Capteur/Capteurs optiques

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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.

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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

figure 1 : Le processus de prise d'image par Appareil Photographique Numérique se décompose en 3 étapes élémentaires: le filtrage, la capture, le codage.

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 tant 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.

Historique

• Au IV^e siècle avant J.C Aristote, le philosophe grec, découvre que la lumière entrant dans une pièce sombre par un petit trou projette sur le mur d’en face l’image inversée des objets placés devant l’orifice. Ce principe prend le nom de «camera obscura».
• 1515 : Léonard de Vinci reprend et décrit le principe de la caméra obscura pour en faire un modèle réduit. Ce modèle correspond à une boite fermée appelée chambre noire. La lumière entre par un petit trou, le sténopé, et les rayons lumineux dessinent sur un des côtés l’image inversée face au petit trou. Cette transformation de la chambre d’Aristote en un appareil portatif est souvent assimilé au début de l’appareil photo ( bien qu'ici le procédé soit sans pellicule).
• 1540 : Jérôme Cardan met une lentille à la place du sténopé et ajoute un miroir qui redresse l’image sur une plaque de verre. Ainsi l'image peut être copiée sur un calque.
• 1650 : La chambre noire devient portable et compte des lentilles de différentes distances focales; à cette époque, elle servait principalement aux dessinateurs.
• 1839 : L’enregistrement et la conservation d’images photographiques deviennent possible grâce aux inventions des frères Claude et Joseph Nicéphore Niepce, de Henry Fox Talbot et de Louis Jacques Mande Daguerre. Joseph Niepce réussit à enregistrer une image positive à l’aide d’une plaque de zinc enduite d’asphalte
• 1877 : mise en évidence de l'effet photovoltaïque du sélénium.
• 1883 : l'américain Thomas Edison découvre qu’à l'intérieur d'une lampe en verre fermée hermétiquement dans laquelle on fait le vide, des électrons peuvent être extrait d'un filament chauffé à rouge.
• 1903 : les frères Lumière inventent l'autochrome ( plaques à base de fécule de pomme de terre teintées aux 3 couleurs fondamentales), seul procédé de filtrage utilisé par les amateurs jusqu’en 1940.
• 1924 : Premier "Leica", appareil photographique argentique portable
• 1948 : le transistor est créé par la firme Bell Labs (grâce aux ingénieurs John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley).
• 1959 : Jack S. Kilby met au point le premier circuit intégré appelé "puce" comprenant près de 5 000 composants élémentaires sur une pastille de 5 mm de côté. L'intégration a été réalisée en utilisant deux techniques : l'oxydation et la diffusion.
• 1969 : George Smith et Willard Boyle inventent le premier capteur CCD (Charge Coupled Devices) chez Bell Labs. Un CCD est une mémoire électronique qui peut être chargée par la lumière et peut contenir une charge variable correspondant à la teinte et l'intensité de la lumière, ce qui les rend utiles comme les appareils d'imagerie pour les caméras, des scanners et des télécopieurs.
• 1970 : une nouvelle technologie dite M.O.S. (metal oxide semiconductor) permet de fabriquer des transistors à effet de champ, à grille isolée par une couche d'oxyde de silicium, plus petits et plus rapides.
• 1990 : Naissance du premier appareil numérique (APN) sans film.

Principe technologique

figure 2 : Modèle fonctionnel du processus de mesure d’un signal de type lumineux

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.

figure 3 : les principaux semi-conducteurs utilisés en opto-électronique

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

Courant d'obscurité

Le courant d'obscurité correspond au courant permanent délivré par le dispositif photosensible en l'absence de flux lumineux (obscurité) et lorsque le capteur est polarisé dans les conditions d’utilisation. Les sources peuvent être internes (libération de porteurs de charge par excitation thermique) où externe (rayonnement thermique).

Le capteur doit être choisi de telle manière que le courant d'obscurité soit très inférieur au courant photoélectrique correspondant au signal lumineux minimum que l'utilisateur veut mesurer.

Sensibilité spectrale

La sensibilité spectrale correspond à la sensibilité du capteur lorsque le rayonnement reçu est monochromatique :

$S(\lambda )={\frac {\Delta I_{p}}{\Delta \phi (\lambda )}}$

La détectivité

La détectivité permet de caractériser le capteur par rapport à son bruit de fond et de qualifier son aptitude à détecter des signaux faibles.

