FR2537277A1

FR2537277A1 - Infra-red detector array with array of bicones

Info

Publication number: FR2537277A1
Application number: FR8220215A
Authority: FR
Inventors: Georges Maurice Gauffre
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1982-12-02
Filing date: 1982-12-02
Publication date: 1984-06-08
Also published as: FR2537277B1

Abstract

The infra-red detector array consists of a plate 21 made of a good thermal conductor pierced with a number of biconic or bipyramidal holes whose axes coincide with those of the infra-red detectors in the array. The holes have a convergent part 2 whose small base 8 and large base 6 are of such a size that the holes reflect rays having an oblique angle of incidence exceeding a certain threshold. They also have a divergent part 3 whose small base 8 and large base 7 are of such a size that the rays emerging from the holes have a given obliquity.

Description

MOSAIQUE DE DETECTEURS INFRAROUGES A MOSAIQUE DE BICONES
La présente invention concerne une mosalque de détecteurs infrarouges limitant l'angle d'incidence du faisceau infrarouge tombant sur la mosalque par effet de filtrage angulaire et, plus précisément, une mosaïque de détecteurs infrarouges comprenant une mosaïque de bicônes dans laquelle chaque bicone est associé à un détecteur.MOSAIC OF INFRARED MOSAIC DETECTORS OF BICONES
The present invention relates to a mosaic of infrared detectors limiting the angle of incidence of the infrared beam falling on the mosaic by angular filtering effect and, more specifically, a mosaic of infrared detectors comprising a mosaic of bicones in which each bicone is associated with a detector.

Les détecteurs infrarouges quantiques ont fait ces dernières années des progrès décisif s, notamment dans deus directions. D'une part, leur sensibilité s'est considérablement améliorée et les mesures que l'on peut effectuer avec de tels dispositifs sont souvent limitées, non par le bruit du détecteur lui-meme, mais par les fluctuations fondamentales du flux de rayonnement qui provient de l'objet à détecter et du fond qui l'entoure Ces fluctuations induisent au niveau du détecteur un bruit du type Schottky qui limite la précision des mesures. Quantum infrared detectors have made decisive progress in recent years, particularly in two directions. On the one hand, their sensitivity has improved considerably and the measurements that can be made with such devices are often limited, not by the noise of the detector itself, but by the fundamental fluctuations of the radiation flux that comes from of the object to be detected and of the background which surrounds it These fluctuations induce at the level of the detector a noise of the Schottky type which limits the precision of the measurements.

En d'autres termes, les performances potentielles d'un détecteur infrarou$efesont plus limitées par le détecteur lui-meme mais par la quantité de photons qu'il reçoit. Cette quantité de photons dépend de la surface du détecteur, de son environnement et de l'angle sous lequel il revoit des photons venant du fond.In other words, the potential performance of an infrared detector is more limited by the detector itself but by the amount of photons it receives. This amount of photons depends on the surface of the detector, its environment and the angle at which it sees photons coming from the bottom.

