Un détecteur particulier : l’œil

Un détecteur particulier : l’œil

L` œil est un système optique complet qui intègre une optique (la cornée et le cristallin de longueur focale de 25 millimètres environ et d’ouverture 8 millimètres au maximum diaphragmé en fonction de la luminosité par la pupille) et un récepteur (la rétine). La rétine est formée d’une surface sensible formée d’une mosaïque de récepteurs reconstituant une image à deux dimensions. Dans l’axe optique, ces récepteurs sont des cônes reliés individuellement au cerveau. Leur sensibilité maximale correspond à la bande spectrale jaune-vert à 0,55 micromètre (qui correspond aussi au maximum de flux du Soleil). Hors de l’axe optique, les récepteurs photosensibles sont les bâtonnets plus sensibles dans le bleu à 0,45 micromètre. Cônes et bâtonnets transforment l’énergie lumineuse en impulsions électriques brèves dont la fréquence croît avec l’éclairement.

Il est vrai que l’œil humain ne voit rien dans le noir. Cependant, il suffit d’allumer une source lumineuse (bougie ou briquet) pour rendre visibles les objets qui nous entourent. Ce n’est donc pas l’œil qui, gardant les mêmes facultés de vision de nuit comme de jour, émet de la lumière pour voir mais bien plutôt les objets qui éclairés diffusent des rayonnements lumineux perceptibles par l’œil.

Pendant longtemps, le seul détecteur utilisé en optique a été l’œil, c’est pour cette raison que s’est développée une photométrie visuelle avec ses propres caractéristiques (400nm<λ<750nm, réponses différentes le jour et la nuit,…) et ses propres unités. Ce pendant, malgré ses qualités, notamment la capacité de comparer deux éclairements ou de détecter des éclairements faibles (il est sensible a un paquet d’environ 20 photons arrivant en 0,1 seconde), l’œil a du laisser la place à d’autres détecteurs, principalement en raison de l’impossibilité de stocker et donc d’objectiver et traiter l’information mais aussi de son caractère impersonnel. Ce qui signifie que chaque observateur interprète inconsciemment ce qu’il observe.

Classication des détecteurs

On classe habituellement les détecteurs en deux catégories, les détecteurs quantiques et les détecteurs thermiques selon la nature des phénomènes mis en jeu.

Détecteurs thermiques

Les détecteurs thermiques transforment en chaleur l’énergie lumineuse absorbée, ce qui élève leur température. En raison de la nature de cette transformation, ils absorbent pratiquement tout le rayonnement reçu, quelle que soit la longueur d’onde entre 0,2μm (UV) et une dizaine de microns. [2] L’interaction du rayonnement lumineux avec le détecteur peut être décrite comme une simple absorption de l’énergie lumineuse. Le modèle est celui d’un « thermomètre chauffé par le rayonnement. L’augmentation de la température du matériau induit une modification des propriétés électriques de ce dernier. [4] Les exemples de détecteurs les plus connus sont les suivants:
➤ Le Bolomètre (variation de résistance) : lorsqu’on expose à un rayonnement lumineux un matériau semiconducteur au germanium, on provoque une agitation thermique des électrons et donc une modification de sa résistivité. La mesure de cette variation permet d’évaluer le rayonnement reçu. [2]
➤ La Thermopile (thermocouple ou effet thermoélectrique) dont l’élévation de la température est mesurée par effet Seebeck ; cet effet consiste en l’apparition d’une force électromotrice entre deux points de soudure A et B de deux fils de métaux différents M1 et M2, lorsque ces points sont portés à des températures différentes ; on réalise ainsi un thermocouple. La linéarité de ce détecteur est bonne, cependant le temps de réponse est très grand (~ 1s). [2]
➤ Détecteur pyroélectrique (variation de capacité).

Dans tous les cas, la nature quantique de la lumière n’intervient pas, on tient compte seulement de l’apport d’énergie par le rayonnement ; les effets thermiques sont en général peu dépendant de la longueur d’onde. Le temps de réponse de ces détecteurs est gouverné par les processus de thermalisation, ce sont donc des détecteurs lents. Comme ces détecteurs ne présentent aucune sélectivité spectrale, on les utilise pour connaître la réponse spectrale des autres détecteurs.

