MTF measurements of a type-II superlattice infrared focal plane array sealed in a cryocooler

International audienceIn operational electro-optical systems, infrared focal plane arrays (IR FPA) are integrated in cryocoolers which induce vibrations that may strongly affect their modulation transfer function (MTF). In this paper, we present the MTF measurement of an IR FPA sealed in its cryocooler. The method we use to measure the MTF decorrelates operational constraints and the technological limitations of the IR FPA. The bench is based on the diffraction properties of a continuously self imaging grating (CSIG). The 26 µm pixel size extracted from the MTF measurement is in good agreement with the expected value

Towards a metrological approach of the infrared detector transfer function measurement

Les détecteurs matriciels dans le domaine infrarouge sont en plein développement technologique, et s'appliquent à des domaines divers (spatial/défense, astronomie...). La réduction des pas pixels pose un défi concernant la mesure de la fonction de transfert de modulation (FTM) des détecteurs. La FTM est une fonction de mérite qui mesure la capacité du détecteur à résoudre des détails d'une scène, et qui est liée à la réponse spatiale des pixels. La projection optique de motifs suffisamment fins devient alors une limite de la mesure. Par ailleurs, les applications d'imagerie hyper-spectrales et la diversité des structures pixel existantes questionnent la dépendance de la FTM en longueur d'onde. Dans cette thèse, nous étudions une méthode interférométrique utilisant des réseaux continûment auto-imageant afin d'adresser au mieux ces différents enjeux. Ces réseaux permettent la projection 2D de motifs haute résolution prédictibles par modélisation. La détection des motifs et leur connaissance théorique permettent alors la restitution de la FTM du détecteur. Les détecteurs considérés fonctionnant à température cryogénique, un banc de mesure spécifique refroidi à l'azote liquide a été développé pour effectuer la mesure avec un fond thermique réduit, tout en ayant accès à des grands angles d'ouverture optique. Parallèlement, un traitement, permettant d'estimer la propagation du bruit du détecteur à travers la méthode, a été développé et testé sur un détecteur proche infrarouge. Ce traitement a également permis de restituer des effets particuliers de diffusion électronique entre les pixels du détecteur. Dans un second temps, des mesures de FTM en fonction de la longueur d'onde ont été réalisées sur un détecteur moyen-infarouge, au sein du banc cryogénique. Cette étude a mis en évidence une dépendance spectrale de la FTM sur des structures pixels spécifiques. Enfin, lors de ces expériences, des incertitudes résiduelles sur la prédiction des motifs ont été mises à jour. Un retour d'expérience est alors mené, débouchant sur la proposition d'un nouveau protocole de mesure de la FTM par voie monochromatique. La simulation de la propagation du faisceau IR à travers le réseau se révèle être un élément clé de la méthode.Infrared Focal Plane Arrays (IRFPAs) technological evelopment is currently evolving rapidly and can be applied to various fields (space/defence, astronomy..). The reduction of the pixel pitch poses a challenge in terms of characterization of the Modulation Transfer Function (MTF). MTF is related to the spatial response of the pixels. The optical projection of fine patterns then becomes a problem in the measurement due to the diffraction limit. The hyperspectral imagery applications and the diversity of pixel structures used in the industry also question the wavelength dependency of the MTF. In this thesis, we study an interferential method in order to best address these different issues of spatial response measurement. These gratings allow the 2D projection of high-resolution patterns that can be predicted by simulation. The detected pattern allows the restitution of the MTF. Since the IRFPAs considered here operate at cryogenic temperatures, a nitrogen-cooled bench is developed to measure the MTF with a reduced thermal background while having access to large aperture angles. A treatment is developed and tested on a near-infrared detector in order to estimate the propagation of noise through the method. This procedure also allowed to measure electronic diffusion effects between the pixels. In a second time, wavelength-dependent MTF measurements were performed on a mid-wavelength infrared detector within the cryogenic bench. This study revealed a spectral dependence of the MTF on specific pixel structures. Finally, during these experiments, residual errors about the prediction of the projected interferential patterns were highlighted. A feedback is then given, leading to the proposal of a new measurement procedure. The simulation of the propagation of the beam through the grating appears to be a key element of the method

Vers une approche métrologique de la mesure de fonction de transfert de détecteurs infrarouge

