Zoom in the Lab

28 - Les lumières de la nuit

Image obtenue par un détecteur infrarouge à multi-puits quantiques. Les franges observées traduisent une fonction de spectrométrie.

Les détecteurs de lumière infrarouge permettent d’observer tous les objets qui ne sont pas à la même température que leur environnement. Leurs applications sont nombreuses dans les domaines militaires et civils. Mais ces détecteurs sont plus complexes que des caméras utilisables dans le visible, car ils sont eux-mêmes émetteurs de rayonnement infrarouge. Plusieurs technologies coexistent pour répondre à tous les usages.

Contrairement aux serpents, nous voyons très mal la nuit. C’est parce que nous ne sommes sensibles qu’à la lumière dite visible, dont la longueur d’onde est comprise entre 400 et 800 nanomètres environ. Pour voir la nuit, il faut détecter le rayonnement de longueur d’onde plus grande qu’émet chaque personne ou chaque objet à température ambiante. On entre alors dans le domaine de l’infrarouge, un rayonnement lumineux dont la longueur d’onde varie de 1 à 30 micromètres environ. La détection du rayonnement infrarouge intéresse bien sûr la Défense, pour les combats de nuit ou le guidage de missiles. Mais ses applications sont également civiles : contrôle de process industriel, cartographie des zones de turbulence en météo, astrophysique, ou encore contrôle de la pollution de l’air et de l’eau. Deux méthodes peuvent être utilisées : la thermographie consiste à dresser des cartes d’émission infrarouge, tandis que la télédétection vise à extraire des informations de chaque pixel, par exemple sur la nature de l’objet repéré.

Le froid à la rescousse

Les détecteurs infrarouges ressemblent, dans leur principe, aux caméscopes que nous utilisons dans le domaine visible. Ils sont constitués de capteurs, qui convertissent les photons infrarouges reçus en signal électrique, et d’un circuit de lecture, qui transforme ce signal électrique en image
Détecteur infrarouge de l’instrument Mistere. Le détecteur (à droite) est intégré dans son cryostat et relié à la machine à froid par la ligne froide en U renversé. . Dans l’infrarouge, tout est plus compliqué que dans le domaine visible. En effet, chaque objet à température ambiante émet du rayonnement infrarouge. Il faut donc généralement refroidir le détecteur, sinon, il s’éblouit lui-même, à cause de la chaleur qu’il dégage.

Selon les applications souhaitées, les méthodes de refroidissement des détecteurs sont différentes. L’une des possibilités est de faire circuler un liquide cryogénique (une substance restant liquide à très basse température, par exemple l’azote ou l’hélium). « Cette solution est utilisable en laboratoire, mais peu pratique pour les applications embarquées, où l’on préfère utiliser des machines à faire du froid », indique Isabelle Ribet.

Quantique ou thermique ?

Deux grands types de détecteurs se partagent la tâche : les uns sont dits quantiques, et les autres thermiques. Dans ces derniers, un rayonnement infrarouge touchant le détecteur crée un échauffement, qui engendre un signal. Ces détecteurs ne nécessitent pas d’être refroidis, mais uniquement maintenus à température constante : ils sont encapsulés dans des boîtiers étanches. Ils sont donc moins encombrants et moins coûteux que les détecteurs quantiques. Bien sûr, leurs performances sont aussi moins bonnes, même si elles sont en pleine progression. Ces détecteurs thermiques sont essentiellement utilisés pour les rayonnements infrarouges de grande longueur d’onde, de 8 à 12 micromètres.

Les détecteurs quantiques, de leur côté, possèdent une haute sensibilité et une réponse très rapide aux signaux. Ces hautes performances ont un coût : la nécessité de refroidir. Lorsqu’un photon infrarouge frappe le détecteur, il éjecte un électron. Cela modifie les propriétés électroniques du matériau, qui passe d’un état isolant à un état conducteur. En mesurant le courant produit, on détecte ainsi le rayonnement. Plusieurs familles de matériaux possèdent cette propriété d’être modifiés par le rayonnement infrarouge. Ceux à base de mercure, cadmium et tellure (HgCdTe), apparus dans les années 60, fonctionnent à toutes les longueurs d’onde jusqu’à 12 micromètres, et sont les plus performants, avec des rendements de 70 à 90 %. Autrement dit, 70 à 90 % des photons parvenant sur le détecteur éjectent un électron et sont détectés. D’autres détecteurs à base d’indium et d’antimoine (InSb) sont surtout utilisés pour les petites longueurs d’onde (jusqu’à 5 micromètres).

Barrette de 3000 pixels (2 lignes de 1500 pixels)
réalisée par le CEA/LETI/SLIR pour l’instrument
Timbre Poste II (technologie HgCdTe)

Détail d'un pixel microbolomètre (clou de connexion entre
le thermomètre et le circuit de lecture)

Enfin, des détecteurs dits « à multi-puits quantiques » sont apparus plus récemment, dans les années quatre-vingts. Ils sont constitués d’un empilement de couches fines d’arséniure de gallium (GaAs) et d’arséniure de gallium et d’aluminium (AlGaAs), et présentent la particularité de pouvoir détecter des longueurs d’ondes supérieures à 12 microns. Ce domaine de longueur d’onde est particulièrement intéressant pour des applications telles que l’astronomie, où il faut détecter le rayonnement d’objets très lointains, qui émettent très peu de lumière. Malheureusement, le potentiel des détecteurs à multipuits quantiques pour de telles applications est actuellement limité par leur faible rendement quantique et par leur température de fonctionnement trop basse.

