Photométrie et détecteurs

Plan

1. Grandeurs photométriques
2. Application à la formation des images
3. Détecteurs
3.1. L'oeil
3.2. la plaque photographique
3.3. Détecteurs à effet photoélectrique
3.4. Détecteurs thermiques
 
 

1. Grandeurs photométriques

Dans une direction , la puissance énergétique spectrale (flux lumineux)  d’un rayonnement de longueur d’onde compris entre , émis (ou absorbé) par un élément de surface  dans un angle solide  par la relation :

où  est l’angle entre  et  et  l’émissivité spectrale dans la direction qui traduit l’aptitude du corps à émettre ou absorber.
est la luminance spectrale du corps noir qui est un corps qui absorbe tout rayonnement [].
Dans le cas de l’optique géométrique (approximation de Gauss),  reste faible et on peut faire .
En photométrie , appelé luminance du corps, est défini pour une largeur spectrale, par exemple celle du domaine visuel.
Avec cette notation 

En unité énergétique, L s’exprime 

En unité visuelle, L s’exprime 

La valeur énergétique du lumen est  qui correspond au maximum de sensibilité de l’œil en vision diurne pour une radiation .
 

L’élément dS’ à distance r de l’élément dS s’appuie sur le faisceau conique d’angle solide . soit

Cette dernière relation est la formule de Bouguer où  est l’étendue élémentaire du faisceau.

2. Application à la formation des images
 

De même,  La relation des sinus d’Abbe s’écrit : Or

Par suite  (l’étendue optique  se conserve dans la traversée de l’instrument optique).
Les instruments optiques ne sont pas parfaitement transparents si bien que  où T est le coefficient de transmission énergétique.
Soit, puisque , .
Dans le cas très fréquent de milieux extrêmes identiques, si on s’approche du cas idéal , la luminance se conserve dans la traversée de l’instrument optique.

3. Détecteurs

3.1. 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 et ses propres unités. Cependant, malgré ses qualités, notamment la capacité de comparer deux éclairements ou de détecter des éclairements faibles (il lui faut environ 200 photons par seconde pour déceler une image), il a été développé d’autres détecteurs permettant de stocker et de traiter l’information.

3.2. La plaque photographique

Découverte par H. Niepce en 1850, la plaque photographique a beaucoup progressé au point qu’elle est largement utilisée en Astronomie pour sa facilité d’emploi et sa capacité de stocker spatialement une grande quantité d’informations.
Son fonctionnement est basé sur un effet photochimique qu’on peut résumer ainsi : réduction d’ions  en atomes Ag par la lumière. Un traitement chimique, appelé développement, permet alors de révéler l’image par amplification du nombre d’atomes Ag et de la fixer en éliminant les ions  qui n’ont pas subi l’effet photochimique.

3.3. Détecteurs à effet photoélectrique

Le photomultiplicateur
Le photomultiplicateur est constitué par une photocathode qui émet des électrons sous l’impact de photons incidents. Ces photoélectrons provoquent l’émission d’électrons secondaires sur une seconde électrode appelé dynode. Chacun de ces électrons secondaires extrait à son tour d’autres électrons d’une seconde dynode et ainsi de suite. L’ensemble des électrons est recueilli sur une anode. L’amplification et la mesure du courant qui en résulte permettent de détecter les photons incidents.

Le dispositif à transfert de charge
Le plus connu de ces dispositifs est le C.C.D. au silicium (Charges Coupled Device). Il se présente sous forme d’un réseau de photodiodes au silicium. Chaque photodiode est constituée d’une jonction pn qui occupe une surface carrée de très faibles dimensions.
Les photons incidents créent, dans chaque jonction, des paires électrons-trous qui contribuent au courant. Lorsque la jonction est polarisée en sens inverse, le courant est pratiquement proportionnel au nombre de paires créées et donc au flux incident.
En juxtaposant plusieurs barrettes, on peut couvrir un plan image comme on le fait avec une plaque photographique.
Leur emploi tend à se généraliser.

3.4. Détecteurs thermiques

Les détecteurs thermiques transforment en énergie interne l’énergie lumineuse absorbée, ce qui élève leur température.
Par effet Seebeck (utilisation de thermocouples et mesure de la force électromotrice aux bornes) on accède à la mesure de l’élévation de température.
On procède aussi à l’analyse du rayonnement infrarouge réémis par le corps qui a absorbé l’énergie lumineuse (thermographie).