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1 - L’INFRAROUGE : DE LA SOURCE AU DÉTECTEUR

2 - DÉTECTEURS INFRAROUGE QUANTIQUES

3 - DÉTECTEURS INFRAROUGE THERMIQUES

4 - COMPARAISON DES PERFORMANCES DE DÉTECTEURS MATRICIELS INFRAROUGE

5 - MODÈLE DE PERFORMANCES DU DÉTECTEUR

6 - PANORAMA DES FILIÈRES EXISTANTES

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

9 - SIGLES ET SYMBOLES

10 - REMERCIEMENTS

Article de référence | Réf : E4060 v2

Détecteurs matriciels pour l’infrarouge

Auteur(s) : Isabelle RIBET, Marcel CAES, Sophie DERELLE, Sylvie BERNHARDT, Julien JAECK

Relu et validé le 12 avr. 2021

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Présentation

RÉSUMÉ

Les caméras infrarouge permettent d’adresser une large palette d’applications, allant de la défense à l’astronomie, en passant par le diagnostic thermique. Le détecteur matriciel infrarouge est situé au cœur de la caméra infrarouge et il influence ses performances et sa mise en œuvre. Pour cette raison, il doit donc faire l’objet d’un choix réfléchi. Cet article présente les principales filières technologiques de détecteurs matriciels infrarouge disponibles commercialement. Il décrit les fonctions de mérite couramment utilisées pour tenter de comparer leurs propriétés, puis propose un modèle de performance pour aider le concepteur de caméra à choisir le détecteur le mieux adapté à une application donnée.

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ABSTRACT

Infrared focal plane arrays

Infrared cameras can address a wide range of applications, including defense, astronomy and thermal diagnostics. The infrared focal plane array is a key component of the infrared camera and influences its performance and implementation. It must therefore be the subject of a well-considered choice. This article presents the main commercially available technologies of infrared focal plane arrays. It describes the merit functions commonly used to try to compare their performance, and then proposes a performance model to help the camera designer choose the most suitable detector for a given application.

Auteur(s)

  • Isabelle RIBET : Ingénieure à l’ONERA, Palaiseau, France - Enseignante associée à l’IOGS, Palaiseau, France

  • Marcel CAES : Ingénieur à l’ONERA, Palaiseau, France

  • Sophie DERELLE : Ingénieure à l’ONERA, Palaiseau, France

  • Sylvie BERNHARDT : Ingénieure à l’ONERA, Palaiseau, France

  • Julien JAECK : Ingénieur à l’ONERA, Palaiseau, France

INTRODUCTION

Le silicium est le matériau sur lequel repose toute la technologie des détecteurs matriciels dans le domaine du visible (entre 0,4 et 0,8 μm de longueur d’onde). Il est en effet utilisé aussi bien pour absorber la lumière que pour traiter le signal électrique ainsi généré. À ce jour, l’architecture de lecture dite CMOS (Complementary Metal-Oxyde Semiconductor) s’est imposée pour les applications grand public, même si l’architecture CCD (Charge Coupled Device) reste utilisée pour certaines applications telles que l’astronomie. On trouve couramment des détecteurs matriciels pour le visible de format supérieur au mégapixel (103 × 103 pixels). Il est même possible d’aller jusqu’à la centaine de mégapixels sans aboutage (104 × 104 pixels) et jusqu’au gigapixel (109 pixels) par aboutage de plusieurs matrices.

Dans le domaine infrarouge, il n’est plus possible d’utiliser le silicium comme matériau absorbant. En effet, son énergie de bande interdite ou gap est de 1,12 eV à température ambiante, ce qui rend impossible l’absorption de longueurs d’ondes supérieures à 1,11 μm. Il faut donc se tourner vers d’autres matériaux. Les semiconducteurs candidats ne manquent pas, et il existe en conséquence de nombreuses filières technologiques pour l’infrarouge. Ainsi, le concepteur de caméras infrarouge doit, à chaque nouveau développement, se poser la question du choix de la filière de détecteurs qu’il retiendra, sachant que ce choix influencera les performances de la caméra (sensibilité, résolution, portée...), ses caractéristiques (volume, masse, consommation électrique...) et sa mise en œuvre (besoin éventuel en cryogénie, fréquence de rafraîchissement de l’étalonnage...). L’objectif de cet article est de donner au lecteur les informations nécessaires pour réaliser un choix éclairé en matière de détecteur infrarouge pour des applications en imagerie passive. Nous ne traitons pas ici du cas de l’imagerie active qui nécessite l’utilisation d’un laser en régime impulsionnel combiné à un détecteur spécifique.

Nous commençons par rappeler au paragraphe 1 quelques généralités sur l’infrarouge et sur la physique de la détection dans ce domaine spectral. Aux paragraphes 2 et 3, nous présentons les deux grandes familles de détecteurs infrarouge, à savoir les détecteurs quantiques et les détecteurs thermiques. Dans le paragraphe 4, nous passons en revue les fonctions de mérite utilisées pour tenter de comparer leurs performances. Nous expliquons ensuite au paragraphe 5 comment modéliser les performances de la brique détecteur pour l’intégrer à un modèle global de performances d’un instrument infrarouge. Enfin, dans le paragraphe 6, nous présentons un panorama des filières commerciales de détecteurs matriciels et nous concluons sur les tendances actuelles et les évolutions attendues dans les années à venir.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles et des symboles utilisés.

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KEYWORDS

infrared focal plane array   |   quantum detector   |   thermal detector   |   performance model

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e4060


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MEYZONNETTE (J.-L.), LEPINE (T.) -   Bases de la radiométrie optique.  -  Cépaduès Éditions (2002).

  • (2) - VATSIA (L.M.) -   Atmospheric optical environment.  -  Research and Development Technical Report ECOM-7023, Prepared for the Army Night Vision Lab, Fort Belvoir, Va (1972).

  • (3) - SIMONEAU (P.), BELLISARIO (C.), DERELLE (S.), DESCHAMPS (J.), HENRY (D.), -LANGLOIS (S.) -   Nightglow studies at Onera for night-vision applications.  -  In Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems XX, International Society for Optics and Photonics, vol. 10425, p. 104250E (2017).

  • (4) - RIALLAND (V.), GUY (A.), GUEYFFIER (D.), PEREZ (P.), ROBLIN (A.), SMITHSON (T.) -   Infrared signature modelling of a rocket jet plume-comparison with flight measurements.  -  In Journal of Physics : Conference Series, IOP Publishing, vol. 676, n° 1, p. 012020 (2016).

  • (5) - ROGALSKI (A.) -   Infrared detectors.  -  CRC press (2010).

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

NORMES

  • « Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras » - EMVA 1288 -

1 Brevets

WHITE (A.). – Infrared detectors, US Patent 4 679 063 (22 septembre 1983).

McKENZIE (T.K.C.), BORNFREUND (R.E.), LEONARD (D.) et CARLSON (G.A.) (2018). – US Patent n° 10, 153, 204. Washington, DC : US Patent and Trademark Office.

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

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2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs de détecteurs matriciels infrarouge (liste non exhaustive)

AIM https://www.aim-ir.com/en/home.html

Chunghwa https://www.clpt.com.tw/

Fairchild Imaging (Bae Systems) https://www.fairchildimaging.com/products/thermal-cores

Ghopto http://www.ghopto.com

Global Sensor Technology http://gsten.gst-ir.com/

Hamamatsu https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/image-sensor/ingaas-image-sensor/index.html...

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