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1. Mesure des rayonnements optiques
2. Cellule photoconductrices
3. Photodiodes 4. Phototransistors
5. Photopiles
6. Photodiodes Schottky 7. Photodétecteurs à transfert de charge (CCD)
8. Photodétecteurs et mesure spectrale
9. Choix de la technologie de fabrication
10. Adresses de quelques fabricants

Qui dit photodétecteur dit interaction rayonnement matière ! C’est la lumière qui est  responsable à la photodétection. Il nous semble alors nécessaire de rappeler sommairement le vocabulaire utilisé pour cette grandeur optique avant de passer aux photodétecteurs.

Le paragraphe suivant est donc consacré à un aperçu sur la mesure de la lumières et les leurs principales unités. Ensuite va établir une liste de photodectecteurs actuels existant sur le marché, leurs champs d'application, technologie de fabrication et leurs limites d’utilisation.

1- Mesure des rayonnements optiques:

La lumière est la portion visible du rayonnement électromagnétique qui couvre un domaine extrêmement large. Ces ondes électromagnétiques se déplacent dans le vide à la vitesse de la lumière. Elles différent les unes des autres selon leurs longueurs d'onde et l'énergie qu'elles transportent.

En particulier, la lumière peut être considérer comme un phénomène ondulatoire ou constitué de particules élémentaires de masse nulle, les photons. Pour le premier cas, on emploi la longueur d'onde pour caractériser les différents rayonnements visibles. Celui ci s'étend de 380nm à 780 nm. En dessous c'est l’ultra violet, au-dessus c'est l'infrarouge. Pour le second cas, les travaux de Planck et Einstein ont conduit à admettre que l'énergie transportée par le lumière est quantifiée. Chaque photon porte une énergie  ,  étant la constante de Planck et .

Les deux caractères corpusculaire et ondulatoire sont mis en évidence dans la région du visible du spectre électromagnétique. D'une part parce qu'il possède une énergie suffisante pour exciter les phénomènes photoélectriques et photochimiques. D'autre part les longueurs d'ondes sont assez grandes pour pouvoir observer des phénomènes d'interférences et de diffractions.

Dans ce paragraphe on rappellera quelques notions de base sur les rayonnements surtout dans le visible. Ces notions sont importantes quand il s'agit de caractériser certains aspects d'un photodétecteurs comme l’efficacité quantique, réponse spectrale, couleurs etc.

Le Watt (W) est l'unité fondamentale pour la puissance optique, elle est définit comme énergie (J) par seconde. Cette puissance optique est fonction de deux paramètres: Le nombre de photons et la ou les longueurs d'ondes.

Cette puissance est définit par Le débit d'énergie qui traverse un contour fermé  et qui représente le flux énergétique du rayonnement. Ce flux donne lieu à Deux grandeurs de mesure qui sont la radiométrie et la photométrie.

1-1   Radiométrie:

On peut définir un rayonnement par sa répartition spatial (radiométrie). Si on considère comme homogène le milieu qui sépare la source1 du récepteur, la propagation peut être  déterminer au moyen des lois optiques. En s’appuyant sur le schéma ci dessous, figure(1),on peut définir les unités les plus utilisées en radiométrie

1 Source: une source est un objet capable de produire un rayonnement à partir d'une transformation d'énergie. Le spectre de la source peut être discontinu, continu ou mixte. Une source à spectre discontinu est une source dont la répartition spectrale d'énergie est caractérisée par une suite discrète de longueurs d'ondes qui sont des raies d’émission comme par exemple les lasers à décharge dans un gaz ou laser semiconducteur. Par contre une source a spectre continu est une source dont son rayonnement s'étend sur un domaine de fréquences continu comme par exemple les sources thermiques à incandescence. Cette source peut être caractérisée par sa répartition spectrale en fonction de la longueur d'onde.

 

Figure (1) : Etendue géométrique de la source de lumière et du récepteur.

