Modélisation spectrale de détecteurs matriciels infrarouge HgCdTe : application à un micro-spectromètre

Spectral modeling of HgCdTe infrared detector arrays : application to a micro-spectrometer

• Auteur / Autrice : Salima Mouzali
• Direction : Jérôme Primot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, optoélectronique, microondes
• Date : Soutenance le 16/11/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département d'optique théorique et appliquée
• Jury : Président / Présidente : Pierre Chavel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Primot, Philippe Christol, Yann Boucher, Sidonie Lefebvre, Olivier Gravrand, Laurent Rubaldo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Christol, Yann Boucher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie hyperspectrale

Diodes à semiconducteur

Spectroscopie

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Détection infrarouge

Réponse spectrale

HgCdTe

Spectrométrie infrarouge

Infrared detection

Spectral response

HgCdTe

Infrared spectrometry

Résumé

Face à l’émergence de l’imagerie multi et hyperspectrale, il existe une demande croissante de connaissance fine de la réponse spectrale des détecteurs infrarouge. Dans ce travail de thèse, nous proposons une démarche de modélisation optique des réponses spectrales des plans focaux infrarouge HgCdTe. L’objectif est de mieux maîtriser les origines physiques des oscillations observées sur les réponses spectrales des pixels d’une matrice de détection, ainsi que des disparités de longueurs d’onde de coupure. Ces phénomènes étaient peu étudiés dans la littérature; pourtant, ils sont responsables en partie du bruit spatial fixe qui limite les performances des détecteurs. Nous proposons une description qui conserve l’interprétation physique des phénomènes observés (absorption, interférences,…), tout en permettant d’extraire les paramètres technologiques (responsables de ces non-uniformités) de la façon la plus indépendante possible. Le principe repose sur la décomposition du comportement global du détecteur, qui peut sembler complexe, en une multitude de briques élémentaires, simples à modéliser. L’étude a été appliquée au cas particulier d’un micro-spectromètre infrarouge intégré au plan de détection. Une analyse de sensibilité sur le modèle proposé a alors permis d’évaluer la précision nécessaire sur les paramètres technologique afin d’obtenir une bonne qualité de restitution de spectres. Cette démarche est généralisable à d’autres architectures de détecteurs et d’autres technologies de fabrication, à condition de maîtriser les propriétés optiques des matériaux mis en jeu.

Due to the emergence of multi and hyperspectral imaging, there is an increasing demand for the control of the spectral response of infrared detectors. In this thesis, we propose an optical modelling approach of the spectral response of HgCdTe focal plane arrays. The aim is to better identify the physical origins of the oscillations observed on the spectral responses of the pixels belonging to the same detector array, as well as the cutoff wavelength disparities. These phenomena were not studied in the literature; though, they are partly responsible for the fixed pattern noise that limits the performance of the detectors. We propose a description that takes account of the physical interpretation of the observed phenomena (absorption, interference…), while allowing the extraction of the technological parameters (that are responsible for such non-uniformities) in the most independent way possible. The principle is based on the decomposition of the global behaviour of the detector, which may seem complex, as a multitude of elementary phenomena, which are easy to model. The study was applied to the particular case of a micro-spectrometer integrated to an infrared detection array. A sensitivity analysis of the proposed model was then performed to deduce the necessary precision on the technological parameters to obtain good quality spectra restitution. This approach can be generalized to other architectures detectors and other manufacturing technologies, provided that the optical properties of the materials involved are well known.