Cours optique || Capteurs optiques - Photométrie - Radiométrie - Photomultiplicateur

Capteurs optiques

Utilisés dans des domaines aussi divers que la photographie, l'imagerie spatiale, la reconnaissance de forme, la mesure de déplacement et de déformation, les capteurs optiques sont des capteurs qui convertissent le signal des ondes lumineuses et de longueurs d'ondes voisines (ultraviolet et infrarouge) en signal électrique.

Les capteurs optiques sont divisés en trois grandes classes d’applications :

• Les capteurs d'images (exemple : capteurs jHTG, CCGP,...) dans les domaines de la photographie et de la vidéographie.
• Les capteurs industriels (exemple : capteurs photorésistance, photomultiplicateur...) dans les domaines techniques qui correspondent au besoin notamment de l'automatisation des procédés.
• Les capteurs militaires utilisés dans la détection, la reconnaissance et l'observation aussi bien dans le domaine du spatial que de l'armée de terre (infanterie) ou de la marine.

Généralités

Prémices historiques et technologiques de la prise de l'image

L'imagerie numérique est l'aboutissement technologique de l'étude de la lumière qui a été menée par l'homme dès l'antiquité qui visait notamment à fixer les images du monde extérieur en image. C'est une technique relativement jeune (début des années 1970) mais qui s'appuie sur les connaissances acquises au cours de 23 siècles d'étude du phénomène lumineux. Historiquement, on peut considérer que la pellicule argentique est l'ancêtre du capteur optique. En effet, elle permet de convertir le signal lumineux en fixant l'information transitant par les ondes lumineuses sur un support papier (cf. figure 1). Bien qu'actuellement « dépassée », cette technologie des appareils photographiques argentiques a permis de développer des méthodes techniques du traitement des signaux lumineux qui restent d'actualité avec les Appareils Photographiques Numériques (APN). Le processus de prise de vue (figure 1) d'un APN est fondamentalement le même que celui d'un appareil argentique.
La prise d'image se déroule en trois phases :

• la première phase consiste à filtrer le flux lumineux autour des longueurs d'ondes des couleurs élémentaires ( Vert, Bleu, Rouge ou Jaune, Bleu, Rouge selon les cas).
• la seconde à capter le flux lumineux correspondant.
• la troisième et dernière étape est de coder cette information reçue en données numériques.

Ce principe fondamental est à la base de toute exploitation technique des capteurs optiques en temps que capteur d'image. Cependant, avec la miniaturisation des technologies, les techniques qui se sont développées bien que fidèle à ce principe se sont complexifiées et de fait, la conception des capteurs optiques est devenu un domaine pluridisciplinaire où interviennent de nombreux domaines comme la Photométrie, la Physique des Semi-conducteurs, l'Optique Ondulatoire, la Mécanique Ondulatoire.

Principe technologique

S'il faut retenir un principe sur le plan technique, c’est que le capteur traduit un signal lumineux en signal électrique à partir des propriétés d'élément chimique spécifiques : semi-conducteurs photosensibles. Ces composés sont appelés transducteurs opto-électroniques.
Suivant le type de capteur, les fonctions réalisées au niveau d'un pixel, c'est-à-dire au niveau d'une cellule élémentaire du capteur sont les suivantes :

• La conversion de la lumière incidente en une quantité de charges équivalentes à l’intérieur du semi-conducteur.
• Le stockage des charges.
• Le transfert séquentiel des charges (qui correspondent à l'information physique).
• L’amplification du signal électrique (charges) correspondant pour permettre la lecture et la transmission.

Les principaux semi-conducteurs utilisés en tant que transducteur optoélectronique sont données figure 3.
Parmi ceux-ci, on peut retenir les suivants :

• le sulfure de cadmium (CdS) et le séléniure de cadmium (CdSe), pour une détection dans le spectre visible.
• le sulfure de plomb (PbS), pour une détection allant de l'ultra-violet au proche infrarouge.
• le silicium (Si) qui présente la meilleure sensibilité spectrale aux longueurs d'onde du proche infrarouge.

Théories et propriétés fondamentales de la lumière

Il existe trois théories qui permettent de décrire les phénomènes lumineux :

• L'optique géométrique : le comportement de la lumière est modélisé par des rayons lumineux.
• L'électromagnétisme : la lumière est considérée comme une onde polychromatique, c’est-à-dire une superposition d’ondes monochromatiques de différentes longueur d’onde.
• La mécanique quantique : La lumière est décrite comme composée de quanta d’énergie : Les photons. L’énergie des photons est donnée par la relation E=hν.

Pour expliquer les phénomènes à l'origine de la réponse à la lumière des composés opto-électronique, on utilise la théorie de mécanique quantique, c'est-à-dire l’aspect corpusculaire de la lumière. Le but d'un capteur optique est de créer un signal électrique lié par une relation entre le nombre de ses charges et le nombre photons (particules élémentaires de lumière incidentes sur la surface du pixel).

Photométrie et radiométrie

Les techniques exploités par les capteurs optiques sont :

• La radiométrie : C'est l'étude des rayonnements et de leurs propriétés à partir de critères énergétiques. Ces critères sont issus des propriétés énergétiques des ondes électromagnétiques et ce, sur la totalité du spectre disponible lors de l'émission ou de la réception en termes de longueurs d'ondes.
• La photométrie : C'est l'étude des rayonnements et de leurs propriétés à partir de critères énergétiques restreint sur la seule étendue du spectre visible conventionnellement restreint à l'intervalle allant de 400 nm à 800 nm.

