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Principes de fonctionnement et types de matrices à plan focal dans l'infrarouge

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FPA IR refroidis et non refroidis : Principales différences, matériaux et comparaisons des performances

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1.Principe de fonctionnement de base

Une matrice infrarouge à plan focal (IR FPA) intègre la conversion photoélectrique et le traitement de la lecture du signal. Elle est composée d'éléments de détection infrarouge disposés selon un modèle spécifique et d'une unité de traitement des signaux. La lumière infrarouge incidente est focalisée sur les éléments de détection par le système optique. Les éléments de détection convertissent l'énergie du rayonnement infrarouge reçu en signaux électriques par conversion photoélectrique. L'unité de traitement des signaux est chargée d'intégrer, d'amplifier, d'échantillonner et de conserver ces signaux électriques. Enfin, ces signaux sont envoyés au système de surveillance via un tampon de sortie et un système de multiplexage, ce qui permet d'afficher une image infrarouge correspondant à la scène réelle.

2.Types de matrices infrarouges à plan focal
Les matrices de plans focaux infrarouges (IR FPA) peuvent être classées comme refroidies ou non refroidies en fonction de leurs besoins de refroidissement.

- Matrices à plan focal infrarouge refroidies
Les matrices plan focal infrarouge refroidies sont basées sur la technologie de refroidissement cryogénique et les principes de détection des photons. Elles nécessitent un dispositif de refroidissement pour maintenir un environnement à basse température afin d'obtenir des performances élevées. Les réseaux de plans focaux infrarouges refroidis offrent une sensibilité élevée et une longue portée de détection, excellant particulièrement dans des applications telles que la recherche et le suivi de cibles, la télédétection par satellite et la recherche scientifique de haut niveau. Toutefois, en raison des contraintes liées à l'équipement et aux matériaux de refroidissement, les amplificateurs de puissance à infrarouge refroidis sont plus coûteux et consomment plus d'énergie.

Matériaux de base
Les amplificateurs de puissance à infrarouge refroidis sont principalement fabriqués à partir de deux types de matériaux : Le tellurure de mercure et de cadmium (HgCdTe) et l'antimoniure d'indium (InSb). Le HgCdTe est devenu le matériau dominant pour les détecteurs infrarouges à haute performance en raison de sa large réponse spectrale, de ses excellentes capacités d'intégration et de son aptitude à la télédétection spatiale. L'InSb, qui utilise souvent la technologie d'interconnexion flip-chip, est particulièrement bien adapté à la détection des rayonnements infrarouges de 3-5 μm en raison de sa plus grande mobilité des porteurs, ce qui lui confère des performances exceptionnelles dans les tâches de recherche et de suivi dynamiques des cibles.

-Matrices à plan focal infrarouge non refroidi
Les matrices à plan focal infrarouge non refroidies (IR FPA) se composent de détecteurs pyroélectriques ou de microbolomètres ainsi que des circuits et systèmes correspondants. Elles ne nécessitent pas de dispositif de refroidissement et peuvent fonctionner à température ambiante. Par rapport aux matrices plan focal infrarouge refroidies, les types non refroidis offrent des avantages distincts en termes de taille, de coût et de durée de vie, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications civiles où la portabilité et la rentabilité sont essentielles, telles que l'inspection industrielle, la surveillance de la sécurité, la conduite assistée et l'électronique grand public.

Matériaux de base
Actuellement, le développement de matrices plan focal infrarouge non refroidies se concentre principalement sur la bande 8-14 μm de l'infrarouge à ondes longues (LWIR). Leurs performances dépendent largement de la sélection du matériau de détection thermique. Parmi les matériaux utilisés, l'oxyde de vanadium (VOx) est largement reconnu pour son excellente sensibilité et sa précision de mesure de la température. Le silicium amorphe (α-Si), en raison de son processus de fabrication mature et de son aptitude à la production à grande échelle, occupe également une place importante sur le marché.

3.Matrices de plans focaux infrarouges refroidies et non refroidies
Les matrices plan focal infrarouge refroidies et non refroidies diffèrent en termes de conception structurelle, de matériaux clés et de processus de fabrication, ce qui entraîne des différences dans leurs applications. Les principales distinctions portent sur plusieurs aspects :

(1) Sensibilité : Les FPA IR refroidis doivent fonctionner dans un environnement à basse température pour supprimer le bruit et le courant d'obscurité causés par l'excitation thermique, ce qui permet d'obtenir une sensibilité de détection et une qualité d'image plus élevées. En revanche, les APF IR non refroidis fonctionnent à température ambiante et, bien qu'ils ne nécessitent pas de système de refroidissement, ils sont généralement moins sensibles et moins fiables.

(2) Le prix : Les APF IR refroidis sont plus chers en raison de leur dépendance à l'égard des systèmes de refroidissement cryogéniques et des processus de fabrication complexes de leurs matériaux de base. En comparaison, les APF IR non refroidis ne nécessitent pas de composants de refroidissement, ont des coûts de fabrication plus faibles et sont donc plus rentables.

(3) Durée de vie : La durée de vie des APP IR refroidis est souvent limitée par la fiabilité du mécanisme de refroidissement, ce qui se traduit par une durée de vie relativement courte. Les APF IR non refroidis, dont la structure est plus simple et qui ne comportent pas d'unité de refroidissement mécanique, ont généralement une durée de vie plus longue. Toutefois, leur sensibilité peut diminuer au fur et à mesure que les composants vieillissent.

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