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FR3160534A1 - Appareil d'imagerie infrarouge à filtre angulairement sélectif - Google Patents

Appareil d'imagerie infrarouge à filtre angulairement sélectif

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FR3160534A1
FR3160534A1 FR2402754A FR2402754A FR3160534A1 FR 3160534 A1 FR3160534 A1 FR 3160534A1 FR 2402754 A FR2402754 A FR 2402754A FR 2402754 A FR2402754 A FR 2402754A FR 3160534 A1 FR3160534 A1 FR 3160534A1
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FR
France
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filter
electromagnetic radiation
infrared electromagnetic
sensor
infrared
Prior art date
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Pending
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FR2402754A
Other languages
English (en)
Inventor
Arnaud Davenel
Lucas GONCALVES
Remi Lhuillier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Electronics and Defense SAS
Original Assignee
Safran Electronics and Defense SAS
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Publication date
Application filed by Safran Electronics and Defense SAS filed Critical Safran Electronics and Defense SAS
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Priority to PCT/FR2025/050214 priority patent/WO2025196387A1/fr
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Abstract

Cet appareil (3) de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge comprend un boitier (5) définissant une enceinte (7) à vide et comprenant une fenêtre (9) transparente audit rayonnement électromagnétique infrarouge, l’appareil (3) comprenant, positionnés dans l’enceinte (7), une extrémité d’un doigt froid (15), un écran froid (11) et un capteur (13), l’écran froid (11) et le capteur (13) étant configurés pour être refroidis par le doigt froid (15), l’écran froid (11) comprenant une ouverture (17) configurée pour permettre le passage du rayonnement électromagnétique infrarouge provenant de la fenêtre (9) vers le capteur (13), l’appareil (3) comprenant un filtre (29) positionné sur le passage du rayonnement électromagnétique infrarouge entre la fenêtre (9) et le capteur (13), le filtre (29) étant configuré pour transmettre ou réfléchir des rayons du rayonnement électromagnétique infrarouge selon leur angle d’incidence sur ledit filtre (29). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Appareil d’imagerie infrarouge à filtre angulairement sélectif
La présente invention concerne les appareils de détection pour l’imagerie thermique.
Une application particulièrement intéressante de l’invention concerne un système d’imagerie refroidi pour le domaine infrarouge, notamment l’infrarouge moyen ou encore l’infrarouge lointain.
De manière générale, l’invention peut également s’appliquer à toute partie du spectre infrarouge.
Techniques antérieures
Un appareil de détection pour l’imagerie thermique fonctionne généralement avec un capteur de rayonnement électromagnétique infrarouge, également appelé FPA (« Focal Plane Array » en termes anglo-saxons), positionné dans une enceinte sous vide et refroidi dans un cryostat par une machine à froid ou un détendeur Joule-Thomson. L’enceinte est formée par un boitier comprenant une fenêtre configurée pour transmettre le rayonnement électromagnétique infrarouge.
Un tel appareil de détection comprend par exemple un écran froid placé en amont du capteur et qui forme le diaphragme d’ouverture dudit appareil de détection.
Des rayons lumineux peuvent ainsi passer par la fenêtre, puis par le diaphragme pour venir frapper les pixels du capteur.
Cependant, les nouvelles générations de capteurs comprennent désormais plus de pixels et sont de dimensions plus élevées, nécessitant de concevoir des systèmes de détection avec une ouverture du diaphragme plus grande.
Le diaphragme délimite les angles solides vu par tous les pixels mais, de par sa grande ouverture, il induit la présence d’un flux parasite, tel que du bruit de Poisson, assez important, par exemple au moins 30% plus important que le flux utile.
De plus, plus le diaphragme de l’écran froid est proche du capteur, plus le flux parasite sera important alors même qu’il serait intéressant en termes de conception optique de pouvoir positionner une lentille de champ à proximité du capteur, par exemple pour l’élaboration de systèmes d’imagerie très ouverts, ou tout simplement pour gagner en compacité.
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir un appareil de détection dont le flux parasite arrivant sur les pixels est réduit par rapport à un appareil de l’état de la technique.
