Nouveau concept de caméra TeraHertz à température ambiante basé sur la thermo-conversion de photons couplée à une caméra InfraRouge

Texte intégral

(1)Science Arts & Métiers (SAM) is an open access repository that collects the work of Arts et Métiers Institute of Technology researchers and makes it freely available over the web where possible.. This is an author-deposited version published in: https://sam.ensam.eu Handle ID: .http://hdl.handle.net/10985/6622. To cite this version : Christophe PRADERE, Jean-Pascal CAUMES, Daniel BALAGEAS, Jean-Christophe BATSALE Nouveau concept de caméra TeraHertz à température ambiante basé sur la thermo-conversion de photons couplée à une caméra InfraRouge - 2012. Any correspondence concerning this service should be sent to the repository Administrator : archiveouverte@ensam.eu.

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(7) Congrès français de thermique, SFT2012, Talence, 29 mai - 1er juin 2012. Nouveau concept de caméra TeraHertz à température ambiante basé sur la thermo-conversion de photons couplée à une caméra InfraRouge. C. PRADERE*, J.P. CAUMES, D. BALAGEAS et J.C. BATSALE I2M, département TREFLE, UMR 5295, Esplanade des Arts et Métiers, 33405 Talence. * (auteur correspondant : christophe.pradere@bordeaux.ensam.fr) Résumé - La technologie THz a été largement appliquée pour ces nombreuses potentialités dans les domaines de la physique, de la biologie ou encore de la médecine. Le point de développement clé concerne aujourd’hui l’imagerie en temps réel multispectrale dans un domaine particulier (10-3000 µm). Si de nombreux systèmes existent sur une base tout-optique [1,2], l’extension de la technologie IR dans le domaine THz est prometteuse [3-4]. Dans ce travail, nous proposons un système de conversion de photons THz en photons IR sur une large bande spectrale. L’intérêt majeur de ce type de convertisseur réside dans la possibilité d’obtenir un système imageur multispectral IR-IR ou IR-THz à partir d’une seule et même caméra IR commerciale. Les premières réalisations expérimentales ont permis la métrologie spatiale d'une source TeraHertz millimétrique (0.110 THz). Par la suite, deux exemples d’imagerie THz, à température ambiante, en temps réel, ont été démontrés à l’aide de ce nouveau système.. 1. Introduction La position spectrale du rayonnement TeraHertz est parfaitement illustrée par les deux filières technologiques développées autour des caméras THz à la frontière de l’optique (infrarouge) et de l’électronique [5] (onde millimétrique, micro-onde, radars …). Tout d’abord, la filière électronique, elle consiste à adapter des solutions tout électroniques, à forte maturité technologique de la communauté des ondes « radar ». Elle fournit aujourd’hui des détecteurs performants en sensibilité mais difficilement intégrables en matrice (électronique lourde, nombre de pixels limités, …). Ces développements sont à l'origine des scanners corporels d'aéroport aujourd'hui industrialisés. Ensuite, la filière thermique, elle consiste à adapter la sensibilité des détecteurs infrarouges (micro-bolomètres). Cette technologie a permis de démocratiser les détecteurs thermiques dans le domaine civil et semble tout à fait légitime pour une extension dans le domaine THz (2 - 10 THz). Ils sont modifiés directement sur le capteur (dépôt d’une couche mince, couplage avec des antennes, adaptation de la technologie CMOS). Ces techniques sont gourmandes en coût de fabrication (instrumentation et procédés électroniques en salle blanche) et sont limitées en termes de gamme spectrale. Au delà de ces deux filières, nous avons basé notre développement sur l’extension de la thermographie infrarouge «classique» (3 - 20 µm) vers un spectre de longueurs d’ondes plus large (1-3000 µm) exploitant leur maturité et leur intégration industrielle. Nous donnons ainsi une nouvelle dimension pour l’imagerie scientifique 2D et 3D (tomographie), le contrôle et l’inspection non-destructive et non-invasive de matériaux diélectriques opaques (céramique, composite, bois, tissu…) employés dans de nombreux domaines industriels.. - 763 -.

