Vers une approche métrologique de la mesure de fonction de transfert de détecteurs infrarouge

Towards a metrological approach of the infrared detector transfer function measurement

• Auteur / Autrice : Edouard Huard de Verneuil
• Direction : Jérôme Primot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 14/02/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Kulcsár
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Barbier, Pascal Picart
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rémi Barbier, Pascal Picart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctions de transfert

Basses températures

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Détecteur infrarouge

Banc cryogénique

Fonction de transfert de modulation

Infrared detectors

Cryogenic systems

Modulation transfer function

Résumé

Les détecteurs matriciels dans le domaine infrarouge sont en plein développement technologique, et s'appliquent à des domaines divers (spatial/défense, astronomie...). La réduction des pas pixels pose un défi concernant la mesure de la fonction de transfert de modulation (FTM) des détecteurs. La FTM est une fonction de mérite qui mesure la capacité du détecteur à résoudre des détails d'une scène, et qui est liée à la réponse spatiale des pixels. La projection optique de motifs suffisamment fins devient alors une limite de la mesure. Par ailleurs, les applications d'imagerie hyper-spectrales et la diversité des structures pixel existantes questionnent la dépendance de la FTM en longueur d'onde. Dans cette thèse, nous étudions une méthode interférométrique utilisant des réseaux continûment auto-imageant afin d'adresser au mieux ces différents enjeux. Ces réseaux permettent la projection 2D de motifs haute résolution prédictibles par modélisation. La détection des motifs et leur connaissance théorique permettent alors la restitution de la FTM du détecteur. Les détecteurs considérés fonctionnant à température cryogénique, un banc de mesure spécifique refroidi à l'azote liquide a été développé pour effectuer la mesure avec un fond thermique réduit, tout en ayant accès à des grands angles d'ouverture optique. Parallèlement, un traitement, permettant d'estimer la propagation du bruit du détecteur à travers la méthode, a été développé et testé sur un détecteur proche infrarouge. Ce traitement a également permis de restituer des effets particuliers de diffusion électronique entre les pixels du détecteur. Dans un second temps, des mesures de FTM en fonction de la longueur d'onde ont été réalisées sur un détecteur moyen-infarouge, au sein du banc cryogénique. Cette étude a mis en évidence une dépendance spectrale de la FTM sur des structures pixels spécifiques. Enfin, lors de ces expériences, des incertitudes résiduelles sur la prédiction des motifs ont été mises à jour. Un retour d'expérience est alors mené, débouchant sur la proposition d'un nouveau protocole de mesure de la FTM par voie monochromatique. La simulation de la propagation du faisceau IR à travers le réseau se révèle être un élément clé de la méthode.

Infrared Focal Plane Arrays (IRFPAs) technological evelopment is currently evolving rapidly and can be applied to various fields (space/defence, astronomy..). The reduction of the pixel pitch poses a challenge in terms of characterization of the Modulation Transfer Function (MTF). MTF is related to the spatial response of the pixels. The optical projection of fine patterns then becomes a problem in the measurement due to the diffraction limit. The hyperspectral imagery applications and the diversity of pixel structures used in the industry also question the wavelength dependency of the MTF. In this thesis, we study an interferential method in order to best address these different issues of spatial response measurement. These gratings allow the 2D projection of high-resolution patterns that can be predicted by simulation. The detected pattern allows the restitution of the MTF. Since the IRFPAs considered here operate at cryogenic temperatures, a nitrogen-cooled bench is developed to measure the MTF with a reduced thermal background while having access to large aperture angles. A treatment is developed and tested on a near-infrared detector in order to estimate the propagation of noise through the method. This procedure also allowed to measure electronic diffusion effects between the pixels. In a second time, wavelength-dependent MTF measurements were performed on a mid-wavelength infrared detector within the cryogenic bench. This study revealed a spectral dependence of the MTF on specific pixel structures. Finally, during these experiments, residual errors about the prediction of the projected interferential patterns were highlighted. A feedback is then given, leading to the proposal of a new measurement procedure. The simulation of the propagation of the beam through the grating appears to be a key element of the method.