FR2737926A1

FR2737926A1 - Modulateur a infrarouge, en particulier pour des appareils d'imagerie thermique

Info

Publication number: FR2737926A1
Application number: FR9609661A
Authority: FR
Inventors: Wolf Buchtemann; Werner Scherber; Hartmut Downar
Original assignee: Zeiss Eltro Optronic GmbH
Current assignee: Zeiss Eltro Optronic GmbH
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1997-02-21
Anticipated expiration: 2016-07-31
Also published as: FR2737926B1; DE19528094A1; DE19528094C2; GB9616103D0; GB2303937B; US5796107A; GB2303937A

Abstract

Modulateur à infrarouge (2), en particulier pour interrompre en cadence la marche de rayons infrarouges d'un appareil d'imagerie thermique. Le modulateur comprend une couche (10) d'un matériau à effet de réflexion variant en fonction de la température, ainsi que des moyens (8, 9, 15) pour faire varier la température de ladite couche (10).

Description

MODULATEUR A INFRAROUGE, EN PARTICULIER POUR DES APPAREILS D'IMAGERIE

THERMIQUE L'invention se rapporte à un modulateur ou obtura- teur travaillant dans la plage de longueurs d'ondes in- 5 frarouges, en particulier pour utilisation dans des appa- reils d'imagerie thermique. Dans le cas d'appareils d'imagerie thermique, il est fréquemment nécessaire, pendant la phase de mesure d'un signal infrarouge, d'effectuer des opérations d'étalon- 10 nage, par exemple pour éliminer la dérive d'un détecteur

infrarouge en fonction de la température. A cet effet, une ou plusieurs sources de référence de température sont introduites par réflexion dans la marche des rayons, pen- dant les intervalles de temps qui ne sont pas utilisés 15 pour le rayonnement thermique de la scène. Cela s'effectue fréquemment à l'aide d'obturateurs mécaniques montés dans la marche des rayons en amont du détecteur, ces obturateurs étant en partie transparents aux rayons infrarouges et en partie métalliquement réflé- 20 chissants. En cadence avec le changement d'images du dé- tecteur, soit les zones transparentes aux rayons infra- rouges, soit les zones réfléchissant les rayons infrarou- ges, sont introduites dans la marche des rayons, de sorte que soit le signal de mesure, soit le signal de référence 25 peut tomber sur le détecteur. Suivant le document DE

38 36 294 C2, l'obturateur est constitué par un disque rotatif avec des secteurs transparents et réfléchissants. Suivant le document DE 40 29 643 Ci, l'obturateur est une bande sans fin avec des surfaces transparentes et réflé- 5 chissantes. De tels agencements sont mécaniquement compliqués, sont relativement encombrants et nécessitent une puis- sance élevée pour l'entraînement des pièces mécaniques.

En particulier dans le cas de mesures de grande sensibi- 10 lité, ces agencements conduisent à des perturbations en raison des vibrations inévitables. Des modulateurs électro-optiques connus tels que par exemple des cellules de Pockels ne peuvent pas fournir les puissances nécessaires car dans le cas d'appareils 15 d'imagerie thermique, le modulateur doit intervenir sur un rayonnement polychrome, non polarisé et non parallèle (divergent et convergent). A cela s'ajoute que dans le cas d'agencements de détecteurs récents du type détec- teurs matriciels "rigides", une surface allant jusqu'à 2 20 plusieurs cm doit pouvoir être modulée.

Le but de la présente invention est de créer un mo- dulateur à infrarouge qui remédie aux inconvénients pré- cités et permette en particulier une modulation de gran- des surfaces. 25 Ce but est atteint, suivant l'invention, dans le cas d'un modulateur à infrarouge, en particulier pour inter- rompre en cadence (de façon cyclique) une marche de rayons infrarouges dans un appareil d'imagerie thermique, par le fait que ce modulateur comprend une couche en un 30 matériau dont l'effet de réflexion varie en fonction de la température, et des moyens pour faire varier la tempé- rature de ladite couche. Le modulateur conforme à l'invention comprend une couche en un matériau dont l'effet de réflexion ou la 35 transparence au rayonnement infrarouge varie fortement en

