Glossaire des termes et concepts des capteurs de lumière

Capteur de lumière

Un capteur de lumière est un dispositif conçu pour détecter et réagir à la présence ou à l’intensité de la lumière. Il convertit l’énergie de la lumière incidente (photons) en un signal électrique (courant, tension ou résistance), servant de base aux systèmes photométriques. Les capteurs de lumière sont utilisés dans des applications allant de l’automatisation industrielle et la surveillance environnementale à l’aviation et l’électronique grand public. Également appelés capteurs photoélectriques, capteurs de lumière ambiante ou capteurs de luminosité, leur rôle est de fournir des données quantitatives sur les niveaux de lumière, permettant le contrôle automatisé, les systèmes de sécurité et la mesure scientifique.

Les principales caractéristiques des capteurs de lumière incluent la sensibilité spectrale (la plage de longueurs d’onde détectée), le temps de réponse (la rapidité de la variation de sortie avec la lumière) et la linéarité (précision de la corrélation entre la sortie et l’intensité lumineuse). En aviation, par exemple, les capteurs de lumière sont essentiels pour le contrôle de l’éclairage du cockpit et des pistes, assurant une visibilité optimale pour les pilotes. Dans l’électronique grand public, ils permettent aux écrans d’ajuster la luminosité pour le confort et l’efficacité énergétique. Selon l’OACI, les capteurs de lumière dans les systèmes de contrôle de l’éclairage d’aérodrome automatisent la commutation et la gradation des feux de piste pour la sécurité et l’efficacité.

Photodiode

Une photodiode est un capteur de lumière à semi-conducteur qui convertit la lumière en courant électrique via l’effet photoélectrique. Lorsque des photons frappent la jonction pn, des paires électron-trou sont générées, créant un courant proportionnel à l’intensité lumineuse. Les photodiodes offrent des temps de réponse rapides (microsecondes ou moins), une grande sensibilité et une sortie linéaire, les rendant idéales pour des applications photométriques précises comme les instruments scientifiques, les affichages de cockpit et les systèmes de surveillance météorologique.

Les photodiodes existent en configurations telles que PIN (pour la rapidité), avalanche (pour le gain en faible luminosité) et silicium (pour la sensibilité visible/proche IR). Leurs performances dépendent du rendement quantique, du courant d’obscurité et du bruit. Les photodiodes peuvent fonctionner en mode photovoltaïque (sortie en tension) ou mode photoconducteur (sortie en courant). L’OACI spécifie l’utilisation de photodiodes dans les dispositifs d’étalonnage pour l’éclairage d’aérodrome, garantissant la conformité réglementaire.

Phototransistor

Un phototransistor est un transistor sensible à la lumière qui amplifie le courant généré par les photons absorbés, offrant une sortie supérieure à celle des photodiodes. La base est exposée à la lumière, et le faible photocourant résultant est amplifié par le transistor. Les phototransistors sont sensibles à de faibles niveaux lumineux, mais leur réponse est plus lente et moins linéaire que celle des photodiodes.

Les phototransistors sont utilisés dans les luxmètres, interrupteurs optiques et dispositifs de sécurité. En aviation, ils peuvent déclencher des contrôles d’éclairage selon la lumière ambiante. La réponse spectrale dépend du matériau et des filtres. Bien que les phototransistors offrent une sensibilité accrue, ils sont utilisés lorsque le coût et la simplicité priment sur la rapidité ou la précision absolue.

Photorésistance (LDR – Light Dependent Resistor)

Une photorésistance ou résistance dépendante de la lumière (LDR) est un capteur passif dont la résistance diminue lorsque la lumière incidente augmente. Fabriquées à partir de matériaux photoconducteurs comme le sulfure de cadmium (CdS), les LDR présentent de grands changements de résistance entre l’obscurité et l’illumination. Elles sont simples, peu coûteuses et largement utilisées pour l’éclairage automatique et les démonstrations pédagogiques.

Les LDR sont non linéaires, lentes à répondre et généralement sensibles à la lumière visible. Leur utilisation en aviation est limitée aux applications non critiques en raison du manque de précision et des préoccupations environnementales (le CdS est dangereux). Les capteurs à semi-conducteurs comme les photodiodes sont préférés pour les systèmes essentiels à la sécurité.

Capteur de lumière ambiante

Un capteur de lumière ambiante mesure l’intensité lumineuse environnementale, souvent en reproduisant la réponse spectrale de l’œil humain. Les capteurs modernes utilisent des photodiodes silicium avec filtrage et conditionnement du signal intégrés, fournissant des signaux analogiques ou numériques. Ils sont essentiels dans les smartphones, l’avionique et le contrôle d’éclairage aéroportuaire, ajustant l’affichage et les niveaux de lumière pour le confort, l’efficacité et la conformité réglementaire.

Les caractéristiques incluent une large plage de sensibilité, une réponse rapide et une stabilité en température. Les modèles avancés offrent une sortie lux calibrée, un gain programmable et la détection de proximité. L’intégration se fait généralement via I2C/SPI pour un contrôle en temps réel dans les systèmes embarqués.

Photométrie

La photométrie est la mesure de la lumière visible telle que perçue par l’œil humain, utilisant des unités comme le lux, le lumen et la candela pondérées selon la réponse photopique de la CIE. La photométrie est fondamentale pour concevoir et réglementer l’éclairage, notamment en aviation où une mesure précise assure la sécurité des pistes et voies de circulation.

Les photomètres utilisent des photodiodes filtrées ou des luminants étalons, avec un étalonnage traçable aux normes nationales. Les normes OACI et ASTM détaillent les protocoles de mesure précise et reproductible de la lumière.

