Brevet FR2596516A1 — publié le 19871002

CAPTEUR D'ECLAIREMENT PERFECTIONNE. La présente invention concerne un capteur d'éclairement apte à fournir une information électrique proportionnelle à un éclairement et ce, dans une large gamme d'éclairement, par exemple de l'ordre de 0 à 200.000 lux. D'une manière générale, on sait que les dispositifs servant à la mesure de l'éclairement font habituellement intervenir des capteurs consistant ou utilisant des composants optoélectroniques tels que, par exemple des photodiodes ou des 10 phototransistors. Or il s'avère que selon la technologie actuellement utilisée pour leur réalisation, ces composants présentent un certain nombre d'inconvénients. - Un premier de ces inconvénients réside dans la non-linéarité du signal fourni par le capteur en fonction de l'éclairement, non-linéarité qui nécessite l'utilisation en aval du capteur d'un circuit électronique de linéarisation relati20 vement complexe et coûteux. - Un second inconvénient provient du fait que lors d'une augmentation de l'éclairement, le composant photoélectronique se sature très rapidement, ce qui limite la gamme 25 d'éclairement dans laquelle on peut effectuer la mesure. - 2 - Un troisième inconvénient consiste en ce que l'angle d'ouverture du composant photoélectronique est très faible, ce qui conduit à utiliser pour étendre cet angle, des montages optiques grand angulaire, voire même des circuits à guides optiques. L'invention a donc plus particulièrement pour but la réalisation d'un capteur de conception très simple et peu coûteuse qui supprime ces inconvénients. 10 Selon l'invention, ce capteur fait plus particulièrement intervenir: - un fourreau en une matière translucide, ce fourreau 15 présentant un fond destiné à être exposé à la lumière dont on veut mesurer l'éclairement, - un composant photoélectronique positionné à l'intérieur du fourreau, avec sa face sensible disposée au droit dudit 20 fond, et - des moyens permettant de solidariser ledit composant avec ledit fourreau. Dans un tel capteur, le fond joue le rôle d'un interface optique permettant, grâce aux propriétés diffusantes de la matière translucide, de transformer la lumière incidente en une infinité de sources lumineuses se trouvant dans le champ optique du composant optoélectronique. On s'affranchit 30 ainsi des problèmes relatifs à l'angle d'ouverture du composant optoélectronique. Ainsi, dans le cas d'un fond présentant une face extérieure plane, il devient possible de mesurer des éclairements 35 produits par des rayons lumineux présentant des angles d'incidence proches de 90. - 3 Ce résultat peut être considérablement amélioré en utilisant un fond dont la surface extérieure présente une forme convexe, par exemple une forme conique ou une forme sphérique. Par ailleurs, en utilisant un fond en forme de ménisque, avec une face extérieure convexe et une face intérieure concave, on obtient avantageusement une concentration de la lumière diffusée sur la face sensible du composant photoélectronique. En outre, il est possible d'améliorer les performances du capteur en effectuant un piégeage du rayonnement lumineux diffusé par le fond. A cet effet, il est possible de revêtir la paroi intérieure du fourreau, au moins dans une zone 15 comprise entre le fond et le composant photoélectronique, d'un élément optiquement réfléchissant. Il convient de noter que l'épaisseur de matière au niveau du fond détermine l'atténuation des rayonnements incidents par 20 rapport au rayonnement diffusé. Or cette atténuation doit être prévue de manière à éviter la saturation du composant photoélectronique et à faire en sorte que celui-ci fonctionne dans une plage o sa réponse varie linéairement en fonction de l'éclairement. C'est la raison pour laquelle l'invention prévoit également un fourreau dans lequel le fond présente, à l'origine, une épaisseur relativement importante, cette épaisseur pouvant ensuite être ajustée et conformée par l'utilisateur selon le 30 type d'application recherché, par usinage. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de solidarisation du composant dans le fourreau consistent en un enrobage en une matière transparente telle que par 35 exemple un élastomère remplissant au moins partiellement le volume libre compris entre le composant et ses éléments de connexion et le fourreau. - 4 Cet enrobage permet alors d'assurer en plus de sa fonction de maintien, la continuité optique entre le fond du fourreau et la fenêtre de l'élément photoélectronique habituellement située au droit de sa zone sensible. Avantageusement, l'indice de réfraction de cet enrobage sera choisi sensiblement égal à celui du matériau transparent constituant la fenêtre. