Dewar level integration of infrared systems for imagery applications
Nouvelles briques de conception de systèmes intégrés pour la vision infrarouge
Résumé
Huge efforts are made in the research and industrial areas to design miniature and cheap optical systems. Indeed these new breakthroughs will contribute to spread these systems in new outlets. The aim of this thesis is to investigate new kinds of cooled infrared optical devices. I have shown that a first step in the miniaturization process can be done by integrating the optics inside the dewar, which is called dewar-level integration. However, cryogenic constraints require a more extensive miniaturization and simplification in order to be able to cool down the additional mass. At first, I have carried out a minimalist strategy, which aims to give an imagery property to the dewar without integrating a single optic. In this way, I have designed an infrared \textit{camera obscura} by replacing the cooled diaphragm with a pinhole. This approach has been improved by coding a circular grating on this diaphragm, so that the angular resolution is improved while keeping the huge focal depth of the pinhole. Despite their outstanding simplicity, both devices suffer from a low throughput. This can be improved by integrating a Wollaston meniscus lens inside the cold chamber (patent pending). I have thus shown that a single cooled lens can lead to a well corrected optical system. Finally, different ways to miniaturize this optical system have been investigated. They are based on multichannel architectures inspired by the apposition compound eye of invertebrates and by the vision of Xenos Peckii. This study will lead to a further step of integration called wafer-level integration since the optical system could be integrated directly on the focal plane array.
L'intégration de systèmes optiques au plus près des détecteurs est un domaine en pleine expansion dans le monde scientifique et industriel. La diminution de l'encombrement et des coûts de ces systèmes contribuerait en effet à une meilleure diffusion de ces derniers dans des applications très diverses. L'objectif de la thèse est d'explorer de nouvelles briques de conception pour les systèmes infrarouges refroidis. J'ai montré qu'une première étape de miniaturisation peut être apportée en intégrant les systèmes optiques directement à l'intérieur du cryostat (intégration dewar-level). Les contraintes cryogéniques imposent cependant une simplification et une miniaturisation plus poussée de manière à réduire au maximum la charge supplémentaire à refroidir. Je me suis orienté, dans un premier temps, vers une approche minimaliste qui a consisté à rendre imageant le cryostat sans intégrer la moindre optique supplémentaire. J'ai ainsi réalisé une camera obscura infrarouge en donnant un effet sténopé au diaphragme froid. Ce concept a été amélioré en codant sur ce diaphragme un réseau circulaire qui associe la propriété de grande profondeur de champ du sténopé avec une bonne résolution angulaire. Les deux solutions proposées, bien que remarquables par leur simplicité, souffrent néanmoins d'un faible bilan radiométrique. Celui-ci peut être amélioré en intégrant une architecture de type ménisque de Wollaston, qui a fait l'objet d'une demande de brevet. J'ai alors montré qu'une seule optique refroidie permet d'atteindre simplement une très bonne qualité optique. Enfin, une réflexion a été menée pour miniaturiser cette architecture. Elle s'appuie sur des systèmes multivoies s'inspirant de l'œil à facettes apposées des invertébrés et de la vision du Xenos Peckii. Cette réflexion permettra de franchir une étape d'intégration supplémentaire en proposant d'aménager directement au niveau du détecteur (intégration wafer-level) des architectures optiques.
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