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La présente invention a pour objet un dispositif pour
engendrer une image infrarouge, comprenant un écran
transparent dans l'infrarouge et supportant une pluralité
de pixels en matériau à fort pouvoir émissif dans
l'infrarouge, et des moyens pour chauffer, de facon
sélective, le matériau de chacun desdits pixels.
Un tel dispositif est utilisé pour essayer des dispositifs
d'imagerie infrarouge, comme par exemple des autodirecteurs
de missile, en reproduisant en laboratoire des images
infrarouge aussi proches que possible de celles qui seront
rencontrées dans la réalité.
On connaît déjà un dispositif du type defini ci-dessus,
décrit dans le brevet US 4 572 958. Dans ce dispositif, les
moyens de chauffage sélectif comprennent un faisceau
d'électrons ou un faisceau laser, de diamètre faible par
rapport aux dimensions d'un pixel, qui vient bombarder une
portion, en forme de bande médiane, d'une couche peu
épaisse de matériau bon conducteur thermique, couche qui
s'étend sur une surface égale à celle d'un pixel. Cette
couche a pour fonction, d'une part, de convertir l'énergie
du faisceau en chaleur et, d'autre part, de diffuser la
chaleur prenant naissance sur la portion en forme de bande
vers l'ensemble de la surface de la couche et parallèlement
à cette couche. Deux pavés de matériau isolant thermique,
disposés en contact avec la couche precédente et de chaque
côte du trajet du faisceau d'électrons avant son impact,
diffusent lentement la chaleur de la couche,
perpendiculairement, cette fois, à cette couche, et en sens
inverse du déplacement des électrons, vers deux couches de
matériau à fort pouvoir émissif dans l'infrarouge, ici deux
couches de corps noir, dont la fonction est de convertir la
chaleur en rayonnement infrarouge, ces deux couches de
corps noir constituant le pixel proprement dit.
Naturellement, les pavés précédents, comme la couche de
conversion de l'énergie du faisceau en chaleur, disposés
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entre les deux couches de corps noir et l'écran, sont
transparents aux infrarouges.
Dans le cas où le faisceau apportant l'énergie aux pixels
est un faisceau d'électrons, le dispositif se présente
comme un tube cathodique qui permet d'obtenir des images
infrarouge animées a partir d'un signal vidéo de type
connu.
Toutefois, la structure de l'écran d'un tel dispositif est
relativement complexe et donc d'un coût de réalisation
élevé. Par ailleurs les performances d'un tel dispositif
sont limitées du fait de l'utilisation d'un faisceau de
faible puissance, celle-ci étant imposée par son diamètre
nécessairement restreint.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients.
A cet effet, elle a pour objet un dispositif du type défini
ci-dessus, caractérisé par le fait que lesdits moyens de
chauffage comprennent un faisceau d'électrons bombardant
directement ledit matériau à fort pouvoir émissif, et de
section au moins sensiblement égale à la surface d'un
pixel.
Dans le dispositif de l'invention, la matériau à fort
pouvoir émissif assure, en plus de la conversion de chaleur
en rayonnement infrarouge, qu'il assure déjà dans le
dispositif connu, la conversion de l'énergie du faisceau en
chaleur, qui etait assuree, dans le dispositif connu, par
la couche de matériau bon conducteur de la chaleur. Ce
résultat est rendu possible notamment parce que la section
du faisceau est au moins égale à la surface du pixel, ce
qui fait que la conversion de l'énergie du faisceau en
chaleur se produit sur toute la surface du pixel, au lieu
de se produire sur une portion limitée de cette surface. En
conséquence, il n'est plus nécessaire de diffuser la
chaleur, parallalement à la surface de l'écran, pour
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qu'elle occupe toute la surface du pixel. Il devient alors
possible de faire assurer par le corps noir la fonction de
conversion de l'énergie du faisceau en chaleur, ce qui a
pour conséquence une structure extrêmement simple. Dans le
dispositif de l'invention, le diamètre du faisceau est
notablement plus grand que dans le dispositif connu, du
fait de l'augmentation du courant générant ce faisceau. De
ce fait, l'augmentation de la puissance transportée par le
faisceau, pour chauffer le corps noir à des températures
plus élevées que celles du dispositif connu, ne pose pas de
problèmes particuliers. Ainsi le dispositif de l'invention
permet de produire des images infrarouge dont l'intensité
maximale est notablement supérieure à celle du dispositif
connu.
Avantageusement, une couche réticulée de matériau
transparent dans l'infrarouge et isolant thermique est
disposée entre ledit écran et lesdits pixels.
