FR2712694A1 - Détecteur thermique. - Google Patents

Abstract

Le détecteur thermique comprend une rangée (1) d'éléments détecteurs thermiques (3) chacun connecté à une ligne commune (9) par l'intermédiaire de la porte d'un préamplificateur (5) à haute impédance d'entrée et à un commutateur (7). Le signal de sortie de la ligne (9) est pris aux bornes d'une résistance de charge (R1 ) formant une charge suiveuse de source commune pour les préamplificateurs (5). Le signal aux bornes de la résistance de charge est envoyé par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas (13) à un circuit d'échantillonnage et de maintien (S/H). Les signaux passent sur un filtre numérique passe-haut (15) destiné à soustraire les signaux successifs provenant de chaque élément détecteur correspondant à des positions d'ouverture et de fermeture d'un modulateur de rayonnement, ce qui atténue le bruit 1/f.

Description

La présente invention concerne un détecteur thermique,- du type comprenant

un réseau d'éléments détecteurs thermi-

ques. L'invention est applicable aussi bien aux réseaux de détecteurs linéaires que bidimensionnels.. 5 Les réseaux de détecteurs linéairesconviennent parti- culièrement pour des applications dans lesquelles il existe un mouvement relatif entre la tête de détection et tout objet dont on forme l'image. A titre d'exemples, on peut citer les alarmes de détection d'intrusion o l'objet se10déplace devant la tête de détection, et les détecteurs à défilement o un véhicule en mouvement balaie ou suit la tête de détection selon un mouvement continu dans le

champ. Il peut être nécessaire de disposer de réseaux de centaines d'éléments détecteurs mais, du fait de l'absence15de balayage du détecteur le long de la ligne, les largeurs de bande sont faibles. Dans de nombreuses de ces applica-

tions, on peut obtenir une largeur de bande inférieure à 50 Hz. Ainsi, dans l'exemple d'une alarme de détection d'intrusion, o les vitesses de l'objet U sont généralement o de l'ordre de 2 m/s, une résolution Q de 0,1 m conduit

à une largeur de bande Uo/2Q inférieure à 50 Hz.

Les réseaux de détecteurs bidimensionnels sont utili- sables pour une large gamme d'applications de surveillance en infrarouge.25 A l'heure actuelle, le développement du détecteur thermique est dirigé vers l'obtention de réseaux ayant un grand nombre d'éléments avec un faible pas inter-élément. Jusqu'à maintenant les réseaux de détecteurs linéaires et bidimensionnels ont été basés sur l'exploration d'un réseau d'éléments pyroélectriques par un dispositif de charge couplée (CCD). Ces détecteurs CCD hybrides sont discutés dans un récent article de R Watton et ses collabo- rateurs, intitulé "Performance and Technologies for linear and Two- dimensional Pyroelectric Arrays" (possibilités35 et technologies des réseaux pyroélectriques linéaires et bidimensionnels), IEE Conference Publications n 228, 2 seconde conférence internationale sur les détecteurs et ensembles infrarouge de pointe, pages 49-53 (1983). Cependant, dans ces dispositifs CCD hybrides, le signal et le bruit de chaque élément sont échantillonnés et maintenus5 sur la cellule élémentaire de construction d'image (dite ci-après pixel) en utilisant la source d'entrée CCD, ce qui se traduit par une substitution du bruit sur le pixel. En particulier, le bruit thermique sur la porte CCD, lors- qu'il est substitué, donne naissance à un bruit de (4kT C)10 3 volts efficaces, o C est la capacité du détecteur et

le rendement d'injection. Du fait que le signal de tension pyroélectrique développé est indépendant de la surface A de l'élément, le rapport signal/bruit de cette source15 de bruit dominant est proportionnel à A=, c'est-à-dire qu'il est proportionnel au pas de l'élément.

La tendance actuelle, dans le développement de réseaux importants, est de réduire le pas élémentaire mais, d'après ce qui précède, cette réduction intervient au niveau du CCD au prix des performances. L'exploration CCD est20 effectivement limitée à un pas inter-élément de 100 pm ou davantage pour obtenir un rapport signal/bruit acceptable avec la technologie usuelle. D'autres références utiles actuelles concernant les hybrides CCD-pyroélectriques sont les suivantes: R. Watton, et collaborateurs, "Infrared Physics" 22, pages 259-275 (1982); R. Watton, et collaborateurs; "SPIE Proceedings" vol. 395 (1983); et D. Buss, et collaborateurs, "IEEE Trans EL Devices", Vol.

ED-2i, 998-1000 (1980).

