Les capteurs de lumière semblent assez simples. Ils détectent la lumière, tout comme un thermomètre détecte la température, et un compteur de vitesse la vitesse. La température et la vitesse sont faciles à comprendre parce que nous les sentons d’une manière directe. Mais la lumière est très compliquée. La température et la vitesse sont des propriétés intensives, qui ne dépendent donc pas de la masse ou de la taille d’un objet. La lumière peut être mesurée comme une propriété extensive, ce qui signifie que la lumière totale collectée dépend de la taille du capteur (par exemple, un panneau solaire de décharge collecte plus de lumière qu’un minuscule chargeur de téléphone solaire), ou de manière intensive en divisant par la surface.

Mais que mesurent même les capteurs de lumière ? Des photons ? De l’énergie ? C’est compliqué. Il est important de comprendre les unités avant d’essayer de comprendre les capteurs de lumière.

Unités des capteurs de lumière

Avant de pouvoir comprendre correctement les capteurs de lumière et comment les appliquer, nous devons être capables de quantifier la lumière. Malheureusement, la mesure de la lumière utilise des unités étranges. Par exemple, les ampoules sont généralement évaluées en lumens, mais les capteurs de lumière prennent généralement des mesures en lux. En plus de cela, les lumens et les lux sont tous deux basés sur une unité de base obscure appelée la candela.

La candela

Cette unité est utilisée pour décrire l’intensité lumineuse, c’est-à-dire la force de la lumière qui apparaît à l’œil humain. Elle est basée sur une formule officielle du SI qui pondère chaque longueur d’onde de la lumière dans un faisceau en fonction de la sensibilité de l’œil humain à celle-ci. Plus l’intensité lumineuse d’un faisceau de lumière est élevée, plus l’œil humain y est sensible. (Les candelas étaient autrefois appelées « bougies », et l’intensité lumineuse d’une bougie normale est d’environ une candela. Astucieux, non ?) La raison pour laquelle les bougies ne sont pas utilisées pour comparer les ampoules et les lampes de poche est que l’intensité d’un faisceau ne dépend pas seulement de la puissance de l’ampoule, mais aussi de la concentration de cette puissance dans une direction particulière. La plupart des lampes de poche utilisent des miroirs derrière l’ampoule pour concentrer davantage de lumière dans la direction de sortie et paraître ainsi plus brillantes. Cela signifie que l’ampoule a une intensité accrue dans une direction, tout en utilisant la même quantité d’énergie et en émettant la même quantité totale de lumière. Pour mesurer correctement le rendement d’une ampoule, nous avons besoin d’une nouvelle unité : le lumen.

Lumen

Le lumen est utilisé pour mesurer le flux lumineux total d’une ampoule. C’est le produit de l’intensité lumineuse (en candelas) et de l’angle solide que le faisceau remplit (en stéradians). Une ampoule émettant de la lumière dans toutes les directions pourrait avoir une intensité lumineuse de 10 candelas, qui, multipliée par les 4π stéradians complets, donnerait un flux lumineux de 126 lumens. Comme à l’intérieur d’une lampe de poche, un miroir placé d’un côté de l’ampoule ferait apparaître l’autre côté plus lumineux en raison de la réflexion de la moitié du rendement de l’ampoule. L’intensité de la lumière doublerait à 20 candelas, mais l’angle solide diminuerait de moitié à 2π stéradians. En multipliant l’intensité de la lumière à l’opposé du miroir et du nouvel angle solide, on obtiendrait encore 126 lumens de flux lumineux. Quelle que soit la façon dont la lumière est réfléchie et concentrée, cette ampoule produira toujours 126 lumens de flux lumineux.

Lux

Si les ampoules sont évaluées en lumens, pourquoi les capteurs de lumière doivent-ils utiliser une unité différente ? C’est la raison pour laquelle les musiciens ne sont pas aveuglés lors des concerts. Une seule lampe de poche peut sembler aveuglante lorsqu’elle est braquée à un pouce des yeux de Drake, mais une mer de lampes de poche de téléphone pointées vers la scène n’est pas du tout lumineuse. Comme la lumière se disperse lorsqu’elle quitte le téléphone, seule une petite quantité de lumière atteint ses yeux sur scène. Lorsqu’un objet s’éloigne d’une source lumineuse, la part de lumière qu’il reçoit diminue également. Pour mesurer correctement le flux lumineux tel qu’il est perçu par une surface, appelé éclairement, on utilise une unité appelée lux, qui est égale à un lumen par mètre carré. À la même distance d’une source lumineuse, une feuille d’un mètre carré est soumise au même éclairement qu’une feuille de dix mètres carrés. La feuille la plus grande recueille dix fois plus de lumière, si l’on mesure le flux lumineux en lumens, mais sa surface est tout aussi grande, de sorte que l’éclairement est le même. Si les feuilles se déplacent vers la source lumineuse, l’angle solide occupé par chacune d’elles augmente, et donc l’éclairement augmente également. L’intensité de la lumière est constante, et la surface des feuilles est constante, mais l’angle solide occupé augmente, ce qui accroît l’éclairement qu’elles reçoivent. Les capteurs de lumière doivent mesurer l’éclairement parce qu’il représente la lumière projetée sur une unité de surface, et parce qu’ils ne peuvent pas savoir quel angle solide ils occupent.