D'autre part il est possible d'associer en parallèle un grand nombre de détecteurs pour former des matrices ou mosaïques. Si l'on considère un détecteur infrarouge enfermé dans une boîte noire et froide percée d'un trou pour établir la communication avec l'extérieur, le flux de photons perçu par le détecteur est le produit de la luminance photonique t dans le milieu extérieur par l'angle solide déli p mité par le diaphragme et le détecteur.Ce flux est donné par l'expres- 2 2 2 sion : Q = L Ud - tp X a sin 6 où 2a est le diamètre ou la largeur du détecteur et 2 O l'angle centré sur le détecteur et s'appuyant sur les bords du diaphragme. Pour diminuer le bruit dû à ce flux de photons, il est important de réduire l'angle O à la valeur minimale nécessaire à l'observation en cours
Le produit = = 4 a sin est l'invariant de Lagrange.La présence de cet invariant reflète la conservation de l'énergie. Si tout en conservant # on ,ouvre le faisceau au maximum o. = n/2, la section mi- nimale de concentration du flux deviendra a tel que a - X /4
o
d'ou sin O= a /a ( i )
o
L'utilisation d'une matrice de détecteurs est surtout utile pour examiner simultanément de multiples points de l'objet étudié (imagerie) Cette technique remplace alors celle du balayage par un seul détecteur. Comme chaque détecteur regarde un point différent de l'objet, la mesure est équivalente à un échantillonnage des luminances des divers points de l'objet avec un pas p égal à l'intervalle entre les détecteurs .Si la distribution des luminances comprend des fréquences spatiales supérieures à l/2p, il se produit un phénomène de recouvrement de spectres. Dans une mosaïque, les détecteurs ne sont pas jointifs et leur largeur ou leur diamètre 2a est inférieure au pas p. Chaque détecteur opère une intégration des phénomènes sur une
4a2 surface 4a (détecteurs carrés). Cela correspond à un face trage des fréquences spatiales élevées mais ce filtrage est d'autant moins efficace que a est petit devant p. On the other hand it is possible to associate in parallel a large number of detectors to form matrices or mosaics. If we consider an infrared detector enclosed in a black box and cold pierced with a hole to establish communication with the outside, the photon flux perceived by the detector is the product of the photon luminance in the external environment by the solid angle delineated by the diaphragm and the detector. This flow is given by the expression 2 2: Q = L Ud - tp X a sin 6 where 2a is the diameter or the width of the detector and 2 O the angle centered on the detector and resting on the edges of the diaphragm. To reduce the noise due to this photon flux, it is important to reduce the angle O to the minimum value necessary for the current observation.
The product = = 4 a sin is the invariant of Lagrange. The presence of this invariant reflects the conservation of energy. If while keeping # on, open the beam to the maximum o. = n / 2, the minimum flow concentration section will become such that a - X / 4
o
where sin O = a / a (i)
o
The use of a matrix of detectors is especially useful for examining multiple points of the studied object simultaneously (imaging). This technique then replaces that of the scanning by a single detector. Since each detector looks at a different point of the object, the measurement is equivalent to a sampling of the luminances of the various points of the object with a pitch p equal to the interval between the detectors. If the distribution of the luminances comprises spatial frequencies greater than 1 / 2p, a phenomenon of spectral overlap occurs. In a mosaic, the detectors are not contiguous and their width or their diameter 2a is smaller than the pitch p. Each detector operates an integration of the phenomena on a
4a2 surface 4a (square detectors). This corresponds to a face of high spatial frequencies, but this filtering is all the less effective if a is small in front of p.

Si on d'esFeEar T , le taux de remplissage surfacique de la matrice
22
# = 4a/p lorsque T < 1, il y a perte d'énergie car tous les points du plan focal ne sont pas sondés et aggravation des phénomènes de recouvrement de spectre, si l'image est riche en hautes fréquences.If one of esFeEar T, the surface fill rate of the matrix
22
# = 4a / p When T <1, there is a loss of energy because not all points of the focal plane are probed and worsening of spectrum overlap phenomena, if the image is rich in high frequencies.

D'autre part, l'utilisation de matrices de grandes dimensions limite beaucoup l'usage de diaphragmes refroidis. On the other hand, the use of large matrices greatly limits the use of cooled diaphragms.

La dimension latérale de la matrice pouvant dépasser le diamètre du diaphragme, tous les points de la matrice ne peu vent entre limités simultanément par le diaphragme optimal.Since the lateral dimension of the matrix can exceed the diameter of the diaphragm, all the points of the matrix can not be between simultaneously limited by the optimum diaphragm.

L'utilisation d'un cône réfléchissant comme filtre angulaire pour concentrer un faisceau-optique, en remplace- ment d'une lentille, a été suggérée et essayée par plusieurs auteurs, notamment par : - Williamson D.E., JOSA 42,p.712-715 (1952), Cone Channel
Condenser - W. Witte, Cone Channel Optics, Infrared Physics 5, 4, p. 179-186 (1965) - Burton C.H., Cone Channel Optics, Infrared Physics (1975), 15, p. 157-159.The use of a reflective cone as an angular filter for concentrating an optical beam, replacing a lens, has been suggested and tried by several authors, in particular by: - Williamson DE, JOSA 42, p.712- 715 (1952), Cone Channel
Condenser - W. Witte, Cone Channel Optics, Infrared Physics 5, 4, p. 179-186 (1965) - Burton CH, Cone Channel Optics, Infrared Physics (1975), 15, p. 157-159.

