Brevet FR3159435A1 — publié le 20250822

Ce détecteur de rayonnement infrarouge comprend : – un cryostat muni d’un doigt froid, apte à assurer l’échange thermique avec une source froide, et d’une fenêtre transparente au rayonnement infrarouge à détecter ; – un plan froid, fixé mécaniquement et en échange thermique avec le doigt froid ; – un bloc de détection comprenant au moins une matrice de détection sensible à la gamme de longueurs d’ondes infrarouges à détecter, et en échange thermique directement ou indirectement avec le plan froid ; – un écran froid fixé mécaniquement et en échange thermique avec le plan froid et apte à limiter les rayonnements parasites, l’écran froid étant muni d’au moins un diaphragme ou baffle (9), orienté radialement par rapport à l’orientation générale du détecteur, et muni d’une ouverture apte à permettre le transit du trajet optique résultant du rayonnement incident. Le bord (13) libre dudit au moins un diaphragme ou une baffle (9), est structuré de telle sorte à définir des motifs (14) non linéaires. Figure pour l’abrégé : Fig 6 DETECTEUR DE RAYONNEMENT INFRAROUGE Domaine de l’invention L’invention concerne les détecteurs infrarouges, et plus particulièrement ceux fonctionnant à basse température (détecteurs quantiques), c’est-à-dire typiquement à des températures comprises entre 50 et 200 Kelvin. De tels détecteurs infrarouges basse température fonctionnent selon une physique quantique, et sont généralement associés à une enceinte cryostatique placée sous vide, également dénommée cryostat. Le détecteur est constitué d’une pluralité de détecteurs ou capteurs unitaires ou élémentaires, dénommés photosites, et typiquement une matrice de photodiodes également dénommée FPA pour l’expression anglo-saxonne « Focal Plane Array » , ce détecteur étant associé à un circuit de lecture. L’ensemble, communément appelé bloc de détection, est fixé mécaniquement et en échange thermique avec le doigt froid du cryostat, de telle sorte à porter ledit détecteur à la température souhaitée. Le capteur proprement dit, typiquement la matrice FPA, est donc positionné au sein de l’enceinte sous vide définie par le cryostat. Le détecteur comporte une fenêtre transparente au rayonnement infrarouge pour la transmission de ce rayonnement au capteur, ladite fenêtre étant traditionnellement montée sur une paroi terminale du doigt froid dans laquelle est logée l’échangeur de chaleur assurant le refroidissement cryogénique du capteur. On a représenté schématiquement sur les figures 1 et 2 un tel détecteur, respectivement en perspective éclatée et en section. Ce détecteur (1) comprend un doigt froid (2) relié à une source froide (notamment une machine Stirling ou de Joule-Thomson – non représentée). Un capteur infra-rouge (3) est monté sur la paroi terminale (4) du doigt froid, et donc en échange thermique avec ce dernier. Ce capteur (3), de forme carrée ou rectangulaire, est situé à l’aplomb d’une fenêtre optique (5), transparente aux rayonnements d’intérêts, et en l’espèce infra-rouge, et reçue à l’extrémité supérieure d’une enceinte sous vide ou Dewar (6). Le détecteur comprend également un écran froid (7), pourvu d’une ouverture traversante (8), rapporté sur le doigt froid (2), et donc en échange thermique avec ce dernier, et entourant le capteur (3). Cet écran froid (7) est destiné à limiter le flux du rayonnement infra-rouge susceptible d’atteindre ledit capteur (3), outre à piéger les rayons incidents issus des sources hors champ. Afin d’obtenir une image la plus précise possible de la scène radiative, typiquement constituée d’une source thermique, il est nécessaire de limiter le cône de perception du capteur en excluant les sources externes de rayonnement infrarouge, qualifiées de hors champ et constitutives de parasites. A cet effet, le détecteur comporte traditionnellement l’écran froid précédemment décrit, ouvert à son sommet, ladite ouverture définissant un diaphragme de champ. L’objectif principal de l’invention est de s’affranchir du bruit provenant