Dans ce cas, une rémanence de l'image est assuree, qui
limite son papillotement, et les bavures d'un pixel sur les
voisins sont évitées. Cette remanence ne constitue
toutefois plus une nécessite pour tester les systèmes
infrarouge modernes utilisant des barrettes ou des
mosaïques ; seule la synchronisation des lignes ou des
images doit être assurée entre le g~enérateur et le
dispositif observateur.
Avantageusement encore, ledit écran est un conducteur
thermique, et il est prévu des moyens de refroidissement
dudit écran, afin de dissiper les calories à une
temperature voisine de la température ambiante.
Dans ce cas, l'image obtenue reste bien contrastée, et si
elle est animée, son traînage est réduit.
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Avantageusement toujours, une couche, anti-reflet dans la
gamme de longueurs d'onde d'utilisation de l'image
infrarouge, est déposée sur ledit écran.
Ainsi est assuré un rendement maximal, car les rayonnements
émis mais non utiles sont réfléchis vers le corps noir où
ils se transforment à nouveau en chaleur.
La présente invention sera mieux comprise grâce à la
description suivante de la forme de réalisation préférée du
dispositif de l'invention, faite en se référant aux dessins
annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue, en coupe partielle, du
lS dispositif de l'invention, et,
- la figure 2 représente une vue en perspective d'une
portion de l'écran du dispositif de la figure 1.
zO En se référant à la figure 1, un dispositif pour engendrer
une image infrarouge est maintenant décrit.
Ce dispositif comprend un tube cathodique 1, de type connu,
pourvu d'un écran 2, agence pour transformer en
rayonnements infrarouge l'énergie du faisceau d'électrons
11 du tube 1.
Ainsi on obtient, à partir d'un signal vidéo de type connu,
représentatif d'une image réelle ou synthetique, et
applique au tube 1, une image infrarouge animée pour
essayer en laboratoire des systèmes d'imagerie infrarouge,
par exemple.
Comme le montre la figure 2, l'écran 2 comprend ici
principalement une plaque 21 de matériau transparent dans
l'infrarouge et conducteur thermique. Le matériau de la
plaque 21 est par exemple du silicium pour la gamme des
longueurs d'onde comprises entre 3 et 5 microns, ou du
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germanium, pour la gamme des longueurs d'onde comprises
entre 8 et 12 microns. L'épaisseur de la plaque 21 est ici
de 5 à 10 mm.
Sur la face de la plaque 21 disposée à l'intérieur du tube
1 est déposée une couche 22 d'épaisseur ici égale à 250
microns, réalisée dans un matériau transparent dans
l'infrarouge et isolant thermique. Ici, le matériau de la
couche 22 est du trisulfure d'arsenic As2S3, ou du
triseléniure d'arsenic As2Se3, ou du verre au chalcogénure
Ge33Asl2Se55 ou encore du chlorure d'argent AgCl. Le choix
de l'un de ces matériaux est lié à la température
susceptible d'être atteinte par la couche 22. Le trisulfure
et le triséléniure d'arsenic sont utilisables jusqu'à
150 C, le verre au chalcogénure jusqu'à 300 C, et le verre
au chlorure d'argent jusqu'à 900C. Toutefois, ces deux
derniers composés ont une conductibilité thermique plus
élevée.
Dans la couche 22 sont pratiquées deux séries de sillons 23
d'ici 20 microns de large et 200 microns de profondeur, les
sillons 23 d'une série étant tous parallèles entre eux et
perpendiculaires aux sillons 23 de l'autre série. Les
sillons 23 d'une série se répètent avec un pas d'ici 250
microns.
La couche 22 est ainsi réticulée et comprend donc une
pluralité de paves 24 elementaires de 200 x 250 x 250
microns.
La couche 22 est deposee, de façon connue, par évaporation,
par coulage de verre ou par collage, et les sillons 23 sont
gravés mécaniquement, par exemple au diamant, ou encore par
photolithogravure, ou encore par usinage laser. Une
réticulation aléatoire peut être obtenue en exploitant les
différences de dilatation thermique entre l'écran et la
couche isolante. Si cette dernière est plus élevée, lors du
refroidissement elle se contractera plus, et si son module
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de rupture est plus faible que son adhérence sur l'écran,
elle se fragmentera en écailles constituant la réticulation
qui sera ainsi obtenue naturellement, la dimension moyenne
des écailles étant une fonction complexe de l'épaisseur et
du module de rupture de la courhe.
Sur la face libre, parallèle a la plaque 21, de chaque pavé
24 est déposée, par évaporation à haute température, une
couche 25 d'un matériau à fort pouvoir émissif dans
l'infrarouge, ici un corps noir, en l'occurrence de l'oxyde
de chrome. L'épaisseur de la couche 25 est de l'ordre du
micron. Comme cela sera mieux compris dans la suite, chaque
portion de couche 25 est un pixel de l'image infra-rouge
apparaissant sur l'écran 2.
