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RÉSUMÉ
Cet article traite de la mesure des rayonnements optiques et des références primaires que sont les étalons élaborés d'après les définitions des unités fondamentales ou dérivées du Système international d'unités. Après une revue des grandeurs radiométriques et des détecteurs utilisables, le radiomètre cryogénique, étalon primaire, est décrit en détail. Les mesures de flux effectuées par cet instrument ont les meilleures incertitudes. Un autre instrument, le PQED (Predictable Quantum Efficiency Detector), nouvellement développé, est plus précis mais restreint au domaine spectral "visible". Le transfert et l'application des capacités de ces étalons primaires de flux aux autres grandeurs radiométriques, photométriques ou pyrométriques sont développés, et les incertitudes sont explicitées.
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Bernard ROUGIÉ : Ingénieur de recherche, responsable du laboratoire de rayonnements optiques - Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, Conservatoire national des arts et métiers, Saint-Denis, France
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Jeanne-Marie COUTIN : Ingénieur de recherche, responsable des références de sensibilité des détecteurs - Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, Conservatoire national des arts et métiers, Saint-Denis, France
INTRODUCTION
Le sujet, tel que présenté dans le titre, est très large ; il convient d'abord de le préciser : c'est essentiellement le caractère énergétique du rayonnement qui sera envisagé ici, avec son application importante en photométrie. Seuls les détecteurs utilisés comme référence seront considérés ainsi que leur application à l'étalonnage des lampes avec de meilleures incertitudes.
La grandeur à quantifier est donc la puissance du rayonnement, appelée « flux », exprimée en watt, mesurée par un détecteur placé sur le trajet du rayonnement. Le domaine spectral habituellement inclus dans ce que l'on nomme un peu improprement le « rayonnement optique » s'étend de l'ultraviolet, 200 nm, à l'infrarouge, 2 500 nm.
Le détecteur primaire est un instrument capable de réaliser des mesures en ne se référant qu'à la définition du système international d'unités (SI). Ce sont deux instruments de ce type qui font l'objet principal du présent article. Le radiomètre cryogénique est depuis la fin des années 1980 la meilleure référence autant pour sa faible incertitude que pour l'étendue de son domaine spectral (200 nm à 15 µm, voire au-delà) qui couvre largement le domaine des rayonnements optiques. Une nouvelle génération de photodiodes promet d'être un concurrent aussi précis et beaucoup plus simple d'emploi dans un domaine spectral plus réduit allant de 400 nm à 900 nm.
Ces objets de laboratoire de métrologie étant difficiles d'emploi, ils sont remplacés par des instruments de transfert et des instruments spécialisés adaptés à la grande variété des grandeurs utilisées en matière de mesure du rayonnement. Quelques méthodes d'étalonnage d'autres détecteurs, de mesures de grandeurs autres que le flux (éclairement, luminance) et les applications aux mesures concernant l'étalonnage de sources de rayonnement sont présentées, au moins dans leur principe.
Il n'est pas possible en métrologie de parler de « référence » sans évoquer la question de la confiance à lui attribuer. Les incertitudes seront donc étudiées pour chacun des instruments de référence et pour les méthodes de transfert.
Le lecteur pourra s'appuyer sur un article généraliste [R 6 410] Radiométrie, photométrie des Techniques de l'Ingénieur.
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Radiomètre cryogénique : détecteur thermique primaire
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3. Caractéristiques générales des détecteurs
3.1 Différents types de détecteurs
Les détecteurs quantiques et thermiques sont les deux grandes classes de détecteurs utilisées pour mesurer un rayonnement. Ils sont très différents par leurs propriétés de bruit et d'étendue spectrale. On distingue aussi les détecteurs plan et les détecteurs cavité classés différemment en raison de leur coefficient de réflexion. Une troisième distinction peut être faite entre détecteurs primaires et détecteurs de transfert. De nombreuses autres caractéristiques telles que la sélectivité spectrale, la directivité, la spécialisation pour les grandeurs d'éclairement ou de luminance enrichissent encore cette famille. Le présent article ne décrira que deux détecteurs de référence, l'un thermique, l'autre quantique, tous deux disposés en cavité pour limiter la réflexion du rayonnement incident.
HAUT DE PAGE3.2 Détecteurs quantiques et thermiques : domaine spectral, détectivité, homogénéité, stabilité à long terme
Nous définissons ces termes dans le cadre particulier des détecteurs de référence. L'homogénéité spatiale est caractérisée par la mesure de la valeur de la sensibilité du détecteur en différents points de sa surface. Par exemple, l'homogénéité est un critère particulièrement important lorsque le détecteur est destiné à mesurer le flux d'un rayonnement très localisé. La stabilité à long terme est évidemment un paramètre toujours très important pour un détecteur qu'il soit de référence ou de transfert. La détectivité D (λ) est l'inverse du NEP (NEP : Noise Equivalent Power), caractéristique générale aux détecteurs. Cette quantité de « bruit équivalent » à l'entrée du détecteur est la valeur d’une excitation (rayonnement) fictive en entrée correspondant au signal de bruit Sb en sortie, en l'absence d'excitation effective :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BOYD (R.W.) - Radiometry and the detection of optical radiation. - John Wiley and sons (1983).
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(2) - PUTLEY (E.H.) - Thermal Detectors. - Dans « Optical and Infrared Detectors » – (ed. R. J. Keyes) – Chapter 3, Springer-Verlag, Berlin and New York (1980).
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(3) - DESVIGNES (F.) - Détection et détecteurs de rayonnement optiques. - Collection Mesures Physiques, Masson, 346 pages (1987).
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(4) - GAUSSORGUES (G.) - La thermographie infrarouge, principes, technologies, applications. - 3e édition, Technique et Documentation, Lavoisier, Paris, 539 pages (1989).
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(5) - Electrically calibrated thermal detectors of optical radiation (absolute radiometers). - Publication CIE, n° 65 (1985).
-
(6) - HENGSTBERGER (F.) - Absolute...
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NORMES
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Caractérisation des performances des luxmètres et des luminancemètres. - ISO/CEI 19476 - 2014
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