Les grandeurs de base
La conception d'un capteur optronique repose en grande partie sur une évaluation correcte du signal électrique que délivrera son détecteur, et c'est en sortie du détecteur qu'une première validation de principe est à faire. C'est pourquoi ce chapitre est consacré aux notions de base de radiométrie, qui serviront dans la partie 3 au calcul du signal optique, ou flux incident sur la surface sensible du détecteur, qui est à l'origine de ce signal électrique, objet de la partie 4.
Ce qu'on demande à un capteur optronique est de capter un rayonnement optique, de longueur d'onde comprise typiquement entre 10-7 et 10-5 m (ou des photons d'énergies comprises entre 10-18 à 10–20 J), et de le transformer, grâce à son détecteur, en un signal électrique exploitable. Comme ce signal électrique dépend du débit du rayonnement, ou flux Φ, incident sur le détecteur, c'est ce paramètre que le concepteur doit optimiser en premier lieu.
Il existe deux familles de détecteurs en optique : les uns, dits quantiques, sont sensibles au débit de photons, et les autres, dits thermiques, au débit d'énergie, ou à la puissance du rayonnement reçu. Pour cette raison, on est amené à exprimer un flux (sur le détecteur, ou ailleurs dans la partie optique du capteur) en terme de nombre de photons par seconde (flux photonique Φp) ou de puissance (flux énergétique Φe ).
La radiométrie, dont l'un des objectif est de caractériser les rayonnements optiques du point de vue géométrique (dimensions et positions des sources, répartition angulaire de leur émission), spectral (distribution de l'énergie rayonnée en fonction de la longueur d'onde), et temporel (variation dans le temps) a, pour cela, défini quelques grandeurs de base que l'on rappelle ci-après, en commençant par les rayonnements à spectre étendu.
En un point de l'espace, la caractéristique fondamentale d'un rayonnement spectralement large, dans une direction et à une longueur d'onde données, est sa luminance spectrique dL/dλ, dénommée aussi densité spectrale de luminance.
Au point considéré, elle représente la densité de flux émis dans la direction d'intérêt, par unité d'aire projetée normalement à la direction, par unité d'angle solide, et par unité de bande spectrale. Suivant qu'on s'intéresse au flux énergétique (W) ou photonique (s-1), on exprime la luminance spectrique en W m-2 sr-1 µm-1 ou en s-1 m-2 sr-1 µm-1.
Si, pour une raison quelconque, on ne connaît pas la dimension de la zone émissive, on ne peut pas définir la luminance du rayonnement qui, par ailleurs, n'est pas toujours un paramètre indispensable. En effet, dans un certains nombre d'applications, il suffit de connaître, à partir de la source, le diagramme angulaire de son rayonnement, auquel cas on se contentera de spécifier l'intensité spectrique dI/dλ :
Dans chaque direction menée à partir du point d'intérêt, elle représente la densité de flux émis par unité d'angle solide (centré sur cette direction) et par unité de longueur d'onde. On exprime une intensité spectrique en W sr-1 µm-1 ou en s-1 sr-1 µm-1.
Pour résumer, on s'efforcera de spécifier un rayonnement à spectre large par sa luminance spectrique s'il provient d'une source étendue et de surface connue, et par son intensité spectrique s'il provient d'une source quasi ponctuelle, ou de surface inconnue.
Si on veut caractériser ce type de rayonnement dans un plan (plan immatériel, surface d'un objet ou d'un détecteur), sans tenir compte de sa répartition angulaire (notion qui est présente dans les grandeurs précédentes), on définit alors l'éclairement spectrique dE/dλ, de cette surface, qui est la densité de flux spectrique par unité d'aire, qu'on exprime en W m-2 µm-1 ou en s-1 m-2 µm-1.
Si le rayonnement est quasi-monochromatique, c'est à dire s'il couvre un domaine spectral très étroit (typiquement inférieur à quelques % de la valeur de sa longueur d'onde centrale), il est souvent inutile de spécifier sa répartition spectrale : dans beaucoup de cas, il suffit d'en connaître les caractéristiques intégrées dans la bande d'intérêt, supposée étroite. On spécifiera alors le rayonnement en termes de flux (en W ou s-1), de luminance (W m-2 sr-1 ou s-1 m-2 sr-1), d'intensité (W sr-1 ou s-1sr-1), ou d'éclairement (W m-2, ou s-1 m-2), à la longueur d'onde de la source, sans donner de détail sur le spectre, ce qui se produit pour de nombreux capteurs laser.
Pour passer d'un système d'unités à l'autre, on peut constater que, à chaque longueur d'onde, ou dans un domaine spectral étroit, une grandeur énergétique (intégrée ou spectrique) est le produit de la grandeur photonique correspondante par l'énergie du photon transporté, ce qui donne par exemple, pour un flux à la longueur d'onde λ :
et
Les grandeurs ci-dessus sont dites instantanées, car elles donnent les propriétés spatiales, angulaires et spectrales du rayonnement à chaque instant. Il faut aussi considérer ses propriétés temporelles, mais celles-ci interviennent essentiellement dans la définition électronique du capteur (bande passante, bruit), et elles seront prises en compte dans la quatrième partie.
Dans certaines applications, telles que la réalisation de capteurs de signaux impulsionnels (impulsions laser), ou de systèmes d'imagerie à base de dispositifs à transfert de charge (DTC, ou charge coupled devices : CCD), le concepteur pourra être amené à spécifier des grandeurs radiométriques intégrées dans le temps, et à définir, par exemple, non plus des flux, mais des énergies (en J) ou des nombres de photons, et non plus des éclairements, mais des fluences (en Jm-2 , ou en nombre de photons par m²).