Grandes familles de capteurs

Bien que les capteurs optroniques diffèrent l'un de l'autre en fonction de l'application, on peut les regrouper dans plusieurs familles, en s'appuyant sur les critères suivants : principe, domaine spectral, information délivrée, mode de détection.

Ce premier critère permet de faire une distinction entre les capteurs qui ont leur propre système d'éclairage (capteurs actifs) et ceux qui n'en ont pas (capteurs passifs). Ces derniers, les plus nombreux, sont chargés de capter des rayonnements dont ils ne sont pas la source : c'est le cas, par exemple, d'une caméra de télévision ou d'un appareil photographique numérique, en lumière du jour.

Les autres (dits capteurs actifs) comportent un émetteur. S'ils l'utilisent pour éclairer un objet et capter la lumière réfléchie, on dit qu'ils sont «monostatiques» lorsque le récepteur est confondu avec l'émetteur (ou pratiquement au même endroit par rapport à l'objet), et qu'ils sont «bistatiques» si émetteur et récepteur sont distincts.

Si l'émetteur sert à envoyer des messages directement au récepteur, que ce soit en espace libre (atmosphère, vide,...) ou en propagation guidée (fibres optiques), on dit qu'il s'agit alors d'un capteur actif «à liaison directe» ou «point à point». La figure 2 ci-dessous résume ces configurations typiques.

L'optique, située entre les rayons X et le radar, concerne les ondes électromagnétiques de longueurs d'onde comprises entre 0,02 µm et 500 µm, approximativement, et son domaine se subdivise en trois : l'Ultraviolet (0,02 à 0,4 µm), le Visible (0,4 à 0,7 µm), et l'Infrarouge (0,7 à 500 µm).

Si un capteur doit fonctionner dans le vide, il n'y a pas de contrainte de la part du milieu de propagation sur le choix de la longueur d'onde, ou du domaine spectral. Par contre, si le rayonnement à capter doit traverser un milieu matériel, ce dernier impose au capteur des zones optimales, ou «fenêtres», en fonction de la distance de propagation. Le cas le plus courant est celui de l'atmosphère, dont les fenêtres sont comprises entre 0,2 et 15 µm environ (courbe typique de transmission spectale de l'atmosphère, figure 3). La bande optimale n'est pas la même pour les autres milieux : bleu-vert pour l'eau, proche IR (1,3 µm, 1,5 µm) pour les fibres optiques.

Le fait de partager une bande spectrale commune peut conférer des similitudes entre capteurs, même s'ils ont des finalités très différentes, en particulier en ce qui concerne l'origine des rayonnements, leur propagation et leur détection.

Les informations issues de capteurs optroniques sont, en gros, soit des images soit des niveaux de rayonnement (ou flux).

Un capteur d'image est plutôt chargé de restituer un rayonnement (sources, objets) par sa cartographie, en le décomposant en zones élémentaires («éléments de résolution» ou «pixels») auxquelles il attribue, en général, une valeur en luminance (grandeur définie au § « grandeurs de bases »). L'un des paramètres de base d'un capteur d'image est sa résolution, ou nombre de pixels. Cette famille comprend les caméras, appareils photographiques, spectro-imageurs, ...

De son côté, un capteur de flux est plutôt chargé de caractériser le rayonnement qu'il capte par son niveau, d'en suivre l'évolution dans le temps, sans en restituer la géométrie. Appartiennent à cette famille les systèmes de détection, de télécommunications optiques, la majorité des capteurs à fibres, les appareils de mesure, ...

Pour certaines applications particulières, deux modes de détection sont envisageables pour capter un rayonnement électromagnétique : détection directe (ou incohérente) et détection hétérodyne (ou cohérente), qui diffèrent l'un de l'autre par les rayonnements auxquels ils s'adressent, leur montage, les caractéristiques du signal qu'ils délivrent, et les techniques de traitement associées. A cause de ces différences, qui sont nombreuses et importantes, le choix du mode de détection est primordial dans la conception d'un capteur optronique, et dans ses performances.

La détection cohérente ou hétérodyne est le mode le plus répandu en radar et en radio; elle repose sur le mélange du rayonnement à détecter avec une onde de référence, ou «oscillateur local», créée au niveau du capteur. Elle est très minoritaire en optronique, car, comme son nom l'indique, elle ne s'adresse qu'aux rayonnements cohérents, spatialement et spectralement, c'est à dire de bonne qualité en termes de surface d'onde et de stabilité en fréquence ; de plus, elle exige des montages interférométriques, plus difficiles à réaliser en optique qu'en radar à cause de la petitesse des longueurs d'onde.

Pour ces raisons, la conception des systèmes optroniques à détection hétérodyne dépasse le cadre de ce cours général, limité à la conception de capteurs à détection directe; on se contente de donner ici (figure 4) le montage de principe d'un capteur optronique à détection hétérodyne.