cours-cnam-capteurs-optiques

De Meun Jean

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• Publié par: Sazef
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• Langue: Français

Extrait

CAPTEURS OPTIQUES Durée: 4.5h A- PRINCIPES FONDAMENTAUX - PHOTOMETRIE 1 - Propriétés fondamentales de la lumière 2- Grandeurs photométriques 3- La lumière, support d'information B - LES CAPTEURS OPTIQUES 1 - Caractéristiques métrologiques 2- Cellule Photoconductrice 3- Photodiode 4- Phototransistor 5- Capteurs photoémissifs 6- Détecteurs thermiquesn n l A- PRINCIPES FONDAMENTAUX - PHOTOMETRIE 1 - Propriétés fondamentales de la lumière • Aspect ondulatoire et corpusculaire - Aspect ondulatoire : ondes électromagnétiques Mise en évidence: interférences, diffraction Une onde lumineuse monochromatique est formée d'un champ électrique et d'un champ magnétique orthogonaux, perpendiculaires à la direction de propagation et variant sinusoidalement en phase. Onde => longueur d'onde l (m) => fréquence (Hz) => vitesse de propagation v (m/s) cv= - c: vitesse de la lumière dans le vide (299792 km/s) n - n: indice de réfraction du milieu (n1) vRelation entre et : l= n ‡- Aspect corpusculaire : le photon Mise en évidence: effet photoélectrique Le photon est une particule élémentaire transportant une certaine énergie E à la vitesse de la lumière. Lors de ses interactions avec la matière il cède une partie ou toute son énergie. Exemples E E - e - Atome e E' Effet photoélectrique Diffusion Compton - Lien entre les deux représentations: le paquet d'onde Espace Energie du photon : E = h n -34 J s - constante de Planckh = 6.6256 10• Interaction lumière-matière Dépend de la longueur d'onde -> Pour les capteurs optiques: - Effet photoélectrique - libération de charge Dans les semi-conducteurs h > Eseuil - électron - électron accepteur ionisé + -donneur ionisé trou+trou+ semi-conducteurs semi-conducteurs semi-conducteurs dopés n dopés ppurs - Effet thermique - énergie lumineuse -> thermique -> Bilan de l'interaction d'un flux lumineux avec la matière Matériaux caractérisés par leurs coefficients -> de réflexion R -> d'absorption A -> de transmission T=1-R-A Rni Flux réflechi n Tni i Flux transmis Agitation thermique(1-R)n i An Effet photoélectriquei Anh i -1 -1) => taux de photons n (s )Flux monochromatique F (J s i FNombre d'électrons ou de trous libérés par s : G = h A hn avec rendement quantique (probabilité de l'effet phot.) h nF F 2- Grandeurs photométriques Les grandeurs relatives aux rayonnements lumineux peuvent être évaluées : - abstraction faite de toute impression sensorielle, considération énergétique uniquement => photométrie énergétique ou radiométrie. - en tenant compte de l'impression visuelle, => photométrie visuelle (spectre visible uniquement). • Photométrie énergétique - Q : Energie rayonnante; énergie émise, propagée ou reçue sous forme de rayonnement (en joules) - : Flux énergétique; puissance émise, propagée ou -1reçue sous forme de rayonnement (en Watt = J s) F = dQ/dt - I : Intensité énergétique; flux énergétique émis dans -1)une direction donnée sous l'angle solide unité (W sr I = dF /dW - L : Luminance énergétique; intensité énergétique -2 -1 sr )émise par unité d'aire projetée (W m avec dA = dA cos .L = dI/dAn n n n dA dA dA n - E : Eclairement énergétique; flux énergétique par unité -2de surface (W m ). E = d /dA q q ql l F l l ò l l l • Photométrie visuelle Sensibilité relative de l'oeil : V( ), maximum pour =555nm Les diverses grandeurs en photométrie visuelle sont évaluées en pondérant la grandeur correspondante de radiométrie par un facteur 680 V( ). - Cas d'un rayonnement monochromatique X (l ) = 680 V( ) X( )v Exemple: flux lumineux monochromatique à 500 nm (500)=680V(500) (500) 0.3x680x (500)=204 (500)=> v - Cas d'un rayonnement de spectre continu: On additionne les grandeurs partielles correspondantes aux différentes longueurs d'onde du spectre. dX( )2X = 680 V( ) d V d1 Avec et les limites du spectre visible fixées 1 2 conventionnellement à : l = 380 nm et l = 760 nm1 2 l l F F » F l l l l- Unités photométriques principales Grandeurs Unités visuelles Unités énergétiques Flux lumen (lm) watt (W) Intensité candela (cd) watt/stéradian (W/sr) 2 2 2 -1 2Luminance candela/m (cd/m ) watt/(sr m ) (W sr m ) 2 2 2Eclairement lumen/m ou lux (lx) watt/m (W m ) Energie lumen seconde (lm s) joule (J) Remarques sur les unités: -> L'éclairement est aussi parfois appelé l'illuminance -2 -2 -> 1 cd m = 1 nit et 1 cd cm = 1 stilb (sb) -2 -> 1 lm cm = 1 phot (ph) -2-> il existe aussi le lambert (L), 1 L = 3183 cd m -> unités anglo-saxonnes pour les aires (foot, inch) - Ordre de grandeur 2Luminances (cd/m )Eclairements (lx) 10 4Flash photographique 7 10 Lumière du jour 10 9Soleil au méridien 2 10 Crépuscule 10 6 -1Lampe à filament de W 6 10 Pleine lune 10 -5 -3Minimum visible 10 Ciel étoilé 10 20 Ex: Une source isotrope, émet 10 photons de longueur d'onde 525 nm par seconde. Quelle est l'intensité de cette source en W/sr et en cd? -2Quelle est son éclairement à 10 m en Wm et en lux?3- La lumière, support d'information La lumière peut servir de support à des informations dont elle assure la transmission. Un mesurande modifie directement ou indirectement un des paramètres physiques du rayonnement. Le rayonnement peut donc être considéré comme un corps d'épreuve sur lequel agit le mesurande primaire. Paramètre du Caractère de la Mesurande primaire rayonnement modification Direction Déviation position angulaire déformation Flux Atténuation par épaisseur absorption composition chimique Modulation par tout vitesse de rotation d'un ou rien disque nombre (comptage) Fréquence Effet Doppler vitesse de déplacement Intensité en Répartition spectrale température de la source fonction de de l'énergie de l'émission Phase Déphasage entre deux position rayons dû à une dimension différence de marche déplacement Polarisation Rotation du plan de pression polarisation par contrainte biréfringence lB - LES CAPTEURS OPTIQUES 1 - Caractéristiques métrologiques La grandeur électrique de sortie des capteurs optiques est généralement un courant électrique : c'est donc sa valeur et ses variations en fonction de divers paramètres qui serviront le plus souvent à spécifier les performances du capteur. I = I + I (F ,l)o p • Courant d'obscurité C'est le courant permanent délivré par le dispositif photosensible placé dans l'obscurité et polarisé dans des conditions définies. Origine: - libération de porteurs de charge par excitation thermique. interne - d'autant plus important que T et l sont grands.s - rayonnement thermique émis par le milieu environnant. externe Conséquences: - sensibilité à la température -> dérive thermique - fluctuation autour de la valeur moyenne -> bruit de fond qui augmente avec la valeur moyenne -> limite à l'amplitude minimale des signaux détectablesF l ò F l l l l F l l h l l l l ò l l • Sensibilité I = I + I (F ,l)o p S = D I/DF si I =cte => S = D I /DFo p Unités : courant/flux A/W ou A/lumen -2courant/éclairement A/(W m ) ou A/lux - Sensibilité spectrale : rayonnement monochromatique S(l ) = D I /DF (l )p Courbe de réponse spectrale : S( l )/S(l )p avec l longueur d'onde pour S maximum (en général)p -> Pour l > l (longueur d'onde seuil) I = 0.s pl < l s => I a au nombre de charges libérées par secondesp h Al h AlI µ G = ( ) => S(l ) µ=> p hc hc En fait et A dépendent aussi de . - Sensibilité totale : rayonnement non-monochromatique En supposant I << I => S = I /Fo p p Pour S , on intègre sur toutes les longueurs d'ondest l dF (l )2I = S(l ) dlòp l dl1 donc d ( )2 S( ) d d1S = t d ( )2 d d1 2- Cellule Photoconductrice