Capteurs photoniques industriels : photodiode, photorésistance et capteur CCD

Terminale Technologique · Physique-Chimie Terminale Technologique

À retenir

• Photorésistance (LDR) : résistance R diminue quand la lumière augmente (obscurité 1\ M, lumière 1\ k). Composant lent. • Photodiode polarisée en inverse : photocourant I_ph = S_ P strictement proportionnel à la puissance. Ultra-rapide (< 1\ ns). • Sensibilité spectrale : S_ = I_phP (en A·W^-1). • Capteur CCD/CMOS : matrice de pixels quantifiant spatialement l'image par accumulation de charges Q = I t. • Choix industriel : LDR pour l'éclairage tout-ou-rien ; Photodiode pour les télécoms et le comptage rapide ; CCD pour la vision par ordinateur.

Le cours

1. Photorésistance (LDR) Une photorésistance (notée LDR) est un semi-conducteur polycristallin (sulfure de cadmium CdS) dont la résistance électrique R diminue drastiquement lorsque l'éclairement lumineux E (en lux lx) augmente : R(E) = A E^- • Dans l'obscurité totale : résistance d'obscurité très élevée (R_obs > 1\ M). • En plein éclairement : résistance faible (R_lum 100\ à 1\ k). • Composant économique mais lent (temps de réponse de l'ordre de 10 à 50\ ms), utilisé surtout pour l'éclairage crépusculaire automatique. 2. Photodiode rapide Une photodiode est une jonction PN polarisée en inverse. L'absorption de photons d'énergie h > E_gap libère des paires électron-trou entraînant l'apparition d'un photocourant inverse I_ph directement proportionnel à la puissance lumineuse incidente P : I_ph = S_ P avec la sensibilité spectrale S_ exprimée en ampères par watt (A·W^-1). La photodiode est extrêmement rapide (temps de réponse inférieur à la nanoseconde), essentielle pour les récepteurs de fibres optiques et les barrières photoélectriques industrielles. 3. Capteurs matriciels CCD et CMOS Un capteur matriciel (caméras de vision industrielle, microscopes numériques) est une mosaïque de millions de photodiodes élémentaires (pixels). Chaque pixel accumule une charge électrique Q = I_ph t proportionnelle à la lumière reçue pendant le temps d'exposition t, convertie en tension et numérisée en niveaux de gris.

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