Développement d'une technique de spot scan cryogénique pour la métrologie de la réponse spatiale de détecteurs infrarouges

Development of a cryogenic spot scan technique for metrology of the spatial response of infrared detectors

• Auteur / Autrice : Joris Gorée
• Direction : Jérôme Primot, Sophie Derelle, Edouard Huard de Verneuil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/05/2024
• 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 (1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Kulcsár
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Picart, Jérôme Vaillant, Magali Estribeau, Olivier Saint Pé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Picart, Jérôme Vaillant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de balayage

Réponse impulsionnelle

Mesure

Basses températures

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Détecteurs infrarouges

Banc cryogénique

Spot scan

Réponse spatiale

Infrared detectors

Cryogenic systems

Spot scan

Spatial response

Résumé

Dans un contexte scientifique où les besoins d'imagerie à haute résolution spatiale sont primordiaux, la réduction de la taille du pixel pose un défi majeur pour la caractérisation de la Fonction de Transfert de Modulation du Pixel (FTMPixel) des détecteurs infrarouge. La FTMPixel est une fonction de mérite traduisant la capacité du détecteur à restituer les détails d'une scène. En outre, l'émergence de l'imagerie hyper-spectrale ainsi que l'évolution de la structuration des pixels suscitent des questions sur la dépendance spectrale de la FTMPixel. Dans cette thèse, les travaux porte sur le développement d'un protocole expérimental basé sur la méthode spot scan pour la métrologie absolue de la réponse spatiale des détecteurs infrarouge. Un banc de mesure spécifique refroidi à l'azote liquide a été développé en amont de la thèse dans le but de réaliser des mesures avec une grande ouverture optique tout en réduisant le fond thermique. La réponse spatiale optique nécessite d'être connue pour opérer la déconvolution sur la mesure de spotscan. Dans une démarche de métrologie absolue, un raccord avec le principe de Huygens-Fresnel par l'intermédiaire d'un analyseur de front d'onde est réalisé pour déterminer la Fonction de Transfert Optique (FTO) de l'optique de projection. En parallèle de cette mesure, un traitement algorithmique permet de reconstruire le front d'onde pour étudier à la fois sa réponse optique et la propagation des bruits de mesure. Dans un second temps, une mesure spot scan a été réalisée sur un détecteur moyen-infrarouge, au sein du banc cryogénique. Cette étude a permis d'apporter les améliorations nécessaires pour atteindre la précision voulue, puis de mettre en évidence une dépendance spectrale de la FTMPixel en fonction de la structure des pixels.

In a scientific context where the need for high spatial resolution imaging is paramount, the reduction in pixel size poses a major challenge for characterizing the Pixel Modulation Transfer Function (MTFPixel) of infrared detectors. The MTFPixel is a merit function expressing the detector's ability to reproduce the details of a scene. In addition, the emergence of hyper-spectral imaging and the evolution of pixel structuring raise questions about the spectral dependence of the MTFPixel. In this thesis, we focus on the development of an experimental protocol based on the spot scan method for absolute metrology of the spatial response of infrared detectors. A specific liquid nitrogen-cooled measurement bench was developed in advance of the thesis, with the aim of carrying out measurements with a large optical aperture while reducing the thermal background. The optical spatial response needs to be known in order to perform deconvolution on the spot scan measurement. In an absolute metrology approach, a connection with the Huygens-Fresnel principle is made via a wavefront analyzer to determine the Optical Transfer Function (OTF) of the projection optics. In parallel with this measurement, algorithmic processing was used to reconstruct the wavefront in order to study both its optical response and the propagation of measurement noise. Secondly, a measurement was carried out on a medium-infrared detector on the cryogenic bench. This study enabled us to make the improvements needed to achieve the desired accuracy, and then to demonstrate a spectral dependence of the MTFPixel on pixel structure.