Au niveau du bruit, on considère trois différentes sources :

• le bruit dû à l'agitation thermique des porteurs de charge.

$\textstyle <IbR^{2}>={\frac {4kTB}{R}}$

• le bruit de grenaille qui est présent lorsqu'un courant traverse une barrière de potentiel.

$\textstyle <IbS^{2}>=2qIB$

• le bruit de génération recombinaison des porteurs de charge.

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.

Rappel

• 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.

Capteur passif

Cellules photoconductrices (photo-résistante)

Schéma fonctionnel d'une photo-résistance

Certains composés, à l'instar du sulfure de cadmium (SCd,) possèdent la particularité physique d’avoir une résistance qui varie en fonction de l'éclairement reçu. La résistance vérifie les lois suivantes :

$\displaystyle R={\frac {1}{\sigma }}.{\frac {L}{A}}$ et $\displaystyle R=a.{E}^{-\gamma }$

avec

$R$ la résistance du matériau

$\textstyle \sigma$ la conductivité du matériau qui dépend de l'éclairement reçu

$L$ la largeur de la bande du semi-conducteur photo-sensible

$A$ la surface de la bande du semi-conducteur photo-sensible

$E$ l'éclairement

$a$ constante dépendant du matériau, de la température et du spectre du rayonnement

$\textstyle \gamma$ constante généralement comprise entre 0.5 et 1 Or, la grandeur mesurée dans le cas d'une photo-résistance est le courant de sortie. Il vérifie la loi d’Ohm U=RI d'où : $I=\sigma .{\frac {A}{L}}.U$

Afin d'optimiser le capteur et que le courant I soit assez important pour être mesuré, la surface A d'exposition du semi-conducteur doit être grande vis-à-vis de sa largeur de bande. Pour cette raison que le semi-conducteur est disposé en "serpentin".

Caractéristiques

Coût

Prix : À partir de quelques centimes d'euros.

Principales caractéristiques métrologiques

• Temps de réponse : Élevé (de l’ordre de quelques millisecondes).
• Puissance: De l’ordre d'une centaine de milliwatts.
• Résistance d'obscurité : De l’ordre du Méga-Ohms
• Résistance en mode éclairé : De l’ordre de la dizaine du kilo-Ohms
• Température de fonctionnement: De -60 °C à +75 °C

Utilisation

Les photorésistances sont généralement employées dans les montages permettant de détecter des seuils d'éclairement:

• allumage de l'éclairage public
• flash automatique des appareils photos
• Détection d'intrusion
• Jouets divers...

La photorésistance en photo

Pour ceux qui se demandent à quoi ressemble une photo-résistance, voici une photographie.

Photographie d'une photo-résistance

Les constructeurs de photo-résistances

Comme le montre la carte géographique suivante, la production mondiale de photo-résistances est basée en Chine.

Carte géographique des différents constructeurs de photo-résistance à travers le monde

Photodiodes en mode photovoltaïque

Une photodiode correspond à une jonction PN, c'est-à-dire à un composant où deux semi-conducteurs sont mis en présence :

• Un semi-conducteur de type N : semi-conducteur à porteurs de charges négatifs (électrons) majoritaires.
• Un semi-conducteur de type P : semi-conducteur à porteurs de charges positifs (trous) majoritaires.

De part et d’autre de la jonction d'un semi-conducteur se forme une zone dite zone de déplétion où le champs électrique est non nul et donc dénuée de porteurs libres. Cette zone de déplétion établit entre les deux éléments semi-conducteurs une barrière de potentiel.

Si aucune tension extérieure n'est appliquée, le courant à travers la jonction est nul puisqu’il correspond à la somme des courants dus au porteurs majoritaires et minoritaires. La tension vd appliquée à la jonction détermine le courant I qui la traverse :

$I={I_{o}}\cdot {\exp({\frac {q\cdot vd}{kT}})}-Io$

Il existe deux modes de fonctionnement de la photodiode :

• Le mode photovoltaïque.
• Le mode photoconducteur.

