qui laisse passer le domaine spectral concerné, avec un revêtement le plus souvent sur les deux faces. Etant donné que pour l'optique on peut utiliser aussi un matériau correspondant, la plaque filtrante avec revêtement peut être remplacée sans problème par une optique avec revêtement. De ce fait on combine les propriétés positives d'un filtre froid de manière idéale aux propriétés de reproduction de l'optique. L'espace de construction est habilement exploité par le fait que le filtre froid est simplement remplacé par l"'optique à filtre froid". De manière avantageuse, l'optique de l'unité d'isolation thermique est une lentille ou un système de lentilles. Dans le cas d'une lentille il s'agit d'un corps limité par deux surfaces, qui peuvent être soit sphériques soit non sphériques, avec une action de réfraction de la lumière définie. La lentille modifie l'angle d'ouverture d'un faisceau de rayons et possède des propriétés de reproduction. La distance focale constitue la grandeur caractéristique des propriétés de reproduction de la lentille. Etant donné que chaque reproduction au moyen d'une lentille est affectée de défauts de reproduction, on combine souvent plusieurs lentilles différentes en un système de lentilles, afin de réduire par là les défauts de reproduction. La forme donnée à la lentille ou au système de lentilles est choisie de manière que pour une disposition déterminée de la lentille ou du système de lentilles à l'intérieur du boîtier de l'unité d'isolation thermique, devant le détecteur, on obtienne des propriétés de reproduction optimales d'une scène-objet sur le détecteur. Du fait que les deux surfaces latérales de la lentille ou du système de lentilles sont encore recouvertes de couches de filtre froid, le bruit de fond d'un rayonnement indésirable peut être minimisé et de ce fait la qualité de reproduction peut encore être accrue. De préférence, l'optique est fixée sur un diaphragme froid se to trouvant dans le boîtier de l'unité d'isolation thermique. Ce diaphragme est un dispositif destiné à limiter mécaniquement les faisceaux de rayons de la reproduction optique d'une part et à bloquer le rayonnement thermique d'autre part. Pour cette raison, on utilise pour le diaphragme froid un matériau mince, thermoconducteur. Le diaphragme froid peut être un disque avec une ouverture se trouvant à l'intérieur. Le diaphragme se trouve en contact thermique avec le détecteur, pour présenter la même température que celui-ci. Suivant la conception géométrique, le diaphragme froid peut aussi servir à éliminer la lumière de dispersion incidente ou le rayonnement thermique sur le détecteur. Le diaphragme froid peut constituer ici une sorte de boîtier à l'intérieur du boîtier de l'unité d'isolation thermique - sans toutefois présenter un contact thermique et mécanique avec celui-ci -. Ce boîtier intérieur présente sur l'une de ses faces frontales une ouverture qui se trouve face à la fenêtre du boîtier de l'unité d'isolation thermique. L'autre face frontale est entièrement ou partiellement formée par la surface du détecteur. De manière idéale, l'optique est fixée à l'intérieur du diaphragme froid à une distance appropriée devant le détecteur. De ce fait, l'optique est également protégée contre des influences de la température extérieure par le diaphragme froid. De manière idéale, on utilise un matériau thermoconducteur pour la fixation de l'optique sur le diaphragme froid. De ce fait, l'optique est également en contact avec le détecteur refroidi, par le diaphragme froid. Il est garanti par là une température stable de l'optique et on empêche des décalages dépendant de la température du plan du point focal de l'optique, en raison d'une modification due à la température de l'indice de réfraction du matériau dans lequel est réalisée l'optique. Une compensation de la température, telle qu'elle est nécessaire dans les ensembles optiques classiques, est donc superflue. Dans le cas d'une modification de l'ajustage entre l'optique et le détecteur, par suite d'une distance mal choisie, ce to problème peut être résolu par une modification de la température du détecteur et donc aussi de l'optique, dans une certaine limite, car de ce fait l'indice de réfraction de l'optique et donc la position du plan du point focal correspondant peuvent être influencés. Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, on donne à une surface de l'optique, tournée vers le détecteur, une forme courbée telle qu'une rétroréflexion du rayonnement par le détecteur soit distribuée de manière diffuse. Par un traitement convenable du détecteur et de la surface de l'optique qui est tournée vers le détecteur, au moyen de revêtement antireflet, on ne peut empêcher que le rayonnement ne soit réfléchi par le détecteur et ne parvienne jusqu'à la face frontale opposée du diaphragme froid et y soit à nouveau réfléchi en retour vers le détecteur. Ce rayonnement réfléchi est alors reproduit de façon floue et entraîne la production d'images dites fantômes sur le détecteur qui fausse la reproduction d'une scène- objet. Par une courbure convenable de la surface de l'optique qui est tournée vers le détecteur, on peut toutefois supprimer la formation d'images fantômes. Grâce à ce moyen, le champ de l'image peut être choisi de manière que l'image fantôme se situe loin de la scène-objet souhaitée et ne gêne donc plus. On peut par là éviter la production d'images fantômes, produites en particulier par un rayonnement laser. Il est en outre avantageux que la fenêtre du boîtier de l'unité d'isolation thermique comprenne un matériau optique non linéaire. Si un rayonnement laser très intense parvient sur un détecteur, ceci peut entraîner une réduction de sa capacité de fonctionner et dans le cas le plus grave une défaillance totale. Si toutefois le rayonnement laser doit traverser un matériau optique non linéaire, il se produit une interaction entre le rayon laser et le matériau de la fenêtre qui empêche que le rayonnement détruisant le détecteur ne parvienne sur celui-ci. Grâce à une unité d'isolation thermique ainsi constituée on favorise une longue to durée de vie du détecteur. Le deuxième but cité concernant une utilisation technique est atteint suivant l'invention par l'utilisation de l'unité d'isolation thermique en tant que deuxième étage dans un système de reproduction à deux étages. Le premier étage peut être utilisé ici pour l'adaptation flexible du champ visuel sans que l'on doive procéder ici à des modifications du deuxième étage, soit l'unité d'isolation thermique. Suivant l'application, par choix correct du premier étage on peut obtenir l'échelle de reproduction souhaitée. Il peut être prévu comme premier étage des optiques additionnelles différentes qui peuvent être introduites successivement ou en combinaison. Une optique additionnelle peut être réalisée par exemple en tant que télescope de Galilée. De manière pratique, le détecteur de l'unité d'isolation thermique est alors un détecteur simplement échangeable ou une unité de détection à deux bandes, telle que par exemple un QWIT qui est sensible dans deux domaines spectraux tels que les ondes moyennes (trois à cinq micromètres) et les ondes longues (huit à douze micromètres) . On peut réaliser par là de façon simple un système de reproduction à large bande spectrale. On peut imaginer aussi un système de reproduction à deux étages, comprenant une unité d'isolation thermique pour un détecteur pour un domaine spectral de 1,5 m comme deuxième étage et un premier étage correspondant qui est utilisé en mème temps par un détecteur ou un récepteur laser et un émetteur laser du même domaine spectral, qui est sûr pour les yeux. On peut imaginer en outre d'introduire dans le parcours des rayons du premier étage un élément optique d'adaptation sous la forme d'unités à prismes ou lentilles pouvant coulisser ou basculer les unes par rapports aux autres, qui permet une stabilisation des lignes de visée à l'intérieur de quelques champs visuels de pixel du détecteur. Il est particulièrement avantageux que l'unité d'isolation to thermique soit disposée par rapport à un premier étage de manière que son diaphragme froid coïncide avec la pupille de sortie de ce premier étage du système de reproduction à deux étages. Dans ce cas, on obtient un système optimisé sur le plan radiométrique dans lequel