Exemples de spectrom` etres IR ` a transform´ ee de Fourier statique

L’ONERA d´eveloppe depuis plusieurs ann´ees des spectrom`etres infrarouge `a transform´ee de Fourier statique [15]. Nous allons pr´esenter quelques exemples de ces instruments, qui peuvent ˆetre sensibles aux probl`emes de disparit´es de r´eponses entre pixels.

1.6.3.1 MISTERE

Le premier instrument est MISTERE (Moyen Infrarouge Spectrom`etre de Terrain pour l’ ´Evaluation des R´eflectivit´es et des ´Emissivit´es)[14]. Il est bas´e sur un interf´erom`etre de Michelson statique, comme le montre la Figure 1.16.

Figure 1.16: Photo de l’instrument MISTERE [15]. (1): flux incident, (2): pupille d’entr´ee, (3): diaphragme, (4): bloc interf´erom´etrique, (5): sortie vers le PFIR

Le flux incident est d’abord collimat´e avant d’arriver sur le bloc interf´erom´etrique, pour former en sortie le signal d’interf´erences. L’interf´erogramme est ensuite renvoy´e sur le d´etecteur `a l’aide d’une optique imageante. Le montage est plus d´etaill´e sur la Figure 1.17. Ce spectrom`etre utilise un PFIR bas´e sur la technologie HgCdTe, de format 320 256 pixels, et couvre le domaine spectralr1050cm¹,3450cm¹ssoitr2.9µm,9.5µms.

La Figure 1.18 montre une cartographie de la r´eponse monochromatique de MIS-TERE. Celle-ci a ´et´e mesur´ee `a l’aide d’un spectrom`etre IR `a transform´ee de Fourier suivant la m´ethode pr´esent´ee dans la r´ef´erence [17].

On peut clairement reconnaˆıtre les franges d’interf´erences verticales, caract´eristiques de la r´eponse de l’instrument `a une radiation monochromatique (σ 1050,7cm¹).

Ces franges sont l´eg`erement tilt´ees afin d’´elargir l’intervalle spectral libre. Elles sont modul´ees par des formes basses fr´equences, qui correspondent aux disparit´es de r´eponses entre les pixels `aσ 1050,7cm¹, et qui sont corr´el´ees spatialement. Cette corr´elation est caract´eristique du BSF dans l’instrument MISTERE.

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Figure 1.17: Sch´ema optique de l’instrument MISTERE

Figure 1.18: Cartographie de la r´eponse monochromatique de l’instrument MIS-TERE, `a σ1050,7cm¹

1.6.3.2 MICROSPOC

MICROSPOC (MICRO SPectrometer On Chip) est un autre spectrom`etre stationnaire

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a transform´ee de Fourier refroidi [13], couvrant la gamme spectrale du MWIR et une partie du SWIR (r2000cm¹,6700cm¹s soit r1.5µm,5µms). Il constituera notre cas

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d’´etude, pour valider notre approche de mod´elisation des disparit´es de r´eponses entre pixels.

Sa structure, particuli`erement compacte, est sch´ematis´ee sur la Figure 1.19. Il est construit `a partir des mˆemes ´etapes classiques de fabrication d’un PFIR en HgCdTe mis `a part l’amincissement de substrat et le d´epˆot de couche anti-reflet qui sont ignor´es.

En fait, l’amincissement du substrat en CdZnTe et effectu´e en biais afin de former le bloc interf´erom´etrique du spectrom`etre, qui est directement int´egr´e au plan de d´etection en HgCdTe. La couche anti-reflet n’est pas d´epos´ee dans le but de favoriser les effets d’interf´erences entre l’onde transmise directement vers la couche active, et l’onde qui fait un aller-retour suppl´ementaire dans le substrat avec d’ˆetre transmise vers la couche active (voir Figure 1.19). Ainsi, en premi`ere approximation, ce spectrom`etre fait intervenir deux ondes d’interf´erence, ce qui lui vaut l’appellation de spectrom`etre `a transform´ee de Fourier.

Figure 1.19: Sch´ema de la structure de Microspoc

L’int´erˆet de ce type de ce dispositif est sa grande compacit´e, puisqu’il mesure 1cm dans sa plus grande dimension, et la haute cadence des mesures (700Hz), permettant de mesurer des ph´enom`enes rapides.

Comme nous l’avons vu au paragraphe 1.5.2, la r´esolution d’un spectrom`etre `a transform´ee de Fourier est li´ee `a la diff´erence de marche maximale du dispositif de mesure. Ainsi, dans le cas de Microspoc, cette diff´erence de marche maximaleδ_max est limit´ee par l’´epaisseur maximale de substrat. Par cons´equent, pour augmenter δmax et donc am´eliorer la r´esolution, il faut augmenter l’angle d’amincissement du substrat, ou

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elargir la matrice de d´etection.

L’effet du BSF est fortement per¸cu dans des dispositifs tels que MICROSPOC, ce qui repr´esente un cas d’´etude particuli`erement int´eressant pour nous. Cela est dˆu `a l’absence de couche anti-reflet `a la surface de cet instrument, permettant ainsi d’amplifier les ph´enom`enes d’ondes parasites interf´erant `a l’int´erieur du d´etecteur. Des pixels de structure diff´erente ne reproduisent pas les mˆemes ph´enom`enes d’interf´erences. Nous

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verrons par la suite en quoi cette information est importante pour remonter aux causes des disparit´es de r´eponses entre les pixels.

Les spectres obtenus apr`es correction des interf´erogrammes mesur´es contiennent des oscillations parasites, entraˆınant une incertitude sur la d´etection d’esp`eces chimiques.

De plus, le domaine spectral utile est r´eduit si on applique un filtrage spectral visant `a s’affranchir des disparit´es de longueurs d’onde de coupure entre pixels.

En r´ealit´e, une simple transform´ee de Fourier ne permet pas de d´ecrire l’interf´erogramme mesur´e par MICROSPOC, pour plusieurs raisons. D’abord, le processus d’interf´erence met en jeu plus de deux ondes `a l’int´erieur du d´etecteur. La relation entre l’interf´erogramme et le spectre ne peut plus ˆetre traduite au travers d’interf´erences `a deux ondes, et le traite-ment par transform´ee de Fourier devient inappropri´e. De plus, du fait de l’irr´egularit´e des diff´erences de marches entre pixels, l’´echantillonnage de l’interf´erogramme n’est pas r´egulier, ce qui pose probl`eme quant `a l’application d’une transform´ee de Fourier pour le calcul du spectre. Enfin, comme le montre l’´equation (1.13), les disparit´es des r´eponses spectrales des pixels obligent `a consid´erer les signatures spectrales individuelles des pix-els, au lieu de les consid´erer identiques dans une transform´ee de Fourier.

Nous avons insist´e sur les spectrom`etres `a transform´ee de Fourier statiques, car cela constitue le contexte principal de ce travail de th`ese. N´eanmoins, il existe d’autres dispositifs qui sont susceptibles d’ˆetre sensibles aux disparit´es de r´eponses spectrales entre pixels. Dans le paragraphe suivant, nous allons en citer quelques-uns, pour lesquels le traitement des donn´ees n´ecessite la connaissance des r´eponses spectrales des pixels.

1.6.4 Autres exemples de dispositifs sensibles aux r´eponses spectrales