fonction de la température. Par variation de la tempéra- ture de cette couche, il est possible de commander de fa- çon contrôlée la transparence du modulateur. A l'aide du modulateur conforme à l'invention appelé 5 ci-après "modulateur électro-optique", il est possible de construire des appareils d'imagerie thermique compacts et peu onéreux qui, dans la mesure o on utilise des détec- teurs non refroidis ou refroidis par voie thermoélectrique, peuvent se passer de composants mécaniquement 10 mobiles et présentent ainsi une durée de vie pratiquement illimitée, tel que cela est nécessaire par exemple pour des fonctions de surveillance ou en cas d'utilisation dans des processus industriels. En outre, le modulateur conforme à l'invention peut fonctionner avec des puissan- 15 ces faibles et des tensions réduites.

D'une manière particulièrement avantageuse, il est possible d'utiliser, pour la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température, des matériaux dans lesquels l'augmentation de la température induit une 20 transition de phases, par exemple le passage d'un compor- tement semi-conducteur (transparence IR) à un comporte- ment métallique (réflexion IR). Dans ce cas, il est pos- sible d'obtenir une grande variation de la transparence à l'intérieur d'un petit intervalle de températures. 25 Avantageusement, on peut utiliser, en tant que matériau à effet de réflexion variant en fonction de la tem- pérature, VO2, V203, NiS, NbO2, FeSi2, Ti203, Ti407, Ti509 ou

Fe304 ou des combinaisons de ces matériaux. Les transi- tions de phases se situent par exemple à 68 C pour VO2, à 30 -115 C pour V203 et à -23 C pour NiS. Pour VO2, la largeur de la transition de phases est inférieure à 10 C pour la substance sous forme monocristalline, et entre 2 et 3 C dans le cas de films minces textures. Dans la zone de la transition de phases, la conductivité électrique du maté- 35 riau change de plusieurs ordres de grandeur, à savoir

jusqu'à cinq ordres de grandeur dans le cas de monocris- taux et de 3 à 4 ordres de grandeur dans le cas de films minces, en particulier de films textures. Les durées de commutation pour la transition de pha- 5 ses de l'état de transparence IR à l'état de réflexion IR, à savoir la phase d'échauffement et la phase de re- froidissement de la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température, sont déterminantes pour les cadences de modulation. Dans le cas de couches à ef- 10 fet de réflexion variant en fonction de la température, ces durées peuvent être de l'ordre des microsecondes. Par l'utilisation de faibles épaisseurs de couches, l'échauf- fement et le refroidissement peuvent avoir lieu très ra- pidement.

La couche à effet de réflexion variant en fonction de la température est couplée thermiquement à un moyen ou "bain" thermique dont la température est maintenue à proximité au-dessous de la température de transition de phases. Ce moyen peut être constitué de préférence par 20 une couche de Si, Ge, ZnSe. L'épaisseur de couche du substrat est choisie nettement supérieure à l'épaisseur de la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température. La couche de Si du moyen thermique sert en même temps de substrat pour la couche à effet de ré- 25 flexion variant en fonction de la température. L'échauffement supplémentaire au-delà de la tempéra- ture du moyen thermique, en vue de la commande contrôlée de la transparence, peut avoir lieu de diverses manières décrites à titre d'exemple ci-après. 30 Suivant un mode de réalisation, une couche résistive dans laquelle on fait passer un courant électrique est appliquée sur la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température. La chaleur (par effet Joule) produite par le passage du courant est utilisée pour 35 chauffer la couche adjacente à effet de réflexion variant

en fonction de la température. En variante, il est également possible de faire pas- ser le courant électrique directement dans la couche à effet de variation de la réflexion en fonction de la tem- 5 pérature. Suivant un mode de réalisation particulièrement avantageux, le chauffage de la couche à effet de ré- flexion variant en fonction de la température peut se faire par irradiation à l'aide de rayonnements électroma- 10 gnétiques. On utilise à cet effet des plages de longueurs d'ondes dans lesquelles le matériau de la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température pré- sente un coefficient d'absorption élevé. On utilise de préférence par exemple de la lumière visible. Suivant un 15 autre mode de réalisation, on applique sur la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température une couche d'absorption qui convertit en chaleur le rayonnement absorbé.

