FR2791473A1 - OPTOELECTRONIC DEVICE PROTECTED AGAINST DETECTION BY A COLLIMATED LIGHT BEAM. - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif opto-électronique prémuni contre les détections par un faisceauOpto-electronic device protected against detection by a beam
lumineux collimatébright collimated
L'invention concerne un dispositif opto- The invention relates to an opto-device
électronique prémuni contre les détections par un faisceau lumineux collimaté, tel notamment qu'un electronics protected against detections by a collimated light beam, such as in particular a
faisceau laser.laser beam.
Les dispositifs opto-électroniques embarqués (caméras, détecteurs d'alerte laser,...) qui comprennent des moyens optiques de focalisation de la lumière entrante sur des photodétecteurs, ont une surface équivalente laser importante et sont facilement repérables par des lidars fonctionnant dans le spectre visible ou dans l'infrarouge en raison de l'effet "oeil de chat": selon cet effet, une onde plane incidente focalisée sur un photodétecteur est renvoyée exactement dans la direction d'incidence par réflexion spéculaire sur le photodétecteur, le flux lumineux réfléchi étant suffisant pour rendre le dispositif aisément The on-board opto-electronic devices (cameras, laser alert detectors, etc.) which include optical means for focusing the incoming light on photodetectors, have a significant laser equivalent surface area and are easily identifiable by lidars operating in the visible spectrum or in the infrared due to the "cat eye" effect: according to this effect, an incident plane wave focused on a photodetector is returned exactly in the direction of incidence by specular reflection on the photodetector, the luminous flux thoughtful enough to make the device easily
repérable par une détection active monostatique. can be identified by active monostatic detection.
On a donc cherché à augmenter la furtivité de ces dispositifs et à assurer leur non-détectabilité sur une bande de fréquences aussi large que possible, en minimisant leur surface équivalente laser. Les moyens actuellement utilisés dans ce but comprennent des masques antisymétriques de pupille, ou des réseaux de diffraction formés sur les surfaces sensibles des détecteurs, ou la défocalisation des détecteurs ou leur inclinaison par rapport à la We have therefore sought to increase the stealth of these devices and to ensure their non-detectability over as wide a frequency band as possible, while minimizing their laser equivalent surface area. The means currently used for this purpose include antisymmetric pupil masks, or diffraction gratings formed on the sensitive surfaces of the detectors, or the defocusing of the detectors or their inclination relative to the
direction d'incidence du faisceau de détection. direction of incidence of the detection beam.
Toutefois, ces moyens connus ne donnent pas satisfaction et ne résolvent pas dans de bonnes conditions le problème de la furtivité des dispositifs opto-électroniques du type précité, pour However, these known means are not satisfactory and do not resolve the problem of stealth of optoelectronic devices of the aforementioned type under good conditions, for
les raisons indiquées ci-dessous.the reasons given below.
Les masques de pupille sont des masques antisymétriques de demi-pupille qui bloquent systématiquement les rayons sortant de l'optique. Ces masques ne sont totalement efficaces que sur l'axe optique et laissent ressortir jusqu'à 35 % du flux entrant en dehors de l'axe, selon le type de masque et la position dans le champ. De plus, ils bloquent 50 % du flux entrant et dégradent la fonction de transfert de modulation du dispositif à protéger. Par contre, leurs performances ne dépendent sensiblement Pupil masks are anti-asymmetric half-pupil masks which systematically block the rays exiting the optics. These masks are only fully effective on the optical axis and show up to 35% of the incoming flux outside the axis, depending on the type of mask and the position in the field. In addition, they block 50% of the incoming flow and degrade the modulation transfer function of the device to be protected. However, their performance does not significantly depend
pas de la longueur d'onde des faisceaux de détection. the wavelength of the detection beams.
Les réseaux de diffraction formés sur les surfaces photo-sensibles des détecteurs ont pour but de diffracter l'énergie incidente en dehors de l'ouverture de l'optique associée. Toutefois, ces réseaux doivent être optimisés par simulation numérique pour la longueur d'onde centrale du faisceau de détection et leur réalisation se fait par dépôt de couches minces. Les facteurs de réduction de la surface équivalente laser attendus sont de l'ordre de 10 à 40 pour la longueur d'onde centrale et les largeurs de bande d'efficacité sont limitées par les performances des réseaux et ne permettent pas de The purpose of the diffraction gratings formed on the photo-sensitive surfaces of the detectors is to diffract the incident energy outside the opening of the associated optics. However, these networks must be optimized by digital simulation for the central wavelength of the detection beam and their realization is done by depositing thin layers. The expected factors of reduction of the laser equivalent surface are of the order of 10 to 40 for the central wavelength and the bandwidths of efficiency are limited by the performance of the networks and do not allow
couvrir toute une bande de fréquences de détection. cover an entire detection frequency band.
