Rappels sur l’Infrarouge

1. Rappels sur l’Infrarouge

2. Comparaison entre images visible et infrarouge

3. Intérêt de l’Infrarouge • Principe fondamental: • Tous les corps émettent du rayonnement thermique (Loi de Planck) • Deux corps différents placés à la même température se distinguent par leur émissivité • Caractéristiques naturelles: • L’atmosphère est transparente aux rayonnements IR dans trois gammes spectrales • Les spectres d’émission de nombreuses molécules sont situés dans l’IR

4. Dans les systèmes Fonctionnement jour:nuit en mode passif Excellente capacité de détection Bonne résolution spatiale Discrétion Dans les mesures Capacité de mesure et de contrôle sans contact (Thermographie) Existence de phénomènes à une longueur d’onde donnée ( Analyse de gaz) Conséquences

5. Le corps noir Un corps noir est un objet capable d’absorber totalement tout rayonnement incident, quelque soit sa longueur d ’onde. Il existe deux réalisations pratiques du corps noir : • La cavité presque entièrement fermée, • Le revêtement absorbant parfait.

6. La loi de PLANCK L’émission spectrale du corps noir est décrite par la loi de PLANCK établie à partir de considérations thermodynamiques statistiques: dR(,T) = 2  h c2 -5 (En W/m².µm) d  exp hc - 1 kT Ou encore sous forme d’un flux de photons en divisant par l’énergie du photon hc/ d(,T) = 2  c -4 (En photons/s.m².µm) d  exp hc - 1 kT

7. Emittance du CN dans une bande Emittance spectrale 2  dR(,T) d  d  1 1 2 Longueur d’onde

8. Tableau de valeurs

9. La chaîne radiométrique Chaîne radiométrique : ensemble des phénomènes qui se produisent depuis l’émission par la source de rayonnement jusqu’à l’absorption par le récepteur. Flux : c’est la valeur instantanée d’un débit de rayonnement, il s’exprime en W. Il peut s’agir du débit émis par une source, transporté par un faisceau, ou reçu par un récepteur. Le flux se conserve lors de la propagation dans les milieux homogènes non absorbants.

10. Détecteurs IR

11. Détecteurs infrarouge Un détecteur de rayonnement IR transforme ce rayonnement incident en un signal électrique. On distingue deux types de détecteurs: • Les détecteurs thermiques qui ne sont sensibles qu’à l’énergie du rayonnement • Les détecteurs quantiques qui transforment les photons incidents en charges électriques

12. Détecteurs de flux Ils suivent les variations temporelles du rayonnement incident Ils intègrent spatialement le rayonnement sur leur surface sensible Ce sont des détecteurs individuels ou les éléments de petites mosaïques Détecteurs d’imagerie Ils intègrent pendant une durée d’image ou une fraction de celle-ci (temps de pose) le rayonnement incident et délivre un échantillon à la cadence image Ils intègrent spatialement le rayonnement sur leur surface sensible Ce sont les éléments d’une rétine Types de détecteurs

13. Réponse d’un détecteur • On appelle réponse d’un détecteur le rapport entre la grandeur de sortie, courant I ou tension V, et le flux énergétique incident F: RI= I/F (en A/ W) ou RV= V/F (en V/ W) • Pour un détecteur quantique, on parle de rendement quantique : nombre moyen de charges ou de paires de chargescréée par photon reçu :  = <Ncharges>/<Nphotons> (<1)

14. Définitions de NEP et D* • On appelle puissance équivalente au bruit notée NEP, la puissance du flux signal incident sur le détecteur de surface Ad qui donne un rapport signal sur bruit unité observé à la fréquence de mesure f dans une bande passante f. • On appelle détectivité spécifique D*, la grandeur normalisée par l’expression : (en W-1.cm.Hz 1/2)

15. Détectivités pic et corps noir • En rayonnement monochromatique, on peut donner une valeur de détectivité pour chaque longueur d’onde. La détectivité est souvent donnée pour la longueur d’onde du maximum de réponse du détecteur pic • En rayonnement total corps noir à la température T dans une bande spectrale donnée la détectivité ne dépend que de cette température et de la bande spectrale

16. Relation entre détectivités pic et corps noir Le détecteur voit un corps noir à la température TCN avec une étendue géométrique G:

17. Détectivité limite ou « BLIP » Un détecteur IR voit toujours un fond ambiant à la température T, dans un angle solide v. (Pour un détecteur refroidi cet angle est limité par un diaphragme froid, pour les détecteurs non refroidis cet angle solide est égal à 4 .) On appelle détectivité limite ou « BLIP » la valeur obtenue en considérant que la seule source de bruit est la fluctuation du fond ambiant. BLIP: Background limited Infrared Detector

18. Largeur de la bande spectrale • En l’absence de filtre, c’est la bande définie par la réponse spectrale du détecteur r() • En présence d’un filtre, c’est sa transmission T () qui détermine la bande. (On remplace dans les expressions précédentes r() par r().T () ou () par ().T () ) • Attention: les transmissions sont souvent données en fonction du nombre d’onde 1/ .