La présente invention a pour objet un appareil de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge, comprenant un boitier définissant une enceinte à vide et comprenant une fenêtre transparente audit rayonnement électromagnétique infrarouge, l’appareil comprenant en outre, positionnés dans l’enceinte, une extrémité d’un doigt froid, un écran froid et un capteur dudit rayonnement électromagnétique infrarouge, l’écran froid et le capteur étant configurés pour être refroidis par le doigt froid, l’écran froid comprenant une ouverture formant un diaphragme configuré pour permettre le passage du rayonnement électromagnétique infrarouge provenant de la fenêtre vers le capteur, l’appareil comprenant un filtre positionné sur le passage du rayonnement électromagnétique infrarouge entre la fenêtre et le capteur, le filtre étant configuré pour transmettre ou réfléchir des rayons du rayonnement électromagnétique infrarouge selon leur angle d’incidence sur ledit filtre.
Ainsi, ce filtrage angulaire de l’angle solide vu par chaque pixel permet de diviser le flux parasite par 10. En effet, le filtrage angulaire permet de former une pupille virtuelle se déplaçant en fonction de l’angle d’incidence des rayons du rayonnement électromagnétique. Autrement dit, chaque pixel du capteur a son diaphragme d’ouverture propre.
Selon l’angle d’incidence choisi pour effectuer la sélection angulaire, il est possible de former une variante de système télécentrique.
De plus, cet appareil permet de pouvoir rapprocher le diaphragme de l’écran froid du capteur, et donc de réduire la masse thermique de l’écran froid à refroidir, et ainsi améliorer les temps de mise en œuvre et de mise en froid.
Avantageusement, le filtre est configuré pour transmettre le rayonnement électromagnétique infrarouge lorsque les rayons dudit rayonnement électromagnétique infrarouge ont une inclinaison par rapport à la normale à la surface du filtre entre 0° et 25°, le filtre étant configuré pour réfléchir le rayonnement électromagnétique infrarouge lorsque les rayons dudit rayonnement électromagnétique infrarouge ont une inclinaison par rapport à la normale à la surface du filtre supérieure à 30°.
Dans un mode de réalisation, le filtre est un filtre interférentiel configuré pour transmettre et/ou réfléchir le rayonnement électromagnétique infrarouge de longueur d’onde comprise entre 3,8 et 4,1 micromètres, ou comprise entre 4,5 et 4,8 micromètres, ou comprise entre 8 et 9 micromètres, de préférence uniquement entre 3,8 et 4,1 micromètres.
Dans un premier mode de réalisation, le filtre est positionné au contact de la fenêtre.
Dans un deuxième mode de réalisation, le filtre est positionné en travers de l’ouverture de l’écran froid.
Dans un troisième mode de réalisation, le filtre est positionné directement sur le capteur.
Avantageusement, le filtre est un empilement de couches minces, de préférence comprenant une alternance de couches respectivement d’indice de réfraction inférieur à 1,5 et supérieur à 3.
Avantageusement, le filtre comprend une alternance de couche mince comprenant uniquement du germanium d’une part et du dioxyde de silicium d’autre part.
Avantageusement, l’écran froid comprend un revêtement interne noir mat, et une surface externe réfléchissante dans l’infrarouge.
L’invention a également pour objet un système d’imagerie comprenant l’appareil tel que défini précédemment, le système d’imagerie comprenant en outre un système optique télécentrique et/ou de type Cassegrain.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
FIG. 1
est une vue schématique en coupe d’un système d’imagerie comprenant un appareil de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge selon un premier mode de réalisation ;
FIG. 2
est une vue schématique en coupe d’un système d’imagerie comprenant un appareil de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge selon un deuxième mode de réalisation ; et
FIG. 3
est une vue schématique en coupe d’un système d’imagerie comprenant un appareil de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge selon un troisième mode de réalisation.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
On a représenté schématiquement sur laFIG. 1un système d’imagerie 1 comprenant un appareil 3 de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge selon un premier mode de réalisation.