La limitation de la méthode est bien connue : la réduction de surface ne peut transgresser la loi de conservation de $ . Si le faisceau à l'entrée du cône a une demi-ouverture d et un rayon b, le rayon minimal de concentration est b donné par l'équation
o
b = b sin d = $/4 (2)
o
Au delà de la section du cône correspondant à ce rayon, les faisceaux optiques sont refoulés vers l'entrée du cône.The limitation of the method is well known: the reduction of surface can not transgress the conservation law of $. If the beam at the entrance of the cone has a half-opening d and a radius b, the minimum radius of concentration is b given by the equation
o
b = b sin d = $ / 4 (2)
o
Beyond the section of the cone corresponding to this radius, the optical beams are forced towards the cone inlet.

En revanche, si une source émettant dans tout le demi-espace (#=#/2) est appliquée sur la petite section d'un tronc de cône de~rayon bo, à l'autre extrémité de
o rayon b, le faisceau fera un angle maximum # tel que
b = b sin cb
o
Si l'on dispose devant un détecteur, un tronc de cône refroidi et réflecteur latéralement d'ouvertures b et b , le détecteur
o ne percevra le fond venant de l'extérieur que pour des angles inférieurs à # tels que
sin = b0,"b (3)
Les rayons parvenant à l'entrée du tronc de cône sous un angle supérieur à ç seront refoulés par réflexion et le détecteur sera protégé d'une partie du fond.Le tronc de cône com- poxte comme un filtre angulaire sélectionnant les rayons se propageant au voisinage de l'axe et reflechissant les autres. Mais un détecteur placé juste derriere l'ouverture de rayon b recevrait du rayonnement sous incidence élevée
o ce qui n'est pas la situation optimale pour les détecteurs,
Pour adapter exactement le détecteur au faisceau, le premier tronc de cône est suivi d'un second, divergent, qui ramène les faisceaux à un angle conforme à l'optimisation du détecteur. En fait, la détermination des paramètres des deux troncs de cône suit l'ordre inverse.On the other hand, if a source emitting in all the half-space (# = # / 2) is applied on the small section of a truncated cone of ~ radius bo, at the other end of
o radius b, the beam will make a maximum angle # such that
b = b sin cb
o
If a detector with a cooled truncated cone and laterally reflective of apertures b and b is available, the detector
o will perceive the bottom coming from the outside only for angles inferior to # such that
sin = b0, b (3)
The rays reaching the entrance of the truncated cone at an angle greater than ç will be reflected by reflection and the detector will be protected from a part of the bottom. The cone frustum consumes as an angular filter selecting the rays propagating at the neighborhood of the axis and reflecting the others. But a detector placed just behind the ray aperture b would receive high incidence radiation
o which is not the optimal situation for the detectors,
To exactly match the detector to the beam, the first cone frustum is followed by a second, divergent, which brings the beams to an angle consistent with the optimization of the detector. In fact, the determination of the parameters of the two truncated cones follows the reverse order.

Le détecteur de rayon a étant optnnal pour une demi- ouverture de faisceau de e on a pour le premier tronc de cône
a = a sin o
o,
D'autre part la condition de filtrage angulaire donne pour le second tronc de cône
b = b sin#
o et l'on prend ao = b
o
Conformément à l'invention, la mosaïque de détecteurs comprend une plaque en matériau bon conducteur de la chaleur, ladite plaque étant percée dune pluralité de icônes ayant le même pas que les détecteurs de la mosaique. de détec- teurs et respectivement coaxiaux avec les détecteurs et des moyens de refroidir ladite plaque.The radius detector a is optnnal for a half-beam opening e is for the first truncated cone
a = a sin o
o
On the other hand the angular filtering condition gives for the second truncated cone
b = b sin #
o and we take ao = b
o
According to the invention, the mosaic of detectors comprises a plate of good heat-conducting material, said plate being pierced with a plurality of icons having the same pitch as the detectors of the mosaic. detectors and respectively coaxial with the detectors and means for cooling said plate.

De préférence1 le rayon b des bases des troncs de cône dirigées vers l'objet est égal à (#272) fois le pas p des détecteurs dans la mosaïque. De cette façon la face avant de la mosaïque de bicornes est.toute entière occupée par les bases des bicônes. Preferably, the radius b of the bases of the truncated cones directed towards the object is equal to (# 272) times the pitch p of the detectors in the mosaic. In this way the front face of the mosaic of bicorns is entirely occupied by the bases of the bicones.