Lux

Le lux (lx) mesure l’éclairement, ou flux lumineux par mètre carré. Il quantifie la quantité de lumière visible frappant une surface—crucial pour spécifier et vérifier l’éclairage dans les bureaux, aéroports et espaces publics. En aviation, le lux est utilisé pour fixer les seuils d’éclairage minimaux des pistes et aires de trafic, conformément à l’annexe 14 de l’OACI.

Les luxmètres utilisent des photodiodes étalonnées et une correction cosinus pour la précision. Les mesures aident à garantir la sécurité, l’efficacité énergétique et la conformité réglementaire.

Lumen

Le lumen (lm) quantifie le flux lumineux—la quantité totale de lumière visible émise par seconde. Un lumen équivaut au flux émis par une candela sur un stéradian. Les valeurs en lumen sont essentielles pour comparer l’efficacité lumineuse et garantir la conformité en aviation et dans d’autres domaines.

Des sphères d’intégration et des photodétecteurs étalonnés sont utilisés pour mesurer le flux lumineux total, en tenant compte de toutes les directions d’émission.

Candela

La candela (cd) est l’unité de base SI d’intensité lumineuse—puissance émise dans une direction spécifique par stéradian. Une candela équivaut à un lumen par stéradian. Les systèmes d’éclairage aéronautiques sont spécifiés en candela pour garantir la visibilité. La mesure se fait par goniophotomètres pour la sortie directionnelle, élément fondamental de la conception et de la certification de l’éclairage.

Réponse spectrale

La réponse spectrale est la sensibilité d’un capteur aux différentes longueurs d’onde lumineuses. Pour la photométrie, les capteurs doivent correspondre à la courbe photopique de la CIE (pic à 555 nm), mais les capteurs silicium peuvent aussi détecter l’UV et l’IR, pouvant fausser les résultats. Des filtres optiques et l’étalonnage corrigent cela.

La réponse spectrale est cruciale dans des applications allant de la mesure réglementaire de l’éclairage à l’horticulture et la surveillance UV. Les fiches techniques des capteurs fournissent les courbes spectrales pour adapter à l’application.

Étalonnage

L’étalonnage aligne la sortie d’un capteur sur des normes de référence pour des mesures précises et traçables. Cela consiste à exposer le capteur à des niveaux lumineux connus et à enregistrer la sortie, en tenant compte de la non-linéarité, la température et les écarts spectraux. L’OACI spécifie les intervalles et la traçabilité d’étalonnage pour les inspections d’éclairage aéronautique.

L’étalonnage garantit la conformité, la sécurité et la précision scientifique, avec un étalonnage sur site utilisant des luxmètres certifiés ou des photomètres de référence.

Temps de réponse

Le temps de réponse est l’intervalle entre un changement de lumière et la modification correspondante de la sortie du capteur, mesuré de 10 % à 90 % de la valeur finale. Une réponse rapide est vitale dans les communications optiques, l’automatisation et l’éclairage contrôlé par le pilote. Les photodiodes sont les plus rapides (nanosecondes) ; les phototransistors sont plus lents et les LDR les plus lents (dizaines à centaines de millisecondes). En aviation, une réponse rapide permet un contrôle d’éclairage en temps réel pour la sécurité.

Linéarité

La linéarité décrit à quel point la sortie d’un capteur suit l’intensité lumineuse. Les photodiodes sont très linéaires ; les phototransistors et LDR le sont moins. La linéarité est essentielle pour des mesures photométriques précises et la conformité réglementaire, avec des fonctions de correction appliquées lors de l’étalonnage si besoin.

Correction cosinus

La correction cosinus garantit qu’un capteur mesure fidèlement l’intensité lumineuse quelle que soit l’angle, conformément à la loi du cosinus. Cela s’obtient avec des diffuseurs ou des fenêtres d’entrée adaptées et est requis pour la conformité réglementaire des équipements photométriques, surtout pour l’éclairage extérieur ou multidirectionnel.

Luxmètre (Illuminance Meter)

Un luxmètre ou illuminance mètre est un instrument à photodiode étalonnée et correction cosinus permettant de mesurer le lux. Utilisés en aviation, architecture et horticulture, les luxmètres vérifient la conformité de l’éclairage et optimisent les conceptions. Une utilisation correcte nécessite un positionnement précis et un étalonnage régulier.

Flux lumineux

Le flux lumineux (en lumens) est la puissance totale perçue de la lumière émise, pondérée par la sensibilité de l’œil humain. Il sert à spécifier la sortie des lampes et se mesure à l’aide de sphères d’intégration et de détecteurs étalonnés. Les normes aéronautiques exigent un flux lumineux minimal pour divers dispositifs d’éclairage.

Intensité lumineuse

L’intensité lumineuse mesure la quantité de flux lumineux émis dans une direction spécifique, exprimée en candela. Elle est fondamentale dans la conception réglementaire de l’éclairage, garantissant la visibilité directionnelle et la conformité.

Pour aller plus loin et références

• OACI Annexe 14 – Aérodromes : Conception et exploitation des aérodromes
• CIE (Commission Internationale de l’Éclairage)
• Normes d’éclairage ASTM International
• National Institute of Standards and Technology (NIST) – Photométrie
• EASA (Agence de l’Union européenne pour la sécurité aérienne)

Les capteurs de lumière sont essentiels à la sécurité, l’efficacité et l’automatisation des systèmes modernes. Leur choix, étalonnage et application corrects assurent la conformité, la fiabilité et des performances optimales dans de nombreux secteurs – dont celui, critique, de l’aviation.