Dans une application particulière, le rayonnement électromagnétique infrarouge est un rayonnement dans l’infrarouge moyen, dit MWIR (« Middle Wavelength Infrared » en termes anglo-saxons), et/ou dans l’infrarouge lointain, dit LWIR (« Long-Wave Infrared » en termes anglo-saxons). En particulier, la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique est comprise entre 3,8 et 4,1 micromètres, ou comprise entre 4,5 et 4,8 micromètres pour l’infrarouge moyen, ou comprise entre 8 et 9 micromètres pour l’infrarouge lointain.
L’appareil 3 comprend un boitier 5 définissant une enceinte 7 à vide.
Le boitier 5 est opaque mais comprend en outre une fenêtre 9 transparente pour le rayonnement électromagnétique infrarouge. La fenêtre 9 est par exemple de forme circulaire ou rectangulaire.
L’appareil 3 comprend également, positionnés dans l’enceinte 7 à vide, un écran froid 11 et un capteur 13 dudit rayonnement électromagnétique infrarouge.
L’écran froid 11 est également appelé baffle froid ou déflecteur optique refroidi.
L’écran froid 11 et le capteur 13 sont montés, par exemple sur une extrémité d’un doigt froid 15, de sorte que l’écran froid 11 et le capteur 13 sont configurés pour être refroidis par l’intermédiaire dudit doigt froid 15.
Le doigt froid 15 comprend par exemple une extrémité dans l’enceinte 7 à vide, son autre extrémité sortant de l’enceinte à vide. Le doigt froid 15 comprend par exemple un échangeur de chaleur pris dans sa masse afin de refroidir le capteur 13 et l’écran froid 11, de préférence à des températures inférieures à 150 Kelvin.
L’écran froid 11 est opaque mais comprend une ouverture 17 formant un diaphragme 17 configuré pour permettre le passage du rayonnement électromagnétique infrarouge provenant de la fenêtre 9 vers le capteur 13. L’ouverture 17 est par exemple de forme circulaire ou rectangulaire.
Ainsi, la fenêtre 9, l’ouverture 17 et le capteur 13 sont alignés sur un même axe optique 19 et les directions de leurs dimensions longitudinales sont orthogonales audit axe optique 19.
L’écran froid 11, lorsqu’il est refroidi à moins de 150 Kelvin, permet de bloquer et donc diminuer la présence de flux parasites, notamment provenant de lui-même.
Avantageusement, l’écran froid 11 comprend un revêtement interne 21 noir mat maximisant son absorption de rayonnement électromagnétique. De même, l’écran froid 11 comprend une surface externe 23 réfléchissante dans l’infrarouge, afin d’éviter un chauffage intempestif dudit écran froid 11.
Le boitier 5 comprend également une surface interne 25 réfléchissante dans l’infrarouge.
Aligné sur le même axe optique 19, le système d’imagerie 1 comprend un système optique 27 configuré pour diriger un rayonnement électromagnétique vers le capteur 13. Le système optique 27 est par exemple un système optique télécentrique ou un système optique de type télescope de Cassegrain.
L’appareil 3 comprend en outre un filtre 29 positionné sur le passage du rayonnement électromagnétique infrarouge entre la fenêtre 9 et le capteur 13. Ce filtre 29 est un filtre 29 angulairement sélectif, le filtre 29 étant configuré pour transmettre ou réfléchir des rayons 31 du rayonnement électromagnétique infrarouge selon leur angle d’incidence sur ledit filtre 29.
L’appareil 3 équipé du filtre 29 permet de rapprocher le système optique 27 au plus près du boitier 5, le système optique 27 comprenant par exemple une lentille de champ permettant l’obtention d’un système d’imagerie 1 très ouvert et compact.
Dans ce premier mode de réalisation, le filtre 29 est positionné sur la fenêtre 9, par exemple sur la surface orientée vers l’enceinte 7 à vide.
Avantageusement, le filtre 29 est un empilement de couches minces déposées sur la fenêtre 9. Le filtre 29 est donc un filtre 29 dichroïque, ou également appelé interférentiel, angulairement sélectif.