Avantageusement, une couche d'isolation thermique, 20 par exemple en NaF, CsBr ou LaF3, est disposée entre la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température et le substrat. Par cette couche d'isolation, il est possible de réduire la puissance du chauffage né- cessaire. En raison de leurs constantes de réseau (à ti- 25 tre d'exemple, la constante de réseau de NaF ne présente que 5 % d'écart par rapport à la constante de grille de VO2), les matériaux mentionnés présentent l'avantage que la couche d'isolation thermique peut également servir de substrat pour la couche à effet de réflexion variant en 30 fonction de la température. Un substrat supplémentaire pour la couche à effet de variation de la réflexion en fonction de la température, entre la couche d'isolation thermique et ladite couche à effet de variation de la ré- flexion en fonction de la température, n'est alors pas 35 nécessaire. Il en résulte une diminution de la capacité

thermique du dispositif et donc une diminution supplémen- taire de la puissance d'entrée nécessaire pour le chauf- fage. En particulier NaF présente une faible conductivité 5 thermique et une excellente transparence dans la plage allant de 130 nm à 12 pm. Il est avantageux, compte tenu de la réalisation de la structure des couches, que le point de fusion de NaF, qui s'élève à 993 C, soit situé nettement au-dessus de la température de croissance de la 10 plupart des matériaux à effet de variation de la ré- flexion en fonction de la température, laquelle tempéra- ture se situe par exemple à 500 C pour V02.

L'épaisseur de la couche à effet de variation de la réflexion en fonction de la température doit être suffi- 15 samment réduite pour maintenir faibles les effets d'ab- sorption du rayonnement infrarouge, l'expérience montrant qu'il est possible de tolérer une absorption jusqu'à 10 %. D'un autre côté, l'épaisseur de couche doit être suffisamment grande pour que le rayonnement infrarouge 20 puisse, à l'état métallique, être réfléchi presque com- plètement. Avantageusement, le modulateur conforme à l'inven- tion peut être utilisé dans un appareil d'imagerie ther- mique également pour la protection du détecteur à infra- 25 rouge contre une incidence de rayonnement intense. Les appareils d'imagerie thermique sont très menacés par le rayonnement laser. Des lasers à C02 de puissance moyenne, usuels à l'heure actuelle, sont parfaitement en mesure d'éblouir et même de détruire des détecteurs à in- 30 frarouge. Le modulateur conforme à l'invention peut, en dehors de sa fonction de modulateur, assumer simultané- ment une protection contre de tels rayonnements. Lorsqu'un rayonnement de haute intensité tombe sur le modula- teur, la couche à effet de réflexion en fonction de la 35 température de ce modulateur se trouve chauffée par suite

des effets d'absorption mentionnés précédemment et passe ainsi de l'état de transparence à l'état de réflexion. Le détecteur à infrarouge est ainsi protégé contre une des- truction. Un mécanisme de régulation extérieur n'est pas 5 nécessaire. L'avantage particulier de cette fonction de protection du modulateur est qu'elle est indépendante de la longueur d'onde, au moins dans la plage de fonctionne- ment de détecteurs à infrarouge.

A l'aide des dessins annexés, on va décrire ci-après 10 des modes de réalisation avantageux de l'invention ; sur les dessins : les Figures 1, 2 et 3 représentent chacune un modu- lateur conforme à l'invention ; la Figure 4 représente la variation température- 15 temps de la couche à effet de réflexion en fonction de la température, d'un modulateur à infrarouge conforme à l'invention (valeurs calculées) ; la Figure 5 représente la variation dans le temps de la transparence de la couche à effet de réflexion variant 20 en fonction de la température, d'un modulateur à infra- rouge conforme à l'invention.

La Figure 1 représente un exemple de la structure des couches d'un modulateur à infrarouge conforme à l'in- vention. La couche 10 à effet de réflexion en fonction de 25 la température est disposée sur un substrat 12, par exem- ple en Si, Ge, ZnSe. Entre le substrat 12 et la couche 10 est disposée une couche d'isolation thermique 14 en un matériau à effet d'isolation thermique. Les différentes couches présentent de préférence les 30 épaisseurs ci-après : substrat 12 : 0,1 mm à 10 mm couche d'isolation thermique 14 1 pm à 100 pm couche à effet de réflexion variant en fonction de la température 10 : 20 à 1000 nm 35 La Figure 2 représente le modulateur à infrarouge 2