Classes d'effets

Les capteurs optiques exploitent plusieurs grandes classes d'effets :

• l'effet photoélectrique : sous l'effet d'un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à une certaine valeur, certains matériaux (généralement des métaux) ont la propriété de libérer des électrons. Exemple de capteurs : Photomultiplicateur, multiplicateurs GMC pour les tubes à vision nocturne IL)
• l'effet pyroélectrique : sous l'effet du changement de température provoqué par le rayonnement électromagnétique, certains cristaux comme le sulfate de triglycine se polarisent en surface.

Caractéristiques métrologiques d'intérêt

En plus des caractéristiques métrologiques générales des capteur, il en existe trois qui sont spécifiques aux capteurs optiques :

• Le courant d'obscurité.
• La sensibilité spectrale.
• La détectivité

Les différentes typologies de capteurs optiques

Les capteurs optiques peuvent être classés comme tous les autres types de capteurs en fonction du critère actif ou passif même si, à l'exception des photo-résistances, tous les capteurs optiques sont du type actif.
Remarque : Les semi-conducteurs ont les mêmes propriétés. La différence entre les capteurs provient de l'agencement spatial des composés et de la propriété physique exploité.

• Les capteurs actifs sont caractérisés par le fait qu’ils assurent une conversion d'énergie propre du mesurande en énergie électrique.
• Les capteurs passifs sont des impédances dont l'une des propriétés physiques du matériau constituant le capteur est sensible au mesurande.

 Principales caractéristiques métrologiques

• Courant d'obscurité : de 10^-8 à 10^-10 A.
• Sensibilité à la température : -0,8%/°C.
• Temps de réponse : De l’ordre de 10^-12 s.
• Surface photosensible : 7,75.10^-3 cm².
• Sensibilité spectrale : De 0,8 à 0,6 ${\displaystyle \mu }$μW
• Détectivité spécifique : 8,8.10¹² cm Hz^1/2 W^-1

Photodiode à avalanche

La photodiode à avalanche correspond à une diode polarisée en inverse avec une tension inférieure de quelques dixièmes de volt à sa tension de claquage. Les porteurs crées par effet de photo-conduction possèdent alors une énergie suffisante pour ioniser par choc des atomes de la zone de transition et créer une nouvelle paire électron-trou. Le processus est répété et débouche sur une multiplication des porteurs de charges. On qualifie alors le phénomène d'avalanche.
À retenir :
la structure de la photodiode à avalanche est celle de la photodiode PIN mais utilisée dans la zone d’avalanche.

Les constructeurs de capteurs CCD et CMOS

La production mondiale de capteurs CCD est répartie principalement entre le Japon et les États-Unis mais on retrouve quelques usines en Europe.

La production mondiale de capteurs CMOS est répartie principalement entre le Japon et les États-Unis.

Le filtrage

Comme il a été développé précédemment dans l'introduction, les capteurs d'images doivent comporter un filtre pour sélectionner les longueurs d'ondes données par cellules puisque ces capteurs sont sensibles à l’ensemble du spectre de la lumière visible et que chaque photosite du capteur ne doit recueillir qu'une seule couleur. Le procédé le plus souvent utilisé est le filtre de Bayer. Le filtre de Bayer est constitué de cellules unitaires appartenant aux trois couleurs primaires : rouge, vert ou bleu. Sur chaque groupe de quatre photosites on trouve un pour le bleu, un pour le rouge et deux pour le vert afin de reconstituer le signal lumineux en fonction de la sensibilité de notre vision.
Du fait de la précision requise, les pastilles colorées du filtre sont déposées directement sur le capteur avec une technologie proche de la photolithographie des circuits intégrés, de même que le réseau de micro-lentilles.
C'est le logiciel du photoscope qui va recréer les couleurs, en tenant compte des courbes de réponse spectrale pour un résultat final en trichromie ; un des problèmes est de limiter le bruit électronique qui se traduit par des effets de moiré sur les zones de faible lumière par de judicieux compromis lors du traitement d'image (interpolation, filtrage : voir Traitement du signal).

Photomultiplicateur

Le photomultiplicateur est basé sur le principe de la photomultiplication. Quand la lumière pénètre dans le tube et frappe la photocathode, des photoélectrons sont arrachés et émis dans l'enceinte sous vide du tube. Ces électrons sont attirés vers des électrodes secondaires (dynodes) portées à un potentiel supérieur. Le choc mécanique entre les électrons et chaque dynode crée des électrons secondaires qui sont émis sur chacune de ces dynodes. Le signal d'entrée est ainsi amplifié et apparait en sortie sur l'anode. Soit ik le courant de cathode et ia le courant d'anode.
ia est donné par la relation : ${\displaystyle \displaystyle {\text{ia = G ik}}{\text{( G = }}\delta {\text{n )}}}$

 ia = Gik ( G = δn)

avec
G est le gain du Photomultiplicateur.
δ est le coefficient d'émission secondaire sur chaque dynode
n est le nombre de dynodes
    
Principales caractéristiques métrologiques

• Rapidité élevée.
• Bruit faible.
• Sensibilité élevée.
• Domaine d’utilisation élevé.

Utilisation

• Spectroscopie uv, visible et infrarouge
• Fluorescence X
• Spectrophotométrie Raman
• Diffractométrie X