Usages des capteurs de lumière

Détection de l’emplacement

Les capteurs de lumière mesurent l’éclairement, qui peut être utilisé pour mesurer plus que la luminosité d’une source lumineuse. Comme l’éclairement diminue à mesure que le capteur s’éloigne d’une lumière stable, le capteur de lumière peut être utilisé pour évaluer la distance relative par rapport à la source.

Figure 1 : Le graphique montre l’éclairement en fonction de la distance

Les capteurs de lumière sont presque toujours une surface plane et unilatérale, de sorte que l’angle solide occupé par le capteur vu de la source de lumière peut changer en fonction de son orientation. Lorsque le capteur de lumière est perpendiculaire à la direction de la lumière, il occupe le plus grand angle solide possible. Au fur et à mesure que le capteur de lumière tourne en s’éloignant de la lumière, son angle solide diminue, et l’éclairement diminue donc également, jusqu’à ce que le capteur de lumière ne détecte finalement aucun éclairement direct lorsqu’il est parallèle aux faisceaux lumineux ou lorsqu’il est tourné vers l’extérieur. Ce fait peut être utilisé pour déterminer l’angle d’incidence d’un faisceau lumineux sur le capteur.

Figure 2 : Le graphique montre l’éclairement en fonction de l’angle

Contrôle de la luminosité

Les capteurs de lumière ont de nombreuses utilisations. L’utilisation la plus courante dans notre vie quotidienne concerne les téléphones portables et les tablettes. La plupart des appareils électroniques personnels portables ont maintenant des capteurs de lumière ambiante utilisés pour ajuster la luminosité. Si l’appareil peut détecter qu’il se trouve dans un endroit sombre, il réduit la luminosité de l’écran pour économiser de l’énergie et ne pas surprendre l’utilisateur avec un écran très lumineux.

Une autre utilisation courante des capteurs de lumière consiste à contrôler les lumières automatiques des automobiles et des lampadaires. L’utilisation d’un capteur de lumière pour déclencher une ampoule lorsqu’il fait sombre à l’extérieur évite le léger tracas de l’allumage des lumières et permet d’économiser de l’énergie dans la journée lorsque le soleil est suffisamment lumineux.

Sécurité

Il existe cependant bien d’autres utilisations que le confort du consommateur. La détection de l’intrusion dans les conteneurs ou les pièces est une application importante de la sécurité. Lors de l’expédition de marchandises coûteuses, il peut être important de savoir quand un conteneur d’expédition a été ouvert, afin que les cas de perte de produit puissent être résolus plus facilement. Une photorésistance bon marché pourrait être utilisée pour enregistrer chaque fois que le conteneur est ouvert, de sorte qu’il est possible de déterminer à quel moment du processus les voleurs ont dévalisé le conteneur, ou si l’expéditeur était malhonnête et prétendait que le conteneur devait avoir été dévalisé.

Alors que les capteurs de lumière sont les seuls produits qui peuvent donner des données significatives concernant la lumière, de nombreux autres biens sont sensibles à la lumière. Par exemple, les peintures et les photographies sur papier et les œuvres d’art plus anciennes peuvent être endommagées en raison de l’exposition à la lumière du soleil, il est donc important de connaître la quantité de lumière à laquelle elles sont exposées. Lors de l’expédition d’une œuvre d’art, un capteur de lumière pourrait être utilisé pour vérifier qu’elle n’a pas été laissée au soleil pendant trop longtemps.

Planification

Un capteur de lumière pourrait également être utilisé pour situer l’art à un emplacement permanent. Les zones près de l’entrée ou des fenêtres d’un musée pourraient avoir une lumière du soleil trop forte pour des matériaux particuliers, donc un capteur de lumière pourrait être utilisé pour situer l’art de manière appropriée. Cette méthode est similaire à celle utilisée pour installer des panneaux solaires sur les maisons ou dans les champs. Il est inutile de construire et d’installer un panneau solaire à un certain endroit s’il ne reçoit pas beaucoup de lumière directe du soleil, c’est pourquoi un capteur de lumière est utilisé pour trouver le meilleur emplacement avec la lumière directe du soleil la plus forte. (Comme je l’ai mentionné, un panneau solaire n’est qu’un très grand capteur de lumière, mais il est plus facile d’utiliser un appareil portable pour tester la lumière du soleil que d’utiliser le panneau lui-même.)

