Soutenance mémoire
Transmission de l’atmosphère
Comme nous venons de le voir, l’infrarouge moyen (partie du spectre infrarouge auquel nous nous intéressons dans cette thèse) correspond au domaine d’émission de la matière, quand celle-ci est portée aux températures généralement trouvées à la surface de la Terre. Mais l’atmosphère terrestre n’est pas transparente pour toutes les longueurs d’onde. La transmission du rayonnement infrarouge à travers l’atmosphère est perturbée par deux phénomènes : l’absorption propre des molécules de l’air (CO2, H2O,…) et la diffusion par des molécules ou des aérosols en suspension. Cependant, dans le moyen infrarouge il existe de larges fenêtres de transparence de l’atmosphère. La figure 1.2 met en évidence les deux bandes de transmission principalement utilisées dans cette gamme de longueur d’onde : la bande II (entre 3 et 5 µm) et la bande III (entre 8 et 12 µm). Les détections à grande distance se font nécessairement sur ces bandes de transparence. Dans la suite du manuscrit, nous nous consacrerons essentiellement à la bande II de l’atmosphère
Détection infrarouge
Un détecteur doit non seulement absorber le rayonnement infrarouge qu’il reçoit, mais également produire un signal proportionnel à l’éclairement infrarouge incident. Il existe deux grandes catégories de détecteurs infrarouges à ce jour : les détecteurs quantiques et les détecteurs thermiques (détecteurs bolométriques par exemple). Les détecteurs quantiques utilisent des matériaux semi-conducteurs, qui permettent l’absorption de tous les photons d’énergie supérieure au gap effectif du semi- conducteur. Cette absorption de photons se traduit par une transition électronique. Les photo-porteurs ainsi créés peuvent donner lieu à un photo-courant détectable dans le circuit électrique externe. Pour absorber les photons dans les longueurs d’onde qui nous intéressent, il est nécessaire d’utiliser des semi-conducteurs de faible bande interdite. Les alliages HgCdTe ou le composé InSb sont par exemple de bons candidats. Le problème de ces matériaux à faible gap est leur fort courant d’obscurité (courant traversant le détecteur en l’absence de radiation incidente).
Filtres pour le spectro-imageur MULTICAM
Le spectro-imageur instantané MULTICAM est composé d’une matrice de filtres, chaque filtre sélectionnant une fenêtre spectrale différente. Il existe un panel très large de filtres possibles dans l’infrarouge, mais tous ne sont pas adaptés à l’imagerie multispectrale avec MULTICAM. Le gabarit des filtres à choisir dépendra bien entendu de l’application finale visée. En outre, les composants doivent respecter certaines contraintes d’utilisation, impliquant des restrictions sur les géométries et architectures des structures visées. D’abord, les filtres doivent être fabricables avec les techniques classiques de salle blanche. La matrice de détection de la caméra est quantique (à base du semi-conducteur HgCdTe). Nous avons choisi d’intégrer les filtres au sein du cryostat de la caméra refroidi à l’azote liquide, par souci de compacité et pour limiter l’émission des filtres à T∼300 K. Il faut par conséquent qu’ils puissent résister à de nombreux aller-retours (cycles thermiques) entre la température ambiante et la température de l’azote liquide (80 K). Ils doivent également être suffisamment robustes mécaniquement, pour résister aux vibrations du système de pompage et pour permettre à la caméra d’être déplacée d’un lieu d’expérimentation à l’autre. Pour les applications à faibles flux de photons, il est préférable que les filtres soient indépendants de la polarisation pour éviter la perte de 50 % de la lumière incidente par réflexion sur les filtres. De même il est important que le maximum de transmission des filtres à la longueur d’onde de résonance soit le plus grand possible. Toutefois, pour certaines applications, l’utilisation de filtres polarisants peut être avantageuse. En effet, la différence obtenue entre les deux états de polarisation de la lumière diffractée ou réfléchie peut être utilisée pour augmenter le constraste de l’image et détecter la forme des objets avec une meilleure résolution. Ceci permet, par exemple, de distinguer les objets fabriqués par l’homme au milieu de scènes urbaines ou rurales : le coefficient de réflexion sur des surfaces planes dépend en effet de l’état de polarisation de la lumière. La tolérance angulaire des filtres est, elle aussi, un point clé pour l’intégration de ces composants dans des systèmes optiques complexes conçus pour l’imagerie. Nous visons un champ de vue typique de ±25◦ correspondant à une ouverture de f/1 (f étant la distance focale). Le spectro-imageur MULTICAM, lui, nécessite une tolérance angulaire de ±3◦ (voir Ref.17). Les filtres doivent être conçus en conséquence.