(8) Congrès français de thermique, SFT2012, Talence, 29 mai - 1er juin 2012. F Figure 1. Schéma de princcipe de détecction à l’aidee d’un thermo-convertisseeur TéraHerrtz. P Pour cela, sur la même m base que les écrans à scintillation s ns convertissant le rayonneement X en photons visibles (freqquency down n-conversio on), nous prroposons dee réaliser la conveersion inverrse (frequen ncy up-convversion) du u rayonnemeent TeraHerrtz/milliméttrique en photonss infrarouges (figure 1). L'élém ment clef de d notre système estt ainsi le thermoconvertiisseur. Sa fonction f prremière connsiste à abssorber le raayonnementt THz à l'aaide d'un matériauu optimisé et de le co onvertir en rrayonnemen nt infraroug ge à traverss l’augmenttation de tempéraature induite. La métro ologie therm mique du th hermo-conv vertisseur eest ensuite finement f quantifiiée et résoluue spatialem ment par un ssystème de vision infraarouge. U Un premierr prototype a été dévveloppé [3,4 4] et a perm mis les preemières preeuves de conceptt de l’adapptation du thermo-coonvertisseurr sur les grandes fiilières de caméras efficace d’u infrarouuges (quantiique et micrro-bolométrrique) perm mettant une métrologie m un grand nombre de sources infraroug ges et THz. Par ailleurrs, nous montrerons qqu'elle donn ne accès égalemeent à une l’’imagerie THz T 2D et 33D performante. Nouss montreronns dans la suite s que cette instrumentation présentee une sensibbilité de meesure de l'o ordre de < 220 nW/Hz1/2 et une résolutioon spatialee proche de d la limiite de difffraction (). Ces sp écificationss et les configuurations exppérimentalees choisies offre l'av vantage d'im mager dess champs optiques importaants (> 40 x 40 mm)) difficilem ment réalisaable avec les technoloogies concu urrentes. L’extension de l’uttilisation des caméras tthermiques dans de nou uvelles banddes spectralles grâce au therm mo-convertiisseur offre des perspecctives importantes pourr la créationn et la mise au point de nouvvelles méthhodes de contrôle c noon-destructiif en volum me et à ddistance de défauts spécifiqques millim métriques (d délaminationns, inclusio ons, inhomo ogénéités, uusures, collages…) sur des structures de d grandes tailles isolaantes (comp posites, mou usses, caouttchoucs, polymères, ntre « égalem ment un …). Ceette nouvellle méthode d'analyse par essencce multispectrale mont potentieel importantt dans le fu uture pour lla fusion dee plusieurs systèmes dd’imagerie (Visible, Infrarouuge proche et e lointain voire v même des systèm mes acoustiq ques).. 2. Disp positif exp périmenta al L Le dispositiif expérimeental de testt est présen nté sur la fig gure 2. Le module de thermoconvertiisseur est directementt attaché à la caméraa thermiquee pour sa meilleure isolation i thermiqque. Une fennêtre en tefflon (opaquue à l’IR) de d 2 mm d'éépaisseur feerme le module des éventueels rayonnem ments therm miques inciddents dans l'axe de la caméra. Laa caméra infrarouge utilisée est une cam méra comm merciale (FL LIR-SC7000) dédiée aux a applicattions de méétrologie fique. Refroidis par Steerling, elle eest spécialeement conçu ue pour la bbande de frréquence scientifi 3-5 µm. L'objectif infrarouge,, où a été pllacé le therrmo-converttisseur, a unne focale dee 25 mm avec unne distance de d travail de 125 mm ((NA=0.2). Le L champ optique o infraarouge mesuré dans le plan du thermo--convertisseeur est de l'oordre de 70 0 x 70 mm² avec une rrésolution de d l'ordre de 125 µm. Un objjectif Térahertz compo sé de trois lentilles l (tefflon) imagee le plan objjet sur le thermo--convertisseeur avec un u grandiss ement de 1. La disttance de trravail de l'objectif l. - 764 -.