Agriculture

La lumière du soleil a des implications importantes sur l’agriculture, en particulier dans l’Ouest américain privé d’eau. Différentes cultures ont besoin de différentes quantités de lumière solaire, il est donc important de savoir quelles parcelles de terre sont les plus exposées. L’approvisionnement en eau devenant de plus en plus difficile dans des endroits comme l’Utah, les agriculteurs ont l’obligation financière et sociale de limiter leur consommation d’eau, tout en maintenant leurs cultures hydratées. L’une des tactiques adoptées consiste à arroser les cultures l’après-midi ou le soir, afin d’éviter que le soleil chaud ne cuise l’eau avant que le sol et les plantes ne puissent l’absorber correctement. Un capteur de lumière pourrait être utilisé pour gérer automatiquement un système d’arrosage, en arrosant uniquement lorsque le soleil n’est pas au zénith. Lorsqu’il est couplé à d’autres équipements de surveillance météorologique pour recueillir des données concernant la température, la pression et l’humidité, un système pourrait non seulement arroser lorsque le soleil est faible, mais aussi détecter intelligemment la pluie ou les nuages à venir pour optimiser son calendrier d’arrosage.

Comment fonctionnent les capteurs de lumière

Maintenant que vous comprenez le désordre des unités qui quantifient la lumière, nous pouvons commencer à comprendre comment l’éclairement est déterminé à l’aide de capteurs de lumière.

Photodiode

Les capteurs de lumière utilisent parfois un composant appelé photodiode pour mesurer l’éclairement. Lorsque des faisceaux de lumière frappent une photodiode, ils ont tendance à faire tomber des électrons libres, ce qui fait circuler un courant électrique. Plus la lumière est intense, plus le courant électrique est fort. Le courant peut alors être mesuré pour rendre l’éclairement de la lumière. Si le courant électrique induit par la lumière vous semble familier, c’est parce que c’est le principe de fonctionnement des panneaux solaires utilisés pour alimenter les panneaux routiers et les maisons. Les panneaux solaires sont en fait de très gros capteurs de lumière à photodiodes.

Photorésistance

Un autre type de capteur de lumière est la photorésistance. Une photo-résistance est une résistance dépendante de la lumière, ce qui signifie que s’il y a un changement dans la luminosité de la lumière qui l’éclaire, il y aura un changement dans la résistance. Les photo-résistances sont moins chères que les photo-diodes, mais sont beaucoup moins précises, elles sont donc surtout utilisées pour comparer des niveaux de lumière relatifs ou simplement pour savoir si une lumière est allumée ou éteinte.

Capteurs de lumière disponibles

Comme mentionné précédemment, les capteurs de lumière (photorésistances et photodiodes) sont polyvalents et pas super chers, donc il y a beaucoup d’options disponibles, des composants de base aux enregistreurs de données très précis.

Une méthode pour recueillir des données d’éclairement est d’utiliser les petites plateformes informatiques habituelles comme Arduino ou Raspberry Pi. L’utilisation de ces plateformes pour mesurer l’éclairement est utile car la programmation et l’interfaçage avec un ordinateur sont simples et les photorésistances sont très abordables. En outre, il est possible d’utiliser le capteur de lumière en tandem avec d’autres matériels de collecte de données. Cependant, un tel système ne serait pas très précis ou convivial.

Amazon a beaucoup de compteurs de lumière grand public qui sont généralement utilisés pour la photographie. Ils sont tous compacts et faciles à utiliser, avec des données apparaissant à l’écran en temps réel, et tous ont un taux de rafraîchissement raisonnablement bon de quelques hertz. Ils seraient probablement mieux utilisés pour comparer la luminosité relative entre les pièces à l’intérieur, mais la plupart ont une large gamme, de sorte que l’utilisation en extérieur est également une option.

En fait, nous vendons un capteur de lumière dans le cadre de nos capteurs enDAQ. Il utilise une photodiode Si1133, et enregistre les données d’éclairement sur l’appareil avec les données d’accélération, de température, de pression. L’éclairement ayant pour unité de base la candela, les mesures de la lumière doivent être ajustées pour tenir compte du rayonnement électromagnétique non visible. Le Si1133 le fait en mesurant séparément la lumière infrarouge et en l’utilisant pour ajuster correctement les données d’éclairement. Le capteur de lumière du capteur enDAQ mesure également l’indice UV en plus de la lumière visible.