Selon une variante de conception du CCD, des éléments détecteurs ont été explorés au moyen de commutateurs en matrice multiplexée et de lignes générales. On peut citer à titre d'exemples de cette variante le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 162 402 de G S Hopper. Comme décrit dans ledit brevet, une rangée d'éléments détecteurs ferro-élec- triques est couplée à une ligne générale par l'intermédiaire d'une rangée d'un même nombre de commutateurs à transistors à effet de champ, à semi-conducteur métal-oxyde (MOSFET). Le signal de la

ligne générale est relayé sur un processeur vidéo par l'in-

termédiaire d'un amplificateur commun, Un détecteur similaire à celui présentcment considéré, est décrit par A Carlson et collaborateurs dans cun article

intitulé "Solid-State pyroelectric imaging system", (ensem-

ble de formation d'image pyroélectiique à l'état solide), SPIE, vol. 267 Staring Infrared Focal Plane Technology pages 86-98 (1981), Ce détecteur comprend une rangée d'éléments détecteurs thermiques pyroélectriques, une couche support à semi-conducteur, un pré- amplificateur d'entrée à haute impédance respectif avec un commutateur associé noyé dans la couche et destiné à chacun des éléments, ainsi qu'une ligne générale commune. La rangée d'éléments

pyroélectriques est couplée à une ligne générale par l'in-

termédiaire de pré-amplificateurs commutables dont chacun comprend un transistor unijonction à effet de champ à double porte (JFET), Chaque élément détecteur est connecté à une porte de son JFET correspondant et la tension du signal sur cette porte commande le débit de courant dans le canal du transistor. Ce pré-amplificateur est commuté au moyen d'une adresse de tension appliquée sur son autre porte, Un problème associé avec ce choix de pré-amplificateur réside dans la grandeur relativement importante du courant de fuite de porte, ce qui fait intervenir une restriction sévère sur la structure et le fonctionnement du transistor, Le réseau silicium des JFET doit être réalisé en mettant en oeuvre des techniques de traitement spéciales afin de

maintenir le courant de fuite au-dessous d'environ 10 13A.

La ligne générale est suivie par un convertisseur d'impé-

dance et par un registre à décalage analogique.

La présente invention est dirigée sur les détecteurs thermiques comprenant un nombre élevé d'éléments détecteurs et elle est destinée à permettre un agencement o le pas

inter-élément est relativement petit (c'est-à-dire <100 "m).

Le détecteur thermique selon l'invention comprend (1) une rangée d'éléments détecteurs thermiques disposée de façon à recevoir un rayonnement provenant d'une scène; (2) un moyen de modulation destiné à moduler le rayonnement provenant de la scène de telle sorte que chaque élément détecteur subisse des périodes alternées de lumière et d'obscurité et soit illuminé séquentiellement le long de la rangée; (3) un moyen d'adressage synchronisé avec le moyen de modulation et destiné à échantillonner les signaux de

lumière et d'obscurité provenant de chaque élément détec-

teur séquentiellement sur une sortie de rangée commune; et (4) un filtre passe-bande' destiné à faire passer les signaux de sortie des éléments détecteurs reçus à partir

de la sortie de rangée commune, le filtre ayant des carac-

téristiques de transmission appropriées de manière à réduire le bruit substitué et le bruit 1/f, L'invention surmonte une combinaison de problèmes

survenant dans les réseaux de détecteurs thermiques échan-

tillonnés. On a trouvé que de tels réseaux sont inaccepta-

blement bruyants pour de nombreux usages. De façon sur-

prenante, on a trouvé qu'une source principale de bruit provient du bruit substitué à haute fréquence sur la bande

de base produite par les signaux individuels d'échantillon-

nage des éléments détecteurs. Comme indiqué plus haut, on a pensé que ce fait est un problème spécifique aux

réseaux d'éléments pyroélectriques avec exploration CCD.

En outre, on a trouvé qu'il était nécessaire de prévoir un affaiblissement du bruit 1/f (f = fréquence). Cependant,

il existe une impossibilité pratique de disposer les compo-

sants d'un filtre relativement encombrant en position adja-

cente aux éléments détecteurs individuels de l'ordre de p carrés par exemple. La présente invention résout ces

problèmes en multiplexant les signaux des détecteurs élémen-

taires sur une sortie de rangée commune et, de là sur un filtre passebande. Le filtre peut alors être disposé à l'extérieur du réseau et ne demande pas à être associé avec chaque élément détecteur individuel. Les formes de réalisation de l'invention présentent un avantage en ce qui concerne le bruit selon un facteur 10 ou davantage par rapport aux détecteurs thermiques antérieurs à explo- ration CCD de géométrie similaire. L'invention procure donc des perfectionnements importants, en particulier pour des réseaux ayant un pas inter-élément inférieur à 100 pm. Dans une forme de réalisation préférée, le filtre passe-bande présente des caractéristiques élevées de passage provenant de l'extraction d'un signal de différence à partir

de groupes de deux signaux de lumière et d'obscurité pro-

duit par chaque élément détecteur, ce qui est réalisé en retardant un signal suffisamment pour le synchroniser avec

un signal suivant devant être pris en compte dans la sous-

traction. Les signaux peuvent être filtrés en passe-bas par un filtre RC, puis mis sous forme numérique avant retard et soustraction dans les dispositifs numériques formant le filtre passe-haut. Le filtre passe- bas peut comprendre un amplificateur et un dispositif d'échantillonnage et

de maintien en mémoire.

Les éléments détecteurs thermiques peuvent être du type pyroélectrique à haute impédance et chacun peut être associé à un dispositif suiveur respectif commutable à entrée à haute impédance pré- amplifiée telle que la source d'un MOSFET. Les pré-amplificateurs peuvent être incorporés

dans une couche de silicium supportant les éléments détec-

teurs. Ils peuvent également comprendre des commutateurs MOSFET adressables dans leur connexion de source et partager une résistance de source commune disposée à la sortie de rangée commune. En variante, les pré-amplificateurs commutables peuvent être des dispositifs JFET à double porte, mais les MOSFET sont préférables du fait de leur

faible courant de fuite et le bruit inférieur qui en résulte.