Infrared Focal Plane Arrays (IRFPAs) technological evelopment is currently evolving rapidly and can be applied to various fields (space/defence, astronomy..). The reduction of the pixel pitch poses a challenge in terms of characterization of the Modulation Transfer Function (MTF). MTF is related to the spatial response of the pixels. The optical projection of fine patterns then becomes a problem in the measurement due to the diffraction limit. The hyperspectral imagery applications and the diversity of pixel structures used in the industry also question the wavelength dependency of the MTF. In this thesis, we study an interferential method in order to best address these different issues of spatial response measurement. These gratings allow the 2D projection of high-resolution patterns that can be predicted by simulation. The detected pattern allows the restitution of the MTF. Since the IRFPAs considered here operate at cryogenic temperatures, a nitrogen-cooled bench is developed to measure the MTF with a reduced thermal background while having access to large aperture angles. A treatment is developed and tested on a near-infrared detector in order to estimate the propagation of noise through the method. This procedure also allowed to measure electronic diffusion effects between the pixels. In a second time, wavelength-dependent MTF measurements were performed on a mid-wavelength infrared detector within the cryogenic bench. This study revealed a spectral dependence of the MTF on specific pixel structures. Finally, during these experiments, residual errors about the prediction of the projected interferential patterns were highlighted. A feedback is then given, leading to the proposal of a new measurement procedure. The simulation of the propagation of the beam through the grating appears to be a key element of the method.Les détecteurs matriciels dans le domaine infrarouge sont en plein développement technologique, et s'appliquent à des domaines divers (spatial/défense, astronomie...). La réduction des pas pixels pose un défi concernant la mesure de la fonction de transfert de modulation (FTM) des détecteurs. La FTM est une fonction de mérite qui mesure la capacité du détecteur à résoudre des détails d'une scène, et qui est liée à la réponse spatiale des pixels. La projection optique de motifs suffisamment fins devient alors une limite de la mesure. Par ailleurs, les applications d'imagerie hyper-spectrales et la diversité des structures pixel existantes questionnent la dépendance de la FTM en longueur d'onde. Dans cette thèse, nous étudions une méthode interférométrique utilisant des réseaux continûment auto-imageant afin d'adresser au mieux ces différents enjeux. Ces réseaux permettent la projection 2D de motifs haute résolution prédictibles par modélisation. La détection des motifs et leur connaissance théorique permettent alors la restitution de la FTM du détecteur. Les détecteurs considérés fonctionnant à température cryogénique, un banc de mesure spécifique refroidi à l'azote liquide a été développé pour effectuer la mesure avec un fond thermique réduit, tout en ayant accès à des grands angles d'ouverture optique. Parallèlement, un traitement, permettant d'estimer la propagation du bruit du détecteur à travers la méthode, a été développé et testé sur un détecteur proche infrarouge. Ce traitement a également permis de restituer des effets particuliers de diffusion électronique entre les pixels du détecteur. Dans un second temps, des mesures de FTM en fonction de la longueur d'onde ont été réalisées sur un détecteur moyen-infarouge, au sein du banc cryogénique. Cette étude a mis en évidence une dépendance spectrale de la FTM sur des structures pixels spécifiques. Enfin, lors de ces expériences, des incertitudes résiduelles sur la prédiction des motifs ont été mises à jour. Un retour d'expérience est alors mené, débouchant sur la proposition d'un nouveau protocole de mesure de la FTM par voie monochromatique. La simulation de la propagation du faisceau IR à travers le réseau se révèle être un élément clé de la méthode

Development of a Cryogenic Test Bench for Spectral MTF Measurement on Midwave Infrared Focal Plane Arrays

International audienceThe modulation transfer function (MTF) is one of the key figures of merit for the characterization of infrared focal plane arrays (FPA). Moreover, with both the trend of reduced pixel pitch and the variety of pixel structures observed in the industry, the study of the impact of wavelength on the MTF is also of great interest, and thus needs a spectro-spatial measurement. In this paper, we demonstrate such spectral MTF measurements in the mid-wavelength infrared (MWIR) band by the use of several spectral bandpass filters. We realize those measurements at 80 K on a specific n/p 320 × 256 HgCdTe MWIR FPA, divided into different areas. The pixel pitch is the same for all areas (30 μm), the only difference being the fill factor, which differs from one zone to another. The MTF measurement bench is based on a continuously self-imaging grating interferometer integrated in a specific cryogenic set-up

Caractérisation absolue de la fonction de transfert optique d'un objectif cryogénique infrarouge de grande ouverture

