| 2871371 | Wide-band interference light filter | |||
| 3787609 | ELECTRONIC COLOR FILTER SYSTEM | |||
| 3796826 | MULTISPECTRAL CAMERA |
L'invention concerne un dispositif de détection photoélectrique comprenant une enveloppe à vide munie d'une fenêtre ayant un substrat supportant une photocathode sur la face interne de l'enveloppe à vide, la photocathode déposée sur son substrat étant sensible au rayonnement lumineux incident entre un seuil bas à longueur d'onde basse λ 1 et un seuil haut à longueur d'onde λ 2 plus élevée entre lesquels sa sensibilité photoélectrique présente un maximum, les électrons émis par la photocathode étant focalisés, accélérés et défléchis par des moyens électroniques pour délivrer des signaux ou une image représentatifs d'événements lumineux projetés sur la photoyathode. Un tel dispositif est connu par exemple du US-A-3 787609.
L'invention concerne également des tubes utilisant ce genre de dispositif de détection photoélectrique tels les tubes dissecteurs d'image, et d'une manière générale tous les tubes de restitution d'images pour lesquels les erreurs localisées de restitution sont à éliminer.
Cet aspect des erreurs localisées présente une grande importance dans les tubes dissecteurs d'image. Ces tubes sont généralement destinés à détecter des événements ponctuels apparaissant dans un champ de vision principalement sous la forme d'une scrutation du ciel comme par exemple dans l'observation des nuages ou des particules en météorologie ou dans la poursuite des étoiles en astronomie. L'image détectée par un tel tube apparaît ainsi sous la forme d'une image assez uniforme dans laquelle apparaissent des événements à détecter de très faible dimension par rapport à l'étendue totale de l'image. Or dans cette image se présentent également des défauts qui peuvent être confondus avec les événements à détecter ou perturber leur détection et qui ainsi nuisent à l'efficacité du tube dissecteur.
Un tube dissecteur est généralement constitué d'une enveloppe à vide pourvue d'une fenêtre d'entrée munie d'une photocathode émettant des électrons sous l'action d'un rayonnement lumineux incident. La scène à analyser est projetée optiquement sur la fenêtre d'entrée. Les électrons émis par la photocathode sont accélérés, focalisés et défléchis, par une optique électronique appropriée, sur un multiplicateur d'électrons qui présente à son entrée une très petite ouverture. Par un système de balayage électronique, les électrons émis par chaque point de l'image formée sur la photocathode, pénètrent dans le multiplicateur qui restitue par des moyens électroniques habituels un signal électrique que l'on peut visualiser sur un écran ou exploiter pour positionner le tube dissecteur.
Or lorsque l'image présente les défauts déjà signalés ceux-ci peuvent entraîner une mauvaise perception de l'image ou des difficultés à positionner le tube dissecteur, car le défaut peut se substituer à l'événement utile du champ d'image, et contrôler ainsi l'asservissement du tube dissecteur.
Un tel tube dissecteur est ainsi décrit dans la publication intitulée : "The image Dissector as an Optical Tracker" de E.H. EBERHARDT publiée dans "Proceedings of the seminar on optical tracking system EL PASO, TEXAS, USA, 18-19 janvier 1971.
Il est décrit un tube dissecteur utilisé pour effectuer la poursuite des étoiles. Dans le champ d'image obtenu sur la photocathode l'étoile se présente ainsi sous l'apparence d'un point lumineux. Dans ces applications, il peut être nécessaire de déceler des variations de position de l'ordre du micron sur la photocathode. Or, il apparaît très souvent que des défauts puissent être confondus avec l'événement lumineux à détecter et à suivre. Ce sont principalement les variations brutales de sensibilité, à courte distance, entre un point d'image et un autre point d'image voisin, qui créent la perturbation la plus néfaste.
Le but de l'invention est ainsi de diminuer le nombre des défauts de l'image ainsi que les perturbations qu'ils créent.