La rangée d'éléments détecteurs peut être accompagnée d'une ou de plusieurs rangées équivalentes additionnelles destinées à former un réseau bidimensionnel ayanc des éléments détecteurs disposés -en rangées et colonnes, Les éléments détecteurs de chaque colonne peuvent être explorés en synchronisme par le moyen d'adressage commun à toutes les rangées et les signaux peuvent par conséquent être multiplexés sur une ligne unique par l'intermédiaire d'un registre à décalage et après filtrage passe-bas, Le filtrage passe-haut peut alors être réalisé par un filtre unique

pour l'ensemble du réseau, ce filtre étant destiné à rece-

voir des signaux du registre à décalage.

Les détecteurs thermiques peuvent être réalisés à partir d'un matériau pyroélectrique tel que zirconate de plomb (PZT), le sulfate de triglycine deutérée (TGS) ou une céramique niobate de baryum-strontium (SBN). En

variante, on peut utiliser un matériau diélectrique sensi-

ble thermiquement tel qu'une substance ferroélectrique, D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite

en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente un schéma synoptique d'un détecteur à réseau linéaire pyroélectrique hybride avec les pré-amplificateurs associés et un filtre passe-bas commun;

la figure 2 représente un schéma synoptique partiel-

lement détaillé d'un réseau bidimensionnel pyroélectrique hybride formé de composants en rangées représentés sur la figure 1; la figure 3 représente un schéma synoptique d'un filtre numérique de soustraction passe-haut utilisable avec les détecteurs représentés sur les figures 1 et 2 la figure 4 représente un graphique illustrant la variation de l'intensité de rayonnement arrivant sur le

réseau et la variation résultante de température des élé-

ments du réseau; la figure 5 représente une vue schématique d'un élément détecteur en coupe destiné à servir de modèle

thermique unitaire pour l'analyse qui sera développée ci-

après; la figure 6 représente un circuit équivalent de bruit pour le détecteur représenté sur la figure 2; les figures 7 à 10 représentent des graphiques montrant la dépendance de la capacité de détection de la température en équivalent-bruit (NETD) calculée, en fonction de l'épaisseur de l'élément détecteur pour trois valeurs de conductance thermique, pour un réseau de 300 éléments et deux valeurs de bruit de tension et pour un réseau de 100 éléments et les mêmes deux valeurs de tension de bruit respectivement; la figure 11 représente un graphique montrant la

variation du bruit RMS et du signal en fonction de l'épais-

seur de l'élément; et la figure 12 représente un graphique illustrant

les valeurs calculées de la capacité de détection de tempé-

ratureen équivalent-bruit (NETD) pour un détecteur CCD hybride connu, en fonction de la fréquence de découpage,

et pour trois matériaux pyroélectriques différents.

En se référant à la figure 1, on a représenté un réseau ou une rangée pyroélectrique linéaire 1 mettant en oeuvre une exploration MOSFET commutée et un filtre anti-substitution. On a représenté en traits hachurés les éléments détecteurs pyroélectriques individuels 3. Le réseau linéaire 1 peut constituer une rangée d' un réseau bidimensionnel comme indiqué sur la figure 2 qui sera décrite plus en détail ci-après, Chaque pixel du réseau 1 contient un élément détecteur pyroélectrique 3, un' préamplificateur MOSFET 5 et un commutateur MOSFET 7, et il est couplé à une ligne commune 9, Une résistance de charge R1 est disposée à la sortie de la ligne générale, La résistance R agit comme résistance suiveuse de source pour chaque pré-amplificateur individuel 5 lorsqu'elle

est connectée à son tour à la ligne générale 9. Les commu-

tateurs t sont activés par un dispositif 10 à X adresses.

Chaque pré-amplificateur 5 sert à découpler la capacité du détecteur ( 1 lf) par rapport à la capacité répartie C1 beaucoup plus élevée de la ligne (C1 V10-50pf]. Le signal de ligne produit aux bornes de la résistance de charge R1 suiveuse est envoyé sur l'entrée d'un amplificateur 11 et de là sur un filtre passe-bas 13 anti-substitution et sur un dispositif d'échantillonnage et de maintien S/H. Selon cette configuration, les sources de bruit les plus importantes sont celles présentes au détecteur 3 et à l'entrée du pré-amplificateur ainsi que le bruit de tension

sur l'amplificateur de ligne 11.

Le réseau pyroélectrique 1 est destiné à recevoir l'image thermique d'une scène distante produite par un ensemble usuel de formation d'image (non représenté) d'un type connu. L'ensemble de formation d'image comprend un découpeur de plan focal ou un modulateur de rayonnement disposé de façon usuelle. Le découpeur forme des périodes de temps égales de lumière et d'obscurité sur chaque élément

détecteur 3, chaque élément étant illuminé séquentiellement.

Ces périodes de temps sont réglées de façon à être égales à t, le temps de ligne, c'est-à-dire le temps nécessaire à un front découpé lumière/obscurité pour traverser la totalité du réseau ou de la rangée 1. Le fonctionnement du dispositif 10 d'adressage est synchronisé à la rotation

du découpeur.

