Dispositif destiné à convertir un signal d'entrée en un signal électrique de sortie
La présente invention concerne un dispositif destiné à convertir un signal d'entrée en un signal électrique de sortie, le signal d'entrée pouvant être élec tro-magnétique, sonore ou constitué par des particules a, P. De tels dispositifs de conversion ont souvent l'inconvénient qu'un rapport désiré particulier entre le signal de sortie électrique et le signal d'entrée ne peut être maintenu que sur une gamme limitée des valeurs du signal d'entrée.
Ainsi, dans le cas de dispositifs qui répondent à l'intensité des signaux d'entrée, le rapport entre cette réponse et l'intensité des signaux d'entrée est, en général, tel qu'on le désire seulement pour une gamme limitée de valeurs d'intensité d'entrée.
Par exemple, avec les dispositifs antérieurs constitués par des microphones et qui sont gradués en décibels, il n'a été possible, en général, que de mesurer une gamme limitée d'intensités de son utilisant une seule échelle linéaire, à moins qu'un circuit électrique compliqué n'ait été employé dans le compteur.
Des exemples de dispositifs de conversion qui répondent à un signal d'entrée lumineux sont les photomètres tels qu'utilisés dans la photographie, et de tels photomètres ont souvent été limités, à la mesure de seulement une gamme étroite d'intensité de lumière d'entrée, étant donné que c'était seulement dans une telle gamme étroite qu'il a été possible d'obtenir la réponse désirée, laquelle est dans ce cas une réponse logarithmique afin de s'adapter à la courbe des densités de courant en fonction des expo sitions en logarithmes des émulsions photographiques employées. Autrefois, ceci n'était pas un inconvé- nient majeur, étant donné que la gamme d'intensités à laquelle les émulsions en question pouvaient répondre était également limitée.
Toutefois, actuellement, cette gamme est beaucoup plus grande et il est par conséquent avantageux d'avoir un photomètre qui puisse répondre dans une gamme étendue.
De tels photomètres ont déjà été construits, mais il était nécessaire de prévoir des dispositifs mécaniques ou électriques compliqués pour décaler la gamme de réponse du photomètre pour couvrir les conditions extrêmes.
Le dispositif suivant l'invention est caractérisé par un réseau constitué de plusieurs sections reliées électriquement et disposées de manière à être exposées à un signal d'entrée commun de façon à fournir un signal électrique de sortie résultant, les sections étant sensibles particulièrement à des parties différentes de la gamme totale d'intensités des signaux d'entrée dans laquelle le dispositif est sensible.
Avec un tel dispositif, un rapport désiré entre le signal d'entrée et la sensibilité électrique du dispositif peut être obtenu sur une plus grande gamme que précédemment, étant donné que chaque élément du dispositif commande le signal de sortie sur une partie de la gamme totale d'intensités qui diffère de celle ou celles commandées par le ou les autres éléments.
De préférence, chaque élément du dispositif est relié à une partie du réseau ayant une réponse qui est une fonction sensiblement linéaire du logarithme de l'intensité du signal d'entrée dans une gamme déterminée d'intensités, la réponse résultante du dispositif complet étant une fonction sensiblement linéaire du logarithme du signal d'entrée dans une gamme d'intensités plus. grande que chacune desdites gammes déterminées.
Si le dispositif doit être sensible à un signal d'entrée lumineux, les éléments peuvent être constitués par des éléments photoconducteurs en silicium, sélénium sulfures de plomb, de thallium et de cad mium. Le sulfure de cadmium, par exemple, présente une résistance électrique qui est l'inverse d'une puissance de l'intensité d'un signal lumineux. La sensi bilité du sulfure de cadmium est telle que, par exemple, dans un seul cristal de sulfure de cadmium une particule a peut produire un déplacement secondaire d'environ 1010 électrons ou davantage lorsque les contacts avec le cristal sont ohmiques.
Par l'ex- pression contact ohmique on entend exprimer que l'impédance électrique créée par contact entre des substances est de nature résistive et qu'elle ne présente sensiblement pas de réactance inductive ou capacitive.
Le dispositif peut comprendre un instrument électrique et des moyens pour relier l'instrument au réseau de sorte que l'instrument soit commandé par le courant électrique de sortie. L'instrument peut, par exemple, être un instrument de mesure et le dispositif complet peut être construit sous forme de compteur de décibels.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est un schéma du dispositif suivant la première forme d'exécution.
La fig. 2 est un graphique illustrant le fonction nement de ce dispositif et sur lequel des intensités électriques, exprimées en microampères, sont portées en abscisse et des intensités lumineuses, exprimées en lux, sont portées en ordonnée à une échelle logarithmique.