La défocalisation des détecteurs a pour effet de faire diverger l'onde rétro-diffractée en sortie de l'optique. Elle entraîne toutefois une dégradation des performances qui est totalement inacceptable pour une caméra, une correction de la dégradation d'image The defocusing of the detectors has the effect of causing the back-diffracted wave to exit the optics. However, it results in a degradation of performance which is totally unacceptable for a camera, a correction of image degradation
par calcul en temps réel n'étant pas possible. by real time calculation not possible.
Quant à l'inclinaison d'un détecteur sur l'axe optique, elle doit être suffisamment importante pour renvoyer les rayons lumineux en dehors du dernier élément du système optique. Plus l'ouverture numérique est faible et plus l'inclinaison du détecteur doit être grande, ce qui n'est pas As for the inclination of a detector on the optical axis, it must be large enough to return the light rays outside the last element of the optical system. The lower the numerical aperture, the greater the inclination of the detector, which is not
acceptable pour des imageurs.acceptable for imagers.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et très efficace au problème de la réduction des surfaces équivalentes The object of the invention is in particular to provide a simple, economical and very effective solution to the problem of reducing equivalent areas
laser et de la furtivité des dispositifs opto- laser and stealth opto- devices
électroniques du type précité.electronic devices of the aforementioned type.
Elle propose, à cet effet un dispositif opto- To this end, it offers an opto-
électronique prémuni contre les détections par un faisceau lumineux collimaté, en particulier par un faisceau laser, le dispositif comprenant au moins une surface photosensible et des moyens optiques qui reçoivent et focalisent la lumière sur cette surface selon un angle solide d'ouverture, caractérisé en ce que ladite surface est rugueuse et diffuse au moins une partie de la lumière qu'elle reçoit, selon un angle solide de diffusion supérieur à l'angle solide d'ouverture, cette diffusion se produisant pour une bande de fréquences de détection couvrant au moins electronics protected against detection by a collimated light beam, in particular by a laser beam, the device comprising at least one photosensitive surface and optical means which receive and focus light on this surface at a solid angle of opening, characterized in that that said surface is rough and diffuses at least part of the light which it receives, according to a solid angle of scattering greater than the solid angle of opening, this scattering occurring for a detection frequency band covering at least
une octave.an octave.
L'invention tire parti de la diffusion de la lumière par une surface rugueuse et de la différence des angles solides d'ouverture et de diffusion pour réduire la signature équivalente laser des dispositifs opto-électroniques précités de façon très importante sur une bande de fréquences relativement large. De façon générale, la réduction de la surface équivalente laser selon l'invention est environ dix fois supérieure à celle que l'on obtient avec un réseau de diffraction au centre du champ, elle ne diminue pas dans le champ et la largeur de bande d'efficacité est également supérieure, la protection restant efficace sur l'intégralité de chacune des bandes de détection (spectre visible et bandes II et The invention takes advantage of the scattering of light by a rough surface and the difference in the solid angles of opening and scattering to reduce the laser equivalent signature of the aforementioned opto-electronic devices very significantly over a relatively frequency band. large. In general, the reduction in the laser equivalent surface according to the invention is approximately ten times greater than that obtained with a diffraction grating in the center of the field, it does not decrease in the field and the bandwidth d efficiency is also higher, the protection remaining effective over all of the detection bands (visible spectrum and bands II and
III de l'infrarouge).III of infrared).
Avantageusement, ladite surface rugueuse est globalement sensiblement plane, c'est-à-dire non incurvée, et l'angle solide de diffusion est sensiblement égal à 2t stéradians. Le rapport de l'énergie lumineuse qui est renvoyée par cette surface rugueuse dans la direction du faisceau incident de détection et de l'énergie qui serait réfléchie dans cette direction par une surface semblable non rugueuse est sensiblement égal au rapport des angles solides d'ouverture et de Advantageously, said rough surface is generally substantially flat, that is to say not curved, and the solid angle of diffusion is substantially equal to 2 t steradians. The ratio of the light energy which is returned by this rough surface in the direction of the incident detection beam and the energy which would be reflected in this direction by a similar non-rough surface is substantially equal to the ratio of the solid aperture angles and of
diffusion dans le cas d'une diffusion isotrope. diffusion in the case of an isotropic diffusion.
