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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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Grandeurs caractéristiques des rayonnements
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1. Domaines d'application
Les rayonnements optiques sont présents dans tous les domaines de la vie courante, de l'industrie ou de la recherche. Les références se doivent de répondre à des besoins variés qui nécessitent, selon les domaines, facilité d'emploi, robustesse ou précision et dans tous les cas confiance dans les résultats.
L'éclairage est le plus évident des domaines dans lequel les mesures de rayonnement, et par conséquent leur étalonnage par rapport à des références, sont nécessaires. Le besoin se fait sentir de la production des sources de lumière jusqu'au bien-être et la sécurité des utilisateurs. Il faut noter que les grandeurs utilisées en éclairage sont des grandeurs visuelles, c'est-à-dire des grandeurs intégrant en une seule valeur tout le spectre du rayonnement pondéré par la sensibilité de l'œil humain moyen, représentée par la courbe normalisée V (λ) (§ 6.2.1). La diversification progressive des sources de lumière, de l'incandescence aux sources « fluocompactes », puis aux diodes électroluminescentes (LED : Light Emitting Diode ou OLED : Organic Light Emitting Diode) a nécessité une caractérisation spectrale plus large et plus précise des photomètres.
Les éclairages artificiels et naturels ont des effets biologiques sur l'homme qui ne sont pas seulement visuels et qui ont des incidences sur la santé. Le rayonnement ultraviolet en particulier est très actinique. À l'instar des mesures visuelles, des instruments sont dédiés à la mesure des rayonnements ultraviolets dans trois bandes spectrales nommées A, B et C. D'autres « courbes spectrales d'action » sont utilisées pour quantifier les phénomènes biologiques spécifiques tels que l'action érythémale, la préproduction de vitamine D, la dissociation de la bilirubine,...
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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).
-
(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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