Sur la face de la plaque 21 disposée à l'extérieur du tube
1 est déposée une couche 26 d'un matériau, de type connu,
anti-reflet dans la gamme de longueurs d'onde dans laquelle
on souhaite utiliser l'image infra-rouge.
La périphérie de la plaque 21 est solidaire d'un dispositif
de refroidissement, par exemple une couronne 3 à
circulation d'eau.
Le tube cathodique 1 est, par exemple, et écran mis ~ part,
du type commercialisé par la Societe RTC sous la r~ference
221 P 14. Ce tube est prévu pour balayer un écran de 100 x
mm, avec une section du faisceau 11 d'environ 250
microns de diamètre, susceptible de transporter un courant
de 2 mA sous une tension de 30 kV. La puissance du faisceau
d'electrons 11 est ainsi de 60 W.
Le dispositif qui vient d'être decrit fonctionne comme
suit.
Le faisceau d'électrons 11 balaye la face arrière de la
plaque 21 comme il le ferait dans un tube classique. Il
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bombarde successivement, et directement l'oxyde de chrome,
ou corps noir, de chaque couche, ou pixel, 25.
La section du faisceau 11 est ici sensiblement égale à la
surface totale de la couche 25, et celle-ci agit à la fois
pour convertir en chaleur l'énergie apportée par le
faisceau 11 et pour convertir cette chaleur en rayonnement
infrarouge. La couche 25 est donc chauffée directement par
le faisceau 11.
A cause des sillons 23, et de la faible conductivité
thermique du pavé 24, la chaleur ainsi créée reste confinée
latéralement, pour éviter qu'un pixel ne bave sur l'autre,
et pendant une durée compatible avec le balayage de l'image
par le faisceau. Ainsi, la couche 25 émet un rayonnement
infrarouge lié à la puissance du faisceau au moment où il
l'a bombardée avec une durée de rémanence supérieure à la
durée de renouvellement, pour limiter le "papillotement" de
l'image. Comme précise plus haut, cette spécification de
rémanence peut disparaître si le dispositif est destiné à
tester des systèmes exploitant des mosaïques de détecteurs.
Seul la synchronisation des lignes ou des images est à
assurer.
Le rayonnement infrarouge émis par la couche 25 traverse le
pavé 24, la plaque 21, et la couche 26. Ainsi, cette couche
25 est bien un pixel de l'image infrarouge obtenue puisque
c'est elle qui est à l'origine du rayonnement observé. La
partie du rayonnement dont la longueur d'onde est dans la
gamme où la couche 26 anti-reflet est efficace travrse
cette couche 26. Par contre, la partie restante du
rayonnement, qui ne traverse pas la couche 26, est
réfléchie vers la couche 25 de corps noir, dans laquelle
elle est convertie à nouveau en chaleur, ce qui augmente
d'autant le rendement de l'ensemble.
La plaque 21 est bonne conductrice thermiquement, et elle
est refroidie par la couronne de refroidissement 3 afin
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d'évacuer, en permanence, la chaleur des pavés 24. Cela
évite une montée en température progressive de la plaque 21
qui finirait, sans cela, par abaisser le contraste de
l'image, et par introduire un trainage des images animées.
Un des avantages de l'invention, outre sa structure
particulièrement simple, est la température élevée qu'est
susceptible d'atteindre chacune des couches 25 d'oxyde de
chrome.
Un calcul simple montre en effet qu'avec un faisceau
d'électrons de 60 W, qui balaye un écran de 100 x 75 mm, la
temperature des couches 25 peut théoriquement atteindre
255~C. En pratique, cette température sera un peu plus
basse, dépendant notamment de la conductibilité thermique
et de l'epaisseur des pavés 24 et de la température de la
plaque 21. Néanmoins, le dispositif permet de produire des
images pour lesquelles le rayonnement infrarouge varie avec
une dynamique importante.
Naturellement, il est possible d'augmenter encore
l'intensité du rayonnement émis, c'est-à-dire la radiance
du corps noir, en réduisant la taille de la surface
balayée, toutes choses étant égales par ailleurs.
Il est ~vident que les différentes valeurs numériques n'ont
été données qu'~ titre d'exemple au cours de la description
précédente, et qu'il est à la portée de l'homme de métier
de les modifier, le cas échéant, en fonction des
caracteristiques du tube et du faisceau employés. A titre
d'exemple, avec un faisceau de diamètre donné, il est
possible de réduire la taille des pixels jusqu'à ce que la
dimension de ceux-ci soit sensiblement la moitié du
diamètre du faisceau. En effet, on réalise alors un
échantillonnage spatial de l'image, qui reste cependant
lisible tant que le théorème de Shannon est respecté.