A la sortie de la ligne 9, la largeur de bande de bruit est limitée par le filtre 13, représenté simplement par les constituants résistance et capacité Rb et Gb. La

tension de sortie du filtre 13 est échantillonnée et main-

tenue. Il existe N détecteurs dans le réseau linéaire 1 et le commutateur MOSFET 7 de chaque pixel est fermé pour un tempsz=. /N. La commutation intervient séquentiellement

le long du réseau 1 de sorte que la tension de ligne con-

siste en une série d'impulsions de durée T au fur et à mesure que les éléments 3 successifs sont adressés. Ce

fonctionnement conduit à deux critères de conception con-

cernant le circuit de sortie de ligne. Ces critères sont les suivants: R1C /(l+gmR) <-/2 (1 RbCb-< (21

o l/gm est l'impédance de sortie de chaque pré-amplifica-

teur 3.

En pratique, si Te = 2 x 10-2 s et N;= 100, pour

6

C1 i= 30pf, il s'ensuit que R1 < 10 ohms. Dans le filtre 13, la constante de temps T b(t=RbCb) doit être inférieure à t/3. A cette valeur, du fait que (l-e- /b) est de 0,95, % du signal provenant du pixel de rang r est perdu dans le pixel de rang (r - 1). Il en résulte une réduction de la fonction de transfert de modulation (MTF) de 90 % aux fréquences spatiales les plus élevées, En termes pratiques, pour maintenir les composants du filtre à un format raisonnable, une constante de temps du filtre Tb 4 t/10 est supposée être une valeur plus appropriée dans l'analyse qui suit. Il s'ensuit une perte de signal faible mais sans conséquence entre les pixels adjacents, Il se pose la question de la limite inférieure de la largeur de bande de bruit, ce qui est particulièrement

important pour les ensembles hybrides avec éléments pyro-

électriques, du fait que l'effet de grêle sur toute fuite de courant à l'entrée du détecteur apparait aux bornes

de la capacité du détecteur et donne lieu à une contribu-

tion 1/f à la tension de bruit. La figure 3 représente un filtre 15 numérique fournissant un filtrage passe-haut afin d'atténuer le bruit à basse fréquence. Le filtre 15 comprend un convertisseur analogique/numérique 16 (A/D) relié à la fois directement et par l'intermédiaire d'une mémoire de ligne 17 à un soustracteur 18. La mémoire 17 fournit un retard de x, de sorte que les échantillons successifs de signal lumière/obscurité provenant de chaque élément détecteur 3 sont soustraits. Pour les termes de

bruit, les échantillons de sortie de ligne ont une contri-

bution de bruit V (bruit] qui est le résultat de l'échan-

o tillonnage de la tension de bruit appliquée au-commutateur d'échantillonnage S/H. Pour chaque élément détecteur 3,

la composante spectrale Vf(bruit] de ce bruit à la fréquen-

il f après soustraction des échantillons successifs de signal en 18 est donnée par: Vf(bruit].= V (bruit) {eJWn - eJw(n1)Tt} ie Vf(bruit])= 2 sin(2) V ejw(n-)T( Le paramètre n représente le enième échantillon

de signal provenant d'un élément détecteur et ' = 2 r f.

Les termes de bruit à basse fréquence sont effectivemnt

réduits par un facteur de filtre donné par 2 sin(w T/2T.

Comme mentionné ci-dessus, le découpeur (non représenté) donne des périodes lumière/obscurité ou ouvert/fermé,

égales à T X qui est le temps de ligne. Les signaux échan-

tillonnés à la fin de chaque période ouverture et fermeture

sont alors égaux en grandeur mais de signe opposé. La sous-

traction effectuée par le filtre numérique 15 se traduit en conséquence par deux fois la contribution V (signal) o sur le signal de sortie général V et l'élimination des o reports associés à chaque élément 3. La combinaison du filtre passe-haut 15 et du filtre passe- bas 13 donne un filtre basse-bande destiné à laisser passer la fréquence

des impulsions de sortie formées par le MOSFET 5 commuté.

On dérive alors les expressions provenant du signal découpé

et les termes de bruit dominant sur la sortie de ligne.

Le filtre numérique 15 est appliqué à ces termes et, après intégration du bruit, sur toutes les fréquences, on calcule la capacité de détection de température en équivalent-bruit

(NETD).

En ce qui concerne le signal, le rayonnement découpé provenant d'une scène thermique, ainsi que la fluctuation résultante de température sur chaque élément pyroélectrique 3, sont représentés sur la figure 4. Toutes les températures sont données en référence à la température ambiante T a

sur la tête de la chambre ou de la caméra du détecteur.

Le niveau I est alors le rayonnement provenant de la m température moyenne de la scène, T étant supérieur à Ta, et il peut tre crit sous la forme:

et il peut être écrit sous la. f-orme-

- i)- 141 | (4wX T dX = 5x-05T watts/cm2; (4) = À m m 4 M dT F2 m4F2 J /3000K o Wken watts/cm2-micron est l'émission radiante spectrale pour la scène et F est le chiffre de réglage de l'optique utilisé pour focaliser le rayonnement sur le plan de la cible. Pendant la phase de fermeture du découpeur, le rayonnement I sur chaque élément 3 est une fonction de la température du découpeur. Si le découpeur est arrêté alors que l'élément détecteur 3 est exposé à la scène, la température d'équilibre de chaque élément '3 est Temt et, similairement, avec le découpeur fermé, la température d'équilibre sera Tec. De ce fait: T - T = (I - I)/g; (5) em ec m c o g est la conductance thermique de chaque élément 3 par unité de surface, Lorsque le découpeur tourne de sorte que les périodes d'ouverture et de fermeture sontte,

le temps de ligne, c'est-à-dire la fluctuation de tempéra-

ture comme représenté sur la figure 4 est:

(I - I)

T - T = m c tgb ((t/2T); (6] t 2 9g o t est la constante de temps thermique de chaque élément

détecteur 3.