Quand l'angle solide de diffusion est égal à 2n Sr, ce rapport est très faible et le facteur de réduction de la surface équivalente laser est très important: il est de 170 dans un exemple de When the solid scattering angle is equal to 2n Sr, this ratio is very small and the reduction factor of the laser equivalent surface is very important: it is 170 in an example of
réalisation décrit en détail dans ce qui suit. realization described in detail in the following.
La couche superficielle photosensible d'un détecteur classique a en général une épaisseur faible, du même ordre de grandeur que l'amplitude de la rugosité à former, de sorte qu'il ne serait pas possible d'attaquer chimiquement ou mécaniquement cette couche superficielle pour la rendre rugueuse sans détruire du même coup les propriétés de The photosensitive surface layer of a conventional detector generally has a low thickness, of the same order of magnitude as the amplitude of the roughness to be formed, so that it would not be possible to attack this surface layer chemically or mechanically. make it rough without destroying the properties of
photodétection de cette couche superficielle. photodetection of this surface layer.
L'invention prévoit donc de déposer, à la surface d'un détecteur préexistant, une couche mince de matière photosensible, qui est ensuite rendue rugueuse. En variante, l'invention propose également de fabriquer des détecteurs avec une couche superficielle plus épaisse de matière photosensible, à laquelle on donne ensuite une rugosité appropriée aux longueurs d'onde à diffuser, tout en conservant une épaisseur de matière suffisante pour assurer la détectivité. Cette rugosité de la couche photosensible peut être obtenue par photosensibilisation de la matière, par exemple par exposition à un flux lumineux à travers un masque de speckle (granularité), puis par The invention therefore provides for depositing, on the surface of a pre-existing detector, a thin layer of photosensitive material, which is then made rough. Alternatively, the invention also proposes to manufacture detectors with a thicker surface layer of photosensitive material, to which a roughness suitable for the wavelengths to be diffused is then given, while retaining a thickness of material sufficient to ensure detectivity. . This roughness of the photosensitive layer can be obtained by photosensitization of the material, for example by exposure to a light flux through a speckle mask (granularity), then by
attaque chimique ou ionique.chemical or ionic attack.
En variante, cette rugosité peut être obtenue As a variant, this roughness can be obtained
par dépolissage mécanique ou chimique. by mechanical or chemical etching.
Les caractéristiques de rugosité de la surface du détecteur selon l'invention sont définies par des paramètres statistiques tels que la rugosité quadratique moyenne et la fonction de corrélation, la rugosité quadratique moyenne étant supérieure ou égale à environ 1/5 de la longueur d'onde centrale de la bande de longueurs d'onde à diffuser, la longueur de corrélation étant du même ordre de grandeur (la longueur de corrélation étant la longueur pour laquelle la fonction de corrélation a une valeur The roughness characteristics of the surface of the detector according to the invention are defined by statistical parameters such as the mean squared roughness and the correlation function, the mean squared roughness being greater than or equal to about 1/5 of the wavelength center of the wavelength band to be diffused, the correlation length being of the same order of magnitude (the correlation length being the length for which the correlation function has a value
égale à sa valeur en zéro divisée par e). equal to its value in zero divided by e).
De façon générale, l'invention permet de réduire efficacement et simplement les risques de détection des dispositifs opto- électroniques, la réduction de leurs surfaces équivalentes laser étant très importante (de l'ordre de 170 dans l'exemple précité). Cette réduction de surface équivalente laser est large bande, efficace dans tout le champ et d'autant plus efficace que l'ouverture numérique de l'optique de focalisation est grande. Elle s'applique à tous les dispositifs opto-électroniques vulnérables par effet "oeil de chat", qu'ils soient du type monodétecteur ou qu'ils comprennent une pluralité de In general, the invention makes it possible to effectively and simply reduce the risks of detection of optoelectronic devices, the reduction of their laser equivalent surfaces being very significant (of the order of 170 in the aforementioned example). This reduction in laser equivalent surface area is broadband, effective throughout the field and all the more effective when the numerical aperture of the focusing optics is large. It applies to all opto-electronic devices vulnerable by the "cat's eye" effect, whether they are of the monodetector type or that they comprise a plurality of
détecteurs à agencement matriciel ou autre. matrix or other arrangement detectors.