De préférence, le filtre 29 comprend une alternance de couches respectivement d’indice de réfraction inférieur à 1,5 et supérieur à 3.
Par exemple, le filtre 29 comprend une alternance de couche mince comprenant uniquement du germanium d’une part et du dioxyde de silicium d’autre part.
Dans un mode de réalisation préféré, le filtre 29 est configuré pour transmettre le rayonnement électromagnétique infrarouge lorsque les rayons 31 dudit rayonnement électromagnétique infrarouge ont une inclinaison par rapport à la normale à la surface du filtre entre 0° et 25°.
De plus, le filtre 29 est configuré pour réfléchir le rayonnement électromagnétique infrarouge lorsque les rayons 31 dudit rayonnement électromagnétique infrarouge ont une inclinaison par rapport à la normale à la surface du filtre 29 supérieure à 30°.
Cette configuration correspond à un appareil 3 de détection ayant un nombre d’ouverture de 1,2.
On maximise ainsi la détection des rayons dont la direction est quasiment normale à la surface du filtre 29, et on minimise la détection des rayons arrivant en biais, généralement des rayons induisant un flux parasite.
Une transmission au travers d’un milieu ou une réflexion contre ce dernier n’étant jamais parfaite, autrement dit le flux lumineux n’étant jamais transmis ou réfléchi à 100%, on entend par transmission et réflexion respectivement une transmission d’au moins 51% du flux lumineux dans une plage de longueur d’onde particulière, et une réflexion d’au moins 51% du flux lumineux dans une plage de longueur d’onde particulière.
De préférence, le filtre 29 est configuré pour transmettre le rayonnement électromagnétique infrarouge lorsque les rayons 31 dudit rayonnement électromagnétique infrarouge ont une inclinaison par rapport à la normale à la surface du filtre 29 entre 0° et 25° et pour des longueurs d’onde comprises entre 3,8 et 4,1 micromètres, ou comprise entre 4,5 et 4,8 micromètres, ou comprise entre 3,8 et 4,1 et 4,5 et 4,8 micromètres, ou comprise entre 8 et 9 micromètres, de préférence uniquement entre 3,8 et 4,1 micromètres.
De même, le filtre 29 est configuré pour réfléchir le rayonnement électromagnétique infrarouge lorsque les rayons 31 dudit rayonnement électromagnétique infrarouge ont une inclinaison par rapport à la normale à la surface du filtre 29 supérieure à 30° et pour des longueurs d’onde comprises entre 3,8 et 4,1 micromètres, ou comprise entre 4,5 et 4,8 micromètres, ou comprise entre 3,8 et 4,1 et 4,5 et 4,8 micromètres, ou comprise entre 8 et 9 micromètres, de préférence uniquement entre 3,8 et 4,1 micromètres.
On a représenté schématiquement sur laFIG. 2un système d’imagerie 1 comprenant un appareil 3 de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge selon un deuxième mode de réalisation.
Dans ce mode de réalisation, le système d’imagerie 1 comprend les mêmes éléments et caractéristiques que le premier mode de réalisation illustré sur laFIG. 1, à l’exception d’un changement de position du filtre 29.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le filtre 29 est positionné en travers de l’ouverture 17 de l’écran froid 11 et non sur la fenêtre 9.
Par exemple, une lame 33 de matériau transparent dans l’infrarouge est positionnée en travers de l’ouverture 17, et un traitement multicouche est appliqué sur cette lame 33, sur sa face externe tel que représenté ou sur sa face interne, de manière à former le filtre 29 angulairement sélectif.
Les mêmes caractéristiques de transmission et de réflexion que dans le premier mode de réalisation s’appliquent au filtre 29 dans ce deuxième mode de réalisation.
On a représenté schématiquement sur laFIG. 3un système d’imagerie 1 comprenant un appareil 3 de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge selon un troisième mode de réalisation.
Dans ce mode de réalisation, le système d’imagerie 1 comprend les mêmes éléments et caractéristiques que le premier mode de réalisation illustré sur laFIG. 1, à l’exception d’un changement de position du filtre 29.
