Bibliographie & annexes
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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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This paper concerns optical radiation measurements, especially the primary references established from the definition of the fundamental SI units (International System of Units). After reviewing the radiometric quantities and the available detectors, the cryogenic radiometer, a primary standard is described in detail. The uncertainties of flux measurements made by this instrument are best at the 1 or 2 10-4 level. A second instrument, the PQED (Predictable Quantum Efficiency Detector) has recently been developed. It is simpler and potentially more accurate, but limited to the visible spectrum range. Transfer and application of these primary standards for radiometric, photometric or pyrometric quantities are developed and their uncertainties evaluated in a few examples.
Auteur(s)
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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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
electronics | optics | radiation | temperature
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7. Conclusion
Les détecteurs de référence en radiométrie ont connu des progrès très importants dans les 15 dernières années du XXe siècle en réduisant les incertitudes d'un facteur 10. Cette évolution a fait faire des progrès moins spectaculaires mais significatifs à l'ensemble des détecteurs de grandeurs radiométriques, en particulier celles concernant les sources, avec des applications en pyrométrie.
Les détecteurs tels que les PQED en sont encore à leurs balbutiements mais on peut s’attendre à une amélioration de leur incertitude et une simplification de l'utilisation des références primaires.
Les nombreuses applications des mesures de rayonnement vont profiter de ces évolutions. Des mesures plus précises des grandeurs utilisées en éclairage vont favoriser des réductions de consommation énergétique. Les données précises et pérennes des variables essentielles du climat, dépendant des rayonnements, sont attendues par les climatologues pour accroître la précision de leurs modèles de prévision.
Ces nouveaux détecteurs basés sur la valeur du rapport des constantes fondamentales e et h sont dans la ligne de l'évolution du SI qui tend à rattacher les unités de base aux constantes fondamentales de la physique et à supprimer les étalons matériels.
La réalisation de la candela selon la dernière définition a déjà permis des progrès grâce aux radiomètres cryogéniques, les références actuelles de sensibilité de détecteur mais les PQED ou leurs évolutions offrent encore des perspectives d'amélioration.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOYD (R.W.) - Radiometry and the detection of optical radiation. - John Wiley and sons (1983).
-
(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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Caractérisation des performances des luxmètres et des luminancemètres. - ISO/CEI 19476 - 2014
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