MÉTROLOGIE DE LA RÉPONSE SPATIALE DE DÉT ECTEURS INFRAROUGE REFROIDIS AU MOYEN DE SYSTÈMES DE PROJECTION CRYOGÉNIQUES

Metrology of infrared sensor spatial response by mean of cryogenic projection systems

• Auteur / Autrice : Joris Goree
• Direction : Jérôme Primot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Infrarouge

Cryogénie

Réponse spectro-spatiale

Détecteur

Spectro-spatial response

Cryogenics

Infrared

Sensor

Résumé

Au regard de l'évolution technologique des détecteurs infrarouge (réduction de la taille pixel à des dimensions proches de la longueur d'onde, intégration de fonctions optiques au niveau du pixel) et des nouvelles imageries multi- ou hyper-spectrales, il apparaît indispensable de faire évoluer nos techniques de caractérisation de la réponse spatiale des pixels. Afin de dépasser les limites actuelles en termes de finesse du motif projeté sur le détecteur, un banc de mesure cryogénique polyvalent (banc MIRCOS) a été développé à l'Onera. Ce moyen unique permet de positionner précisément systèmes de projection de motifs (mire auto-imageante, objectif de spot scan, etc) à proximité du détecteur refroidi dans la même enceinte cryogénique. L'écran froid du détecteur est retiré et remplacé par un écran froid englobant l'ensemble détecteur et système de projection afin de pouvoir utiliser des systèmes de projection très ouverts (c'est-à-dire à faible nombre d'ouverture) et ainsi projeter des motifs très fins pour minimiser l'étape de déconvolution. Cette configuration permet, par la même occasion, de réduire le fond thermique et d'améliorer la qualité des mesures en terme de rapport signal à bruit. Un objectif de spot scan cryogénique (ouvert à F/1.2) est actuellement en cours de fabrication et sera mis en oeuvre dans le banc MIRCOS mi-2019. La première partie de la thèse sera dédiée à la prise en main du banc cryogénique MIRCOS et au développement de la mesure de réponse spatiale par spot scan sur des détecteurs HgCdTe MWIR. Les principales difficultés des mesures par spot scan résident dans la mesure de la forme du spot et le contrôle de la focalisation (en particulier avec des systèmes optiques très ouverts). Un protocole sera donc établi afin : a) de caractériser le déplacement de l'objectif à froid (précision, répétabilité, etc), b) de déterminer la forme du spot projeté (à l'aide d'un analyseur de front d'onde cryogénique) et c) de réaliser la mesure proprement dite en s'assurant de la bonne focalisation sur le(s) pixel(s) d'étude. Les résultats obtenus seront ensuite comparés aux mesures réalisées au cours d'une thèse précédente par auto-imagerie. Dans la seconde partie de la thèse, le doctorant complétera les techniques disponibles à l'Onera (auto-imagerie, spot scan) avec d'autres méthodes en développement, par exemple la mesure parmiroir de Lloyd qui permet théoriquement d'accéder à de hautes fréquences spatiales. Au cours de cette thèse, le doctorant sera amené à définir des protocoles de mesure pour caractériser les motifs projetés et déconvoluer les mesures et des traitements associés. Il développera, dans la mesure du possible, des algorithmes de linéaires permettant une évaluation de la propagation des erreurs. Les résultats obtenus via les différentes techniques seront ensuite analysés afin d'identifier l'origine d'éventuels écarts (variation de la géométrie d'incidence des rayons, éclairement réparti ou très localisé sur la matrice). Le doctorant pourra s'appuyer sur les compétences de l'équipe en matière de cryogénie et de caractérisation électro-optique.

In view of the technological evolution of infrared detectors (reduction of pixel size to dimensions close to the wavelength, integration of optical functions at the pixel level) and new multi- or hyperspectral imagery, it seems essential to develop our techniques for characterizing the spatial response of pixels. In order to exceed the current limits in terms of the fineness of the pattern projected on the detector, a versatile cryogenic measurement bench (MIRCOS bench) has been developed at Onera. This unique means allows to precisely position pattern projection systems (self-imaging sight, spot scan lens, etc.) near the cooled detector in the same cryogenic enclosure. The cold screen of the detector is removed and replaced by a cold screen encompassing the detector and projection system assembly in order to be able to use very open projection systems (i.e. with a low number of openings) and thus project very fine patterns to minimize the deconvolution step. This configuration also reduces the thermal background and improves the quality of measurements in terms of signal-to-noise ratio. A cryogenic spot scan objective (open to F/1.2) is currently being manufactured and will be implemented in the MIRCOS bench in mid-2019. The first part of the thesis will be dedicated to the handling of the MIRCOS cryogenic bench and the development of spatial response measurement by spot scanning on HgCdTe MWIR detectors. The main difficulties of spot scan measurements are in measuring the shape of the spot and controlling the focus (especially with very open optical systems). A protocol will therefore be established to: (a) to characterize the cold displacement of the objective (accuracy, repeatability, etc.), (b) to determine the shape of the projected spot (using a cryogenic wavefront analyzer) and c) to carry out the measurement itself by ensuring that the focus is on the study pixel(s). The results obtained will then be compared with measurements made during a previous thesis by self-imaging. In the second part of the thesis, the doctoral student will complete the techniques available at Onera (self-imaging, spot scanning) with other methods under development, for example the Lloyd's mirror measurement which theoretically allows access to high spatial frequencies. During this thesis, the doctoral student will define measurement protocols to characterize the projected patterns and deconvolve the measurements and associated treatments. It will develop, as far as possible, linear algorithms to evaluate the propagation of errors. The results obtained using the various techniques will then be analysed in order to identify the origin of any deviations (variation in the geometry of the incidence of rays, distributed or very localized illumination on the matrix). The doctoral student will be able to rely on the team's skills in cryogenics and electro-optical characterization.