Dans ce troisième mode de réalisation, le filtre 29 est positionné directement sur le capteur 13 et non sur la fenêtre 9.
Par exemple, un traitement multicouche est appliqué directement sur la surface du capteur 13 de manière à former le filtre 29 angulairement sélectif.
Les mêmes caractéristiques de transmission et de réflexion que dans le premier mode de réalisation s’appliquent au filtre 29 dans ce troisième mode de réalisation.
Ce troisième mode de réalisation est le mode de réalisation le plus efficace dans l’objectif de diminuer le flux parasite, le filtre 29 étant positionné au plus proche du capteur 13.
Le premier mode de réalisation est cependant robuste, le filtre 29 n’étant pas soumis à des températures aussi basses que dans les deuxième et troisième modes de réalisation.
Le deuxième mode de réalisation représente un bon compromis entre les premier et troisième modes de réalisation.

Claims (10)

  1. Appareil (3) de détection d’un rayonnement électromagnétique infrarouge, comprenant un boitier (5) définissant une enceinte (7) à vide et comprenant une fenêtre (9) transparente audit rayonnement électromagnétique infrarouge, l’appareil (3) comprenant en outre, positionnés dans l’enceinte (7), une extrémité d’un doigt froid (15), un écran froid (11) et un capteur (13) dudit rayonnement électromagnétique infrarouge, l’écran froid (11) et le capteur (13) étant configurés pour être refroidis par le doigt froid (15), l’écran froid (11) comprenant une ouverture (17) formant un diaphragme configuré pour permettre le passage du rayonnement électromagnétique infrarouge provenant de la fenêtre (9) vers le capteur (13), caractérisé en ce qu’il comprend un filtre (29) positionné sur le passage du rayonnement électromagnétique infrarouge entre la fenêtre (9) et le capteur (13), le filtre (29) étant configuré pour transmettre ou réfléchir des rayons du rayonnement électromagnétique infrarouge selon leur angle d’incidence sur ledit filtre (29).
  2. Appareil (3) selon la revendication 1, dans lequel le filtre (29) est configuré pour transmettre le rayonnement électromagnétique infrarouge lorsque les rayons (31) dudit rayonnement électromagnétique infrarouge ont une inclinaison par rapport à la normale à la surface du filtre (29) entre 0° et 25°, le filtre (29) étant configuré pour réfléchir le rayonnement électromagnétique infrarouge lorsque les rayons (31) dudit rayonnement électromagnétique infrarouge ont une inclinaison par rapport à la normale à la surface du filtre (29) supérieure à 30°.
  3. Appareil (3) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le filtre (29) est un filtre (29) interférentiel configuré pour transmettre et/ou réfléchir le rayonnement électromagnétique infrarouge de longueur d’onde comprise entre 3,8 et 4,1 micromètres, ou comprise entre 4,5 et 4,8 micromètres, ou comprise entre 3,8 et 4,1 et 4,5 et 4,8 micromètres, ou comprise entre 8 et 9 micromètres, de préférence uniquement entre 3,8 et 4,1 micromètres.
  4. Appareil (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le filtre (29) est positionné au contact de la fenêtre (9).
  5. Appareil (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le filtre (29) est positionné en travers de l’ouverture (17) de l’écran froid (11).
  6. Appareil (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le filtre (29) est positionné directement sur le capteur (13).
  7. Appareil (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le filtre (29) est un empilement de couches minces, de préférence comprenant une alternance de couches respectivement d’indice de réfraction inférieur à 1,5 et supérieur à 3.
  8. Appareil (3) selon la revendication 7, dans lequel le filtre (29) comprend une alternance de couche mince comprenant uniquement du germanium d’une part et du dioxyde de silicium d’autre part.
  9. Appareil (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l’écran froid (11) comprend un revêtement interne (21) noir mat, et une surface externe (23) réfléchissante dans l’infrarouge.
  10. Système d’imagerie (1) comprenant l’appareil (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, le système d’imagerie (1) comprenant en outre un système optique télécentrique et/ou de type Cassegrain.
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