on obtient une efficacité très élevée du diaphragme froid, proche de un, car la composante de lumière parasite est particulièrement bien supprimée. Des composantes de rayonnements parasites à l'intérieur du boîtier de l'unité d'isolation thermique, en particulier à l'intérieur du diaphragme froid, causées par exemple par le rayonnement laser et le rayonnement solaire, sont largement évitées. De manière avantageuse, l'utilisation est telle qu'après le premier étage il se forme une image intermédiaire réelle immédiatement devant ou dans la fenêtre de l'unité d'isolation thermique. Immédiatement devant la fenêtre signifie ici une zone de quelques millimètres. Cette image intermédiaire réelle permet l'introduction d'un diaphragme de champ qui se situe dans la zone de la fenêtre du boîtier de l'unité d'isolation thermique. Un diaphragme de champ sert à restreindre de manière ciblée le champ de l'image et permet de ce fait par exemple de percevoir encore des objets qui se trouvent à proximité de sources de lumière intense. Dans la pratique, par l'introduction du diaphragme de champ on peut aussi réduire la taille de la fenêtre du boîtier de l'unité d'isolation thermique. On obtient par là non seulement un avantage de coût, mais également une plus grande étanchéité du boîtier du fait des joints de circonférence réduite entre la fenêtre et le boîtier. L'unité d'isolation thermique convient en particulier à son utilisation dans une tête chercheuse. Les têtes chercheuses de missiles guidés contiennent habituellement un système à cadre déplacé de manière électrodynamique dans lequel sont intégrés des systèmes optiques. L'optique de reproduction à deux étages avec l'unité d'isolation thermique comme premier étage peut être intégrée dans un tel système optique. Le système à cadre permet une poursuite ou un déplacement par lignes de visée. On peut en outre imaginer d'utiliser l'unité d'isolation thermique dans des dispositifs comportant des capteurs de reconnaissance, afin de rechercher des objets déterminés dans une région prédéfinie, à l'aide du détecteur, de reconnaître ceux-ci ou de les identifier. Une utilisation de l'unité d'isolation thermique dans des dispositifs comportant des capteurs de surveillance et d'avertissement entre aussi en ligne de compte. Au moyen du détecteur on surveille ici en permanence une région de l'espace dans le but de détecter des modifications de l'état de la région de l'espace et d'émettre éventuellement un avertissement concernant une menace spécifique. Des exemples de réalisation de l'invention sont décrits plus en détail à l'aide de dessins. Ceux-ci montrent: Figure 1 de manière schématique la construction d'un système de reproduction suivant l'état de la technique, comportant une optique 25 additionnelle et une unité d'isolation thermique, Figure 2 de manière schématique la construction d'une unité d'isolation thermique avec optique, Figure 3 de manière schématique le dessin d'une optique pour une unité d'isolation thermique, Figure 4 de manière schématique le dessin d'une optique sous la forme d'un système de lentilles pour une unité d'isolation thermique, et Figure 5 une optique de reproduction à deux étages avec une 5 unité d'isolation thermique comme deuxième étage. Les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références. Sur la fig. 1 est représentée de manière schématique la construction d'un système de reproduction 10 suivant l'état de la technique. Le système de reproduction 10 comporte une unité to d'isolation thermique 12 et une optique additionnelle 14 séparée. L'unité d'isolation thermique 12 comprend un boîtier 16 d'isolation thermique avec une fenêtre 18 qui est constituée d'un matériau perméable au rayonnement et forme une face frontale du détecteur. A l'intérieur du boîtier 16 est disposé un détecteur 20. Le détecteur 20 se situe face à la fenêtre 18, sur l'autre face frontale du boîtier 16 et est orienté concentriquement à la surface de la fenêtre 18. A l'intérieur du boîtier 16 se trouve un diaphragme froid 22 qui est conçu sous la forme d'un boîtier intérieur dont une surface frontale présente une ouverture 24 qui est concentrique à la