19. Bruit des détecteurs • Bruit des détecteurs quantiques : • Le bruit blanc provenant des mécanismes de génération et de recombinaison des charges créées par les photons incidents ou par la température du détecteur. • Le bruit thermique de la résistance du détecteur, c’est aussi un bruit blanc. • Le bruit en 1/f dû aux imperfections technologiques et à la polarisation du détecteur. • Bruit des détecteurs thermiques: • Les fluctuations d’échanges thermiques entre le détecteur et l’environnement ambiant

20. Expressions des différents bruits des détecteurs • Bruits dans une photodiode : • Bruit de courant de fond : • Bruit de courant d’obscurité : • Bruit de la résistance shunt : • Bruit en 1/f : • Bruit d’un photoconducteur : • Bruit de la résistance : • Bruit de génération/recombinaison : • Bruit en 1/f : • Bruit d’un détecteur thermique :

21. Température et émissivité du fond • Du point de vue photométrique, l ’idéal est le corps noir, attention cependant à ce que la température soit bien contrôlée! • Regarder les objets d’un laboratoire ou un vrai corps noir étendu peut se traduire par une variation de quelques dizaines de % sur le flux. • Attention aussi à l’absorption et donc l’émission par le gaz carbonique dans les bandes étroites autour de 4,3 µm

22. Pourquoi refroidir un détecteur Infrarouge? • Pour réduire l’influence du fond ambiant : diaphragme froid • Pour réduire la génération thermique dans les semi-conducteurs à faible gap On place le détecteur IR dans un cryostat pour réduire son bruit et augmenter sa détectivité

23. Besoins en cryogénie des détecteurs IR • Fonctionnement à température ambiante • Détecteurs visibles ou proche IR • Détecteurs thermiques • Fonctionnement à température intermédiaire 200 à 250K • Certains détecteurs 3- 5 µm (PC) • Fonctionnement à 77K (Azote liquide): • La très grande majorité des détecteurs performants en 3-5µm et 8-12µm • Fonctionnement à très basse température ( 4 à 30K) • Certains détecteurs à longueur d’onde de coupure élevée (<12µm) • Applications spatiales à faible flux de fond

24. Angle de vue du fond ambiant (1) • L’angle de vue du fond ambiant est délimité par le diaphragme froid. • Sans ce diaphragme, le détecteur voit le rayonnement émis dans tout le 1/2 espace situé devant lui. Des rayonnements parasites réfléchis ou diffusés peuvent s’ajouter. • Pour une barrette de détecteurs ou une matrice, les détecteurs de la périphérie et du centre n’ont pas le même angle de vue géométrique ni le même éclairement à cause du cosinus de l’angle que fait l’axe du faisceau avec la normale à la surface du détecteur.

25. Angle de vue de fond ambiant (2)

26. Détecteurs quantiques Les photons IR d’énergie suffisant créent des porteurs dans le matériau selon quatre processus : Absorption intrinsèque Absorption extrinsèque Photo émission par un métal Puits quantiques Trois modes d’utilisation des porteurs : Photoconducteurs, variation de résistance Photovoltaïque, apparition d’une tension ou génération d’un courant Photomagnétoélectrique, apparition d’une tension Détecteurs thermiques Les radiations IR incidentes élèvent la température du détecteur et modifie ainsi une caractéristique physique de celui ci: Bolomètre, variation de conductivité Pyro-électrique, modification de la polarisation électrique Thermo-voltaïque, apparition d’une tension Thermo-pneumatique, effet mécanique dû à la dilatation d’un gaz Types de détecteurs infrarouge

27. Réponse d’une photodiode à un rayonnement monochromatique (1) A chaque longueur d’onde est associée une valeur du rendement quantique (). Le courant élémentaire di() délivré par la photodiode en réponse au rayonnement monochromatique reçu Fr() de largeur spectrale d est : q est la charge de l’électron, hc/  l’énergie des photons

28. Réponse d’une photodiodeà un rayonnement monochromatique (2) Pour calculer la réponse RI(),de la photodiode, il nous faut calculer le flux énergétique élémentaire reçu par le détecteur émis par un corps noir à la température T dans la bande d, vu sous angle solide S : soit : On appelleraréponse normalisée r() = R()/ R(pic.),

29. Réponse spectrale d’une photodiode (3) r() 1 0,5 0  cut on pic cut off

30. Mesure du rendement quantique • Connaissant la réponse du détecteur R(pic), on peut calculer le rendement quantique par la formule: • Avec hc/q = 1,25 la formule devient :

31. Réponse polychromatique d’une photodiode (1) Pour un rayonnement polychromatique occupant la bande 1,2,l’expression du courant élémentaire doit être intégrée sur cette gamme spectrale

32. Réponsepolychromatiqued’une photodiode (2) Pour calculer la réponse RI(T,1,2),de la photodiode, il nous faut calculer le flux énergétique reçu par le détecteur : soit :

33. Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et courant (1) Le flux de fond incident Fbg s’exprimeen fonction de la luminance du fond L(Tbg,1,2), de l ’angle solide de vue v et de la surface Ad D’où le courant de fond : I(Tbg)= RI(Tbg).L(Tbg,1,2), d’après les relations précédentes:

34. Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et courant (2) Le courant dépend des paramètres suivants: • Surface sensible du détecteur • Rendement quantique dans la bande spectrale • Largeur de la bande spectrale • Angle de vue du fond ambiant • Température et émissivité du fond

35. Rendement quantique Il dépend de la longueur d’onde par le coefficient d’absorption du matériau et la recombinaison en surface •  > c,pas d’absorption, () = 0 •  < c, absorption totale, () <1 car une partie des photons sont réfléchis par la surface et une partie des porteurs créés en surface par les rayonnements aux courtes longueurs d’ondes se recombinent avant d ’atteindre la jonction.

