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Caméra refroidie

Pour des applications plus exigeantes, on utilise des détecteurs quantiques, qui fonctionnent sur la base d’un effet photoélectrique intrinsèque. Ces matériaux répondent en infrarouge en absorbant des photons qui élèvent le niveau d’électrons du matériau à un état d’énergie plus élevé, ce qui provoque un changement de conductivité, de tension ou de courant. En refroidissant ces détecteurs à des températures cryogéniques, ils peuvent être très sensibles au rayonnement infrarouge qui est focalisé sur eux. Ils réagissent également très rapidement aux variations de températures avec un temps de réponse constant de l’ordre de 1μs. Par conséquent, une caméra avec ce type de détecteur est très utile pour l’enregistrement de phénomènes thermiques transitoires. Pourtant, les détecteurs quantiques ont des courbes de réponse avec des détectivités qui varient fortement avec la longueur d’onde. Les détecteurs les plus utilisés actuellement dans les caméras refroidies sont : l’InSb, le MCT, le QWIP, le SLS, …

Dans les matériaux utilisés pour les détecteurs quantiques, à la température ambiante, il y a des électrons à des niveaux d’énergie différents. Certains électrons ont une énergie thermique suffisante car ils sont dans la bande de conduction, ce qui signifie que les électrons y sont libres de se déplacer et le matériau peut conduire un courant électrique. La plupart des électrons, cependant, se trouvent dans la bande de valence, où ils ne portent pas de courant parce qu’ils ne peuvent pas se déplacer librement. Lorsque le matériau est refroidi à une température suffisamment basse, variable en fonction du matériau choisi, l’énergie thermique des électrons peut être si faible qu’il n’y en a pas dans la bande de conduction. Le matériau ne peut donc pas transporter de courant. Lorsque ces matériaux sont exposés à des photons incidents et que ces photons ont une énergie suffisante, cette énergie peut stimuler un électron dans la bande de valence l’amenant à se déplacer vers le haut dans la bande de conduction. Ainsi, le matériau (détecteur) peut transporter un courant photoélectrique, qui est proportionnel à l’intensité du rayonnement incident. Pour qu’un électron passe de la bande valence à la bande de conduction, ce dernier a besoin d’une énergie très basse et très précise. Cette énergie est liée à une certaine longueur d’onde : la longueur d’onde de coupure. Etant donné que l’énergie des photons est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde, les énergies sont plus élevées dans la bande ondes courtes et moyennes que dans la bande ondes longues. Par conséquent, en règle générale, les températures de fonctionnement pour les détecteurs ondes longues sont inférieures à celles des détecteurs ondes courtes et moyennes. Pour un détecteur InSb (antimoniure d’indium) en ondes moyennes, la température nécessaire doit être inférieure à 173K (-100°C), bien qu’il puisse être utilisé à une température beaucoup plus basse. Un détecteur HgCdTe (tellurure de mercure-cadmium ou MCT) en ondes longues doit être refroidi à 77K (-196°C) ou inférieure. Un détecteur QWIP (photodétecteur infrarouge à puits quantiques) doit normalement fonctionner à environ 70K (-203°C) ou inférieure.

Les caractéristiques typiques des caméras refroidies sont :

–      Sensibilité très faible (détectivité) <20mK

–      Temps de réponse très rapide (environ 1µs)

–      Fréquence d’acquisition élevée (jusqu’à plusieurs kHz)

–      Possibilité de déclencher précisément le capteur

Les budgets des caméras refroidies commencent à moins de 50k€ et peuvent atteindre plus de 150k€  pour des caméras haute définition et/ou très rapides.

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