Génération de motifs à haute résolution sans optique: Application à la caractérisation spatiale des détecteurs infrarouge

Emmanuel Di Mambro

Abstract : The last decade's amazing advances in microelectronics have led to the development of large infrared focal plane arrays (IRFPAs) with a high density of pixels per square centimetre. Therefore, the characterisation of these new components becomes a challenge, particularly the measurement of the spatial responses, described by the modulation transfer function (MTF). For this purpose, the projection of perfectly known patterns that illuminate the entire surface of the IRFPA and contain sub-pixel details is required. For several years, an original technique of MTF measurement has been explored at ONERA. The first idea was to use the self-imaging property of a grating illuminated by a quasi-monochromatic plane wave, called the Talbot effect. A first test bench has been developed and has produced measurements on IRFPAs working in [1-2,5 µm] and [3-5 µm] spectral ranges. For the long-wavelength infrared (LWIR) spectral range (8-12 µm), the technique appeared to come up against physical limitations (called non-paraxial effects) and other solutions have been explored, based on the use of a particular category of self-imaging fields, called non-diffracting arrays (NDAs). The object of this thesis is to study quantitatively and rigorously these non-paraxial effects and to develop the solutions formerly proposed. In particular, original techniques of generating NDAs of high-resolution (i.e. containing small details, close to the working wavelength) are studied, both theoretically and experimentally. These techniques are based on the use of a panchromatic illumination and a particular class of self-imaging transmittances called the continuously self-imaging gratings. At last, for spectrally-resolved MTF measurements, it is shown that an incoherent summation of monochromatic self-images acquired at different distances can produce patterns analogous to those obtained with panchromatic light.

Résumé : Les progrès en microtechnologie durant la dernière décennie ont abouti à la réalisation de plans focaux infrarouge (PFIR) de grand format, intégrant une importante densité de détecteurs (ou pixels) au centimètre carré. La caractérisation de ces composants sophistiqués devient alors un véritable défi, en particulier la mesure de la réponse spatiale des détecteurs, décrite par la fonction de transfert de modulation (FTM). Cette mesure nécessite la projection de mires parfaitement connues qui couvrent toute la surface du PFIR et contiennent des détails sub-pixels. Depuis plusieurs années, une technique originale de mesure de FTM est à l'étude à l'ONERA. L'idée initiale était d'utiliser la propriété d'auto-imagerie d'un réseau en transmission éclairé par une onde plane quasi-monochromatique, appelée effet Talbot. Un premier banc de test a été développé et a permis d'effectuer des mesures sur des PFIR fonctionnant dans la bande [1-2,5 µm] et [3-5µm]. Pour le test des composants fonctionnant dans la bande des hautes longueurs d'onde (8-12 µm), la technique se heurte à des limitations physiques (appelées effets non-paraxiaux) et des solutions alternatives ont été proposées, basées sur une classe particulière de faisceaux auto-imageants, appelés les tableaux nondiffractants. L'objet de la thèse est d'étudier de manière quantitative et rigoureuse ces effets non-paraxiaux et de développer les solutions proposées précédemment. En particulier, des techniques originales permettant de générer des tableaux nondiffractants haute-résolution (c'est-à-dire contenant des motifs de taille proche de la longueur d'onde) sont étudiées théoriquement et expérimentalement. Ces techniques exploitent l'éclairage panchromatique du réseau ainsi qu'un nouveau type de réseaux auto-imageants appelés réseaux continûment auto-imageants. Enfin, on montre que pour les mesures de FTM à différentes longueurs d'onde, une somme incohérente d'auto-images monochromatiques enregistrées à différentes distances permet de construire des motifs analogues à ceux obtenus avec un éclairage panchromatique.

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