Chaque élément 3 est échantillonné à la fin de chaque

champ d'ouverture et de fermeture et la charge pyroélectri-

que associée aux changements de température est donnée par pA(T1 - T2] o p est le coefficient pyroélectrique et A est la surface de l'élément. La tension du signal sur chaque élément, par rapport au niveau moyen entre les champs d'ouverture et de fermeture, est alors donnée par pA(I - I) V =+ tgh (TL/2t); (t m 2g (C + Ca) a lorsque les signes positif et négatif se réfèrent aux champs

d'ouverture et de fermeture respectivement, C est la capa-

cité électrique de l'élément détecteur 3 et C est la a capacité électrique d'entrée du pré-amplificateur MOSFET

5. La différence V du signal-de-l'élément détecteur corres-

pondant à deux régions de la scène avec leC de diffé-

rence de température, c'est-à-dire les températures T m et Tm + 1 respectivement, est donnée par xl0-5pA tgh (T /2Tt) AV = V (T +1) - V (T) = t [Volts/ C] (8) mi m ni 2g F2 (C + Ca), Dans l'expression ci-dessus, on a supposé que le comportement thermique de chaque élément détecteur 3 peut être représenté par une constante de temps thermique unique, t= c t/g' o ct est la capacité thermique par unité de

surface, ce qui n'est généralement pas le cas. Comme repré-

senté sur la figure 5, la disposition de montage des élé-

ments pyroélectriques 3 peut impliquer un sandwich multi-

couche de matériaux, par exemple un "mésa" d'isolement 19 et un support de silicium 21. L'analyse ci-dessus peut être modifiée de façon appropriée pour convenir à toutes

dispositions de montage spécifiques.

Pour la structure simple représentée sur la figure , la valeur de la conductance thermique g est largement déterminée par le mésa 19 d'isolement thermique c'est-à-dire g = kiAi /diA; (9) o ki, di et Ai sont la conductivité thermique, l'épaisseur

et la surface du mésa 19. Pour un mésa photorésistant typi-

-3 -10 1

que avec k. de 1,5 103 W cm - C- et Ai/A égal à 0,1,

1 -2 -1

g:= 0,15 Wcm C pour une épaisseur de 10 pm.

En première approximation, la capacité thermique ct peut être représentée comme la somme de celle de la couche pyroélectrique 3 et du mésa 19, c'est-à-dire: c = c d + c.d.A./A = c (d + cid.A i/c A); (10)

pp p.. p p 2. P..

o c est la chaleur spécifique en volume de l'élément p pyroélectrique 3 et ci celle du matériau isolant 19. La charge thermique peut ainsi être exprimée sous la forme d'une épaisseur supplémentaire du matériau pyroélectrique

- 13.

qui est d-e l'ordre de 1 >m (ci/cp 'r0,5).

Le signal de - tension provenant de chaque élément détecteur (voir équation (8)1 est commuté sur la ligne générale 9 pendant la durée Zt /N, Il est amplifié par la source suiveuse du pré-amplificateur 5 avec un gain a o:= Rlgm/(l+R1 gm et par l'amplificateur de ligne 11 avec un gain de d. La tension du signal V0 (signal)

transférée sur le condensateur S/H d'échantillonnage et.

maintien, par rapport au niveau moyen entre les champs de fermeture et d'ouverture, est alors x10-pA tgh (T /2Tt) (1-e -/Tb) (11

V (signal) = + " a.

o T = RbCb 2g F2 (C + C) b bb a Lorsque cette tension est appliquée au filtre numé- rique 15, et après soustraction des signaux d'obscurité de ceux de lumière, la composante de signal résultant à la fréquence f est: Vf(signal).= 2 V (signal) (12) o 2f0 C'est cette tension Vf (signal) qui sera utilisée en association avec le bruit filtré calculé, pour dériver le NETD., En ce qui concerne les sources et les grandeurs du bruit, les sources de bruit sont représentées sur le circuit équivalent de la figure 6. Les sources au détecteur 3 et à l'entrée du préamplificateur 5 sont données dans le tableau I ci-dessous utilisant les expressions standard de bruit en "efficace", (Voir à titre de référence: Porter,

S G, 1981, Ferroelectrics, 33, 193-206).

Tableau I

bruit de fluctuation de température iT = (4kT2gA) pw/g<l1+u 2t); bruit de perte diélectrique- id = (4kTwc tan 6)i bruit de résistance DC (bruit de Johnson] iR ' (4kT/R) bruit de tension de préamplification ea (va2 + z2/f)

bruit de courant de pramplification ia = (2eil).

bruit de courant de préamplification ia (2ei 1) y1 e 1 2712694 Dans le tableau ci-dessus, tangente 6 représente la perte diélectrique du matériau pyroélectrique, z est la grandeur du bruit 1/f du préamplificateur MOSFET à 1 Hz, f est la fréquence et T est la température ambiante mesurée à la tête du détecteur, Dans le circuit suivant le préamplificateur 5, il

existe des sources de bruit de tension et de courant asso-

ciées au commutateur: es et is, et, avec l'amplificateur de ligne 11: et et id, ainsi qu'une source de courant

de bruit in associée avec la résistance de source R1.