En mode photovoltaïque, le photodiode correspond à un capteur actif puisqu'aucune source de polarisation externe n'est asssociée à la diode qui, fonctionnant en convertisseur d'énergie, est équivalente à une pile.

Calcul de la Tension Vco à ces bornes

L'augmentation du courant Ip des porteurs minoritaires issus du flux incident provoque, par transfert de charges, une réduction de la barrière de potentiel de $\textstyle \Delta vb$.

Le courant Ip des porteurs majoritaires et celui des porteurs minoritaires I augmentent tel que :

$\displaystyle I+Ip=0$

soit $\displaystyle Ip+{Io}-{I_{o}}\cdot {\exp({\frac {q\cdot {\Delta vd}}{kT}})}-Io=0$

soit $\displaystyle {\Delta vd}={{\frac {k\cdot T}{q}}log(1+{\frac {Ip}{Io}}}$

Cette barrière de potentiel correspond au mesurande de sortie de la photodiode en mode photovoltaïque.

Caractéristiques

Coût

Prix : 40 $/cm2.

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 $\mu$ W
• Détectivité spécifique : 8,8.10¹² cm Hz^1/2 W^-1

Utilisation

Cellules photovoltaïques.

Photodiodes en mode photovoltaïque

Les constructeurs de cellules photovoltaïque à travers le monde

Les firmes de constructions des cellules photovoltaïques sont basés principalement en Asie (Japon, Chine, Taïwan) mais on en retrouve quelques unes basées en Allemagne et aux États-Unis.

Capteur actif

Les deux principes qui sont à la base du traitement de l'information lumineuse par des capteurs actifs sont:

• le principe de photoconduction.
• le principe photo-électrique.

Principe de la photoconduction

Modèle de Bohr : absorption d'un photon

L’interaction entre deux atomes est décrite par les forces de Van der Walls. Il existe une distance interatomique pour laquelle les atomes se trouvent dans un état quasi-stable : la structure cristalline. Or, d’après le Principe de Pauli,les atomes consécutifs ne peuvent pas posséder des électrons de niveaux d’énergies strictement égales. Au niveau des semi-conducteurs, ces propriétés impliquent l’existence de bande d’énergies dite «bande d’énergie de Bloch».

Les états d'énergies sont séparés par une énergie Eg dite énergie de gap.

Donc, lorsqu'un semi-conducteur est éclairé, il existe trois possibilités :

• Si Eph<Eg, les photons ne sont pas absorbés.

* Si Eph=Eg, les photons sont absorbés et génèrent des paires électron-trou.

• Si Eph>Eg, des paires électron-trou sont créées et l’excès d’énergie est transformée en chaleur.

Les capteurs optiques passifs exploitent cette propriété physique.

Effet photo-électrique

L'effet photoélectrique correspond à l'émission d'électrons par un matériau lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée.

Historiquement, la découverte de l'effet photoélectrique par Planck et son interprétation par Einstein sont à l'origine de la mécanique quantique. En effet, l'expérience liée mettait en évidence la réalité des photons en tant que particules d'énergie élémentaires associés à une onde électromagnétique.

Remarque :

• L'émission d'électrons ne se produit que si la fréquence du rayonnement est supérieure à une fréquence seuils caractéristique du métal. Elle est alors instantanée.
• Au cours de la collision, le métal absorbe le photon dont l'énergie hv est fournie à un électron. Cette énergie permet à l'électron de valence de se libérer des forces qui le maintiennent dans le métal et d'acquérir, une fois sorti du métal, une énergie cinétique. L'énergie fournie pour cette sortie du métal est souvent appelée énergie d'extraction.

Photodiode PIN

Modèle fonctionnel du processus de mesure d’un signal de type lumineux

Une photodiode PIN est une photodiode composée d'une superposition de 3 zones de semi-conducteurs :

• Une zone P de porteurs positifs (trous) majoritaires.
• Une zone I intrinsèque non chargées (trous et électrons en même nombre).
• Une zone N de porteurs négatifs (électrons) majoritaires.

Entre les zones P et N apparaît sous l’application d'un champ électrique une zone de transition, appelée aussi zone de charge d'espace, qui permet la création et la séparation des paires électron-trou. Une photodiode peut être utilisée en mode photovoltaïque ou en mode photoconducteur.