L'invention permet de conserver les performances de ces dispositifs et est applicable aux dispositifs existants par simple remplacement ou modification de leurs photodétecteurs, sans toutefois modifier la fonction de transfert de modulation optique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la The invention makes it possible to preserve the performance of these devices and is applicable to existing devices by simple replacement or modification of their photodetectors, without however modifying the optical modulation transfer function. The invention will be better understood and other characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly on reading the
description qui suit, faite à titre d'exemple en description which follows, given by way of example in
référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un dispositif opto-électronique auquel l'invention est applicable; - la figure 2 illustre schématiquement le principe de la réduction de la surface équivalente reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a simplified schematic view of an opto-electronic device to which the invention is applicable; - Figure 2 schematically illustrates the principle of reducing the equivalent area
laser d'un tel dispositif, selon l'invention. laser of such a device according to the invention.
En figure 1, la référence 10 désigne un photodétecteur ou un ensemble plan de photodétecteurs dont la surface sensible 12 est placée au foyer d'une lentille 14 qui est ici la représentation schématique d'un système optique de formation d'une image d'une In FIG. 1, the reference 10 designates a photodetector or a planar set of photodetectors whose sensitive surface 12 is placed at the focal point of a lens 14 which is here the schematic representation of an optical system for forming an image of a
zone observée sur la surface 12 du détecteur 10. area observed on the surface 12 of the detector 10.
Quand un faisceau lumineux collimaté ou un faisceau laser est capté par la lentille 14 et focalisé sur la surface 12 du détecteur, les rayons entrants 16 sont réfléchis spéculairement sur la surface 12 du détecteur et ressortent collimatés dans la direction incidente comme indiqué en 18 (le système optique étant réglé sur l'infini). Le niveau de flux lumineux qui est ainsi renvoyé dans la direction incidente est suffisant pour rendre aisément repérable le dispositif constitué du détecteur 10 et de l'optique 14. C'est l'effet "oeil de chat" qu'il faut réduire le plus possible pour assurer la non-détectabilité des dispositifs opto-électroniques embarqués tels que les détecteurs d'alerte laser, les imageurs visibles et infrarouges, etc. L'invention propose pour cela de rendre rugueuse la surface 12 du détecteur 10, pour diffuser la lumière au lieu de la renvoyer dans la direction d'incidence. En figure 2, la référence 20 désigne l'angle solide de diffusion de la lumière par la surface 12, qui est égal à 2n Sr dans le cas de la diffusion par une surface plane, et la référence 22 désigne l'angle solide d'ouverture du système optique 14 ou angle solide de l'onde rentrante focalisée sur la surface When a collimated light beam or a laser beam is picked up by the lens 14 and focused on the surface 12 of the detector, the incoming rays 16 are specularly reflected on the surface 12 of the detector and emerge collimated in the incident direction as indicated at 18 (the optical system being set to infinity). The level of luminous flux which is thus returned in the incident direction is sufficient to make the device made up of the detector 10 and of the optics easily identifiable. It is the "cat's eye" effect which must be reduced as much as possible. possible to ensure non-detectability of on-board opto-electronic devices such as laser alert detectors, visible and infrared imagers, etc. The invention therefore proposes to make the surface 12 of the detector 10 rough, to diffuse the light instead of returning it in the direction of incidence. In FIG. 2, the reference 20 designates the solid angle of scattering of light by the surface 12, which is equal to 2n Sr in the case of scattering by a planar surface, and the reference 22 designates the solid angle of opening of the optical system 14 or solid angle of the incoming wave focused on the surface
12 du détecteur.12 of the detector.
Si l'on considère que la diffusion de la lumière par la surface 12 est isotrope, c'est-à-dire homogène dans l'angle solide 20, le facteur de réduction de SEL (Surface Equivalente Laser) du détecteur 10 est sensiblement égal au rapport des angles solides de diffusion 20 et d'ouverture 22. Dans le cas d'une lentille convergente 14 ayant une ouverture de 4,4, ce qui correspond à un angle solide d'ouverture de 4,6. 10 -2Sr, le facteur de réduction de SEL est égal à -2 If we consider that the light scattering by the surface 12 is isotropic, that is to say homogeneous in the solid angle 20, the reduction factor of SEL (Laser Equivalent Surface) of the detector 10 is substantially equal to the ratio of the solid angles of diffusion 20 and of opening 22. In the case of a converging lens 14 having an opening of 4.4, which corresponds to a solid angle of opening of 4.6. 10 -2Sr, the reduction factor of SEL is equal to -2
27/4,6.10, soit environ 155.27 / 4.6.10, or approximately 155.