En ce qui concerne les sources de bruit au détec-

teur et à l'entrée du préamplificateur, on prendra comme exemple le bruit de tension du préamplificateur e et la a composante de bruit V (bruit) à la fréquence angulaire o Q. Le niveau échantillonné V (bruit) est donné par: o a ae ejwnT v (bruit) = o a o 1 + jiTb o l+jwT ' (13')

o 0 est le gain de la source suiveuse quiest proche de l'uni-

té, o est le gain de l'amplificateur de ligne, Irb = RbCb et j = /E. On peut obtenir des expressions correspondantes pour la tension de bruit V (bruit) dérivée des sources o des bruits de courant à l'entrée, qui sont indiqués dans le tableau I ci-dessus, en substituant i(bruit)/j X (C+Cai

au terme e dans l'équation (13).

a Les sources de bruit qui apparaissent à la suite du préamplificateur 5, à savoir: e, in et id, sont shuntées par la faible impédance de sortie 1/gm, Ces termes sont par conséquent négligeables, Par ailleurs, le bruit de tension de l'amplificateur 11 donne lieu à une sortie donnée par l'équation (13] mais avec e remplacée par a e" /. Du fait que c est proche de l'unité, cette source o o de bruit peut être importante et doit êtreadditionnée en quadrature avec le bruit de tension du préamplificateur eab A partir de l'équation (13), avec 'les différentes sources de bruit remplaçant le terme ea, on peut obtenir le bruit à la sortie d-u filtre numérique à partir de

l'équation (3], c'est-à-dire-que l'équation (13] est multi-

-pliée par le facteur 2 sin (<t L/2). En éliminant le facteur de gain (d par comparaison avec le signal: e 4 sin2 (Wr /2) V 2 (bruit, ea = a 2(14 f 2a (1 + 2T 2 et le bruit est: JVf2(bruit, et) df; (15 o

2 2 2 2 2.2. 2+ 2/ 2C+)2

1 o e 2 = e 2 + e 2a 2 + (j 2+i 2+i2+i 2)/W (C+C) (16 t a + i T o i dR a a Les résultats de l'intégration sont donnés dans le tableau Il ci-dessous:

Tableau II:

Intégrale de bruit JVf df o Bruit de tension (terme dominant]: Va2 tb bruit 1/f 2z 2J bruit de perte diélectrique: (41TC tand)J/n(C+C)2 a Bruit de courant:ei (T - T)/C+c)2 L b a bruit Johnson:kT(T-T) /R(C+C) Lb a bruit de température: 2kT2p2A[T (_-e T/Tr)- Tb(l_-e- - b)] t b g(C+Ca)2 (t2 _ tb) Dans le tableau II, le symbole J représente l'intégrale suivante: J = a2 (1-cos z)dz; b a - / N /b J z(z 2+a2) b b (17] o 3O Sitb = t /10, comme indiqué, alors a -= lON o N est le nombre des éléments 3 dans la ligne 1. L'intégrale J est indiquée dans le tableau III ci-dessous pour une gamme

de valeurs de a.

16 2712694 Tableau III a 30 100 300 1000 3000 10.000

J 4,23 5,3 6,25],61 8,64 9,"3

En utilisant les valeurs des tensions efficaces intégrées, on calcule le NETD comme suit: Co S ix -X 5A tgh(T /2T)(1-e T/T b) = [ Vf (bruit, et) g (C+Ca)t (18) f f t 2 (CP (18] o Les valeurs des paramètres particulières suivantes ont été utilisées pour évaluer les expressions ci-dessus du signal et du bruit: Matériau pyroélectrique: céramique de zirconate de plomb p = 3,5 x 10-8 C cm-2 O CE 300 -3 cp= 2,8 J.cm p = 6 x 10 ohm.cm tg 6 = 5 x 10 3

MOSFET

a= 2 x 10 8 V Hz z = 1,1 x 10 6 V Vfa '_ -14 iL = 10 A Ca = 1,0 pf Séquence de temps: <:2xlO 2 N '.= 100-300 éléments b = t/10:= i/lON = 2 x 105 à x 108 s

Les calculs indiqués ont été effectués pour un élé-

ment d'une surface particulière de 50 pm carrés. On a utilisé des valeurs de conductance thermique comprises 252- dans la gamme g:= 0,1 à 0,3 W cm 2 K 1, tandis que les NETD ont été normalisés à une ouverture F/1, Les résultats sont donnés en termes de NETD du détecteur 1 pour une ouverture F/1 (voir les graphiques des figures t à 10) pour des réseaux 1 de 100 et de 300 éléments détecteurs 3 avec des bruits de tension pour les

amplificateurs MOS 5 de 10 et 20 nVHz- respectivement.

