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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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Application des détecteurs étalons à d'autres grandeurs photométriques et radiométriques
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5. Détecteurs quantiques
5.1 Définition et propriétés essentielles du détecteur quantique
L'adjectif « quantique » fait référence aux photons, c'est-à-dire à la nature granulaire de l'énergie transportée par le rayonnement électromagnétique. Pour un détecteur quantique, un photon, pourvu qu'il soit porteur d'une énergie supérieure à une valeur limite hν (h, constante de Planck et ν, fréquence du rayonnement), provoque un effet sur la matière qui peut être soit l'ionisation d'un atome, soit une modification chimique, soit l'éjection d'un électron du milieu, soit le passage d'un électron depuis la bande de valence vers la bande de conduction d'un semi-conducteur, etc. La réponse d'un détecteur quantique étant le plus souvent le courant dans un semi-conducteur, elle est proportionnelle au nombre de photons incidents. Pour les faibles flux, chaque impulsion créée par un photon incident peut être comptée. Pour les flux élevés, l’intensité du courant peut être mesurée en moyenne. Nous nous limiterons aux effets du rayonnement dans une jonction semi-conductrice de silicium qui est le matériau de base du détecteur de référence étudié ci-après.
Dans un détecteur quantique idéal, un photon génère un électron. Un rayonnement de puissance constante Φ, de fréquence ν transportant n photons par unité de temps, a un flux énergétique Φ = n · h· ν et le courant électrique généré est i = n.e, e étant la charge élémentaire de l'électron. La sensibilité i/Φ d'un tel détecteur est :
La sensibilité est nulle pour les photons d'énergie inférieure au minimum requis...
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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).
-
(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
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Caractérisation des performances des luxmètres et des luminancemètres. - ISO/CEI 19476 - 2014
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