fenêtre 18 et au détecteur 20, et dont l'autre extrémité se trouve en contact thermique et mécanique avec le détecteur 20. Il n'existe toutefois aucun contact avec le boîtier 16 de l'unité d'isolation thermique 12. Le diaphragme froid 22 est constitué ici d'une mince tôle de nickel. A l'intérieur du diaphragme froid 22 se trouve un filtre froid 25. Le filtre froid 25 est fixé au diaphragme froid 22. La fixation peut s'effectuer par exemple par mise en place dans une monture prévue dans le diaphragme froid, par brasage, collage ou par d'autres techniques entrant en ligne de compte. Du fait de la fixation du filtre froid 25 sur le diaphragme froid 22, il se produit un contact thermique entre ces deux éléments. Le filtre froid 25 peut être constitué d'une to mince plaque de germanium, de silicium ou de saphir avec un revêtement 26 sur les deux faces. Comme revêtement 26 on connaît des couches de fluorure de magnésium qui ne laissent passer que le domaine spectral pour lequel le détecteur 20 est sensible, et ne laissent pratiquement pas passer le domaine spectral restant. Du fait que le détecteur 20 est refroidi depuis sa face arrière, le diaphragme froid 22 et le filtre froid 25, en liaison avec celui-ci, sont également refroidis, ce qui fait que la charge de rayonnement due à l'émission thermique du diaphragme froid 22 et du filtre froid 25 est minimisée. to La fig. 2 montre une unité d'isolation thermique 27 avec une optique 28 intégrée. L'optique 28 est disposée ici à l'intérieur du boîtier du diaphragme froid 22 entre la fenêtre 18 et le détecteur 20. On réalise par là un système de reproduction extrêmement petit. Dans cet exemple de réalisation l'optique est une lentille 30 en germanium. La lentille 30 présente sur ses deux faces des revêtements de filtre froid 26 adaptés au domaine spectral du détecteur, et remplace par là le filtre froid 25 montré sur la fig. 1 et présente par ailleurs en même temps des propriétés de reproduction. Lors de la fixation de l'optique 28 sur le diaphragme froid 22 il faut veiller à ce que celui-ci soit thermiquement conducteur afin d'amener l'optique 28 à la même température que le diaphragme froid 22 et sur le détecteur 20, et de la maintenir sur celui- ci. Son plan de point focal est ainsi fixé pour un comportement de reproduction optimal. L'optique 28 est fixée sur le diaphragme froid 22 de manière que celui-ci se trouve à une bonne distance du détecteur 20. Les petites erreurs de distance peuvent être corrigées par une variation de la température, ce qui revient à modifier l'indice de réfraction du matériau optique dans lequel est constituée l'optique 28. La fig. 3 montre de manière schématique le dessin d'une optique 28 pour une unité d'isolation thermique 27. Le dessin représenté est optimisé pour une gamme de longueurs d'ondes de trois à cinq micromètres; suivant l'application celui-ci peut toutefois être modifié sans problème pour d'autres domaines spectraux. On voit le parcours des rayons d'un faisceau de rayons parvenant à travers l'ouverture du diaphragme froid 22, qui parvient sur une lentille de germanium réalisée en tant que filtre froid et qui est focalisée sur le détecteur 20. La lentille en germanium de filtre froid 34 représentée est réalisée en tant que doublet de réfraction et diffraction. Sa distance focale est de 20 mm pour un nombre F (ouverture) de deux et son ouverture numérique NA est de 0,25. La courbure de la lentille 34 est choisie ici de manière qu'une rétroréflexion soit distribuée de manière diffuse par le détecteur 20. De manière spécifique à l'application, une modification de la distance focale à l'intérieur du domaine défini par la longueur du boîtier 16 de l'unité d'isolation thermique 27 et de l'indice F (ouverture) est possible. De manière pratique, le dessin peut aussi être échelonné de manière que la taille de l'image coïncide avec la surface sensible du détecteur 20. Il est intéressant aussi d'adapter le dessin à la température qui règne au départ pendant le fonctionnement de l'unité d'isolation thermique 27. La fig. 4 montre de manière schématique le dessin d'une optique 28 qui comprend un système de lentilles 36 constitué