Capteur pyroélectrique

Un capteur pyroélectrique est en fait un détecteur de mouvements de chaleur. Il est sensible aux ondes infrarouges lointaines, c’est-à-dire qu’il est capable de percevoir les radiations de chaleur émises dans son environnement. Il s’équilibre lentement par rapport à la configuration de température qu’il perçoit dans son champ d’action. Il est activé par toute variation de température rapide, même infime, par rapport à cette configuration de repos. Dans la vie quotidienne, on rencontre ce genre de capteurs dans les systèmes d’alarme, les allumages automatiques de lampes de jardin, les ouvertures de portes automatiques. Ce type de capteur peut être utilisé en extérieur pour détecter le passage de personnes ou de voitures. Utilisé en intérieur il peut être un capteur d’appoint pour confirmer les informations données par un autre capteur, ou encore pour réagir aux mouvements d’êtres vivants.

Photodiode

C’est une diode à jonction PN dont la caractéristique tension-courant dépend sensiblement de son éclairement extérieur en raison de ses propriétés photoconductrice. On l’utilise généralement en polarisation inverse de telle sorte que la dépendance avec le flux lumineux incident soit linéaire. En combinant cet « effet photodiode » à l’effet multiplicatif en courant du transistor, on réalise un phototransistor.

Ce type de tube n’est plus employé pour la détection des signaux très brefs et intenses, donnant lieu à des courants atteignant la centaine d’ampères et pour les mesures photométrique, parce qu’il utilise mal les potentialités de la photo émission.

La jonction PN

Une jonction PN est réalisée par la mise en contact de deux échantillons d’un semiconducteur, l’un dopé N par des impuretés donnant des électrons, de densité ND, l’autre dopé P par des impuretés acceptant les électrons ayant une densité NA. L’équilibre thermodynamique du matériau impose une énergie de Fermi commune pour les deux échantillons, qui est obtenu par abaissement des niveaux des bandes de valence et de conduction dans le matériau N et élévation dans le matériau P, conduisant à l’apparition d’une différence de potentiel à la jonction. Ce réarrangement à lieu par diffusion des porteurs majoritaires d’un échantillon vers l’autre zone, où ils sont minoritaires : on constate qu’il apparaît une zone de transition autour de la jonction, appauvrie en porteurs majoritaires, appelée zone de déplétion. Cet équilibre de la jonction est le bilan de deux courants traversant la jonction, de sens et de nature différents. Le premier courant est dû aux porteurs majoritaires qui, par agitation thermique, arrivent à franchir la barrière de potentiel de la jonction (électron « sautant » de N vers P). Ce sont des charges qui transitent à travers la zone de déplétion. Le second courant a pour origine la création par agitation thermique de paires électron-trou à l’intérieur de la zone de déplétion. Ces paires sont alors séparées par le champ interne de la jonction et produisent donc un courant de sens opposé au précédent, équivalent au transfert de porteurs minoritaires à travers la jonction (électron passant de P vers N).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
I. Un détecteur particulier : l’œil
II. Classication des détecteurs
II.1. Détecteurs thermiques
II.1.1. Caractéristiques thermiques
II.1.2. Capteur pyroélectrique
II.1.2.1 Les différents capteurs pyroélectriques
II.1.2.2. Principe
II.1.2.3. Montage électrique
II.2. Détecteurs quantiques
II.2.1. Effets internes: photoconduction et effet photovoltaïque
II.2.1.1. Cellule photoconductrice (photo résistance)
II.2.1.1.1 Photo courant – Réponse
II.2.1.2. Photodiode
II.2.1.2.2. Caractéristique d’une diode
II.2.1.2.3. Caractéristique d’une photodiode
II.2.2.1. Photocathode
II.2.2.3. Photomultiplicateur
II.2.2.3.1. Principe
II.2.2.3.2. Montage électrique
III. Critères de choix d`un détecteur
III.1. Etendue de mesure
III.2. Réponse
III.2.1. Sensibilité
III.2.2. Réponse spectrale
III.3. Précision
III.4. Hystérésis
III.5. Finesse
III.6. Rapidité
III.7. Seuil de détection
III.8. Mesure et bruit
III.9. Les sources de bruit
III.9.1. Bruit thermique
III.9.2. Bruit de grenaille
III.10. Efficacité quantique
IV. Systèmes de détection optique existants
V. Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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