Timbre-poste

Détail d'une image radiométrique obtenue par Timbre Poste L’Onera participe à plusieurs projets mettant en oeuvre des détecteurs infrarouge de très hautes performances. Citons par exemple le projet « Timbre-Poste » de radio-imagerie de haute qualité. Embarqué sur un hélicoptère ou positionné au sol, ce système permet de faire des cartographies de la quantité de lumière émise pour chaque longueur d’onde: on parle de luminance. On peut ainsi repérer des zones d’activités comme un port ou une zone industrielle. L’imagerie infrarouge permet alors de distinguer les rejets de déchets ou encore un pétrolier à quai remplissant ses cuves (car le pétrole doit être chauffé pour être plus liquide). « Le niveau de détail est formidable : on distingue les câbles électriques, les pylônes » s’enthousiasme Isabelle Ribet. Les applications sont bien sûr militaires (caractériser le théâtre des opérations, pointer une cible pour un missile, etc.), mais aussi civiles, par exemple en contrôle de pollution. Il faut, auparavant, valider les codes de simulation, c’est à dire aider numériquement les détecteurs à reconnaître chaque objet, en prenant en compte toutes les perturbations, comme l’atmosphère. Pour cela, on fait une campagne de mesures sur des sites que l’on connaît bien, et l’on compare les résultats des simulations aux données réelles.

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L'animation ci-dessus offre une vue d'ensemble d'une zône côtière industrialisée, prise par l'imageur infrarouge Timbre-Poste. La vidéo suivante en montre une exploitation possible : la détection des zones d'activités portuaires et industrielles (6,5 Mo - avi).

Mistere

Autre application importante : la spectroradiométrie. Plutôt que de regarder l’ensemble du rayonnement émis par des objets, il s’agit de déterminer le « spectre » d’émission de chaque objet, c’est à dire d’observer quelle est leur émission pour chaque longueur d’onde. Or, chaque élément a une signature différente en infrarouge.
Combinaison optique de l’instrument Mistere On peut ainsi distinguer les matières, par exemple discriminer les métaux des arbres. Mistere (avec un « i », car c’est l’acronyme de Moyen infrarouge spectrométrique de terrain pour l’évaluation des réflectivités et des émissivités) est un spectroradiomètre de terrain associé à un programme capable de reconstituer l'émission propre des objets à partir de l'information obtenue. L’instrument compact est disposé sur un support comportant un bras en rotation, qui permet d’effectuer des mesures concentriques sur un objet. Mistere permet d’obtenir l’information spectrale sur un domaine très étendu (de 2.9 à 9.6 µm).

« La détection infrarouge nécessite aussi d’importants travaux de modélisation, indique la chercheuse. Pour une scène donnée, qu’est-ce qui arrivera sur le détecteur ? Nous développons des codes de calcul pour le prévoir. Il faut également créer des banques de données sur les émissions de nombreux éléments, afin de pouvoir comparer les mesures de terrain aux émissions connues. »

Le traitement des données dans l’infrarouge peut même apporter bien plus. Chaque domaine de longueur d’onde a ses avantages et ses inconvénients. En combinant plusieurs domaines spectraux, on peut être efficace dans de multiples situations (climat, conditions météo, jour/nuit). Mieux : en comparant les résultats à différents domaines de longueur d’onde, il est aussi possible de faire la différence entre le rayonnement d’un camion exposé au soleil et celui d’un camion d’où part un missile, car l’émission d’une flamme est très spécifique. Lorsqu’on regarde l’ensemble des longueurs d’onde en infrarouge, on ne voit pas ces différences.

Expertise et mesure

L’équipe dans laquelle travaille Isabelle Ribet n’est pas chargée de fabriquer les détecteurs infrarouges. « Nous remplissons des missions d’expertise, nous évaluons les performances des détecteurs, toutes technologies confondues, précise la chercheuse. Ainsi, le laboratoire Aiquido (Analyse, interprétation, qualification et intégration de détecteurs optiques), dirigé par Marcel Caes, est un laboratoire de référence pour d’autres organismes, comme la Délégation générale à l’armement (DGA). » Chaque type de détecteur possède ses avantages et ses inconvénients, et l’on ne peut juger d’un détecteur qu’en fonction des applications auxquelles il est destiné. D’où l’existence de nombreuses technologies différentes. « Nous avons également une activité d’orientation des filières :
Banc de test "BRASIL" (Banc de Réponse Angulaire Spécifique pour l’Infrarouge Lointain).nous cherchons parmi les technologies émergeantes lesquelles sont les plus prometteuses, et nous étudions la physique fondamentale qui intervient dans ces détecteurs. Par ailleurs, nous développons des techniques de mesure originales, afin de mesurer les performances ultimes des détecteurs. Ainsi, nous savons mesurer des courants inférieurs au femtoampère (10^-15 ampères, autrement dit le millionième de milliardième d’ampère). 

Enfin, le groupe d’Isabelle Ribet met au point des bancs de tests pour les détecteurs infrarouge. « Nous mettons parfois en évidence que certaines mesures sont indispensables pour caractériser les performances d’un détecteur. C’est le cas de la réponse angulaire : la lumière arrive parfois perpendiculairement au détecteur, parfois de biais. Or, le détecteur doit fournir le même résultat quel que soit l’angle d’arrivée du rayonnement. Nous avons développé un banc de test pour caractériser cette réponse angulaire, et ce, spécifiquement pour le rayonnement infrarouge lointain. » Bientôt, peut-être nous débrouillerons-nous enfin mieux que le serpent dans la nuit.