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optique ondulatoire (MPI) · Chapitre 1 · Exercice de TD

Ce que mesure un capteur : moyenne, battements, pixels

Modèle scalaire des ondes lumineuses · E. Réception : éclairement et intensité lumineuse · niveau 2

Énoncé

Un détecteur de temps de réponse délivre un signal proportionnel à .

1) Pour , calculer exactement cette moyenne sur et montrer qu'elle vaut à un terme près, borné par . Valeur de ce majorant pour une photodiode () et . Montrer de même que .

2) Deux ondes de pulsations différentes et se superposent en un point : . On prend . Montrer que si , et décrire le signal si .

3) Applications : a) les deux raies du doublet jaune du sodium, et ; b) deux lasers hélium-néon dont les fréquences diffèrent de , reçus sur la photodiode ; c) les mêmes lasers regardés par l'œil ().

4) Situation expérimentale. Le capteur photographique numérique d'une caméra de TP a des pixels carrés de de côté ; la durée de pose est , le rendement quantique (un électron pour deux photons reçus) et chaque pixel sature au-delà de électrons. On l'éclaire avec un laser hélium-néon de () dont le faisceau, élargi, couvre uniformément . Nombre de photons reçus par pixel pendant la pose ? Le pixel sature-t-il ? Quelle densité optique faut-il interposer (un filtre de densité transmet la fraction de la puissance) ? Constante de Planck : .

Corrigé

La stratégie. Tout repose sur un calcul de moyenne : un terme oscillant à la pulsation a une moyenne de l'ordre de sur une durée , donc négligeable si . On l'applique aux pulsations , puis .

1) La moyenne sur . Avec : Le crochet est compris entre et : l'écart à est borné par . Pour , , et pour , même la photodiode la plus rapide moyenne parfaitement, à un dix-millionième près. De même, : le second terme oscille à et sa moyenne est du même ordre négligeable, d'où .

2) Deux fréquences. En développant le carré, Les deux premiers termes ont pour moyennes et , le terme à une moyenne nulle. Il reste le terme de battement, à la pulsation :

  • Si , cette moyenne est de l'ordre de , négligeable : . Les intensités s'additionnent : c'est l'additivité des intensités de deux ondes de fréquences différentes.
  • Si , le cosinus ne varie pas pendant : le détecteur le suit, et le signal oscille, , à la fréquence . Ce sont des battements.

Entre les deux, les battements sont atténués : leur amplitude est multipliée par un facteur de valeur absolue inférieure à , qui tend vers quand . Pour la moyenne glissante du détecteur, : ce facteur vaut . Cas limite : la frontière est .

3) Trois situations. a) Doublet du sodium : , période de battement . Aucun récepteur ne suit : les intensités des deux raies s'additionnent toujours. b) Deux lasers à l'un de l'autre sur la photodiode : , et la période de battement, , est dix fois le temps de réponse : la photodiode voit les battements, à peine atténués (facteur ). C'est la détection hétérodyne. c) L'œil () additionne les intensités.

4) Le capteur photographique. L'intensité reçue est . Un pixel, de surface , reçoit , soit pendant la pose une énergie . Un photon porte . D'où deux cents fois la capacité du pixel : l'image est blanche, saturée. Il faut diviser la puissance par : , par exemple un filtre de densité suivi d'un filtre de densité ; ou raccourcir la pose à . Le pixel mesure l'énergie reçue pendant la pose, son temps d'intégration : on n'envoie jamais un laser directement sur une caméra.

Ce que l'exercice installe. Un détecteur mesure sur son temps de réponse : tout terme oscillant à une pulsation avec disparaît. Deux ondes de fréquences différentes donnent une intensité somme des intensités dès que : c'est l'additivité des intensités, qui reviendra pour toutes les sources incohérentes. Un capteur photographique compte des photons pendant sa pose : un pixel sature vite, et l'on chiffre l'atténuation nécessaire.

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