La fig. 3 est une coupe schématique du dispositif suivant la deuxième forme d'exécution, sensible aux radiations.
La fig. 4 est une coupe schématique du dispositif suivant la troisième forme d'exécution.
Le dispositif suivant la fig. 1 comprend deux éléments photoconducteurs 20 et 22 qui sont couplés en parallèle et sont placés l'un près de l'autre de manière telle que leurs surfaces photosensibles respectives soient disposées sensiblement de manière égale dans le trajet de la radiation incidente à laquelle elles sont sensibles. Deux éléments électriquement résistants, tels que des résistances 24 et 26 ayant la même valeur, sont reliés en série aux éléments respectifs 20 et 22. A l'un des éléments, photoconducteurs, par exemple l'élément 22, est associé (comme indiqué en tirets) un filtre neutre 28 de radiations, qui est disposé de manière à limiter l'intensité des radiations tombant sur l'élément 22 de manière que cette intensité ait une relation partielle prédéterminée avec celle qui tombe sur l'élément 20.
On peut utiliser d'autres dispositifs pour limiter ainsi l'intensité des radiations tombant sur l'élément 22, comme par exemple des filtres colorés, des écrans, ou bien simplement en donnant à l'élément 22 une surface photosensible plus petite que celle de l'élé- ment 20.
Pour mettre le circuit de la fig. 1 sous tension, on prévoit une source d'énergie électrique, telle
qu'une batterie 30, qu'on monte de préférence en série avec le circuit parallèle comprenant les éléments 20 et 22, et les résistances 24 et 26. Lorsque les éléments 20 et 22 sont soumis à des radiations, provenant de préférence d'une seule source, la réponse du courant de sortie peut être mesurée sur des bornes 32 et 34 reliées en série dans le circuit de la batterie 30. Bien entendu, on prévoit des dispositifs électroconducteurs appropriés pour relier les éléments dans les relations de circuits spécifiées.
En cours de fonctionnement, quand chaque élément 20 et 22 est soumis à une radiation, sa résistance électrique varie comme l'inverse d'une puissance de l'intensité. On peut exprimer la résistance en ohms P de l'élément 20 par l'équation générale 111, (1) dans laquelle :
Kl est une constante correspondant d'une manière générale à la sensibilité de l'élément 20,
1 est l'intensité de la radiation tombant sur l'élé- ment 20,
nl est une fonction des caractéristiques physiques de l'élément 20 dont la valeur est comprise entre 0, 5 et 1 pour la plupart des photoconducteurs.
On peut utiliser une équation similaire, pour représenter d'une manière générale le comportement de l'élément 22 en remplaçant Kl par K2 et nl par n., dans l'équation (1) et, dans ce cas K est la sen sibilité de l'élément 22 et n2 est une fonction des caractéristiques de l'élément 22.
L'intensité débitée par la batterie 30 et mesurée aux bornes 32 et 34, peut être représentée approximativement, par l'équation suivante :
1 In1 In2
R Kl + IBi K2 + I"=Ba dans laquelle Kl, Kg I, nl et n. sont tels que décrit ci-dessus, Bl est la valeur en ohms de la résistance 24 et Bg est la valeur en ohms de la résistance 26,
Bl étant de préférence approximativement égal à B2. La combinaison d'un élément photoconducteur ayant une valeur K prédéterminée et d'un filtre dont le coefficient est différent de zéro donne une valeur apparente K qui diffère de la valeur K prédétermi- née, la valeur apparente K étant appelée ici la sensibilité effective de l'élément.
Si l'on suppose maintenant que le rapport K2/K1
i est égal à 102, ce qu'on peut obtenir, par exemple, en prenant un coefficient 2 pour le filtre 28 quand on utilise des éléments photoconducteurs sensiblement identiques, le filtre transmettant de ce fait /l00 de l'intensité des radiations qu'il reçoit, et en établissant les valeurs ohmiques des résistances 24 et 26 de manière qu'elles soient sensiblement égales, on verra que, pour de faibles intensités de radiations tombant sur les éléments photosensibles, la branche du circuit dans laquelle est monté l'élément 20 détermine la réponse du circuit et que la résistance de l'élément 22 agit comme une résistance de fuite.
