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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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Lire l’articleAuteur(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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Caractéristiques générales des détecteurs
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2. Grandeurs caractéristiques des rayonnements
2.1 Propriétés d'une onde électromagnétique, domaine spectral
L'uniformité ou la non-uniformité du faisceau de rayonnement ainsi que son état de cohérence ou d'incohérence seront peu considérés dans cet article, car ces paramètres n’auront que peu ou pas d'influence sur les instruments de référence étudiés. Mais l'effet de la polarisation du rayonnement devra être pris en compte car les détecteurs de référence sont le plus souvent étalonnés avec un rayonnement polarisé alors qu'ils sont utilisés avec un rayonnement de polarisation quelconque.
En revanche la fréquence du rayonnement, exprimée le plus souvent en radiométrie par sa longueur d'onde, sera un paramètre essentiel car la réponse des détecteurs sera systématiquement donnée en fonction de ce paramètre. En conséquence, les mesures sont faites avec des rayonnements monochromatiques, mot englobant des largeurs spectrales inférieures à 0,001 nm dans le cas de l'utilisation de lasers, aussi bien que des largeurs atteignant quelques nanomètres. Le rayonnement reste qualifié de « monochromatique » tant que la sensibilité du détecteur n'évolue pas de façon significative dans la largeur spectrale de la source qui sert à le caractériser.
Les longueurs d'onde entrant dans la classification assez floue de la radiométrie vont de 200 nm, limite basse de la propagation des rayonnements dans l'air, jusqu'à 2 500 nm, limite haute pour la propagation dans les matériaux transparents usuels (verre, quartz…). Ce domaine comprend essentiellement le domaine visible de 400 nm à 780 nm, mais les détecteurs de référence dont il sera question dépassent parfois largement les limites du « visible ».
HAUT DE PAGE2.2 Grandeurs à mesurer et unités
La mesure de la puissance du rayonnement atteignant un détecteur demande la connaissance de la sensibilité de ce détecteur. Ce terme a besoin d'être précisé car le rayonnement doit être qualifié en fonction des variables d'espace, à savoir angles et surfaces, et, de plus, la sensibilité, sans que ce soit systématiquement précisé, sera toujours considérée ici comme spectrale, c'est-à-dire...
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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...
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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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