Ces valeurs de bruit peuvent être obtenues pour des courants de drain d'environ 50 et 10 pA respectivement, Le graphique représenté sur la figure 11 montre le sources individuelles de bruit (RMSI et le niveau du signal pour une différence de température de la scène de O,1 C. Dans ce graphique, les symboles A à J ont les significations suivantes: 17s A: signal pour 0,1 C (g.= 0,2 W cm 2 C-1 B:bruit diélectrique C: bruit de tension (300 éléments: 20 nV Hz -) D:bruit I/f E:Bruit de tension (100 éléments: 20 nV Hz-) F:Bruit de tension (300 éléments 10 nV Hz-) G:Effet de grêle H: bruit de tension (100 éléments: 10 nV Hz- ) I:bruit de température J:bruit Johnson Les calculs ci-dessus démontrent qu'il est possible de réaliser des réseaux importants d'éléments détecteurs

pyroélectriques 3 selon un format linéaire ou bidimension-

nel, ayant une valeur NETD à F/1 de l'ordre de 0,1 à 0,2 C (en fonction de l'isolation thermique et des structures de réticulation employées dans la réalisation). Un réseau selon l'art antérieur, avec une exploration CCD et une géométrie similaire à celle discutée plus haut aurait une

valeur NEDT d'un facteur dix ou plus dans le sens défavo-

rable. Pour les structures pyroélectriques, la performance est largement dominée par le bruit de perte diélectrique

et les résultats ci-dessus indiquent l'importance du main-

tien du bruit de tension de l'amplificateur MOS 5 à un faible niveau, en particulier dans de très grands réseaux 1, Le schéma d'exploration discuté ci-dessus met en oeuvre une technologie MOS standard avec seulement un faible nombre d'éléments actifs au niveau de chaque pixel. On peut obtenir un faible pas des détecteurs sans avoir besoin de s'adresser aux technologies des faibles dimensions

(au-dessous du micron).

A titre de comparaison, les caractéristiques de NETD en fonction de la fréquence de découpage des détecteurs pyroélectriques hybrides à charge couplée (CCD) de l'art antérieur sont représentées sur la figure 12. Ce graphique

est issu de la publication de R. Watton et ses collabora-

teurs, mentionnée plus haut. Les trois caractéristiques

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indiquées correspondent à différents hybrides de matériaux pyroélectriques et hybrides CCD de zirconate de plomb (PZT), niobate de strontium-baryum (SBN) et sulfate de triglycine deutérée (DTGS). Pour le calcul des courbes représentées, la conductance thermique 9 de chaque élément détecteur est prise à 0,1 W/cm, C, valeur pouvant être obtenue en utilisant une isolation mésa photorésistante. Le,matériau détecteur a une épaisseur de 10 im et le pas des éléments détecteurs est de 100 pnm. A une cadence de découpage de 100 Hz, rt = 2 x 10-2 s, les NETD calculés sont compris entre 0,3 et 0,5 C. Ces valeurs peuvent être comparées aux résultats donnés ci-dessus dans lesquels pour la même épaisseur de 10 im de céramique de zirconate de plomb (PZT], les NETD calculés sont compris entre 0,1 et 0,15 C, ce

qui indique qu'on peut obtenir une amélioration très impor-

tante de performances conformément à l'invention, c'est-à-

dire une amélioration d'un facteur compris entre 2 et 5.

L'analyse présentée ci-dessus a été largement res-

treinte à un réseau ou à une rangée linéaire de N éléments détecteurs. On peut réaliser un réseau bidimensionnel comprenant deux ou plus de telles rangées, comme indiqué

brièvement plus haut en référence à la figure 2. Les élé-

ments de la figure 2, qui sont équivalents à ceux représen-

tés sur la figure 11 portent les mêmes références et les

rangées individuelles d'éléments 3 sont disposées vertica-

lement, c'est-à-dire à angle droit par rapport à la direc-

tion correspondante de la figure 1. On a représenté trois rangées d'éléments détecteurs 3, la, lb et lc. Il existe trois éléments détecteurs 3 par rangée, c'est-à-dire que N.= 3. La rangée centrale lb comporte un élément détecteur 3 avec les MOSFETS 5 et 7 comme représenté. D'autres éléments détecteurs et les MOSFETS correspondants sont représentés schématiquement sous forme de blocs tels que 30. La rangée centrale lb est reliée par l'intermédiaire

de la résistance R1, de l'amplificateur 11, du filtre passe-

bas 13 et du circuit S/H à un registre à décalage 32. Les - XA a2712694 rangées la et lb sont reliées à un registre à décalage 32 par l'intermédiaire de circuits équivalents indiqués par blocs 34a et 34c. La sortie du registre à décalage 32 (o/p) est reliée à un filtre numérique passe-haut, comme représenté sur la figure 3. De la même manière, le réseau de la figure 2 est caractérisé par un filtre passe- bas

par rangée mais ne nécessitant seulement qu'un filtre passe-

haut pour la totalité du réseau. Le réseau est adressé

dans les x directions (selon chaque rangée) par le disposi-

tif d'adressage représenté.