Pour des intensités élevées, la résistance de l'élément 20 devient plus faible que celle de sa résistance associée 24, et c'est l'élément 22 qui détermine alors la réponse du circuit. L'influence de la branche du circuit dans laquelle est monté l'élément 20 est faible dans cette dernière gamme d'intensités, son action de limitation de courant étant inutile du fait que c'est l'élément 20 qui commence à entrer en jeu quand l'intensité diminue de nouveau. En consé- quence, la gamme dans laquelle la réponse est li néaire est approximativement le double de ce qu'elle serait si le dispositif ne comprenait qu'un seul élément photoconducteur.
Des exemples d'éléments photoconducteurs, qu'on peut se procurer dans le commerce et qu'on peut utiliser avec le circuit de la fig. 1, sont la cellule photoélectrique RCA-6957 fabriquée par t Radio Corporation of America et la cellule pho toélectrique CL-407 fabriquée par Clairex Corporation .
On a utilisé, pour constituer les éléments 20 et 22 du circuit de la fig. 1, deux cellules photoélectri- ques Clairex CL-407 , disposées très près l'une de l'autre de façon que leurs surfaces photosensibles se trouvent approximativement dans la même direction. On a utilisé une source de radiations étalonnée telle que l'intensité maximum soit réglée à 10, 764X108 lux. On a alors progressivement diminué l'intensité de la lumière tombant sur les cellules jusqu'à 10, 764 X 10-2 lux.
En établissant les constantes du circuit de manière que la valeur des résistances 24 et 26 soit sensiblement de 105 ohms, que le filtre neutre 26 ait un coefficient de 2, 9 et que la tension de la batterie soit de 16 volts, la relation obtenue entre le courant de sortie et l'intensité lumineuse dans l'échelle logarithmique était celle représentée par la courbe A sur la fig. 2.
On a également réalisé le circuit de la fig. 1 en utilisant deux cellules photoélectriques RCA-6957 comme éléments 20 et 22 qu'on a soumises à des radiations de manière similaire aux cellules photoélectriques Clairex CL-407 . Les constantes, de circuit utilisées dans celui-ci étaient les suivantes : les valeurs des résistances 24 et 26 étaient sensiblement égales à 105 ohms, le filtre 28 était un filtre neutre de coefficient 3 et la tension de commande de la batterie 30 était ici encore de 16 volts. Le courant en microampères en fonction de l'intensité en lux dans l'échelle logarithmique a donné la courbe
B de la fig. 2.
On voit, en examinant les courbes A et B que le courant varie linéairement lorsque l'intensité lumineuse est représentée dans l'échelle logarithmique sur environ 4 ordres de grandeur dans les deux courbes.
En utilisant les deux types de cellules précitées et en prévoyant un filtre 28 de coefficient 2, la gamme de réponse linéaire diminue d'environ un ordre de grandeur. De manière similaire, en augmentant jusqu'à 4 le coefficient du filtre 28, la gamme de réponse est augmentée d'approximativement un ordre de grandeur par rapport à celle qui est illustrée sur les courbes A et B mais la courbe comprend alors deux régions linéaires distinctes. En augmentant la valeur ohmique des résistances 24 et 26, la gamme linéaire de la courbe du courant en fonction de l'intensité lumineuse représentée dans l'échelle logarithmique est décalée vers des intensités plus faibles, mais ce décalage s'accompagne d'une diminution de courant de sortie.
On voit donc que le comportement du circuit de la fig. 1 est fortement influencé par le choix des valeurs des résistances 24 et 26, de la sensibilité des éléments photoconducteurs respectifs 20, 22 et du rapport entre les intensités de la lumière tombant sur ces deux éléments.
On préfère les valeurs de circuit aboutissant aux courbes A et B pour obtenir une compression li néaire notable du courant de sortie dans une gamme d'intensités de radiations incidentes qui est sensiblement supérieure à la gamme des intensités à laquelle l'un ou l'autre des éléments photoconducteurs est individuellement capable de répondre de manière logarithmique.
Etant donné que les valeurs des éléments résistifs montés en série qui sont associés aux éléments peuvent être sensiblement les mêmes, il n'est pas nécessaire dans un mode de réalisation préféré illustré sur la fig. 3, d'utiliser des éléments distincts, mais on peut les réaliser sous forme d'un dispositif unitaire désigné dans son ensemble par 40. On le réalise de préférence sous forme d'un sandwich ou ensemble stratifié comprenant plusieurs couches superposées constituées, dans le mode de réalisation représenté, par une couche 42 sensible aux radiations intercalée entre une couche de surface 45 formant électrode et une couche de support 50 formant électrode, une partie de la couche 45 étant intercalée entre la couche 42 et une couche 44 absorbant une partie des radiations.