En mode photoconduction, la photodiode correspond à un capteur passif. Une tension de l’ordre de 5 V et inférieure à la tension d'avalanche lui est appliquée en inverse. Ce mode de fonctionnement permet de réduire le temps de transit. Le fonctionnement de la photodiode est représenté dans le schéma ci-contre.

Réponse Tension-courant d'une photodiode

Le photocourant I vérifie la loi suivante :

$I={\frac {e}{h\nu }}.[1-\exp {(-\alpha .{\text{W}})}](1-{\text{Rf}}).{\text{P}}$

avec

• e la charge électrique élémentaire.
• h la constante de Planck
• $\textstyle \nu$ la fréquence de l'onde des photons incidents.
• $\textstyle \alpha$ le coefficient d'absorption.
• W est la largeur de ma zone d'absorption.
• Rf le facteur de Réflexion de Fresnel du à l'interface air semi-conducteur.
• P puissance optique.

Démonstration

Une photodiode correspond à une jonction PN, c'est-à-dire à un composant où deux semi-conducteurs sont mis en présence :

• Un semi-conducteur de type N : semi-conducteur à porteurs de charges négatifs (électrons) majoritaires.
• Un semi-conducteur de type P : semi-conducteur à porteurs de charges positifs (trous) majoritaires.

De part et d’autre de la jonction d'un semi-conducteur se forme une zone dite zone de déplétion où le champs électrique est non nul et donc dénuée de porteurs libres. Cette zone de déplétion établit entre les deux éléments semi-conducteurs une barrière de potentiel.

Si aucune tension extérieure n'est appliquée, le courant à travers la jonction est nul puisqu’il correspond à la somme des courants dus au porteurs majoritaires et minoritaires. La tension vd appliquée à la jonction détermine le courant I qui la traverse :

$I={I_{o}}\cdot {\exp({\frac {q\cdot vd}{kT}})}-Io$

En mode photoconducteur la diode est polarisée en inverse et le signal recueilli aux bornes d'une résistance Rm.

Soit vd<0; la tension inverse appliquée à la diode, le courant Ir qui la traverse est égal à :

$Ir=-{I_{o}}\cdot {\exp({\frac {q\cdot vd}{kT}})}+Io+Ip$

avec Ip le courant d'origine photoélectrique créé dans la zone de déplétion par le flux.

$Ip={\frac {q\eta (1-t)\lambda }{hc}}\cdot {\phi }_{0}exp(-\alpha X)$

Le terme exponentiel correspondant devient négligeable pour une tension inverse suffisante.

Le courant mesuré en sortie de la photodiode est alors donné par l’expression :

$Ir={\frac {Es}{Rm}}+{\frac {vd}{Rm}}$

Caractéristiques

Coût

Le prix est variable de un euro à quelques centaines d’euros suivant les modèles.

Principales caractéristiques métrologiques

• Longueur d'onde typique : 365 nm; 436 nm; 440 nm; 470 nm; 525 nm; 550 nm; 560 nm; 565 nm; 580 nm; 650 nm; 660 nm; 740 nm; 760 nm; 800 nm; 820 nm; 850 nm; 880 nm; 890 nm; 900 nm;920 nm;925 nm;930 nm;935 nm;940 nm;950 nm;960 nm. (Suivant le matériau photosensible utilisé et le filtrage ou non sur certaines longueurs d'ondes).
• Sensibilité : De 0.1 à 1 Ampères/Watts
• Courant d'obscurité : 10^-8 à 10^-10 W.
• Bande passante : D'une dizaine de kilohertz à une trentaine de Gigahertz.
• Température de fonctionnement : De -55 °C à 75 °C.
• Temps de réponse : 10^-12 s.
• Bruit de fond : 10¹⁰ à 10¹³ cm Hz^1/2 W^-1

Utilisation

La photodiode est le capteur optique le plus utilisé. Elle est présente dans les pyromètres optiques, les détecteurs de mouvements, de déplacements,...

La photodiode en image

Les constructeurs de photodiodes à travers le monde

Les principaux fabricants de photodiodes sont basés aux États-Unis mais il en existe également en Europe et au Japon.

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 créés 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

Coût

Le même que celui d'une photodiode PIN.