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(14) Congrès français de thermique, SFT2012, Talence, 29 mai - 1er juin 2012. u champ opptique de 50 0 x 50 mm. Téraherrtz est de 800 mm avec un. F Figure 2. Phootographie du d montage ex expérimental utilisé pour le test de la caméra THzz. (Configguration en imagerie i (sa ans lentille dee focalisation n dans le pla an objet de l'o 'objectif Téra ahertz) a avec une source millimétrrique de 20 mW m émettantt à 0.11 THz)). L L'objet imaagé par l'objjectif TeraH Hertz sur lee thermo-convertisseur est éclairé par une source Térahertz monochrom m matique ( = = 0.11 THzz soit = 2.8 mm) dd’une puisssance de 20 mW.. Le cornet de sortie prrésente unee divergencee de 30°, l’u utilisation dd’une parab bole hors met ainsi dee collimaterr le faisceau u sur une taiille de 30 x 30 mm. axe de 1150 mm de focale perm Pour la métrologiee de faisceaau présentéée par la su uite, une len ntille de 600 mm de fo ocale est insérée pour focalisser le faisceeau Téraherttz dans le plan objet dee l'objectif T Térahertz.. 4.. M Métrologie de deux x sources millimétriques 0.0 08 et 0.11 THz. L Les sourcess utilisées sont s des dioodes GUNN N (RPG à 0.08 0 THz ett ZAX à 0.11 THz) émettannt respectivvement à 50 5 et 20 m mW (donnéées fournissseurs). A l'aide du montage m expérim mental précéédent, la mesure m du faaisceau THzz de taille millimétriqque (> 3 mm m) a été réalisée en utilisannt une camééra infrarouuge dédiée au domain ne de longuueur d'onde 3-5 µm coupléee au thermoo-convertisseur. Le tem mps d'intégrration de la caméra estt de 1 ms avec a une fréquennce d'acquisiition de 25 Hz, H le signaal caméra éttant échantillonné sur 114 bits. L La figure 3 présente les résultats ttypiques obttenus pour la l source dee 0.11 THz. Chaque image een présence du faisceau u est soustraaite d'une im mage de bru uit caméra aacquise initialement. La figurre 3a montrre la cartogrraphie therm mique du th hermo-conveertisseur écllairé par le faisceau Terahert rtz avec l'accquisition d'une d seule image et laa colonne 3b, 3 l'acquisiition moyen nnée sur 200 imaages (améliooration du rapport r signnal sur bruitt -SNR- d'u un facteur thhéorique ég gal à 14). Les profils de faiscceau représeentés par la figure 3 so ont une moy yenne spatiaale dans la direction d X ou Y de l'image. Le bruit sur la courbbe non moyeennée est de l'ordre dee 0.1 niveau u caméra alors quue le bruit sur la courrbe moyennnée est de l'ordre l 2, qui q donne uune améliorration de l'ordre dde 20. Les bas niveaux de bruit ssur la courb be empêcheent une meiilleure préccision du calcul dde SNR. Auu final, le raapport SNR R en acquisition « sing gle-shot » esst de l'ordree de 300 alors quue le SNR avvec une acq quisition de 200 imagess (durée 8 s) est de l'orddre 4200.. - 765 -.

