Conception de capteurs optroniques

Propriétés radiométriques d'un instrument optique

Introduction

Dans la majorité des cas, le senseur d'un capteur optronique est constitué non pas d'un détecteur seul, mais d'une optique et d'un détecteur, parce que, d'une part cette association permet de sélectionner sa zone utile de vision (un détecteur sans optique « voit » dans le demi espace qui se présente devant lui) et, d'autre part, de disposer d'une surface importante pour collecter le maximum de flux.

Champ et ouverture d'un instrument optique

En fait, l'association d'un détecteur avec une optique opère une double sélection dans les rayonnements. Tout d'abord, il est clair que les photons à capter doivent traverser l'optique avant d'arriver sur le détecteur. Le diaphragme de l'optique qui assure cette première sélection est le diaphragme d'ouverture. La pupille d'entrée est son équivalent, ou son image, dans l'espace objet (en amont de l'optique) et la pupille de sortie son image en aval.

Ensuite, une seconde sélection est assurée par l'optique et le détecteur lui-même : en effet, parmi les photons qui ont réussi à traverser la pupille d'entrée, seule une fraction peut aboutir sur la surface sensible du détecteur : il s'agit de ceux qui proviennent de la zone de l'espace objet qui est l'image du détecteur par l'optique. Cette zone constitue le «champ du capteur» et, pour cette raison, la surface sensible du détecteur est, dans de nombreux cas, le diaphragme de champ du capteur.

Si l'objet, ou la source, est à distance finie, on spécifie le champ du capteur en dimensions linéaires (dimensions de l'image du détecteur au niveau de l'objet). On dira, ainsi, que le champ d'un capteur en microscopie a par exemple un diamètre de 1 mm. Si l'objet, ou la source, est très éloigné, on spécifiera le champ par des valeurs angulaires, en général suivant deux axes, vertical et horizontal : on dira par exemple qu'une caméra a un champ de 9° par 16°, et la valeur θ du demi-champ angulaire suivant un axe est donnée par la relation suivante, où a est la dimension du détecteur dans l'axe correspondant, et f' la focale de l'optique :

Dans certains cas, il se peut que le détecteur intercepte, aussi, des rayons qui proviennent, par diffusion dans les milieux ou par réflexion sur les montures mécaniques et sur les surfaces optiques, de sources situées hors du champ. La lumière correspondante doit être prise en compte dans l'évaluation du flux incident sur le détecteur (Figure 12), non pas en temps que signal utile, mais comme lumière parasite (ou « stray light » en anglais)


   
    Figure 12 : Contributions de sources situées dans le champ et hors du champ
Figure 12 : Contributions de sources situées dans le champ et hors du champ [zoom...]

Etendue géométrique du capteur

La délimitation du faisceau utile au capteur par les diaphragmes de champ et d'ouverture permettent d'en définir l'étendue géométrique. Considérons un capteur observant à l'infini sur son axe, c'est à dire ayant un senseur dont le détecteur, supposé de petite taille et de surface sensible Sdét, est placé au foyer d'une optique de distance focale f. L'étendue géométrique de cette configuration est celle du pinceau de lumière qui, arrivant le long de l'axe, traverse la pupille d'entrée, d'aire Sopt, et se focalise sur le détecteur, c'est à dire celui qui se propage à l'intérieur de l'angle solide Ωdét =Sd/f2  :

ou encore, puisque

N est le nombre d'ouverture de l'optique (N = f'/De )

Transformation de la luminance par un instrument optique

On montre, en appliquant les règles de l'optique géométrique, que lorsqu'un pinceau lumineux d'étendue géométrique G1 traverse un composant ou un système de bonne qualité optique (sans aberrations notables) sans être diaphragmé par celui-ci, il en ressort avec une étendue géométrique G2 telle que :

où n1 et n2 sont les indices de réfraction des milieux initial et final.

Si les milieux extrêmes sont identiques (ce qui est très souvent le cas, où il s'agit de l'air), le pinceau image a la même étendue géométrique que le pinceau objet. Si, de plus, l'optique est sans perte, le flux en sortie est égal au flux entrant, ce qui veut dire qu'un système de bonne qualité optique et sans perte, restitue un pinceau de même étendue géométrique et luminance que celles du pinceau à l'entrée, si ses milieux extrêmes sont les mêmes. C'est ce que l'on appelle le théorème de la conservation de la luminance par un système optique (attention : ce théorème ne s'applique qu'aux systèmes parfaits, sans pertes et de milieux extrêmes identiques).

Cela s'applique en particulier à un composant simple tels qu'un miroir (surface dite spéculaire) pour lequel la luminance du faisceau réfléchi dans la direction de l'optique géométrique (θ=-θ', et φ=φ') est proportionnelle au facteur de réflexion de la surface pour cette incidence, et à la luminance du faisceau incident Linc (λ,θ',φ') :

La BRDF (définie au § « relations entre ces grandeurs ») d'un miroir ou, de façon plus générale, d'une surface spéculaire, est une distribution de Dirac : elle est nulle dans toutes les directions d'observation sauf dans celle qui est la symétrique de la direction d'éclairage par rapport à la normale à la surface.

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