Principales caractéristiques métrologiques

• Courant d'obscurité : de 2 à 40 nA (fonction de la température).
• Sensibilité spectrale : 1 à 10² A/W.
• Temps de réponse : de l’ordre de la nanoseconde (comparable à celui de la photodiode PIN).
• Détectivité : 10⁹ à 10¹³ cm Hz^1/2 W^-1
• Intérêt : Bénéficie d’un gain interne élevé au détriment du rapport Signal/Bruit

Utilisation

La photodiode à avalanche est adaptée aux télécommunications optiques lorsque le rapport Signal/Bruit est limité par le bruit d’amplification.

Phototransistor

Généralités

Modèle fonctionnel du processus de mesure d’un signal de type lumineux

Tous les transistors sont potentiellement des photo-transistors. Pour éviter cet effet qui est généralement indésirable lorsque le transistors est utilisé en tant que composant électronique, il suffit de le recouvrir d'une paroi opaque. Dans le cas du photo-transistor, la paroi est transparente. La base des transistors est le composant MOS (Metal Oxyde Semiconductor). Le MOS est constitué de 4 éléments :

• La source
• Le drain
• La grille
• Le substrat

La source et le drain sont constitués de semi-conducteurs très fortement dopés. La grille est constituée d’une couche isolante de très faible épaisseur surmontée d’une couche très conductrice. Le transistor MOS peut être assimilé à un interrupteur commandé en tension par sa grille, qui laisse passer un courant entre le drain et la source. Concrètement, ce courant est créé par les charges accumulées sous l’isolant de la grille. Remarque : Les grilles doivent être constituées de matériaux transparents comme par exemple du Silicium très fortement dopé, le degré de transparence diminue dans le violet et l’ultraviolet pour des longueurs d’onde inférieures à 400 nm.

Caractéristiques

Coût

Prix : À partir d'une dizaine de centimes d'euros.

Principales caractéristiques métrologiques

• La Sensibilité d'un phototransistor est cent fois plus élevée que celle d'une photodiode.
• Le Gain est élevé. En général, l'amplification en courant du phototransistor varie de 100 à 1000 et varie fonction de l'éclairement.
• Le temps de réponse est relativement long par rapport à celui des autres composants (de l’ordre de 1 à 30μs).

Utilisation

Les photo-transistors sont utilisés dans les systèmes de commande et de régulation.(codeur optiques)

Le phototransistor en image

Les constructeurs de phototransistors

Comme le montre la carte géographique suivante, la production mondiale de phototransistors est répartie entre l'Europe et les États-Unis.

Capteur CCD et CMOS

Généralités

Modèle fonctionnel du processus de mesure d’un signal de type lumineux

Les capteurs CCD (Couple Charge Device) et CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) sont des capteurs d'images présents autant dans le domaine des caméras numériques que des appareils photonumériques (APN). Ils correspondent à une matrice de photodiodes miniatures qui permet de recomposer une image par pixellisation (effet de photoconduction pour une longueur d'onde par unité de surface (cd figure 1)). La différence entre les capteurs CCD et CMOS réside dans l'agencement des photodiodes :

• Les capteurs CCD se composent d'une matrice de cellules photosensibles qui transfèrent la charge vers un collecteur qui transfère à son tour l’ensemble des charges vers le convertisseur
• Les capteurs CMOS se compose d'une matrice de cellules photosensibles qui conservent leur charge et la transfèrent directement au convertisseur analogique numérique.

Comme on peut le constater sur la figure ci-contre, les capteurs CCD et CMOS ne présentent pas de différence apparente à l'état de composants. Par contre au niveau de leur structure microscopique, la configuration est totalement différente comme le montre les microphotographies des composants. Alors que la surface de la cellule du capteur CCD est totalement réceptive au flux photonique, celle du capteur CMOS est en partie occupée par l'amplificateur et donc partiellement réceptive au flux photonique.

Caractéristiques

Coût

Le prix est généralement lié aux caractéristiques du capteur.

• Pour le capteur CCD, le coût est de l’ordre de la centaine d'euros.
• Pour le capteur CMOS, le coût est de l’ordre de la dizaine d'euros.