La forme de réalisation décrite en référence aux

figures 2 et 3 fonctionne de la manière suivante, Le dispo-

sitif à x adresses déclenche le énième commutateur MOSFET 7 dans toutes les rangées la à lc en synchronisme, n =

1 à N et N:= 3 dans cette forme de réalisation. En consé-

quence, après le énième signal de commutation, le registre à décalage 32 maintient les signaux provenant du énième

élément détecteur dans chacune des rangées la à lc, c'est-à-

dire que le contenu du registre à décalage après le énième signal de commutation représente le signal de sortie de la énième colonne d'éléments détecteurs 3. Les rangées sont explorées en synchronisme sur un temps de ligne total ou Iú /N par élément détecteur 3, comme décrit pour la forme de réalisation de la figure 1. En conséquence, le registre à décalage 32 doit être exploré totalement ou séquentiellement dans un temps rt /N, et maintient M signaux d'éléments détecteurs, M étant le nombre de rangées d'éléments détecteurs et étant égal à 3 dans cette forme de réalisation, Le temps d'exploration par signal d'élément détecteur est par conséquent tL /NM, ce qui fournit une

série de signaux NM (correspondant à une explora-

tion complète du réseau] pendant le temps de ligne 1 qui est maintenant équivalent à un temps de trame vidéo, En outre, ces signaux sont multiplexés séquentiellement sur une ligne générale unique, comme il est nécessaire pour

la majorité des dispositifs d'affichage vidéo classiques.

Ils conviennent donc parfaitement pour un affichage en

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trame. La composante de bruit à basse fréquence du bruit de ces signaux n'est pas affectée par le stockage et l'exploration du registre à décalage, de sorte que le filtre numérique passe-haut unique convient entièrement pour filtrer le signal de sortie du registre à décalage obtenu à partir de la totalité du réseau, On peut disposer d'appareils d'affichage présentant

des lignes individuelles adressées en parallèle, c'est-à-

dire simultanément plutôt que séquentiellement, comme dans un tube à rayon cathodique usuel à balayage de trame. On

peut citer à titre d'exemple un affichage par diode électro-

luminescente. Un tel affichage ne nécessiterait pas de registre à décalage 32 de multiplexage; chaque ligne d'affichage pourrait recevoir chaque signal de sortie de rangée directement par l'intermédiaire d'un filtre numérique respectif.

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Claims (8)

REVENDICATIONS

1. -Détecteur thermique, du type comprenant: a. une rangée (1) d'éléments détecteurs thermiques (31 destinée à recevoir un rayonnement à partir d'une scène; b. un moyen de modulation destiné à moduler le rayon- nement provenant de la scène de sorte que chaque élément détecteur (3) subisse des périodes alternées de lumière et d'obscurité et soit illuminé séquentiellement le long de la rangée (1); et

c. des moyens d'exploration (5,7,9,11,R1i synchroni-

sés au moyen de modulation et destinés à échantillonner les signaux des éléments détecteurs; caractérisé par le fait que les moyens d'exploration (5, ], 9, 10, 11, R1) sont disposés de façon à échantillonner les signaux de lumière et d'obscurité provenant de chaque élément détecteur (3) séquentiellement sur une sortie de rangée commune, ladite sortie étant destinée à envoyer de tels signaux à un filtre passe-bande (13,15) destiné à laisser passer les signaux d'exploration, le filtre (13, 15) ayant des caractéristiques de transmission appropriées afin de réduire aussi bien le bruit substitué que le bruit l/f. 2. Détecteur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le filtre passe-bande (13,15) est destiné à extraire un signal de différence à partir de groupes de deux signaux de lumière et d'obscurité provenant de chaque élément détecteur (3), afin de fournir

les caractéristiques passe-haut.

3. Détecteur thermique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le filtre passe-bande (13,15) est disposé en position adjacente à l'extrémité de la

rangée (1) d'éléments détecteurs (3).

4. Détecteur thermique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens d'adressage (5,7, 9,10,11,R1) comprennent un amplificateur de puissance (5,7, 9) pour chaque élément détecteur (3), ledit amplificateur étant commutable entre des états de connexion et d'isolement de l'élément détecteur (3) respectif par rapport à la

sortie de rangée commune.

5. Détecteur thermique selon la revendication 4,

caractérisé par le fait que chaque amplificateur de puis-

sance (5,7,9) est une source suiveuse de transistor à effet de champ (5, 9) ayant un commutateur (7) en série avec sa connexion de source, les amplificateurs de puissance (5,7 9) étant noyés dans une couche de semiconducteur (21)

supportant les éléments détecteurs (3).

6. Détecteur thermique selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les amplificateurs de puissance (5,7,9) partagent une résistance de charge (R1) suiveuse

de source, connectée à la sortie commune de rangée.

A. Détecteur thermique selon l'une quelconque des

revendications 1, 2, 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait

que la rangée (1) d'éléments détecteurs (3) constitue la première rangée (la) d'un réseau bidimensionnel comprenant au moins une rangée additionnelle (lb) pour former un réseau à rangées et colonnes, les éléments détecteurs (3) étant tous destinés à recevoir un rayonnement modulé par le moyen de modulation et étant associés avec au moins un moyen d'exploration équivalent (5,7,9,10,11,R1) et un

moyen de filtrage (13,15).

8. Détecteur thermique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les éléments détecteurs (3) de chaque colonne du réseau sont disposés de façon à être

adressés en synchronisme par le moyen d'adressage commun.

9. Détecteur thermique selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les signaux de sortie de chaque

rangée (la, lb, lc) des éléments détecteurs (3) sont des-

tinés à traverser une section (13) passe-bas du filtre basse- bande (13,15) et qu'ils sont ensuite multiplexés

selon une sortie unique de réseau.

10. Détecteur thermique selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le filtre passe-bande (13,15) comprend une section unique (15) passe-haut destinée à recevoir des signaux provenant de la sortie unique de réseau,