du flux infrarouge parasite hors champ, qui se réfléchit sur les éléments internes de l’écran froid. Etat antérieur de la technique Afin de surmonter cette difficulté, et donc de minimiser ce flux parasite, on a par exemple proposé de recouvrir certains composants internes de l’écran froid, d’un matériau absorbant les longueurs d’ondes du rayonnement infrarouge parasite, et typiquement d’un revêtement dit NPC (nickel phosphore converti). On a également proposé de rapporter, au niveau de la face interne de l’écran froid, un certain nombre de diaphragmes, également dénommé baffles, dirigés radialement, et dont la fonction est de stopper, ou de réfléchir en direction de l’extérieur, les rayons incidents selon une direction autre que celle du champ de vision nominal du capteur ou du détecteur. On a schématiquement représenté au sein de la FIG. 3 une telle configuration, dans laquelle l’écran froid (7) comprend deux diaphragmes ou baffles (9). L’inconvénient de ces baffles ou diaphragmes (9) réside dans le fait qu’ils sont traditionnellement réalisés à partir d’un feuillet métallique et typiquement en nickel (10), d’une épaisseur voisine de 50 micromètres, au sein duquel on effectue une découpe par laser ou chimiquement afin de définir une ouverture. Puis, ce feuillet est revêtu d’une couche NPC (11) d’une épaisseur typique de 15 micromètres. Ce faisant, cela engendre une épaisseur totale de la baffle ou du diaphragme voisine de 80 micromètres, définissant de facto une arête latérale (12), sensiblement de la même longueur, apte à favoriser des réflexions spéculaires susceptibles de se diriger vers la matrice FPA, tel qu’illustré sur la FIG. 4 . Ces réflexions spéculaires engendrent une image secondaire parasite au niveau de la matrice FPA. Par ailleurs, une partie du rayonnement incident est également réfléchie de manière spéculaire sur les zones formées par les congés du revêtement NPC, c’est-à-dire de l’arête arrondie d’un rayon de courbure correspondant à l’épaisseur du revêtement NPC, soit typiquement d’un rayon de 15 micromètres, agissant comme un miroir cylindrique convexe et créant une traînée sensiblement linéaire sur la matrice FPA par divergence uniaxiale. On a illustré sur la FIG. 5 le schéma optique de formation d’image secondaire résultant des réflexions parasites sur la tranche ou arête latérale d’un tel diaphragme. Ainsi donc, si l’on considère une source lumineuse hors champ (15) ponctuelle et à l’infini, l’image principale se projette sur le plan image à une position radiale r, supérieure aux dimensions latérales de la matrice FPA (3). Cette source lumineuse est vue selon un cône image qui vient se réfléchir en partie sur la tranche (12) du diaphragme (9). Une partie du cône image est réfléchie spéculairement (16) sur une facette sensiblement plane et vient se focaliser sur la matrice FPA (3) pour former une image secondaire parasite (17), et une autre partie du cône image est réfléchi spéculairement (18) sur les zones formées par les congés (bords arrondis) du revêtement NPC (11), agissant comme un miroir cylindrique convexe, créant une trainée linéaire (19) sur la matrice FPA par divergence uniaxiale. Afin de surmonter cet inconvénient, on a proposé de masquer le rayonnement issu de la source lumineuse hors champ en amont de la pupille d’entrée de l’objectif dont est muni le détecteur, à l’aide d’un pare-soleil. Cette solution n’est cependant pas viable en raison de l’encombrement qu’elle génère. On a également proposé une autre solution, consistant à affiner au plus possible le bord libre du diaphragme ou de la baffle, afin d’obtenir une réduction la plus importante possible de la tranche latérale (12) sur laquelle est susceptible de venir se réfléchir le rayonnement, et ainsi engendrer les inconvénients précédemment décrits. Il s’avère cependant que cette solution est complexe à réaliser sur le plan industriel, et qu’en tout état de cause, il demeure un flanc droit résiduel sur lequel partie à tout le moins du rayonnement est susceptible de venir