conforme à l'invention à l'intérieur d'un appareil d'ima- gerie thermique. Sur ce dessin schématique, on n'a repré- senté que la couche 10 à effet de réflexion en fonction de la température, ainsi qu'une couche d'absorption 15 5 qui reste encore à décrire par la suite. On n'a également représenté que les éléments de l'appareil d'imagerie thermique nécessaires pour la bonne compréhension. D'au- tres détails de l'appareil d'imagerie thermique tels que par exemple le télescope à infrarouge, l'élément d'exploration, etc, peuvent être trouvés par exemple sur la Fi- gure 1 du document DE 38 36 294 C2. Le modulateur 2 est disposé de préférence au foyer intermédiaire de l'agence- ment de lentilles la, lb. Dans un autre mode de réalisa- tion qui est représenté en pointillés sur la Figure 2, le 15 modulateur est disposé directement devant le détecteur.

Le détecteur 4 peut être un détecteur élémentaire, un dé- tecteur en ligne (ligne de détecteurs) ou un détecteur plan (mosaïque de détecteurs, "Focal Plane Array"). Le modulateur/obturateur à infrarouge 2 conforme à l'inven20 tion est disposé de manière que ses surfaces soient per- pendiculaires à l'axe optique de l'appareil d'imagerie thermique. Par apport et évacuation de chaleur, il est possible de faire varier sa transmission entre l'état de transparence aux rayons infrarouges et l'état de réflexion des rayons infrarouges. A l'état de transparence aux rayons infrarouges (phase d'ouverture), le modulateur laisse parvenir le rayonnement de la scène sur le détec- teur 4, tandis qu'à l'état de réflexion des rayons infra- rouges (phase de fermeture), le rayonnement est réfléchi 30 sur les deux côtés du modulateur à infrarouge 2. La commutation entre la phase d'ouverture et la phase de ferme- ture est commandée par variation de la température de la couche 10 à l'intérieur du modulateur à infrarouge 2. Deux sources de rayonnement 8, 9 sont prévues dans ce 35 mode de réalisation pour le chauffage, sources dont le

rayonnement est absorbée par une couche absorbante 15 disposée sur la couche 10. Dans un mode de réalisation préféré, la couche d'absorption est constituée de sili- cium amorphe et présente une épaisseur de couche de 5 200 nm. La longueur d'onde pour le rayonnement de chauf- fage est située de préférence dans la plage comprise en- tre 300 nm et 600 nm. La Figure 3 représente le modulateur à infrarouge 2 conforme à l'invention à l'intérieur d'un appareil d'ima- 10 gerie thermique comprenant un objectif 1 et un détecteur à infrarouge 4. L'appareil d'imagerie thermique comprend en outre une source de rayonnement de référence 8 pour l'étalonnage du détecteur 4, comme décrit précédemment. Dans ce mode de réalisation, le modulateur à infrarouge 2 15 est disposé de façon oblique par rapport à l'axe optique de l'appareil d'imagerie thermique.

Lorsque le modulateur à infrarouge 2 se trouve à l'état de transparence aux rayons infrarouges, le rayon- nement de la scène tombe sur le détecteur 4. 20 Lorsque le modulateur à infrarouge 2 se trouve à l'état de réflexion des rayons infrarouges, le rayonne- ment de la scène est réfléchi par l'un (2a) des côtés du modulateur 2 (le côté éloigné du détecteur 4). Le rayon- nement de la source de rayonnement de référence 6 est ré- 25 fléchi par l'autre côté (2b) du modulateur (le côté tour- né vers le détecteur 4). Le modulateur est disposé par rapport à la source de référence 6 et au détecteur 4 de telle manière que le rayonnement de la source de réfé- rence 6 parvienne sur le détecteur 4 après réflexion sur 30 le modulateur 2. Suivant un autre mode de réalisation non représenté, d'autres modulateurs peuvent être ajoutés pour faire in- tervenir par réflexion d'autres sources de référence. La Figure 4 montre les résultats d'un calcul de la 35 variation, en fonction du temps, de la température T

d'une couche à effet de réflexion variant en fonction de la température, du modulateur à infrarouge conforme à l'invention. On a également représenté sur la Figure 4 la variation de la puissance de chauffage. 5 Le matériau de la couche à effet de réflexion va- riant en fonction de la température est VO2, l'épaisseur de couche s'élève à 500 nm. La couche à effet de ré- flexion variant en fonction de la température est appli- quée sur une couche de NaF de 50 pm d'épaisseur. La tem- l0 pérature du substrat (bain thermique) est maintenue cons- tante à 60 C.