Pour cela l'invention telle que définie dans le préambule est remarquable en ce que la fenêtre est munie d'un filtre de lumière qui détermine un seuil haut λ f d'un domaine de longueurs d'onde, domaine pour lequel le dispositif de détection est opérationnel, en éliminant l'émission électronique de la photocathode pour les rayonnements lumineux de longueurs d'onde supérieures à la longueur d'onde λ f afin de supprimer l'influence du seuil de sensibilité λ 2 de la photocathode et réduire la densité de défauts ponctuels et/ou oblongs d'image, tel que λ 1 < λ f < λ 2 , λ f étant prise du côté du seuil de sensibilité λ 2 par rapport au maximum de la sensibilité photoélectrique. Ce filtre de lumière peut être un filtre passe-bande qui détermine un seuil bas λ' f du domaine pour lequel le dispositif de détection est opérationnel, en éliminant également l'émission électronique de la photocathode pour les rayonnements lumineux de longueurs d'onde inférieures à la longueur d'onde λ' f afin de supprimer l'influence du seuil bas λ 1 et réduire la densité de défauts ponctuels et/ou oblongs d'image, tel que λ 1 < λ' f < λ f , λ f étant prise du côté du seuil bas λ 1 par rapport au maximum de la sensibilité photoélectrique.
Dans les structures d'image détectées par un tube dissecteur, il est apparu que ces défauts étaient dus pour leur majeure partie à une perturbation du fonctionnement de la photocathode, sous la forme de variations de son efficacité quantique. Ces défauts sont habituellement des défauts ponctuels de 10µm x 10µm environ ou des défauts oblongs de 10µm x 50µm environ. Ces défauts peuvent entrainer des variations d'efficacité quantique du même ordre de grandeur que les variations d'émission quantique qui se produisent sous l'action des événements à détecter et qui sont de l'ordre de 1%. Il s'ensuit qu'il peut être difficile dans bien des cas de discerner le signal utile du signal perturbé.
Le pouvoir photoélectrique en transmission Y T pour des photons incidents d'énergie h s'écrit :
où
avec
Ceci indique que le pouvoir photoélectrique dépend de la profondeur à laquelle les photons sont absorbés, donc de la quantité de matériau concerné, ainsi que de la profondeur à partir de laquelle les électrons vont pouvoir s'échapper dans l'enveloppe à vide.
Il ressort des observations faites par la demanderesse que ces variations du pouvoir photoélectrique sont en rapport avec la composition et l'épaisseur des couches, la probabilité de sortie des électrons, la topologie des surfaces,... ces paramètres intervenant différemment selon le domaine de longueurs d'onde du faisceau d'incident.
Il est apparu que le pouvoir photoélectrique en lumière bleue (λ b = 430 nm) pour une photocathode de composition (Na 2 K Sb, Cs) est maximal pour une épaisseur de 7 nm environ. Or les antimoniures en couches minces ont tendance à nucléer sur le substrat et à provoquer des variations locales d'épaisseur qui peuvent atteindre 2 nm environ. Egalement les paramètres optiques n m et k m des couches, qui sont respectivement les indices réel et complexe d'une photocathode d'épaisseur e m , sont très sensibles aux variations d'épaisseur et de composition des couches. Il en découle que des variations locales du pouvoir photoélectrique Y T peuvent atteindre des valeurs de 4 % environ. Il est apparu que les fluctuations de compositions étaient fortement liées à la nature du substrat, les matériaux alcalins réagissant avec le substrat lorsqu'il est en verre.
De même, il a été mis en évidence des variations importantes, entre différents échantillons, du pouvoir photoélectrique Y T en lumière rouge (λ r > 700 nm). Ceci s'avère être dû à une probabilité de sortie des électrons plus faible, et à un gradient de la probabilité de sortie plus élevée, lorsque l'énergie des photons décroît. Ceci se traduit par des variations locales du pouvoir photoélectrique pouvant atteindre 4 % c'est-à-dire des variations relatives pouvant atteindre 100 %.
En lumière verte (λ v = 520 nm), les variations du pouvoir photoélectrique se sont avérées beaucoup plus faibles que pour les lumières bleue et rouge. Ceci est dû au fait que les épaisseurs de photocathode utilisées pour avoir un pouvoir photoélectrique maximal sont de l'ordre de 68 nm pour lesquelles les fluctuations d'épaisseur liées à la nucléation des couches ont une action plus faible. De même, le gradient de la probabilité de sortie des électrons est faible aux environs de la longueur d'onde de la lumière verte.
Il ressort d'expérimentations faites par la demanderesse que les variations importantes du pouvoir photoélectrique Y T conduisant à l'apparition des défauts préalablement définis au niveau de la photocathode, étaient en prio-rité dus à l'association des mécanismes qui viennent d'être décrits, ceux-ci étant actifs pour des longueurs d'onde de lumière incidente se situant du côté des longueurs d'ondes élevées, vers le seuil de sensibilité λ 2 de la photocathode.