Des mesures expérimentales ont été effectuées sur une photodiode éclairée par un faisceau laser à travers une lentille d'un diamètre de 48 millimètres et ayant une ouverture de 4,4. Le flux réfléchi dans la direction d'incidence a été mesuré à une longueur d'onde de 633 nm avec un diamètre angulaire de détection de 44,6 microradians. Lors des mesures, on a d'abord éclairé par le faisceau laser la surface lisse ou polie de la photodiode, puis cette surface rendue rugueuse avec une rugosité quadratique moyenne Experimental measurements were carried out on a photodiode illuminated by a laser beam through a lens with a diameter of 48 millimeters and having an opening of 4.4. The flux reflected in the direction of incidence was measured at a wavelength of 633 nm with an angular diameter of detection of 44.6 microradians. During the measurements, the smooth or polished surface of the photodiode was first illuminated by the laser beam, then this surface made rough with a mean square roughness
___ -..zu.4.. Q. I-___ - .. zu.4 .. Q. I-
de 1,1 im. La moyenne des mesures pour plusieurs points d'impact du faisceau laser sur la surface de la photodiode donne un facteur de réduction de SEL moyen égal à 170, ce qui est en bon accord avec la théorie (la valeur théorique calculée étant de 155). La rugosité de la surface 12 du détecteur est définie par des paramètres statistiques tels que sa valeur quadratique moyenne et la fonction de corrélation, comme indiqué ci-dessous: n2 - rugosité quadratique moyenne = [ z2 n i= fonction de corrélation Fj= zizi+j i o zi et zj sont les hauteurs des aspérités de of 1.1 im. The average of the measurements for several points of impact of the laser beam on the surface of the photodiode gives an average reduction factor of SEL equal to 170, which is in good agreement with theory (the theoretical value calculated being 155). The roughness of the surface 12 of the detector is defined by statistical parameters such as its mean squared value and the correlation function, as indicated below: n2 - mean squared roughness = [z2 ni = correlation function Fj = zizi + jio zi and zj are the heights of the asperities of
la surface 12.the surface 12.
La surface 12 diffuse une lumière de longueur d'onde donnée si sa rugosité quadratique moyenne est supérieure ou égale à environ 1/5 de cette longueur d'onde. Une rugosité quadratique moyenne définie pour une longueur d'onde donnée permet de diffuser la lumière de façon optimale sur une bande de longueurs d'onde allant du quart environ de cette longueur d'onde donnée à quatre fois environ cette longueur d'onde. Le matériau semiconducteur qui forme la couche superficielle photosensible d'un détecteur peut être rendu rugueux soit par dépolissage mécanique ou chimique, soit par attaque chimique ou ionique après exposition à un flux lumineux à travers un masque de speckle. Quand cette couche de matière photosensible est assez mince et du même ordre de grandeur que la rugosité à former, l'invention prévoit d'abord de déposer une couche supplémentaire mince de matière photosensible, telle qu'une résine, sur la surface À, w.,, ,a12 ti rb,..;N,tY û d'un photodétecteur et ensuite de traiter cette couche supplémentaire comme indiqué ci-dessus pour la rendre rugueuse, sans entamer la surface préexistante The surface 12 diffuses a light of given wavelength if its mean square roughness is greater than or equal to about 1/5 of this wavelength. A defined quadratic roughness for a given wavelength makes it possible to scatter light optimally over a band of wavelengths ranging from about a quarter of this given wavelength to about four times this wavelength. The semiconductor material which forms the photosensitive surface layer of a detector can be roughened either by mechanical or chemical etching, or by chemical or ionic attack after exposure to a luminous flux through a speckle mask. When this layer of photosensitive material is thin enough and of the same order of magnitude as the roughness to be formed, the invention first of all provides for depositing an additional thin layer of photosensitive material, such as a resin, on the surface λ, w . ,,, a12 ti rb, ..; N, tY û of a photodetector and then to treat this additional layer as indicated above to make it rough, without damaging the preexisting surface
du photodétecteur.of the photodetector.
- En variante, il est également prévu de fabriquer des photodétecteurs directement avec une couche superficielle plus épaisse de matière photosensible qui est ensuite rendue rugueuse de la façon précitée sans dégrader les propriétés requises de - As a variant, it is also planned to manufacture photodetectors directly with a thicker surface layer of photosensitive material which is then roughened in the aforementioned manner without degrading the required properties of
photodétectivité.photodetectivity.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1431730A1 (en) * | 2002-12-20 | 2004-06-23 | Etat Français représenté par le Délégué Général pour l'Armement | Device having a perfectly known laser equivalent surface |
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US4252843A (en) * | 1977-02-18 | 1981-02-24 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Process for forming a microstructured transmission and reflectance modifying coating |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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FR2849189A1 (en) * | 2002-12-20 | 2004-06-25 | France Etat Armement | PERFECTLY KNOWN LASER EQUIVALENT SURFACE DEVICE |
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