La couche de VO2 est chauffée dans cet exemple de réalisation en l'espace de 2 ms jusqu'à environ 70 C avec une puissance d'entrée de 13 W/cm . Ensuite, une puissance 15 7 W/cm2 assure le maintien constant à la température ainsi atteinte. Après coupure de la puissance de chauffage, la température tombe rapidement à la température du bain thermique. La Figure 5 représente la variation de principe, en 20 fonction du temps, de la transmission et de la réflexion de la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température, d'un modulateur infrarouge conforme à l'invention. Pendant la phase d'ouverture (to à t1), la transmission présente une valeur de presque 1 et la ré- 25 flexion une valeur de presque O. Pendant la première phase de commutation (tl à t2), la réflexion augmente jus- qu'à une valeur proche de 1, tandis que la transmission tombe jusqu'à une valeur proche de O. Ces valeurs sont conservées pendant la phase de fermeture (t2 à t3). Pen- 30 dant la deuxième phase de commutation (t3 à t4), la ré- flexion et la transmission reviennent aux valeurs initia- les

Claims

REVENDICATIONS

1. Modulateur à infrarouge (2), en particulier pour interrompre en cadence une marche de rayonnement infra- rouge dans un appareil d'imagerie thermique, caractérisé 5 par le fait qu'il comprend - une couche (10) en un matériau à effet de réflexion variant en fonction de la température, et - des moyens pour faire varier la température de la- dite couche (10).

3. Modulateur suivant la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé par le fait que le matériau de la couche (10) à effet de réflexion variant en fonction de la température est constitué de VO2, V203, NiS, NbO2, FeSi2, Ti203, Ti407, Ti509 ou Fe304, ou une combinaison de ces matériaux.

4. Modulateur suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que la cou- che (10) à effet de réflexion variant en fonction de la température est disposée sur une couche d'isolation ther- mique (14) transparente aux rayons infrarouges, en NaF, CsBr ou LaF3.

5. Modulateur suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que les moyens pour faire varier la température de la couche (10) à effet de réflexion variant en fonction de la température comprennent une source de rayonnement dont le rayon- nement est absorbé par ladite couche.

6. Modulateur suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que les moyens pour faire varier la température de la couche (10) à effet de réflexion variant en fonction de la température comprenant une couche d'absorption (15) transparente aux rayons infrarouges, se trouvant en contact thermique avec ladite couche (10), ainsi qu'une source de rayonnement (8, 9) dont le rayonnement est absorbé par la couche absorbante (15).

7. Modulateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens pour faire varier la température de la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température comprennent une source de tension qui est électriquement reliée à la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température de telle manière que ladite couche agisse elle-même en tant que conducteur chauffant.

8. Modulateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens pour faire varier la température de la couche à effet de réflexion variant en fonction de la température comprennent une couche transparente aux rayons infrarouges, se trouvant en contact thermique avec ladite première couche et reliée électriquement à une source de courant.

9. Utilisation du modulateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes dans un appareil d'imagerie thermique en 20) vue de la protection du détecteur d'imagerie thermique contre l'incidence d'un rayonnement intense, par exemple d'un rayonnement laser, caractérisée par le fait que le modulateur passe par auto- commande à l'état de réflexion en cas d'incidence de rayonnement intense.

10. Utilisation du modulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans un appareil d'imagerie thermique comprenant un détecteur (4) ainsi qu'une source de rayonnement de référence (6) pour l'étalonnage du détecteur (4), caractérisé par le fait que le modulateur (2) est disposé dans la marche des rayons infrarouges de l'appareil d'imagerie thermique, et que le rayonnement de la source de rayonnement de référence (6) est introduit par réflexion dans le détecteur (4) lorsque le modulateur (2) se trouve à l'état de réflexion de rayonnement infrarouge.

2. Modulateur suivant la revendication 1, caractéri- sé par le fait que la couche (10) à effet de réflexion variant en fonction de la température est constituée par un matériau qui, lors du chauffage, passe par une transition entre l'état semi-conducteur et l'état métallique.