·       La luminace(L): On appelle luminance, au niveau du récepteur, la densité spectrale du rayonnement émis par S dans la région de dAs et dans la direction de dAr. C’est le flux lumineux par stéradian par mètre carré.

                                                     (1)

 exprimé en W/m2.sr ,  est le flux reçu au nivaux du récepteur.

Il est a remarqué que 1-La luminance au nivaux du récepteur est égale à la luminance au nivaux de la source si il n'y a ni perte ni gain au cours de la propagation entre source et récepteur. 2- on ne peut parler de luminance que si on se trouve dans une situation d'incohérence spatiale( principe d'Hghens[2]). C'est a dire d'une façon très simplifier que les dimensions du récepteur sont très supérieures à la longueur d'onde émise par la source.

On peut déterminer ainsi réciproquement le flux telle que le récepteur reçoit par la relation

                                            (2)

·       L'éclairement (E) : En un point donné, il est  définit par le rapport entre le flux reçu et l'aire réceptrice. C’est la densité, par unité de surface, de la lumière qui arrive sur une surface.

                                                          (3)

·       L'intensité (I) d'une source est le rapport entre le flux sortant de la source et l'angle solide(le flux débité par la source dans une direction donnée par unité d’angle solide:

                                                       

·       La quantité de lumière(Q) est l'intégrale du flux pendant un intervalle de temps:

                                                     (5)

1-2 Photométrie:

On peut définir un rayonnement par sa grandeur photométrique, c'est a dire par rapport à la perception visuelle. Il s'agit d'apprécier comment les lumières sont perçues visuellement. Il est non seulement nécessaire de connaître l'efficacité visuelle des divers rayonnement, mais le comportement visuel humain pour élaborer une photométrie visuelle. La radiométrie a un intérêt relatif dans ce cas. Les application de la photométrie enveloppe les domaines d'éclairage, de la couleur etc. Vu la complexité du comportement visuel, on cherche a idéaliser ce comportement par deux hypothèses simplificatrices qui sont

* Les observateurs humains peuvent être représentés par un observateur moyen, dit observateur de référence photométrique.

* Cet observateur moyen possède une sensibilité spectrale constante, fonction linéaire des grandeurs radiométriques dans le domaine d'observation photopique.

Si représente la sensibilité spectrale de l'observateur de référence photopique(luminance moyenne du champ voisine de 10cd/m2), alors toute grandeur photométrique énergétique spectrique (par rapport au spectre) possède un équivalent visuel par la relation :

                                         (7)

s'appelle l'efficacité lumineuse spectrale du rayonnement, est l'efficacité lumineuse maximale et qui vaut 683 lum/W.

  [1]est l'efficacité lumineuse relative spectrale du rayonnement, dont le maximum est situé pour la longueur d'onde de 555nm. Cette fonction permet de définir d'une façon moins arbitraire ce qu'est le visible, quoi que les limites de la longueur d'onde visible dépendent des conditions d'observations et de l'intensité de la lumière. Les limites extrêmes du rayonnement visible sont de 360 à 830nm. Mais pour les limites d'usage colorimétriques(relative à la couleur), les limites adoptées vont de 380 à 780 nm.

Les grandeurs photométriques ainsi définit conduisent à définir les unités de mesures par rapport a ce qu'on a vu en radiométrie.

Le tableau ci-dessous résume les principales unitées de mesure radiométriques, et photométriques et photonique (en nombre de photons).

 

Unités

 

Définition

Energétique

Lumineuse

Photonique

Flux

Watt, W

(J.s-1)

lumen, lm

(cd.sr)

photon/s

s-1

Intensité

W.sr-1

candela(cd)

s-1.sr-1

Luminance

W.m-2.sr-1

cd.m-2

s-1.m-2.sr-1

Eclairement d’une surface réceptrice

Exitance d’une surface émettrice

W.m-2

lux

(lm.m-2)

s-1.m-2

Exposition

J.m-2

lux.s

m-2

Quantité de lumière

J

lum.s

nombre de photons

 

Tableau I-1. Récapitulatif des principaux unités radiométriques et photométrique.