Métrologie de la réponse spatiale de détecteurs infrarouge refroidis // measurement of the spectral-spatial response of cooled infrared detectors

Topic description

Dans les domaines du spatial, de l'astronomie et de la défense, l'émergence d'imageurs infrarouges (IR) refroidis, de grand format et à pixels de plus en plus petits, rend la mesure de la réponse spatiale des pixels incontournable. Cette grandeur reflète d'une part la répartition spatiale de la collection de signal par les pixels, et d'autre part, au travers de sa fonction de transfert de modulation (FTM), la capacité du détecteur à restituer avec précision les détails spatiaux de la scène observée. Elle constitue un outil déterminant :
•pour les technologues, ayant pour objectif l'optimisation des structures de détection infrarouge.
•pour les systémiers, travaillant sur des instruments optroniques de haute performance.
Cependant, plusieurs contraintes viennent complexifier ces mesures : d'une part, le refroidissement cryogénique nécessaire pour ces détecteurs IR haute performance, dont les flux thermiques intrinsèques et/ou environnants sont souvent une limitation importante, et d'autre part, la miniaturisation des pixels dont la taille tend à se rapprocher de la longueur d'onde. À cela s'ajoute enfin le besoin croissant de mesures spectrales (sur différentes longueurs d'onde lumineuses) de cette réponse spatiale, en lien avec le développement de détecteurs multispectraux et hyperspectraux.
Pour répondre à ces enjeux, l'ONERA a conçu le banc cryogénique MIRCOS, une plateforme unique et polyvalente. Ce banc intègre diverses approches de projection de motifs (optique cryogénique, techniques interférométriques, etc.), dont le perfectionnement fait l'objet de recherches continues, afin d'atteindre un niveau de mesure métrologique de la réponse spatiale des détecteurs. Parmi les méthodes les plus prometteuses (pour adresser le défi des petits pixels et des besoins spectraux), les techniques interférométriques reposent sur la comparaison d'un interférogramme imagé par la matrice de détecteurs avec un interférogramme simulé avant détection. Grâce à un traitement dans l'espace de Fourier, la fonction de transfert 2D peut être déduite de la perte d'information spatiale entre ces deux quantités. Cependant, l'interférogramme projeté doit à la fois contenir des fréquences spatiales d'intérêt pour les petits pixels tout en étant parfaitement modélisable afin de ne pas introduire de biais significatifs dans la fonction de transfert restituée. La thèse proposée vise ainsi à améliorer les performances de mesure en utilisant un nouveau concept de réseau optique innovant permettant de projeter sur une matrice de détecteur des fréquences spatiales 2D dont l'amplitude est détectée de façon hétérodyne le long de l'axe optique, permettant une déconvolution précise de la mesure de FTM avec un éclairage monochromatique. Un prototype dans la bande infrarouge [1-2] µm a déjà démontré l'intérêt d'une telle signature pour une démarche métrologique. L'idée est donc de poursuivre sur cette voie, avec plusieurs aspects scientifiques à adresser : optimisation des motifs projetés par simulation de la propagation, possibilité de mesure hyperspectrale de la FTM, données discrétisées avec un fort rapport signal sur bruit permettant de couvrir à la fois les basses fréquences spatiales (pour un bon raccordement de la FTM) et les hautes fréquences spatiales (exigées par les petits pixels). Le projet s'articulera autour d'un double volet théorique et expérimental : le doctorant sera amené à modéliser les phénomènes physiques impliqués dans la mesure, mais aussi à concevoir et développer de nouveaux composants expérimentaux. Il s'appuiera sur l'expérience acquise par l'équipe depuis plusieurs années autour du banc MIRCOS, et pourra développer des compétences avancées en optique, interférométrie, cryogénie et détection infrarouge.
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In the fields of space, astronomy, and defense, the emergence of large-format, cooled infrared (IR) imagers with increasingly smaller pixels makes it essential to measure the spatial response of the pixels. This parameter reflects, on the one hand, the spatial distribution of the signal collected by the pixels, and on the other hand, through its modulation transfer function (MTF), the detector's ability to accurately reproduce the spatial details of the observed scene. It is a crucial tool:
• for technologists aiming to optimize infrared detection structures.
• for systems engineers working on high-performance optronic instruments.
However, several constraints complicate these measurements: on the one hand, the cryogenic cooling required for these high-performance IR detectors, whose intrinsic and/or ambient thermal fluxes are often a significant limitation, and on the other hand, the miniaturization of pixels, whose size tends to approach the wavelength. Finally, there is the growing need for spectral measurements (across different wavelengths of light) of this spatial response, in connection with the development of multispectral and hyperspectral detectors.
To address these challenges, ONERA has designed the MIRCOS cryogenic test bench, a unique and versatile platform. This bench incorporates various pattern projection approaches (cryogenic optics, interferometric techniques, etc.), the refinement of which is the subject of ongoing research, with the aim of achieving a metrological level of measurement of the spatial response of detectors. Among the most promising methods (for addressing the challenge of small pixels and spectral requirements), interferometric techniques rely on comparing an interferogram imaged by the detector array with a simulated interferogram prior to detection. Through processing in Fourier space, the 2D transfer function can be derived from the loss of spatial information between these two quantities. However, the projected interferogram must both contain spatial frequencies of interest for small pixels and be perfectly modelable so as not to introduce significant biases into the reconstructed transfer function. The proposed thesis thus aims to improve measurement performance by using a new, innovative optical array concept that projects 2D spatial frequencies onto a detector array, whose amplitude is detected heterodynously along the optical axis, enabling precise deconvolution of the MTF measurement with monochromatic illumination. A prototype in the 1–2 µm infrared band has already demonstrated the value of such a signature for a metrological approach. The idea, therefore, is to continue along this path, addressing several scientific aspects: optimization of the projected patterns through propagation simulation; the possibility of hyperspectral measurement of the MTF; and discretized data with a high signal-to-noise ratio capable of covering both low spatial frequencies (for a good MTF connection) and high spatial frequencies (required by small pixels). The project will be structured around a dual theoretical and experimental component: the PhD student will be required to model the physical phenomena involved in the measurement, as well as to design and develop new experimental components. They will draw on the experience the team has gained over several years with the MIRCOS bench and will be able to develop advanced skills in optics, interferometry, cryogenics, and infrared detection.
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Début de la thèse : 01/10/

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Funding further details

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique*Financement d'autres établissements publics à caractère industriel et commercial (ADEME, ADIT, ANDRA, Bpifrance, BRGM., CIRAD, CNES, Universcience, CSTB., IFPEN, IFREMER, INERIS, IRSN)*Financement de l'ONERA