Détecteurs infrarouges — photonique, thermique, NEP, D* et NETD
Le cœur du capteur : comment un photon devient un électron, pourquoi on refroidit à 80 K, et ce que NEP, D* et NETD mesurent exactement.
Les deux grandes familles
| Détecteurs photoniques (quantiques) | Détecteurs thermiques (bolométriques) | |
|---|---|---|
| Principe | Photon absorbé → paire électron-trou → courant | Chaleur absorbée → ΔT → variation de résistance |
| Temps de réponse | ns–µs (rapide) | ms (lent, constante thermique ~10 ms) |
| Refroidissement | 77–120 K (Stirling) | Ambiante (non refroidi) |
| Sensibilité | Très haute (NETD ~10–30 mK) | Bonne (NETD ~30–80 mK) |
| Coût / SWaP | Élevé | Faible — cœur des JVN/viseurs |
| Matériaux | InSb, MCT, InGaAs, T2SL | a-Si, VOx microbolomètres |
Règle : photonique = performance (longue portée, faible temps d'intégration) ; thermique = compacité/coût (combattant, drones légers). La frontière bouge avec les progrès des microbolomètres.
1. Détecteurs photoniques : le photon devient électron
Photodiode
Un photon d'énergie $h\nu > E_g$ (gap) crée une paire électron-trou → photocourant. La longueur d'onde de coupure : $\lambda_c = hc/E_g = 1{,}24/E_g(eV)$ µm.
| Matériau | E_g / bande | Usage |
|---|---|---|
| InGaAs | SWIR 0,9–1,7 µm | non-refroidi possible, lasers 1,55 µm |
| InSb | MWIR 3–5 µm (coupure ~5,5) | très haute sensibilité, technologie mature |
| MCT (HgCdTe) | accordable MWIR/LWIR/dual-band | le plus performant, le plus cher |
| T2SL (super-réseau) | MWIR/LWIR émergent | promesse coût/flexibilité, filière en développement |
| QWIP | LWIR | historique, faible rendement, peu utilisé aujourd'hui |
Pourquoi refroidir
Le bruit dominant d'un détecteur photonique est le courant d'obscurité — des paires générées thermiquement sans photon. Il suit la loi d'Arrhenius : il croît exponentiellement avec T ; une réduction de ~10 K le divise typiquement par ~2. D'où :
- MWIR/LWIR photonique : refroidi à 77–90 K (azote liquide en labo, cryogénérateur Stirling embarqué).
- Stirling : piston+regenerator refroidissant le plan focal ; MTTF typique 10 000–20 000 h — point de maintenance et de spec (temps de descente en température ~5–10 min, consommation électrique).
- « HOT » (High Operating Temperature) : génération récente visant 120–150 K — moins de contrainte cryo, SWaP réduit (matériaux à barrières, pBn/nBn, filière active chez Lynred et consorts).
2. Détecteurs thermiques : le photon devient chaleur
Le microbolomètre : un pont-membrane suspendu (a-Si ou VOx) dont la résistance change avec la température. Schéma :
photon IR → absorption → ΔT du pont → ΔR → tension lue par le ROIC (circuit de lecture intégré).
Paramètres clés :
- Constante thermique τ_th ~ 8–12 ms → limite le frame rate (~60 Hz max pratique) et le temps de réponse.
- TCR (Temperature Coefficient of Resistance) : la sensibilité intrinsèque (~2–4 %/K).
- 1/f noise : le bruit basse fréquence des microbolomètres — pénalise l'intégration longue et la veille panoramique lente.
- Pas de cryo → SWaP-C minimal : le choix par défaut du combattant et des petits drones.
3. Les figures de mérite : NEP, D*, NETD
NEP — Noise Equivalent Power
Puissance incidente donnant un SNR de 1 à la sortie du détecteur (pour une bande passante de 1 Hz) :
$$\mathrm{NEP} = \frac{P_{signal}}{SNR=1}\quad [\mathrm{W}/\sqrt{\mathrm{Hz}}]$$
Plus petit = meilleur. C'est la mesure du détecteur seul.
D* — Détectivité normalisée
Pour comparer des détecteurs de surfaces différentes :
$$D^* = \frac{\sqrt{A\,\Delta f}}{\mathrm{NEP}}\quad [\mathrm{cm\cdot Hz^{1/2}/W}] \;(\text{Jones})$$
Plus grand = meilleur. Permet le benchmark inter-technologies : un bon MCT MWIR atteint ~10¹¹ Jones ; un microbolomètre ~10⁹–10¹⁰ Jones.
NETD — Noise Equivalent Temperature Difference
La différence de température de scène donnant SNR = 1 en fin de chaîne (optique + détecteur + électronique) :
$$\mathrm{NETD} = \frac{T_{scene}}{SNR}\bigg|_{SNR=1}\quad [\mathrm{K\ ou\ mK}]$$
C'est la métrique système la plus citée — mais elle dépend de F/#, temps d'intégration, bande et T_scène de mesure (souvent 300 K). Valeurs typiques :
| Système | NETD typique |
|---|---|
| Microbolomètre 12 µm F/1 | 40–60 mK |
| MCT MWIR F/2 | 15–25 mK |
| Haut de gamme refroidi | <10 mK |
Réflexe d'évaluation : un NETD annoncé « 20 mK » sans F/# ni temps d'intégration est invérifiable. Le NETD s'améliore artificiellement en F/1 et 30 ms d'intégration — exigez les conditions de mesure, et la MRTD (fiche C3) pour la performance spatiale complète.
4. La chaîne détecteur complète
Un plan focal IR moderne (FPA, Focal Plane Array) :
- Pixel array : matrice de détecteurs (typ. 640×512, 1280×1024).
- ROIC (Read-Out IC) : circuit de lecture hybridé sous chaque pixel — intégration du photocourant sur capacité, multiplexage. Fixe la full-well capacity (dynamique) et le read noise.
- Temps d'intégration : réglable (µs à ms) — compromis sensibilité/frame rate.
- NUC embarquée : correction deux-points (fiche A4) — souvent sur FPGA/caméra.
- Format de sortie : comptes numériques (14 bits typ.) → correction → image.
5. Dual-band et tendances
- Dual-band MWIR+LWIR : deux plans focaux ou pixel empilé → discrimination spectrale des cibles (différencie réflexion solaire MWIR et émission propre LWIR). Programmes actifs (Lynred, CEA-Leti).
- Pixel pitch : 15→12→10 µm (microbolo) et <10 µm (refroidi) — plus de résolution à optique égale, mais moins de surface par pixel → compromis NETD.
- SWIR low-cost : InGaAs de plus en plus abordable (NIT, Sony SenSWIR) — voie « jour-nuit » complémentaire.
- Digital ROIC / smart FPA : lecture numérique sur puce, traitement local — capteurs plus « intelligents ».
6. Ce qu'il faut retenir
- Photonique = sensibilité + vitesse mais cryo ; thermique = SWaP-C mais moins sensible et lent.
- Courant d'obscurité ∝ e^(−Eg/kT) → pourquoi on refroidit ; le Stirling est le point faible (MTTF, consommation).
- NEP (W/√Hz) → détecteur ; D* (Jones) → benchmark ; NETD (mK) → système.
- NETD sans conditions = chiffre creux. Exiger F/#, t_int, bande, T_scène.
- FPA = pixels + ROIC ; full-well et temps d'intégration fixent la dynamique.
Pour aller plus loin : C3 (mesurer MRTD/NETD au banc), B7 (autre famille : l'intensification I²). Exercices bloc B : NEP/D*/NETD, choix de bande, trade refroidissement.