Filtres accordables par voie acousto-optique
Les modulateurs acousto-optiques utilisent l’effet acousto-optique pour diffracter la lumière. Plus précisément, une cellule piézo-électrique génère des ondes ultra-sonores dans un cristal (de dioxyde de tellure par exemple), créant ainsi des plans de dilatation et de compression se déplaçant périodiquement et venant changer localement l’indice de réfraction du cristal. La diffraction de Bragg qui en résulte permet d’obtenir des filtres passe-bande en transmission. L’interaction peut être pensée comme un mélange quatre ondes de phonons et de photons. Ce type de filtre s’accorde à une vitesse bien plus rapide que les filtres à base de cristaux liquides vus précédemment (changement en quelques microsecondes contre quelques millisecondes dans le cas précédent). La gamme de longueurs d’onde sur laquelle ces filtres acousto-optiques fonctionnent (accordables par petits incréments) est également plus large que celle des filtres à base de cristaux liquides : 900 nm à 5 µm contre 400 nm à 2.45 µm pour les cristaux liquides. Les modulateurs acousto-optiques ont en revanche une ouverture faible et leur tolérance angulaire est plus faible que celle des filtres à cristaux liquides qui peuvent recevoir de la lumière arrivant à ±15◦ de la normale. La largeur à mi-hauteur des filtres acousto-optique peut être contrôlée grâce à la largeur du cristal.
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Table des matières
Remerciements
Introduction
I Introduction au filtrage spectral pour l’imagerie multispectrale infrarouge
1 Acquisition de données dans l’infrarouge
1.1 L’infrarouge
1.1.1 Loi de Planck
1.1.2 Transmission de l’atmosphère
1.1.3 Détection infrarouge
1.2 Imagerie multispectrale dans l’infrarouge
1.2.1 Intérêts des spectro-imageurs temps-réel
1.2.2 Filtres pour le spectro-imageur MULTICAM
1.3 Conclusion
2 Filtres spectraux dans l’infrarouge
2.1 Filtres à base de matériaux biréfringents ou cristaux liquides
2.1.1 Filtres de Lyot
2.1.2 Filtres accordables à base de cristaux liquides
2.1.3 Filtres accordables par voie acousto-optique
2.2 Filtres Fabry-Perot ou à base de réseau de Bragg
2.3 Filtres à base de réseaux métalliques : transmission extraordinaire
2.3.1 Résonance plasmonique horizontale
2.3.2 Résonance plasmonique verticale
2.3.3 Synthèse sur l’origine de la transmission extraordinaire
2.3.4 Mise en évidence expérimentale
2.4 Filtres à base de résonance de mode guidé
2.5 Conclusion : le choix des filtres GMR
II Filtres à résonance de mode guidé métal-diélectrique
3 Filtres à résonance de mode guidé métal-diélectriques
3.1 Mécanisme de transmission et propriétés du filtre passe-bande
3.1.1 Mécanisme de transmission et conception du filtre
3.1.2 Résonance de Fano
3.1.3 Accordabilité du pic de résonance
3.1.4 Conclusion
3.2 Détermination exacte des modes propres d’une structure avec pertes
3.2.1 Détermination exacte du nombre de racines
3.2.2 Théorème de Newton : recherche numérique des solutions
3.2.3 Conclusion
3.3 Méthodes de fabrication et caractérisation optique
3.3.1 Procédé de fabrication
3.3.2 Banc de caractérisation optique
3.4 Comportement de divers filtres vis-à-vis de la polarisation
3.4.1 Caractérisation optique des structures fabriquées
3.4.2 Comparaison mesures/calculs
3.4.3 Conclusion
3.5 Conclusion
4 Comportement angulaire des filtres à résonance de mode guidé
4.1 Comportement angulaire des filtres GMR métal-diélectriques
4.1.1 Cas des structures 1D
4.1.2 Cas des structures 2D
4.1.3 Conclusion
4.2 Amélioration de la tolérance angulaire des filtres GMR
4.2.1 Expression de la fréquence de gap pour les structures entièrement diélectriques
4.2.2 Amélioration de la tolérance angulaire des structures GMR métaldiélectriques
4.2.3 Conclusion
4.3 Application au filtrage angulaire
4.3.1 Présentation du concept de filtrage angulaire
4.3.2 Démonstration du concept avec les filtres GMR métal-diélectriques
4.3.3 Conclusion
III Imagerie multispectrale infrarouge pour la détection de gaz
5 Optimisation d’une matrice de filtres
5.1 Introduction à l’imagerie multispectrale avec MULTICAM
5.1.1 Description détaillée de la caméra MULTICAM
5.1.2 Traitement des images multispectrales
5.1.3 Détection de CO2 pour la télémétrie
5.2 Influence du gabarit des filtres et de leur nombre
5.2.1 Reconstruction d’un corps noir à 400 K
5.2.2 Reconstruction d’une flamme de briquet
5.3 Influence du positionnement des filtres par rapport au signal de la scène à reconstruire
5.4 Conclusion
6 Détection à l’aide de MULTICAM
6.1 Fabrication et caractérisation de la matrice de 24 filtres
6.2 Application à la détection de CO2
6.2.1 Bruits et méthodes de reconstruction adaptées
6.2.2 Evaluation de la résolution spectrale de notre caméra
6.2.3 Détection de différentes concentrations de CO2
6.3 Conclusion
Conclusion et perspectives
Production scientifique
Bibliographie
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