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement un montage 15 classique d'un phototransistor; Les figures 2 et 3 sont deux représentations graphiques montrant respectivement la courbe de réponse du phototransistor en fonction de l'éclairement et la 20 courbe de variation de l'atténuation en fonction de l'angle d'incidence des rayons lumineux; La figure 4 est une coupe axiale schématique d'un capteur selon l'invention; 25 Les figures 5 et 6 sont des représentations graphiques analogues à celles représentées sur les figures 2 et 3 qui illustrent les performances du capteur représenté figure 4; et Les figures 7 et 8 représentent schématiquement, en coupe axiale, des variantes d'exécution du capteur selon l'invention. Tel que représenté sur la figure 1, le phototransistor 1 se compose d'un élément semi-conducteur 2 logé dans un bottier 3 présentant une fenêtre 4 située au droit de la face de cet -5 élément semi-conducteur sensible aux rayons lumineux. Cette fenêtre 4 est habituellement réalisée à l'aide d'une pastille de verre présentant une face extérieure convexe. L'élément semi-conducteur présente, par ailleurs, une électrode collectrice 5 qui, dans l'exemple représenté, est connectée à une source de tension 6 positive, par exemple de 15 V et une électrode émettrice 7 reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 8, par exemple de 710 P. 10 La figure 2 représente la courbe de variation 8' du courant Ic traversant le phototransistor pour un éclairement variant entre 0 et 200. 000 lux. On constate sur cette figure qu'en partant d'un éclairement nul, le courant Ic croît rapide15 ment, d'une façon linéaire jusqu'à ce que l'éclairement atteigne une valeur de l'ordre de 25.000 lux pour une intensité d'environ 15 mA. A partir de cette valeur, la courbe 8' s'incurve puis l'intensité se stabilise à partir d'un éclairement de 210. 000 lux à une valeur constante, de l'ordre de 20 20 mA. Cette stabilisation est due au phénomène de saturation du phototransistor 1. Il est clair qu'en raison de cette saturation, le phototransistor 1 ne peut être utilisé directement que pour des plages d'éclairement limitées, en l'occurrence de 0 à 25.000 lux. 25 La courbe 9 de la figure 3 montre en outre que l'angle d'ouverture a du capteur est très faible (+ 18 ) par rapport à la normale pour une atténuation S = du courant Ic de 1 max %. Le capteur représenté sur la figure 4 permet de supprimer à la fois ces trois inconvénients. Il fait intervenir un phototransistor 10 du type de celui 35 représenté sur la figure 1, monté dans un fourreau de section cylindrique dont le fond 12 d'épaisseur e possède une surface convexe 13 de forme conique et une face intérieure concave 14 également conique. Bien entendu, les - 6 dimensions de ce fourreau 11 dépendent de celles du phototransistor utilisé. Ainsi, dans le cas d'un phototransistor courant, par exemple du type BPX 31 commercialisé par la Société RTC, le diamètre extérieur du fourreau peut 5 être de l'ordre de 3,4 mm tandis que sa longueur L peut être inférieure à 10 mm. Comme précédemment mentionné, ce fourreau 11 doit être réalisé en une matière translucide présentant une bonne aptitude à la diffusion des rayons lumineux. Sa rigidité doit être suffisante pour assurer une 10 bonne protection mécanique du capteur. En outre, sa dureté et son inertie vis-à-vis de la corrosion doivent être suffisantes pour qu'il puisse résister sans modification de ses propriétés optiques aux agents utilisés pour assurer le nettoyage de la face extérieure du fond qui constitue en 15 fait la zone réceptrice de lumière et doit demeurer parfaitement propre à l'instar de tous les composants optiques. D'excellents résultats ont été obtenus à l'aide d'une matière plastique translucide blanche commercialisée par la 20 Société Du Pont sous le nom de "Delrin". Dans ce capteur, la liaison électrique entre le phototransistor 10 et le circuit électronique de mesure est assurée par des fils conducteurs 15, 16, respectivement connectés à 25 l'émetteur et au collecteur du phototransistor 10, ces fils , 16 s'étendant axialement dans le fourreau 11 puis ressortant par son ouverture 17, à l'opposé du fond. Le positionnement du phototransistor 10 ainsi que des 30 portions des fils conducteurs 15, 16 situées à l'intérieur du fourreau est réalisé par enrobage, à l'aide d'une matière plastique transparente 18, par exemple un élastomère, dont l'indice de réfraction est voisin de celui de la pastille de verre 20 constituant la fenêtre du phototransistor 10. 35 Le rôle de cet enrobage ne se limite pas à sa seule fonction mécanique. - 7 En effet, il permet également d'assurer une étanchéité parfaite du capteur. En outre, la partie de cet enrobage qui remplit le volume 21 compris entre la face sensible du phototransistor 10 et le fond 12, sert à assurer une conti5 nuité optique du rayonnement optique diffusé par le fond 12. Elle évite en particulier la discontinuité dont seraient affectés ces rayonnements au niveau de la surface de la pastille 20 du phototransistor 10-si le volume présentait un indice de réfraction différent, (ce qui serait par exemple 10 le cas si ce volume était vide). Dans l'exemple représenté sur la figure 4, la conicité de la face extérieure 13 du fond 12 a été prévue sensiblement égale à 240 de manière à étendre le plus possible l'angle 15 d'ouverture du capteur. Les performances du capteur précédemment décrit sont illustrées sur les figures 5 et 6. Ainsi, le graphique de la figure 5 montre que le courant Ic (courbe 22) suit une loi linéaire en fonction de l'éclairement E, même pour des valeurs supérieures à 200.000 lux. Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 6, l'angle 25 d'ouverture est porté à + 60 pour une atténuation de 50 % du courant Ic, tandis qu'un angle de + 90 reste exploitable, l'atténuation (courbe 23) dans ce cas étant de l'ordre de 75 %. Il convient de noter que, grâce à la forme cylindrique du fourreau 11, le montage du capteur se trouve considérablement simplifié. Il peut par exemple être simplement engagé, comme représenté dans un perçage de diamètre correspondant d'une structure de support 24. 