Comparaisons sur les principales caractéristiques métrologiques

Modèle fonctionnel du processus de mesure d’un signal de type lumineux

Utilisation

• Les capteurs CCD sont utilisés dans les applications scientifiques et technologiques qui demandent une plus grande précision et une grande sensibilité.
• Les capteurs CMOS sont de plus en plus utilisés pour les appareils photographique numériques et caméra numériques grand public en raison de leur critère de bas coût. Il faut savoir que cette technologie est amenée à évoluer et il est fort probable qu'elle puisse à long terme concurrencer les capteurs CCD.

Les constructeurs de capteurs CCD et CMOS

Capteurs CCD

Comme le montre la carte géographique suivante, la production mondiale de capteurs CCD est répartie principalement entre le Japon et les États-Unis mais on retrouve quelques usines en Europe.

Capteurs CMOS

Comme le montre la carte géographique suivante, la production mondiale de capteurs CMOS est répartie principalement entre le Japon et les États-Unis.

Le filtrage

Filtre de Bayer RGB

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

Modèle fonctionnel du processus de mesure d’un signal de type lumineux

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 : $\displaystyle {\text{ia = G ik}}{\text{( G = }}\delta {\text{n )}}$

avec

G est le gain du Photomultiplicateur.

δ est le coefficient d'émission secondaire sur chaque dynode

n est le nombre de dynodes

Caractéristiques

Coût

Prix : élevé (À partir de 700 euros jusqu'à plusieurs milliers d’euros suivant les composants).

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

Le photomultiplicateur en image

Bibliographie et webographie

Livres

• "Les capteurs en instrumentation industrielle" de Georges Asch et collaborateurs aux Éditions DUNOD.
• "Composants à semiconducteurs - De la physique du solide aux transistors" d'Olivier Bonnaud aux Éditions Ellipses.
• "Modules teccart - Physique des semi-conducteurs" aux Éditions DUNOD.
• "Principes d'électronique" d'Albert Paul Malvino et David J. Bates aux Éditions DUNOD.
• "Physique des semiconducteurs et des composants électroniques" de Henry Mathieu aux Éditions DUNOD.

Sites web

Photodiode

• (fr) « Un cours du CNAM sur les photodiodes » ^{(Archive • Wikiwix • Que faire ?)}
• (fr) « Un cours de l'ENS sur l'optoélectronique » ^{(Archive • Wikiwix • Que faire ?)}
• (fr) « Transparents de cours sur les photodiodes » ^{(Archive • Wikiwix • Que faire ?)}

Capteurs CCD CMOS

• (fr) Un aperçu des systèmes de vision industrielle et des systèmes de mesure toutes les applications.
• (fr) Un site sur les capteurs silicium CCD et CMOS
• (fr) Article sur les capteurs CCD et CMOS du blog de la science
• (fr) Applications des capteurs CCD sur le site amateur de Bernard Bayle
• (fr) Site avec une application du capteur CCD à l'astrophysique
• (fr) Propriété des capteurs CCD et CMOS
• (fr) Caractéristiques métrologiques d'un capteur
• (fr) « Calibration des images » ^{(Archive • Wikiwix • Que faire ?)}. Consulté le 2017-07-22
• (fr) Spectromètres à matrice CMOS et CCD
• (fr) Forum sur la comparaison des capteurs CCD et CMOS
• (fr) Choix du capteur CCD ou CMOS
• (fr) « DOSSIER «THÉORIE» : LES CAPTEURS PHOTOGRAPHIQUES » ^{(Archive • Wikiwix • Que faire ?)}. Consulté le 2017-07-22
• (fr) cours sur le capteur CCD
• (fr) Cours de l'université de Lyon : acquisition des images, échantillonnage et quantification
• (fr) Des vidéos sur la prise d'image

Photorésistance

• (en) Un site anglais complet sur la photodiode
• (fr) Un site avec une démo de fonctionnement d'une photorésistance.
• (fr) L'essentiel sur quelques capteurs optiques dont la photo-résistance.

Photomultiplicateur

• (en) Molecular Expressions Simulations et tutoriels sur les photomultiplicateurs.
• (en) Données techniques sur les photomultiplieurs
• (en) Photomultiplier tubes
• (en) Electron Multiplier