L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - la Fig. 1 représente un détecteur recevant un faisceau infrarouge sous un angle Q. Elle donne l'expression de l'étendue géométrique du faisceau et l'expression de l'invariant de Lagrange pour trois couples de valeurs de O et de a - les Figes. 2 et 2b montrent les deux troncs de cône formant le bicône; - les Figs. 3a et:3b représentent un bicône isolés et - la Fig 4 représente la mosaïque de détecteurs associée à la mosalque de bicônes. The invention will now be described in detail in connection with the accompanying drawings in which: FIG. 1 represents a detector receiving an infrared beam at a Q angle. It gives the expression of the geometrical extent of the beam and the expression of the Lagrange invariant for three pairs of values of O and a - Figs. 2 and 2b show the two truncated cones forming the bicone; - Figs. 3a and 3b represent an isolated biconica and FIG. 4 represents the mosaic of detectors associated with the mosaic of bicones.

La Fig. 1 représente un détecteur l'de rayon a et un diaphragme Â délimitant un faisceau entrant de demi-ou verture o O L'étendue du faisceau est
2 = 2
Ud = a sin O. Fig. 1 represents a detector 1a of radius a and a diaphragm A delimiting an incoming beam of half-or-half width, where the extent of the beam is
2 = 2
Ud = a sin O.

et l'invariant de Lagrange est # = 4a sin O
La Fig. 2a représente un tronc de cône convergent ayant une grande base de rayon b et une petite base qui peut avoir un rayon b'o > bo , bo ou b "o < b"o. Ce tronc de cône reçoit sur sa gauche les rayons venant de l'objet sous l'angle #. Dans le plan de la base b , les rayons entrants sont réfléchis. Les
o rayons ne peuvent jamais pénétrer dans la partie comprise entre les bases b et b" o On limite le tronc de cône à la base
o o b'o de rayon légèrement supérieur à b . L'angle d'entrée du
o faisceau est alors très voisin de # donné par l'équation (3).and the invariant of Lagrange is # = 4a sin O
Fig. 2a represents a convergent conical frustum having a large base of radius b and a small base which may have a radius b'o> bo, bo or b "o <b" o. This truncated cone receives on its left the rays coming from the object under angle #. In the plane of the base b, the incoming rays are reflected. The
o rays can never penetrate the part between the bases b and b "o It limits the truncated cone to the base
oo b'o of radius slightly greater than b. The entry angle of the
o beam is then very close to # given by equation (3).

La Fig. 2b représente un tronc de cône divergent placé entre le tronc de cône de la Fig. 2a et la mosaïque de détec teurs. Sa petite base a un rayon a voisin de b' et sa
o o grande base de sortie a pour rayon a et l'angle de sortie du faisceau est O donné par l'équation ( 1). Fig. 2b represents a divergent cone frustum placed between the truncated cone of FIG. 2a and the mosaic of detectors. Its small base has a radius near b 'and its
oo large output base a for radius a and the beam exit angle is O given by equation (1).

Dans les Figs. 3a et 3b, on a représenté un icône isolé 1 comprenant un tronc de cône convergent 2 et un tronc de cône divergent 3,des grandes bases 6 et 7 et une petite base 8
On a supposé que les axes des bicônes étaient aux sommets d'un carré de coté p. et que les rayons des grandes bases b étaient égaux à la moitié de la diagonale du carré. Dans ces conditions, la face avant des la mosaSque de bicônes est formée par une série de points discrets 4 situés dans un méme plan et par des segments 'hyperbole 5 passant par ces points
La Fig. 4 représente en perspective la mosaïque de détecteurs 10 et la mosaïque de bicônes 20 écartées l'une de l'autre.Leur assemblage se fait au moyen de boulons 30 passant par des trous 32 et des écrous 31.In Figs. 3a and 3b, there is shown an isolated icon 1 comprising a converging conical trunk 2 and a divergent truncated cone 3, large bases 6 and 7 and a small base 8
It was assumed that the axes of the bicones were at the vertices of a square p. and that the rays of the great bases b were equal to half the diagonal of the square. Under these conditions, the front face of the mosaic of bicones is formed by a series of discrete points 4 situated in the same plane and by segments' hyperbole 5 passing through these points
Fig. 4 represents in perspective the mosaic of detectors 10 and the mosaic of bicones 20 spaced apart from one another.Their assembly is made by means of bolts 30 passing through holes 32 and nuts 31.

