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RÉSUMÉ
L'imagerie infrarouge a connu une véritable révolution avec le développement et la mise à disposition du marché civil de matrices de détection infrarouge non refroidies, jusque-là réservée aux domaines militaire, spatial et civil de haut de gamme. Le développement des technologies de la microélectronique sur silicium a permis la réalisation de matrices de détection non refroidies de plus en plus performantes, à des prix de revient bien inférieurs à ceux accessibles aux détecteurs refroidis. Ces progrès ont ouvert la voie à l'imagerie infrarouge pour le civil et à l'accroissement des quantités pour le militaire. Les principes de base de la détection infrarouge en non refroidi, ainsi que la fabrication de ces détecteurs sont décrits, et leur utilisation dans une caméra est abordée.
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Jean-Luc TISSOT : Directeur technique et directeur de la division marketing, ULIS
INTRODUCTION
L'imagerie infrarouge a connu depuis le début des années 1990 une véritable révolution avec le développement et la mise à disposition du marché civil de matrices de détection infrarouge non refroidies. Jusque là, l'utilisation de l'imagerie infrarouge était réservée aux domaines militaire, spatial et civil de haut de gamme. En effet, les seuls détecteurs disponibles étaient basés sur une détection de type quantique qui nécessite un matériau semi-conducteur dont la largeur de bande interdite est adaptée à la longueur d'onde à détecter comme l'est le silicium pour la détection dans le domaine du visible. Dans le cas de l'infrarouge, les énergies à détecter sont plus faibles (environ 0,1 eV pour la bande spectrale centrée à une longueur d'onde de 10 µm) et donc la bande interdite du matériau semi-conducteur doit être de 0,1 eV ou 100 meV. Cette faible énergie fait qu'à la température ambiante le courant photonique généré dans la structure de détection (photodiode) est complètement masqué par le courant thermique. La seule solution est alors de recourir au refroidissement du photodétecteur pour diminuer le courant d'origine thermique jusqu'à une valeur qui permet la lecture du courant photonique. Ces contraintes (matériau semi-conducteur de faible largeur de bande interdite et machine de refroidissement) font que les détecteurs infrarouges de type quantique sont chers à développer et à produire et chers à utiliser.
En revanche, la détection thermique, basée sur la mesure de l'élévation de température d'un matériau absorbant le flux infrarouge incident, ne nécessite plus de refroidissement pour fonctionner. La difficulté est alors d'intégrer les fonctions nécessaires à ce type de détection dans des pixels suffisamment petits pour réaliser des rétines à deux dimensions de taille raisonnable, adaptées aux applications d'imagerie. Ce sont les développements des technologies de la microélectronique sur silicium qui ont permis, en levant ces difficultés, cette révolution de l'imagerie infrarouge.
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3. Détecteurs pyroélectriques et ferroélectriques
Certains matériaux possèdent naturellement une polarisation spontanée qui varie avec la température et qui peut être inversée par l'application d'un champ électrique. Ces matériaux sont appelés pyroélectriques, leurs propriétés peuvent être expliquées par leur structure cristalline qui est telle que des dipôles existent naturellement du fait de la non coïncidence des centres de gravité des charges positives et des charges négatives. Il apparaît donc une polarisation spontanée P s variable avec la température par suite des modifications qu'entraîne celle-ci sur la structure cristalline et en particulier sur la dimension de la maille cristalline. Le comportement en température de la polarisation spontanée est représenté sur la 5.
Les matériaux pyroélectriques permettent ainsi de réaliser des thermomètres très sensibles. En effet, en dessous de la température de Curie T C, une variation de la température du matériau pyroélectrique induit une variation de sa polarisation et donc un déplacement de charges qui peut être mesuré par un circuit de lecture externe. Le facteur de mérite de ces détecteurs est le coefficient pyroélectrique p qui est la dérivée de la polarisation du matériau en fonction de la température à la température de fonctionnement 5.
Une capacité réalisée avec ces matériaux peut être utilisée pour réaliser un détecteur infrarouge et le coefficient pyroélectrique est une mesure de sa réponse à une variation de température.
En appliquant un champ électrique E (V/m) sur le matériau, l'effet pyroélectrique peut être renforcé par l'effet de variation de la permittivité du diélectrique avec la température qui caractérise les matériaux ferroélectriques. La réponse en tension est donnée par l'expression suivante :
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - DAVIES (T.) - The history of near infrared spectroscopic analysis…, - Analysis magazine 26, no 4, M17-M19 (1998).
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(3) - HERSCHEL (W.) - Phil. Trans. Roy. Soc.London, - Part II, pp. 284-292 (1800).
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(4) - * - [http://coolcosmos.ipac.caltech.edu]
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(5) - BERTRAND (F.), TISSOT (J.L.), DESTEFANIS (G.) - Second generation cooled infrared detectors state of the art and prospects, - 4th International workshop on advanced infrared technology and applications, Florence – Italie, 15-16 septembre 1997.
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(6) - HOOGE (F. N.) - 1/f noise sources, - IEE Transaction on electron devices, Vol. 41, no 11 (Nov....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
SPIE Defense, Security & Sensing. Conférence, cours et salon.
A lieu tous les ans aux États-Unis en avril). [ http://www.spie.org]
SPIE Security + Defence Europe, Conférences, cours et salon.
A lieu tous les ans en Europe. [ http://www.spie.org]
Journées d'Études THERMOGRAM [ http://www.institut-thermographie.com]
QIRT (Quantitative infrared thermography)
HAUT DE PAGE
Il faut distinguer, d'une part, le nombre réduit des développeurs de technologies de détection infrarouge en non refroidi et, d'autre part, le nombre important de fabricants de systèmes ou caméras basés sur ces détecteurs. Cet encadré donne un aperçu des acteurs impliqués dans le développement des technologies de détection en non refroidi. Le marché s'approvisionne auprès de ces acteurs, en détecteurs ou en modules (détecteur + électronique de mise en œuvre) pour réaliser des systèmes infrarouges.
Les développements en détection infrarouge « non refroidi » ont été initiés principalement aux États-Unis et en Grande-Bretagne.
Des travaux ont en effet été menés aux États Unis depuis le début des années 1980 chez Honeywell qui a développé une filière...
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