35 Bien entendu, l'invention ne se limite pas à la forme du fourreau précédemment décrite. - 8 - Ainsi, la face extérieure du fourreau pourrait être plane, comme représenté sur la figure 7 en traits pleins (référence 25). Il s'avère en effet que cette solution, légèrement moins performante, dans le cas d'angles d'incidence élevés, 5 demeure cependant intéressante, comme il ressort de la courbe 26 représentée en traits interrompus sur la figure 6. Par ailleurs, le fourreau peut présenter à l'origine un fond relativement épais (de l'ordre de plusieurs fois l'épaisseur 10 du fourreau) que l'utilisateur pourra lui-même conformer selon le type d'application. La figure 7 indique en points interrompus (référence 27) un tel fond. En particulier, l'opérateur pourra lui-même ajuster 15 l'épaisseur du fond, pour obtenir l'atténuation recherchée, par exemple en le ramenant à l'épaisseur indiquée par le trait interrompu 28. Il pourra également rectifier le fond pour obtenir une 20 continuité de forme avec la face antérieure du support et éviter ainsi que le capteur ne vienne pas en saillie ou en retrait par rapport à celle-ci. Ainsi, sur la figure 7, le trait interrompu de forme courbe 25 29 illustre une conformation du fond appropriée à la courbure de la face antérieure 30 du support (également en traits interrompus). Dans l'exemple représenté sur la figure 8, la portion 31 de 30 surface cylindrique intérieure du fourreau 32 comprise entre le phototransistor 10 et le fond 12 est recouverte d'un revêtement réfléchissant 33 servant à renvoyer une fraction du rayonnement lumineux diffusé par le fond 12 sur la surface sensible du phototransistor 10. 35 Il s'avère donc que le capteur selon l'invention est particulièrement avantageux notamment grâce à: - 9 - sa possibilité d'utilisation dans les conditions d'environnement les plus sévères, - son faible encombrement et sa conformation, - sa simplicité de réalisation et de mise en oeuvre, - l'adaptation facile de la sensibilité du capteur à la dynamique d'éclairement souhaitée, - la possibilité de modifier la forme de l'extrémité du capteur avec cependant une légère réduction de l'angle d'ouverture qui demeure toutefois dans des limites accep10 tables pour l'application. Ce capteur peut, par conséquent, être aussi bien utilisé dans des secteurs à haute technologie que dans des secteurs grand public. - 10 Revendications 1. Capteur d'éclairement apte à fournir une information électrique proportionnelle à un éclairement, et ce, dans une large gamme d'éclairement, caractérisé en ce qu'il comprend: - un fourreau (11) en matière translucide, ce fourreau présentant un fond (12) destiné à être exposé à la lumière dont on veut mesurer l'éclairement, - un composant optoélectronique (10) positionné à l'intérieur du fourreau (11), avec sa face sensible (20) disposée au droit dudit fond (12), et - des moyens permettant de solidariser ledit composant (10) 15 avec ledit fourreau (11). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fond (12) présente une surface extérieure (13) plane ou convexe. 20 3. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fond (12) présente une surface extérieure (13) conique ou sphérique. 25 4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fond (12) présente une surface intérieure (14) concave. 30 5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fond (12) est en forme de ménisque, avec sa face extérieure convexe (13) et sa face inté35 rieure concave. - 11 6. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) dudit fond (12) est ajustable. 7. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fond (12) présente une épaisseur importante de l'ordre de plusieurs fois l'épaisseur du 10 fourreau (11), de manière à pouvoir être conformé par l'utilisateur par découpe et/ou par usinage. 8. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de piégeage du rayonnement lumineux diffusé par le fond (12). 9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les susdits moyens de piégeage consis20 tent en au moins un élément optiquement réfléchissant (33) disposé dans la zone du fourreau (11) comprise entre le composant optoélectronique (10) et ledit fond (12). 10. Capteur selon l'une des revendications précéden25 tes, caractérisé en ce que les susdits moyens de solidarisation du composant optoélectronique (10) dans le fourreau (11) consistent en un enrobage en une matière plastique transparente (17). 11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la susdite matière plastique (17) est un élastomère. 12. Capteur selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la susdite matière plastique (17) présente un indice de réfraction sensiblement égal à celui - 12 de la fenêtre transparente (20) du composant optoélectronique. 13. Capteur selon l'une des revendications précéden5 tes, caractérisé en ce que la matière constituant le fourreau (11) est une matière plastique translucide. 14. Capteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite matière plastique est du Delrin" blanc. 15. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit composant optoélectronique est un phototransistor.