La mosaïque de détecteurs 10 comprend une pluralité de détecteurs 11 disposés matriciellement, de forme-circulaire et de rayon a. La distance entre centres de détecteurs adjacents est égale à p. La mosaïque de détecteurs est entourée d'un cadre métallique33. La mosaïque de bicônes est une plaque 21, en cuivre par exemple,dans laquelle les icônes 2-3 sont percés. L'usinage des icônes peut se faire selon différents procédés par exemple par poinçonnage ou par étincellage. The mosaic of detectors 10 comprises a plurality of detectors 11 arranged in a matrix manner, of circular shape and radius a. The distance between adjacent detector centers is equal to p. The mosaic of detectors is surrounded by a metal frame33. The mosaic of bicones is a plate 21, for example copper, in which the icons 2-3 are drilled. The machining of the icons can be done according to different methods, for example by punching or by sparking.

On a représenté seulement les icônes de cinq lignes et deux colonnes. On retrouve sur la face avant les points discrets 4 et les courbes paraboliques 5 délimitant les embouchures 6 des icônes sur le plan avant de la plaque 21. Only the icons of five lines and two columns are shown. On the front side are the discrete points 4 and the parabolic curves 5 delimiting the mouths 6 of the icons on the front plane of the plate 21.

L'embouchure 6 donne accès au tronc de cône convergent 2 suivi du tronc de cône divergent 3. Ce dernier a une eibou- chure 7 qui quand la mosaïque "détecteurs-bicônes" est assem-: blée viennent recouvrir les détecteurs ll
La plaque 21 présente au moins une chambre 22 dans laquelle circule un fluide réfrigérant.The mouth 6 gives access to the converging conical trunk 2 followed by the divergent conical truncus 3. The latter has a mouthpiece 7 which, when the mosaic "detectors-bicones" is assembled, cover the detectors ll
The plate 21 has at least one chamber 22 in which circulates a cooling fluid.

La mosaSque de bicônes refroidie placée devant une mosalque de détecteurs infrarouges limite les échanges d'énergie entre les détecteurs et le milieu ambiant, réduit le flux de photons atteignant les détecteurs à la quantité strictement nécessaire et limite les déperditions thermiques entre les détecteurs et le fond. The cooled miconic mosaic located in front of a mosaic of infrared detectors limits the energy exchanges between the detectors and the surrounding environment, reduces the flow of photons reaching the detectors to the strictly necessary quantity and limits the heat losses between the detectors and the bottom. .

Dans la description précédente, on a supposé que les bicônes avaient une section circulait. Les bicônes peuvent être remplacés par les troncs de pyramides convergents-divergents ayant des bases dans le plan avant de la mosaSque qui garnissent sans vide cette face. La base de ces troncs de pyramides peut entre des triangles équilatéraux, des carrés ou des hexagones rEguliersO Dans ce cas les axes des troncs de pyramide qui sont les axes des cercles circonscrits coïncident respectivement avec les axes des détecteurs. In the previous description, it was assumed that the bicones had a section circulating. The bicones can be replaced by convergent-divergent pyramid trunks having bases in the front plane of the mosaic, which fill this face without a vacuum. The base of these truncated pyramids may be between equilateral triangles, squares or regular hexagons. In this case the axes of the truncated pyramids which are the axes of the circumscribed circles coincide respectively with the axes of the detectors.

Claims

- R E VE N D I - AT I 0 8 S -

1 - Mosal infrared detectors characterized in that it comprises a plate (21) of good heat conducting material pierced with a plurality of biconical or bipyramidal holes whose axes coincide respectively with the axes of the infrared detectors of the mosaic, said holes having a convergent portion (2) whose small base (8) and the large base (6) are sized so that said holes reflect the rays having an obliquity exceeding a certain threshold and a diverging portion (3) of which the small base (8) and the large base (7i) are dimensioned so that the outgoing radii of said holes have a given obliquity.

2 - mosaic of infrared detectors according to claim 1, characterized in that the holes are biconical and the large bases (6) and (7) are circular and have respective radii b and a and that the small base (8) has a radius aO- = b and that the limiting angles of input 9 and output O of the beam in the biconical trunk are given by sin e = ao / a and sin = b0, / b

3 - Mosaic of infrared detectors according to claim 2, characterized in that the infrared detectors of the mosaic are arranged in a square matrix of pitch P and the radius of the large base (6-) of the converging portion of the holes is equal to (# 2/2) p.

4 - Mosaic of infrared detectors according to claim 1, characterized in that the plate (21) comprises cooling means (22).