de deux lentilles 38 et 40, pour une unité d'isolation thermique 27. La face de la lentille convexe 38, tournée vers l'ouverture 24 du diaphragme froid 22 et la face de la lentille concave 40, tournée vers le détecteur 20, présentent un revètement de filtre froid 26. Le système de lentilles présente une distance focale de 20 mm et une ouverture numérique NA de 0,2. Par ajout d'une lentille concave 40 à la lentille convexe 38, on peut éviter l'effet de diffraction de la lentille. Les deux lentilles se trouvent en contact direct l'une avec l'autre. Mais on peut prévoir aussi une certaine distance entre les lentilles. Sur la fig. 5 est représentée de manière schématique une optique de reproduction 42 à deux étages. Le deuxième étage 44 est formé ici par une unité d'isolation thermique 27. La construction du premier étage 46 n'est pas montrée en détail. Il peut s'agir par exemple ici d'un objectif primaire qui sert à la reproduction d'une scène-objet sur un plan d'image intermédiaire 48. Cet objectif peut être composé de différents éléments optiques. La disposition des deux étages 44, 46 l'un par rapport à l'autre est choisie ici judicieusement de manière que la pupille de sortie du premier étage 46 coïncide avec l'ouverture 24 du diaphragme froid 22. En outre, la disposition des deux étages 44, 46 l'un par rapport à l'autre est choisie de manière que le plan d'image to intermédiaire 48 se situe dans la zone de la fenêtre 18 de l'unité d'isolation thermique 27. L'unité d'isolation thermique 27 avec son optique 28 remplit la fonction d'un objectif secondaire et reproduit, sur le détecteur 20, la reproduction d'une scène-objet obtenue dans le plan d'image intermédiaire 48. Pour illustrer ceci, on a représenté sur la fig. 5 l'allure de principe du parcours des rayons. On peut imaginer de disposer entre le premier étage 46 et dans la zone de la fenêtre 18, d'autres éléments optiques, tels que par exemple des diaphragmes ou des filtres. 2874427 13 REVENDICATIONS 1. Unité d'isolation thermique (27) pour un détecteur (22), comprenant un boîtier (16) isolant thermiquement avec une fenètre (18), ainsi qu'un détecteur (20) disposé à l'intérieur du boîtier, une optique (28) destinée à reproduire une scène-objet sur le détecteur (20) étant disposée dans le boîtier (16), entre la fenêtre (18) et le détecteur (20). 2. Unité d'isolation thermique (27) selon la revendication 1, to l'optique (28) étant conçue comme un filtre froid (25). 3. Unité d'isolation thermique (27) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, l'optique (28) étant une lentille (30) ou un système de lentilles (36). 4. Unité d'isolation thermique (27) selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 3, l'optique (28) étant fixée sur un diaphragme froid (22) se trouvant dans le boîtier (16). 5. Unité d'isolation thermique (27) selon l'une quelconque des revendications précédentes, une surface de l'optique (28), tournée vers le détecteur (20), présentant une forme courbée telle qu'une rétroréflexion du détecteur (20) soit distribuée de manière diffuse. 6. Unité d'isolation thermique (27) selon l'une quelconque des revendications précédentes, la fenètre (18) comprenant un matériau optique non linéaire. 7. Utilisation d'une unité d'isolation thermique (27) selon 25 quelconque l'une des revendications précédentes en tant que deuxième étage (44) dans un système de reproduction (42) à deux étages. 8. Utilisation de l'unité d'isolation thermique (27) selon la revendication 7, l'unité d'isolation thermique étant disposée dans le système de reproduction (42) à deux étages, de manière que le diaphragme froid (22) coïncide avec la pupille de sortie d'un premier étage (46) du système de reproduction (42) à deux étages. 9. Utilisation de l'unité d'isolation thermique (27) selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, de manière qu'après le premier étage (46) il se forme une image intermédiaire réelle immédiatement devant ou dans la fenêtre (18) de l'unité d'isolation thermique (27). 10. Utilisation de l'unité d'isolation thermique (27) selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 précédentes dans une tête chercheuse. to