International audienceThe field of infrared detectors is experiencing a strong movement towards smaller pixel pitches, and it is now common to see pitches close to the wavelength. This raises major problems in measuring their characteristics, especially their transfer function. The latter can be measured by optical pattern projection methods using a low F/# objective, such as the spot scan method. However, in order to obtain the quantitative transfer function measurement of detectors, the objective spatial response should be measured and deconvoluted precisely, since the size of the focused optical spot is close to the pixel pitch. Therefore, the purpose of this paper is to propose a protocol that performs an absolute measurement of a high-quality infrared objective. The main idea of the article is to link the measurement standard to a fundamental theory, the Huygens-Fresnel principle, using a particular wavefront sensor as a secondary measurement standard. This has various metrological advantages, that allow the uncertainties of the optical transfer function measurement to be controlled and evaluated. The protocol and the propagation of errors described in the article are both used to demonstrate the value of this approach.Le domaine des détecteurs infrarouges connaît une tendance vers des pas pixels plus petits, et il est désormais courant de voir des pas proches de la longueur d'onde. Ceci pose des problèmes importants pour la mesure de leurs caractéristiques, notamment de leur fonction de transfert. Cette dernière peut être mesurée par des méthodes de projection de motifs optiques utilisant un objectif à faible F/#, comme la méthode du spot scan, mais cela suppose que la réponse spatiale de l'objectif soit mesurée et déconvoluée avec précision, étant donné que la taille de la tache optique focalisée est proche du pas du pixel. L'objectif de cet article est donc de proposer un protocole permettant d'effectuer une mesure absolue d'un objectif infrarouge de haute qualité. L'idée principale de l'article est de relier l'étalon de mesure à une théorie fondamentale, à savoir le principe de Huygens-Fresnel, en utilisant un trou de diffraction couplé à un capteur de front d'onde permettant de restituer les erreurs de mesures

Caractérisation optique d'un objectif de spot scan cryogénique à faible nombre d'ouverture pour détecteurs infrarouges

International audienceInfrared focal plane arrays are widely used for astronomical observations and are constantly optimized to provide higher-quality images. The knowledge of the pixel spatial response becomes critical to extract ever more data from scientific missions. A specific cryogenic spot scan objective with an f-number of 1.2 has been developed in order to finely characterize 15 µm (or smaller) pixel pitch cooled infrared focal plane arrays in the spectral band between 3-5 µm. It will be operated in the MIRCOS test bench with different narrow-band filters. We present the first optical characterization of this objective obtained with a cryogenic wavefront analyzer-a quadrilateral shearing interferometer. The measured wavefront indicates a peak-to-valley amplitude of 2 µm, which corresponds to an optical quality of about λ/2 at 3.75 µm working wavelength. This value higher than expected might be due to a non-uniform cooling of the objective.Les détecteurs infrarouges sont largement utilisées pour les observations astronomiques et sont constamment optimisées pour fournir des images de meilleure qualité. La connaissance de la réponse spatiale des pixels devient primordiale pour extraire toujours plus de données provenant des missions scientifiques. Un objectif spot scan cryogénique spécifique avec un nombre d'ouverture de 1,2 a été développé afin de caractériser finement les détecteurs infrarouges refroidies avec un pas de 15 μm (ou moins) dans la bande spectrale entre 3-5 μm. Elle sera exploitée dans le banc d'essai MIRCOS avec différents filtres à bande étroite. Nous présentons la première caractérisation optique de cet objectif obtenue avec un analyseur de front d'onde cryogénique - un interféromètre à décalage quadrilatéral. Le front d'onde mesuré indique une amplitude peak-to-valley de 2 μm, ce qui correspond à une qualité optique d'environ λ/2 à une longueur d'onde de travail de 3,75 μm. Cette valeur supérieure à celle attendue pourrait être due à un refroidissement non uniforme de l'objectif

Développement d'un banc de spot scan cryogénique pour l'étude des détecteurs dans le moyen infrarouge

International audienceIn this article, we present a cryogenic spot scan bench in the 3-5 µm band currently under development in the ONERA MIRCOS platform. Initial tests have been carried out on a HgCdTe detector with a 30 µm pitch and improvements are underway to characterise smaller pixels.Dans cet article, nous présentons un banc de spot scan cryogénique dans la bande 3-5 µm actuellement en développement dans la plateforme MIRCOS de l'ONERA. Des premiers tests ont été réalisés sur un détecteur HgCdTe au pas de 30 µm et des améliorations sont en cours pour pouvoir caractériser de plus petits pixels

Développement du banc de spot scan cryogénique pour l'étude de détecteurs dans le moyen infrarouge

International audienceIn this article, we present a cryogenic spot scan bench dedicated to the 3-5.5 µm spectral band currently under development in the MIRCOS platform at ONERA. Initial tests have been carried out on a 30 µm pitch HgCdTe focal plane array, and improvements are underway to characterize the spatial response of detectors with smaller pixel pitches.Dans cet article, nous présentons un banc de spot scan cryogénique dédié à la bande spectrale 3-5,5 μm actuellement en cours de développement sur la plateforme MIRCOS de l'ONERA. Les premiers tests ont été réalisés sur un détecteur HgCdTe avec un pas pixel de 30 μm, et des améliorations sont en cours pour caractériser la réponse spatiale de détecteurs avec des pas de pixels plus petits

Modulation transfer function measurements on a MWIR T2SL focal plane array in IDDCA configuration

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Performance evaluation of InAs/GaSb type-II superlattice integrated detector dewar coolerassembly operating in the midwave infrared spectral domain

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