se réfléchir. L’invention vise donc un détecteur de rayonnement infrarouge qui comprend : – un cryostat muni d’un doigt froid, apte à assurer l’échange thermique avec une source froide, et d’une fenêtre transparente au rayonnement infrarouge à détecter ; – un plan froid, fixé mécaniquement et en échange thermique avec le doigt froid ; – un bloc de détection comprenant au moins une matrice de détection sensible à la gamme de longueurs d’ondes infrarouges à détecter, et en échange thermique directement ou indirectement avec le plan froid ; – un écran froid fixé mécaniquement et en échange thermique avec le plan froid et apte à limiter les rayonnements parasites, l’écran froid étant muni d’au moins un diaphragme ou baffle, orienté radialement par rapport à l’orientation générale du détecteur, et muni d’une ouverture apte à permettre le transit du trajet optique résultant du rayonnement incident. Selon l’invention, le bord libre dudit diaphragme ou de ladite baffles est structuré de telle sorte à définir des motifs non linéaires. En d’autres termes, l’invention consiste à structurer le bord libre du ou des diaphragme(s), en évitant ainsi la présence de faces ou facettes en regard de la matrice FPA, de telle sorte à faire diverger l’énergie du cône image - résultat d’une source ponctuelle à l’infini intense et hors champ, plutôt que de la focaliser sur la matrice FPA. Il en résulte que le cône image résultant d’une source hors champ attaque le bord ou la tranche dudit au moins un diaphragme, non pas selon une unique facette en regard de la matrice FPA, mais selon une pluralité de telles surfaces comprenant ainsi une pluralité de facettes divergentes, de sorte que l’image parasite secondaire est éclatée. Certes, cette image parasite secondaire n’est pas supprimée, mais le flux parasite est davantage diffusé en un fond plus uniforme, permettant de ne pas impacter de manière significative l’image de scène du flux incident que l’on souhaite ainsi capter. Selon l’invention, les motifs résultant de la structuration du bord dudit au moins un diaphragme, sont réalisés de manière périodique ou quasi-périodique, cette périodicité pouvant varier de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres. Par quasi-périodique, on entend le fait que le pas de répétition (ou de manière équivalente la taille des motifs) n’est pas nécessairement constant, mais peut varier, y compris de manière aléatoire, autorisant une variation raisonnable par rapport à la valeur moyenne dudit pas, et typiquement entre 50 et 200 % de ladite valeur moyenne. Selon une autre caractéristique avantageuse de l’invention, chacun des motifs est constitué de deux arcs de cercle de rayon de courbure convergeant en direction de l’ouverture, de sorte à former des motifs, notamment en forme de dentelles, convexes. Brève description des figures La manière dont l’invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l’exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l’appui des figures annexées. La FIG. 1 est une représentation schématique en perspective éclatée d’un détecteur infrarouge quantique de l’art antérieur. La FIG. 2 est une représentation schématique en section sagittale du détecteur de l’art antérieur de la FIG. 1 . La FIG. 3 est une représentation schématique ne perspective d’un écran froid de l’art antérieur. La FIG. 4 est une représentation schématique en section transversale partielle d’un diaphragme ou baffle conforme à l’état antérieur de la technique. La FIG. 5 est une illustration schématique illustrant le trajet optique et la formation de l’image secondaire par la mise en œuvre d’un diaphragme conforme aux figures 3 et 4. La FIG. 6 est une représentation schématique d’une partie du diaphragme ou baffle conforme à l’invention. La FIG. 7 est une représentation schématique en perspective d’une partie du diaphragme ou baffle conforme à l’invention. Description détaillée de l’invention On a représenté en relation avec les figures 6 et 7, le bord libre (13) d’un diaphragme ou baffle (9), rapporté sur la face interne de l’écran froid (7), conforme à l’invention. Ainsi qu’on peut l’observer sur ces deux figures, ce bord (13) n’est pas linéaire, mais présente une structuration transversale et, en l’espèce, typiquement en forme d’une succession d’arcs de cercles convergents en direction de l’axe optique de l’écran froid (7) au sein duquel sont rapportés ces diaphragmes ou baffles, c’est-à-dire de forme convexe. Dans l’exemple décrit, ces structurations ou motifs (14) sont de nature périodique, et typiquement selon un pas de 0,2 millimètre. Pour autant, cette périodicité n’est pas impérative, dès lors que l’on dispose d’une structure irrégulière au niveau du bord (13) du diaphragme ou de la baffle. Parallèlement, ce motif particulier ne présente aucune facette en direction de la matrice FPA, mais en revanche, présente des facettes courbées de telle sorte à obtenir des dentelles convexes, afin que la tranche, c’est-à-dire le bord (13) agisse à l’instar d’un miroir convexe, apte à faire diverger l’énergie issue du cône image plutôt que de focaliser ledit cône sur la matrice FPA. En raison de cette structuration du bord de la baffle ou du diaphragme, le cône image attaque ledit bord (13) non pas selon une facette, mais selon une pluralité de motifs définissant une pluralité de facettes divergentes, aboutissant à un éclatement de l’image parasite secondaire, constituant un processus similaire à de la diffusion, et donc de nature plus uniforme, alors même que selon l’art antérieur, ce cône image parasite est concentré en une image secondaire parasite et en une trainée linéaire, affectant la qualité de l’image obtenue. Dit autrement, la mise en œuvre du bord ainsi structuré du diaphragme ou de la baffle engendre une déstructuration de l’image secondaire parasite, permettant de moins polluer l’image de scène que l’on souhaite détecter. On conçoit dès lors tout l’intérêt de la présente invention qui permet, de par la structuration du bord interne de la baffle et du diaphragme, typiquement obtenu au moyen d’un laser femtosecondes, d’améliorer la qualité de l’image principale à détecter. Par ailleurs, en termes d’industrialisation, le procédé de réalisation de tels baffles ou diaphragmes n’est pas impacté, hormis par le chemin de découpe du feuillet de nickel à partir duquel ces éléments sont réalisés. Détecteur de rayonnement infrarouge qui comprend : – un cryostat muni d’un doigt froid (2), apte à assurer l’échange thermique avec une source froide, et d’une fenêtre (5) transparente au rayonnement infrarouge à détecter ; – un plan froid, fixé mécaniquement et en échange thermique avec le doigt froid (2); – un bloc de détection comprenant au moins une matrice de détection (3) sensible à la gamme de longueurs d’ondes infrarouges à détecter, et en échange thermique directement ou indirectement avec le plan froid ; – un écran froid (7) fixé mécaniquement et en échange thermique avec le plan froid et apte à limiter les rayonnements parasites, l’écran froid étant muni d’au moins un diaphragme ou baffle (9), orienté radialement par rapport à l’orientation générale du détecteur, et muni d’une ouverture (8) apte à permettre le transit du trajet optique résultant du rayonnement incident ; caractérisé en ce que le bord libre (13) dudit au moins un diaphragme ou une baffle (9), est structuré de telle sorte à définir des motifs (14) non linéaires. Détecteur de rayonnement infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs (14) résultant de la structuration du bord libre (13) dudit au moins un diaphragme ou baffle (9), sont réalisés de manière périodique ou quasi-périodique. Détecteur de rayonnement infrarouge selon la revendication 2, caractérisé en ce que la périodicité est comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de micromètres. Détecteur de rayonnement infrarouge selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que chacun des motifs est constitué de deux arcs de cercle de rayon de courbure convergeant de sorte à former des motifs convexes