Dans la forme d'exécution représentée, la couche sensible aux radiations 42 présente une surface extérieure sensiblement plane 43 exposée au rayonnement, la direction des rayons incidents, étant indi quée par des flèches. La couche 42 comporte de pré férence une substance ayant une conductance électrique dont la valeur peut être représentée approximativement par une puissance de l'intensité. Elle peut être constituée, par exemple, par du sulfure de cadmium sous forme cristalline. La couche de surface 45 formant électrode est disposée sous, forme d'une couche mince d'épaisseur uniforme sur la surface 43. On peut obtenir une telle couche mince, par exemple en déposant sous vide un métal assurant un contact ohmique avec la couche 42.
Pour limiter l'intensité des radiations tombant sur une partie de la couche 42 à une fraction de l'intensité des radiations tombant sur la portion restante de cette couche, on a prévu, dans le mode de réalisation représenté, la couche 44. Cette dernière peut, par exemple, comprendre un filtre neutre disposé immédiatement au voisinage de l'électrode de surface 45 pour intercepter les radiations tombant sur une partie 46 de la couche 42, et de préférence, il est déposé sur l'électrode 45 ou lié à celle-ci.
On peut donner à la couche 44 diverses configurations planes ; par exemple, on peut la déposer sous forme d'une série de bandes discrètes ou encore sous forme d'un coin continu de section variable, et elle peut être faite d'une de nombreuses substances bien connues, comme par exemple du verre ou des polymères transparents, lorsque les radiations sont constituées par de la lumière visible.
La partie 46 de la couche 42 et la partie 48 (qui ne comporte pas de couche de limitation de radiations) sont, de préférence, disposées en série avec au moins un élément électriquement résistant ayant une valeur approximativement constante. Dans le mode de réalisation préféré, cet élément électriquement résistant est constitué par la couche de support 50 formant électrode qui, par exemple, peut être faite d'une feuille de gallium ou d'indium déposée sur la couche 42, ou liée à celle-ci, sur le côté de cette couche opposé à la surface 43. Dans une variante, la couche 50 peut, bien entendu, être simplement une couche électro-conductrice et être disposée en série avec une résistance individuelle de valeur sensiblement constante.
Des conducteurs électriques 52 et 54 sont prévus respectivement sur la couche de support 50 formant électrode et sur la couche de surface 45 formant électrode, pour permettre de monter le dispositif 40 dans un circuit grâce auquel le dispositif peut être excité par une source de courant électrique, telle qu'une batterie 56. Les contacts assurés par la disposition adjacente de toutes les couches et par les conducteurs sont, de préférence, de nature ohmique.
La forme d'exécution de l'invention, représentée à la fig. 4, comprend un élément photoconducteur 60 comprenant une seule couche 62 sensible aux radiations qui comporte une surface extérieure sensiblement plane 64. Une électrode de surface 65, similaire à l'électrode 45 du mode de réalisation de la fig. 3, est prévue sur la surface 64. Pour limiter l'intensité des radiations tombant sur la couche 62, on a prévu, par exemple, une couche absorbante 66, qui est disposée immédiatement sur la surface 64 à laquelle elle est liée ou sur laquelle elle est dépo- sée. La couche 66 possède des parties dont les pouvoirs absorbants sont différents. A la fig. 4, elle comprend quatre parties discrètes 68, 70, 72 et 74, constituant respectivement des filtres de coefficients 2, 2, 5, 3 et 3, 5.
Toutes les parties de la couche sensible aux radiations 62 qui s'étendent sous les parties correspondantes de la couche 66 sont disposées en série avec au moins un élément électriquement résistant qui, dans le mode de réalisation représenté, est constitué par l'électrode de support 76 à laquelle la couche 62 est fixée. Les conducteurs 78 et 80 sont reliés respectivement à une extrémité de la résistance-électrode de support 76 et à l'électrode de surface 65. La source de courant servant à mettre le dispositif sous tension est constituée par une batterie 82 montée, par exemple, dans le conducteur 78. Etant donné qu'il est désirable que les contacts entre tous les éléments soient ohmiques, les connexions entre les conducteurs 78, 80 et les électrodes correspondantes sont, par exemple, assurées par une soudure à l'argent.
En cours d'utilisation, le dispositif photoconducteur 60 fonctionne essentiellement de la même manière que le dispositif précédemment décrit à propos de la fig. 3 et son encombrement est également faible.
Dans une autre forme d'exécution encore, un dispositif photoconducteur, tel que par exemple celui qui est illustré sur la fig. 1, peut comprendre un mécanisme de commande d'exposition pour un appareil photographique, le signal de sortie électrique étant utilisé dans ce dernier pour régler les paramètres d'exposition de l'appareil photographique.