(15) Congrès français de thermique, SFT2012, Talence, 29 mai - 1er juin 2012. a). b)). Fiigure 3. Métrrologie d'un ffaisceau TerraHertz (0.11 THz, 20 mW W). Lees colonnes a) a et b) illusttrent respectiivement l'acq quisition « siingle shot » à 25 Hz (temp mps d'intégrration de 1 ms) m et l'acquiisition moyennnée sur 200 0 images. Less images sonnt données en n niveau de gris g caméra et e les axes sppatiaux X et Y en pixel (1 pixel = 125 µm). Les proffils sont moyyennées suiva ant la directiion X (horizo ontal, trait pllein) et la dirrection Y (vertical en ttrait continu)).. N Notre instruumentation permet éggalement un ne métrolog gie quantitaative des faisceaux f Téraherrtz. En effett, avec unee lentille dee focale 60 mm et un faisceau coollimaté dee 30 mm (NA=0.2), le diam mètre théoriq que au poinnt de focalissation est de 6.1 mm. N Nous mesu urons sur m dde 48 pixels correspond dant à un diiamètre de 6 mm en les figurres 3, un diiamètre à mi-hauteur très bonn accord aveec la valeur attendue.. Figuree 4. Métrologgie d'un faiscceau TeraHerrtz (0.11 THzz, 20 mW et 0.08 0 THz, 500 mW) illustrrant la potentiialité multipeectrale de la caméra Tera ahertz.. - 766 -.

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(21) Congrès français de thermique, SFT2012, Talence, 29 mai - 1er juin 2012. P Pour illustrer la potenttialité de rééaliser un sy ystème imag geur multisp spectral, nou us avons focaliséé dans le pllan objet lee rayonnem ment issue de d deux dio odes Gunn de 0.11 TH Hz et de 0.08 TH Hz. L'acquissition simulltanée des ddeux faisceeaux est un résultat im mportant parr rapport aux autrres technoloogies d'imaagerie matriicielle Térah hertz. Les résultats r sonnt présentéss dans la figure 44.. 4.. A Applicatiions à l'im magerie 2D D Térahertz tempss réel.. N Nous avons appliqué la caméraa THz à l'imagerie acctive en pleein champ d'objets caractérristiques cacchés derrièrre un ensem mble d'isolan nts (carton, teflon, t …). Suivant le montage m présentéé sur la figuure 2, le faaisceau colliimaté éclairre les objetts placés daans le plan objet de l'objectiif THz. Le rayonnemen r nt transmis eest alors im magé sur le thermo-convvertisseur. Les L deux objets ttestés sont une lettre T découpé dans une plaque de teflon de 5 mm et un ne grille métalliqque avec des trous de 3 mm de diaamètre et disstant de 3 mm m (dimenssions caractéristique de l'ordrre de ).. Figuree5. Imagerie THz 2D (0.1 11 THz, 20 m mW) d'une letttre T en TEF FLON et d'unne grille méttallique trouée cacchées respecttivement danns du CARTO ON (10 mm) et e du TEFLO ON (5 mm).. L La figure 5 représente les images enregistréees avec une moyenne dde 100 imag ges avec un tempps d'intégrattion de 0.1 ms. m Le rappport SNR dees images esst supérieurr à 50 sur less images présentéées. L'imagge de la grille g montrre une réso olution spaatiale prochhe de la liimite de diffractiion équivallente à 2.. La méthoode d'imageerie active précédentee est appliccable en transmisssion comm me en réflex xion sur un champ opttique de 50 x 50 mm aavec des frééquences vidéo dee 1 à 10 Hzz. Avec en perspective p uun éclairem ment multisp pectral sur uune large gaamme de longueuurs d’ondess, l'utilisatio on d'un thhermo-conveertisseur peermet de nnouvelles méthodes m d'imageerie et ainsi l'inspection n non-destrructive d'obj bjets opaquees au visiblee ou à l’IR R moyen. Cela nnous conduuit vers de nouvellees méthodees d'imageerie innovaante combiinant la thermoggraphie au rayonnemeent Téraherrtz. Comm me l'illustre la figure 6, le rayon nnement Téraherrtz permet de d détecter des d élément nts absorban nt derrière des d couchess opaques au u visible ou à l’IR R. Pour le démontrer, d nous n avons pplacé du caarbone sur une u plaque dde silicium de d 1 mm d’épaissseur, elle-m même collée sur une plaaque de tefflon. Le rayonnement T Térahertz éttant plus absorbéé par le carbbone que par p le siliciuum ou le teeflon, il estt possible dd'imager av vec notre « camérra THz » lees différentts élémentss. C'est unee méthode très sélectiive qui perrmet par exemplee d'imager hétérogénéi h té de la couuche de carb bone sur le Silicium. S. - 767 -.