Pour cela l'invention supprime l'influence du seuil de sensibilité λ 2 du dispositif de détection en filtrant le spectre de lumière incidente et en supprimant ce seuil haut λ 2 . Le seuil haut de sensibilité du dispositif de détection après filtrage est alors celui du filtre interposé. Ce filtre est par exemple un filtre interférentiel constitué par un empilement de couches de matériaux à haut et bas indice optique, dont les épaisseurs sont déterminées en fonction de la bande spectrale où la transmission est souhaitée. Les matériaux à indice optique élevé sont par exemple ZrO 2 , CeO 2 , ZnS, TiO 2 , Ta 2 O 5 , WO 3 . Les matériaux à indice optique faible sont par exemple MgF 2 , Na Al F 2 , CaF 2 , BaF 2 .
La réalisation d'un filtre adapté à un type de photocathode donné va pouvoir s'effectuer de la manière suivante. On dépose une photocathode sur un substrat et on détermine le pouvoir photoélectrique de cette photocathode en fonction de la longueur d'onde. Sur cette courbe de sensibilité on définit la longueur d'onde λ f (par exemple λ f = 760 nm) pour laquelle cette sensibilité est à environ 10 % de sa sensibilité maximale. Le filtre est alors déterminé pour éliminer les longueurs d'ondes supérieures à la valeur λ f donc éliminer les longueurs d'ondes voisines du seuil de sensibilité λ 2 ( λ 2 > λ f ). Les couches de matériaux à haut et bas indice optique vont être empilées les unes sur les autres avec des épaisseurs qui vont être fonction du type de filtre désiré.
Pour cela on réalise un filtre passe-bas coupant les longueurs d'ondes supérieures à λ f = 760 nm pour lequel, à la longueur d'onde
où
Mais il est également apparu que le seuil bas de sensibilité du dispositif de détection photoélectrique était également responsable des défauts du pouvoir photoélectrique de la photocathode. Aussi une amélioration supplémentaire est donnée à l'invention en supprimant également le seuil bas de sensibilité du dispositif de détection photoélectrique. Pour cela, on définit également une longueur d'onde λ' f = 440 nm au-dessous de laquelle existe une zone où apparaissent des perturbations apportées par les interactions de nature chimique entre le substrat et la photocathode. Dans le cas d'une photocathode de composition Na 2 K Sb, Cs et d'épaisseur égale à 68 nm, sa sensibilité pour λ'f = 440 nm est égale à environ 90 % de sa sensibilité maximale. On définit alors un filtre passe-haut qui avec les mêmes notations que précédemment pourra être du type B :
avec λ 0 = 0,84 λ fB . La valeur de
Pour délimiter une bande utile de transmission du filtre il est possible de disposer des filtres des types A et B de part et d'autre du substrat. Il est également possible de réaliser un filtre d'un type C tel que :
Dans ce dernier cas pour déterminer un filtre ayant une transmission par exemple entre 480 nm et 680 nm la valeur de longueur d'onde à prendre en considération pour la réalisation de l'empilement sera alors λ 0 = 570 nm. Pour une photocathode de composition Na 2 K Sb, Cs l'épaisseur de celle-ci sera de 68 nm pour avoir un pouvoir photoélectrique maximal dans le vert.
Selon un premier mode de réalisation le filtre ainsi déterminé peut être réalisé sous la forme d'une structure amovible placée devant la fenêtre d'entrée du détecteur photoélectrique, le filtre étant monté sur un support solidaire de l'enveloppe à vide.
Selon un second mode, il est également possible de déposer directement les couches constituant le filtre sur la fenêtre d'entrée du détecteur photoélectrique à l'extérieur et/ou à l'intérieur de l'enveloppe à vide. Selon ce second mode plusieurs variantes de réalisation sont possibles.
Selon une première variante préférentielle de réalisation, on élimine les longueurs d'ondes élevées du spectre en déposant le filtre passe-bas sur la face externe du substrat.
Selon une seconde variante de réalisation, on élimine les deux extrémités du spectre en déposant le filtre passe-bas sur la face externe du substrat et le filtre passe-haut sur la face interne du substrat entre le substrat et la photocathode.
Selon une troisième variante de réalisation, on élimine les deux extrémités du spectre en déposant le filtre passe-bande sur la face externe du substrat.