36. Caractéristiques des détecteurs IR, Détectivité

37. Barrettes et matrices de détecteurs infrarouge Un seul détecteur n’est généralement pas suffisant pour répondre aux besoins, l’augmentation du nombre d’éléments sensibles pose les problèmes suivants: • Nombre de sorties du cryostat, les pertes thermiques augmentent avec ce nombre • Coût des préamplificateurs et des chaînes de traitement des signaux Conclusion : il faut multiplexer!

38. MultiplexagePour multiplexer les signaux il faut au préalable les avoir amplifiés, filtrés puis échantillonnés et bloqués (EB) pendant une période à l’intérieure de laquelle les échantillons sont placés successivement. Det 1 Av Filtre EB Det 2 Av Filtre EB Signal Vidéo Mux Av Filtre EB Det i Det n Av Filtre EB

39. Multiplexage dans le plan focal Pour effectuer les fonctions nécessaires au multiplexage dans le plan focal il faut que le signal à multiplexer soit intégré pendant le temps de pose T . Le détecteur de flux associé à cet élément intégrateur devient un détecteur d’imagerie. Un intégrateur remplit les fonction d’amplification, de filtrage passe bas et de blocage, le signal échantillonné est : S(t) est le signal délivré par le détecteur, un courant ou une tension.

40. Détecteur d’imagerie: FPA et ROIC • On appellera une barrette ou une matrice de détecteurs d’imagerie FPA ( Focal Plane Array) • Le circuit électronique qui permet, dans le plan focal, d’effectuer l’intégration et le multiplexage des signaux issus des détecteurs de flux s’appelle ROIC (Read Out Integrated Circuit) • Dans le visible, les détecteurs et le ROIC sont en silicium, on peut combiner les deux sur la même puce. • En IR, les matériaux détecteurs sont différents du silicium et il n’est généralement pas possible de combiner les deux sur la même puce. Il devient nécessaire d’hybrider deux puces.

41. Spécifications du ROIC et performances système

42. Principe des circuits ROIC • Circuit d’entrée détecteur quantique • Organisation d ’un TDI CCD • Circuit d’entrée détecteur bolométrique • Organisation des matrices (snap shot et rolling) • Temps d’intégration et limites actuelles • Comment augmenter le temps d’intégration? • Conséquences

43. Technologies des FPA • Problématique : • Détection et traitement sont séparés (matrice de détection et ROIC silicium) • Hybridation (connecter chaque pixel IR à une cellule d’entrée du ROIC) • Fonctionnement à basse température • Conséquences : Éclairement face arrière Dilation différentielle

44. CAMERAS THERMIQUES

45. Applications de l’imagerie thermique

46. Spécifications de besoins

47. Modélisation des systèmes Transmission atmosphérique: - Brume - Brouillard - Pluie - Poussières Contenu de la scène: - Caractéristiques de la cible - Caractéristiques du fond - Mouvements - Textures Qualité d'image Expérience de l'observateur: - Entraînement - Fatigue - Charge de travail Visualisation: - Luminance - Contraste - Distance de l'observateur Performances du système: - Résolution - Sensibilité - Bruit - Fonction de transfert Divers: - Illumination ambiante - Bruit - Vibrations

48. Systèmes d’imagerie IR Matrice fixe : 3ème A balayage : 1 ère et 2 ème génération génération

49. Fonctionnement d’une camera thermique • Focalisation dans le plan du ou des détecteurs de l’image de la scène par une optique IR • Analyse du champ total par balayage un ou deux axes du champ élémentaire vu par le (ou les) détecteurs • Ou échantillonnage par les éléments d’une matrice de détecteurs Une caméra se caractérise par: • Son domaine spectral (3-5 µm ou 8-12 µm) • La configuration des détecteurs • Le principe de balayage Et en termes de performances par : • L’écart de température équivalent au bruit ou NETD • La résolution spatiale et son évolution avec la fréquence spatiale (MRTD)

50. Visualisation de la scène par une caméra thermique Une caméra thermique visualise les objets grâce à : • Leur contraste thermique par rapport au fond (bande 8-12 µm) • La combinaison entre leur contraste thermique et la réflexion solaire (de jour) en bande 3-5 µm Conséquences: • Les images « 8-12 µm » de jour et de nuit sont très semblables • Les images « 3-5 µm » de jour sont sensibles à la présence du soleil