CAPTEURS OPTIQUESDurée: 4.5hA- PRINCIPES FONDAMENTAUX - PHOTOMETRIE1 - Propriétés fondamentales de la lumière2- Grandeurs photométriques3- La lumière, support d'informationB - LES CAPTEURS OPTIQUES1 - Caractéristiques métrologiques2- Cellule Photoconductrice3- Photodiode4- Phototransistor5- Capteurs photoémissifs6- Détecteurs thermiquesnnlA- PRINCIPES FONDAMENTAUX - PHOTOMETRIE1 - Propriétés fondamentales de la lumière• Aspect ondulatoire et corpusculaire- Aspect ondulatoire : ondes électromagnétiquesMise en évidence: interférences, diffractionUne 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 photonMise en évidence: effet photoélectriqueLe 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.ExemplesEE-e-Atome eE' Effet photoélectrique Diffusion Compton- Lien entre les deux représentations: le paquet d'ondeEspaceEnergie du photon : E = h n-34 J s - constante de Planckh = 6.6256 10• Interaction lumière-matièreDépend de la ...
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 thermiquesn
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
nF
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
ql
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
lB - 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 détectablesF
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