Capteurs thermiques : connaitre et évaluer les critères de sélection d’un détecteur refroidi

Pour connaitre et évaluer les critères de sélection d’un détecteur thermique, il convient de se référer à la documentation technique. Nous allons dans cet article nous concentrer sur les détecteurs thermiques refroidis.

Une caméra thermique refroidie dispose d'un capteur d'imagerie intégré à un cryoréfrigérateur, lequel réduit la température du capteur à un niveau cryogénique. Cet abaissement de la température du capteur est nécessaire pour réduire le bruit thermique à un niveau inférieur à celui du signal de la scène filmée.

Nous vous proposons de vous présenter la structure d'une datasheet pour trier les informations pertinentes et de vous aider à mieux comprendre les critères de comparaison.

Il est important de noter que le rôle de la datasheet est limité. Elle vous indique les performances, les caractéristiques et les options, mais elle ne s'attarde généralement pas sur la manière dont le composant fonctionne, ni comment l'utiliser dans un contexte spécifique en fonction de l’application visée. Il sera ainsi nécessaire d’échanger directement avec le fabricant qui saura vous orienter au mieux par rapport à vos besoins précis pour faire un choix définitif.

La structure

Une datasheet se présente la plupart du temps sous une forme générique : on retrouve la référence en haut de page ainsi que les caractéristiques principales qui sont résumées. On trouve ensuite une brève description du produit qui vous permet déjà de vous orienter. Le rappel des domaines d’applications dans lesquels ce composant va être utilisé est aussi très utile. La description sommaire est souvent suivie d'une liste de points forts du produit, les Main features à retenir.

Suivent ensuite les performances techniques du produit. Ce sont des valeurs typiques et elles ne sont pas forcément possibles toutes en même temps, elles doivent donc être interprétées dans un contexte précis.  Ainsi la lecture des performances sera toujours le résultat d’un compromis en fonction de l’application visée. Néanmoins, ces informations permettent de mener une première analyse des capteurs infrarouges pré-sélectionnés.

Les critères à connaitre

1. Les critères de performances :

• NETD

NETD est l’acronyme de Noise Equivalent Thermal Difference. Elle est exprimée en mK (ou millièmes de °C). C’est la plus petite différence de température détectable par un détecteur. Elle correspond à un rapport signal à bruit (S/B) de 1. C’est-à-dire que la variation de signal de sortie du détecteur pour une différence de température égale au NETD correspond au bruit du détecteur. Plus la valeur du NETD est faible, plus le détecteur est sensible.

Le NETD peut donc être compris comme un équivalent du contraste en visible. Il jouera un rôle important surtout dans les scènes présentant un faible contraste thermique ; c’est-à-dire dans laquelle tous les objets sont à peu près à la même température comme les paysages par exemple.

Il est important de noter que les conditions de mesure du NETD ne sont pas standardisées ; il n’existe pas de normes. Il faut bien vérifier que ces conditions sont mentionnées sur la datasheet.

Par exemple pour les composants refroidis LYNRED, le NETD est généralement évalué à mi-dynamique devant un corps noir à 300K.

• La charge stockable 

Elle définit la taille de la capacité d’intégration en Farad (c’est-à-dire la capacité de convertir le courant photodiode en tension) ou le gain du circuit de lecture. Ainsi plus la capacité d’intégration est petite et plus le gain du circuit de lecture est grand car :

 v= (i/c) x t avec v=tension    i=courant    t= temps d’intégration.

 i = c x dv/dt avec i= courant   C= capacité d’intégration   dv=dérivé de la tension  dt=dérivé du temps

Cela influe directement sur la réponse du détecteur en volt/par watt pour un flux et un temps d’intégration donnés. Certains détecteurs offrent le choix entre différentes charges stockables configurable en fonctionnement. On cherche généralement à atteindre environ 50% de charge pour un flux scène donné en ajustant la charge stockable et le temps d’intégration

• La fréquence trame 

Elle dépend de la fréquence d’horloge du circuit (la« Masterclock » c’est-à-dire la vitesse de lecture du circuit de lecture : plus la fréquence d’horloge du circuit est rapide, plus la lecture des pixels est rapide) et du temps d’intégration qui sont tous deux ajustables dans certaines limites que sont respectivement la fréquence d’horloge maximum et le temps d’intégration minimum pour accommoder la  scène (cf. charge stockable). Le type d’application définit la fréquence trame visée : habituellement <50Hz pour des applications de surveillances visuelles et >100Hz lorsqu’il s’agit de systèmes complexes avec traitement embarqué.

• La bande spectrale 

Les détecteurs refroidis permettent d’observer dans les différentes bandes spectrales où l’absorption atmosphérique est faible. On distingue habituellement 3 bandes IR:

• Shortwave (SW) : 1 à 2µm
• MidWave (MW) : 3 à 5 µm
• LongWave (LW) : 8 à 12µm

La technologie et les filtres spectraux intégrés aux détecteurs fixent la bande spectrale de réponse. La nature de l’application et les contraintes projet orientent en général le choix de la bande spectrale.

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• La résolution

Encore une fois, il s’agit d’un critère à apprécier en fonction de l’application visée car la résolution détermine la qualité de l’image obtenue. Plus la résolution du capteur est élevée, plus les différents points de l’image seront nets et précis. Les résolutions plus élevées permettent de mesurer des petits objets de plus loin.

2. Les critères de compacité :

• La consommation :

Elle est essentiellement déterminée par celle du refroidisseur du détecteur et la température de fonctionnement de ce dernier. Elle est préconisée.

Elle dépend de la technologie et de la bande spectrale mais elle ne doit pas être confondue avec la température ambiante. La température de fonctionnement est la température cryogénique de fonctionnement du plan focal. Elle se situe entre 80 et 110°kelvin. Plus la bande spectrale est lointaine, plus le besoin de refroidir est grand :

• Pour la bande SWIR = température ambiante,
• Pour la bande MWIR = entre 80°et 150°kelvin,
• Pour la bande LWIR = entre 80° et 70/75°kelvin (pour de meilleures performances)

 Il s’agit d’un critère important pour toutes les applications fonctionnant sur batterie.

• Poids / taille

Ce rapport est important à prendre en compte dans une logique de compatibilité avec le système final développé.

• Le pas pixel 

Son influence est sensible sur la partie optique et la compacité.

• Critère supplémentaire : vérifier les conditions d'environnement c’est-à-dire les conditions de fonctionnement en température et les contraintes mécaniques comme les chocs et les vibrations. Il est important de vérifier que ces conditions sont compatibles avec l’application visée. Les conditions sont soit statiques (par exemple pour des systèmes de surveillance ou des jumelles) soit aéroportées ou embarquées dans des véhicules blindés (les conditions sont ici beaucoup plus dures).

Les datasheets sont des sources d’information indispensables pour mener correctement une analyse ou pré-sélection de détecteurs infrarouges. Vous trouverez toutes les informations nécessaires pour bien comprendre si ce composant peut convenir dans le contexte que vous avez défini. 

N’hésitez pas à contacter le fabricant pour aller plus loin dans votre recherche et affiner votre projet. Le choix d'un détecteur thermique doit se faire sur le meilleur compromis entre performance et besoin applicatif.

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