Dans le cas où le filtre n'est pas situé sur la même face du substrat que la photocathode, le filtre est adapté spécifiquement à cette photocathode. Dans le cas où le filtre est disposé entre le substrat et la photocathode, il est nécessaire d'opérer préalablement une mesure de sensibilité sur une photocathode témoin déposée directement sur un substrat de même nature, pour déterminer l'étendue du spectre où les corrections sont à effectuer. Dans ce cas pour réaliser le filtre situé à l'intérieur de l'enveloppe on évitera d'utiliser ZnS et Na Al F 2 .
Le substrat qui supporte la photocathode est habituellement réalisé en verre. Or les variations de composition de la photocathode qui sont dues aux réactions chimiques des alcalins avec le verre peuvent être diminuées en remplaçant ce substrat vitreux par un substrat monocristallin tels que le quartz ou le corindon. Le substrat ayant alors un meilleur état de surface permet une meilleure nucléation des couches constitutives de la photocathode ou des filtres améliorant ainsi leurs propriétés respectives. Cette atténuation des variations du pouvoir photoélectrique avec la nature monocristalline du substrat est surtout sensible dans la partie bleue du spectre. Aussi une autre variante de l'invention corrigeant les parties rouge et bleue du spectre consiste à utiliser un filtre passe-bas -pour la correction de la partie rouge du spectre- placé sur la face externe du substrat monocristallin.
Un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, est décrit ci-après à l'aide des figures qui représentent :
La figure 1 représente un tube dissecteur d'images comprenant une enveloppe à vide 10, ayant une fenêtre d'entrée formée d'un substrat 12 sur lequel est déposée une photocathode 11. A l'intérieur de l'enveloppe à vide et à l'opposé de la fenêtre d'entrée du tube est disposé un multiplicateur d'électrons 13 devant lequel est disposé une plaque 15 présentant une petite ouverture 14. Egalement à l'intérieur de l'enveloppe sont disposées des électrodes 17 placées à des potentiels adéquats pour accélérer et focaliser les électrons émis par la photocathode 11. Des bobines de déflexion 16 dé-fléchissent le faisceau d'électrons et assurent le balayage afin que les électrons émis par chaque point de la photocathode soient focalisés sur l'ouverture 14 selon un trajet 18. Ce faisceau d'électrons est ensuite repris par le multiplicateur 13 qui fournit sur une sortie 19, un signal électrique qui est repris soit par un tube moniteur soit par un dispositif électronique de traitement du signal. Devant le substrat 12 est disposé un filtre interférentiel 20.
Un dispositif optique non représenté sur la figure projette la scène à analyser sur la fenêtre d'entrée du tube dissecteur.
Sur la figure 2 est représenté plus en détail l'ensemble de la fenêtre d'entrée du tube dissecteur selon un exemple non limitatif. Sur la face du substrat 12, qui est située du côté intérieur de l'enveloppe à vide est disposée la photocathode 11. Sur la face du substrat 12, qui est située à l'extérieur de l'enveloppe à vide, est disposé un filtre interférentiel 20 constitué d'un empilement de couches 20 1 , 20 2 , ..., 20 p qui selon cette figure sont constituées de couches d'un matériau à bas indice 20 1 , 20 3 ,..., 20 p alternées avec des couches d'un matériau à haut indice 20 2 , 20 4 ,..., 20 p-1 . Cet empilement est représentatif des filtres du type A déjà décrits. La scène à analyser est projetée sur le tube dissecteur selon un faisceau incident 22 de lumière de longueurs d'onde s'étalant sur un spectre large. Il traverse le filtre interférentiel 20 pour donner à la sortie un faisceau de lumière dont les longueurs d'ondes sont limitées dans la partie haute et éventuellement dans la partie basse selon les caractéristiques données au(x) filtre(s) en rapport avec l'invention décrite préalablement. Ce faisceau à longueurs d'ondes filtrées traverse le substrat 12 puis est absorbé dans la photocathode 11 pour donner naissance à des électrons émis sur toute la surface de la photocathode.
A l'aide des électrodes 17 de focalisation et d'accélération et des bobines de déflexion 16 indiquées sur la figure 1, on fait arriver les électrons émis par chaque pointimage de la photocathode sur la petite ouverture 14 située à l'entrée du multiplicateur d'électrons 13. Le signal électrique obtenu est ensuite traité par des moyens de traitement dont les caractéristiques permettent de discerner deux points-image distants sur la photocathode de quelques microns.
Sur la figure 3 sont représentées trois courbes :
Bien évidemment l'invention concerne les tubes de restitution d'images pour lesquels des variations à très courtes distances du pouvoir photoélectrique produisent des effets néfastes à éliminer.