(22) Congrès français de thermique, SFT2012, Talence, 29 mai - 1er juin 2012. Figure 66. Combinaisson du rayon nnement THzz avec l'imag gerie thermique : Détectioon d'hétérogéénéité de carbonne sur une coouche de Siliccium derrière re une plaquee de Teflon. Le L rayonnem ment THz est absorbé a de mannière sélectivve suivant less matériaux et fait apparraître par con ntraste les dififférents mattériaux.. 5.. C Conclusioons-persp pectives. D Dans cet article a nouss avons moontré la faaisabilité dee l’imageriee THz à partir p du couplagge entre unee caméra IR R et un sysstème de co onversion THz-IR. T Less premiers résultats obtenuss avec ce syystème sont très promettteurs pour la commun nauté des theermiciens. En E effet, cela moontre qu’il devient d posssible de réalliser de l’im magerie mulltispectrale (du visible au THz) avec unne seule et même m camérra IR. Bien entendu, ceela est aussii valable avvec tous les types de détecteuurs thermiqques qui so ont classiqquement utiilisés dans nos labora ratoires com mme les monodéétecteurs IR R, les pyro omètres…... Si cette application n est aujouurd’hui lim mitée en sensibilité par la puissance des d sourcess THz exisstantes (20 mW), on peut imagiiner que c type de sources, dees systèmess de plus demain,, avec l’auggmentation et la banallisation de ce haute ppuissance ett de plus faible f coût seront disp ponibles cee qui perm met d’envisaager une imagerie de très haaute qualitéé et sur des surfaces dee très grand de taille. Dee même l’uttilisation de sourrces multisspectrales devrait d nouus permettrre une anaalyse de laa composittion des matériauux, ce qui enrichit e enco ore le domaaine d’utilisaation des caaméras IR. Enfin, iil apparaît clairement c que q les persspectives dee ce travail sont très im mportantes pour un grand nombre de domaines d d’applicationss. Pour citer qu’un exeemple, on peeut envisager toutes les appplications de d type co ontrôle nonn destructiff ou il deevient désoormais posssible de tomograaphier des objets o et don nc de ne pa s se restrein ndre à une mesure m de suurface com mme c’est le cas aaujourd’huii en thermiique. De p lus, il est possible dee superposeer l’information de tempéraature avec l’information optiquue THz (transparenc ( ce, absorpt ption…) ain nsi que l’inform mation specttrale, tout ceela avec un même outill de mesure.. - 768 -.

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(28) Congrès français de thermique, SFT2012, Talence, 29 mai - 1er juin 2012. Références [1] W. L. Chan, J. Deibel and D. M. Mittleman, Rep. Prog. Phys. 70, 1325-1379 (2007) [2] J-P. Caumes, B. Chassagne, D. Coquillat, F. Teppe and W. Knap, Electron. Lett., 45, (2009) [3] C. Pradere, J-P. Caumes, B. Chassagne, J.C. Batsale, Patent N° FR 0952097, Apr. 2009 [4] C. Pradere, J.-P. Caumes, D. Balageas, S. Salort, E. Abraham, B. Chassagne, and J.-C. Batsale, Quant. InfraRed Thermogr. 7, 217–235 (2010). [5] D. Balageas, P. Levesque, “EMIR: a photothermal tool for electromagnetic phenomena characterization”, Rev. Générale de Thermique, Vol. 37, 1998, pp. 725-739.. - 769 -.

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