Grandeurs radiométriques avec symboles et unités

Les grandeurs radiométriques décrivent le rayonnement électromagnétique en termes énergétiques, indépendamment de la sensibilité de l'œil – en usage technique, il s'agit surtout du rayonnement UV et IR. Les quatre grandeurs de base sont le flux énergétique Φ en watts, l'éclairement énergétique E en W/m² ou mW/cm², la luminance énergétique L et l'intensité énergétique I. Ce domaine est appelé radiométrie ; les grandeurs équivalentes pondérées par l'œil sont les grandeurs photométriques.

Les grandeurs radiométriques sont des grandeurs mesurées qui se réfèrent au rayonnement électromagnétique total. Dans les applications techniques, ceci est utilisé comme rayonnement UV ou rayonnement IR. Ce domaine est appelé radiométrie. Le rayonnement est classé selon la longueur d'onde du rayonnement.

Le schéma suivant présente les quatre grandeurs radiométriques. Le tableau contient une représentation visuelle, une définition mathématique, une unité et une brève explication pour chaque grandeur.

1. Flux énergétique Φ
2. Éclairement énergétique E
3. Luminance énergétique L
4. Intensité énergétique I

Tableau à télécharger : Grandeurs et unités radiométriques (XLSX) – avec facteurs de conversion et les plages spectrales selon DIN/ISO 20473. Les équivalents pondérés par l'œil sont répertoriés sous grandeurs photométriques, ceux relatifs à la couleur sous grandeurs colorimétriques, les limites de bande sous plages spectrales et normes. Toutes les grandeurs réunies – avec symbole, unité et le calculateur correspondant – se trouvent dans le glossaire des grandeurs optiques.

Flux énergétique

Le flux énergétique, également appelé puissance de rayonnement, est la quantité totale d'énergie émise par une source de rayonnement dans toutes les directions par unité de temps. L'unité du flux énergétique est le watt (W).

• Symbole : Φ
• Unité : W
• Définition : la puissance de rayonnement totale émise.

Exemple :

Une lampe à incandescence standard d'une puissance absorbée de 60 W émet environ 57 W sous forme de flux énergétique, le reste étant perdu sous forme de chaleur. Ces 57 W sont répartis sur le spectre visible et infrarouge.

Le flux énergétique est mesuré dans une sphère intégrante.

Éclairement énergétique

L'éclairement énergétique est une grandeur physique qui décrit la densité de puissance du rayonnement incident sur une surface. Il est défini comme la puissance de rayonnement par surface incidente sur un élément de surface. L'unité de l'éclairement énergétique est le watt par mètre carré (W/m²) ou le milliwatt par centimètre carré (mW/cm²). Un radiomètre UV convient pour mesurer l'éclairement énergétique.

• Symbole : E
• Unité : W/m², mW/cm²
• Définition : puissance de rayonnement incidente sur un élément de surface, rapportée à sa surface.

L'éclairement énergétique indique la quantité d'énergie sous forme de rayonnement qui tombe sur une certaine surface par unité de temps. Le rayonnement incident obliquement compte avec le cosinus de l'angle d'incidence ; les têtes de mesure sont donc corrigées en cosinus.
Astuce : convertir W/m² en mW/cm²

Exemple :

L'éclairement énergétique moyen du soleil à la surface de la Terre par temps clair est d'environ 1000 W/m². Cela signifie que chaque mètre carré de la surface terrestre reçoit 1000 watts de rayonnement.

L'éclairement énergétique est mesuré avec un radiomètre.

Luminance énergétique

La luminance énergétique est une grandeur physique qui décrit la puissance de rayonnement émise par une source de rayonnement par unité de surface et par unité d'angle solide. Elle est mesurée en watts par mètre carré et par stéradian (W/(m²·sr)).

• Symbole : L
• Unité : W/(sr·m²)
• Définition : quotient du flux énergétique rayonné et du produit de l'élément de surface et de l'angle solide.

La luminance énergétique tient compte à la fois de la surface de la source de rayonnement et de l'angle solide sous lequel le rayonnement est émis.

Exemple :

Le soleil a une luminance énergétique élevée car il émet une grande quantité d'énergie rayonnante dans l'espace sur une surface relativement petite.

Intensité énergétique

L'intensité énergétique est une grandeur physique qui décrit le flux de rayonnement dans une direction donnée par unité d'angle solide. Elle est utilisée pour indiquer l'intensité du rayonnement dans une direction spécifique. L'unité de l'intensité énergétique est le watt par stéradian (W/sr).

• Symbole : I
• Unité : W/sr
• Définition : quotient du flux énergétique rayonné dans une direction définie et de l'élément d'angle solide.

L'intensité énergétique décrit la quantité d'énergie émise par une source de rayonnement dans une direction spécifique à l'intérieur d'un angle solide. Elle constitue une mesure de la dépendance directionnelle de la puissance rayonnée.

Exemple :

Une LED ayant un flux énergétique de 1 W présente une intensité énergétique de 10 W/sr si elle émet la lumière dans un angle solide de 0,1 sr. Cela signifie que l'énergie émise est fortement concentrée sur un petit angle solide.

Quelle est la différence entre l'éclairement énergétique et la dose ?
L'éclairement énergétique E (W/m² ou mW/cm²) est la puissance instantanée par unité de surface ; l'exposition énergétique – familièrement la dose – en est l'intégrale dans le temps, H (J/m² ou mJ/cm²). À éclairement énergétique constant, H = E · t. L'éclairement énergétique détermine la rapidité avec laquelle une dose est atteinte ; c'est généralement la dose qui décide si l'effet recherché se produit. Les deux grandeurs doivent donc figurer séparément dans la documentation – une durée seule ne constitue pas une preuve.

Qu'est-ce qui distingue la fluence de la dose ?
L'exposition énergétique se rapporte à une surface réceptrice fixe et plane et pondère le rayonnement incident oblique par le cosinus de l'angle d'incidence. La fluence, en revanche, se rapporte à un objet pouvant recevoir un rayonnement de toutes les directions – par exemple un micro-organisme dans un réacteur ou une conduite d'air. Dans un champ de rayonnement dirigé, les deux grandeurs coïncident ; dans un champ diffus, la fluence peut être nettement supérieure à l'exposition mesurée sur un plan. L'endroit où cette différence détermine le procédé est présenté dans la désinfection UV.

Pourquoi la puissance électrique de la lampe n'est-elle pas une grandeur de mesure ?
Entre la puissance électrique absorbée et l'effet obtenu sur le site du procédé interviennent le rendement électro-optique, la répartition spectrale de la source, la distance et l'angle d'incidence, le facteur de transmission des fenêtres et des gaines de protection, ainsi que l'encrassement et le vieillissement. Aucun de ces facteurs n'est constant pendant la durée de vie. La puissance nominale décrit donc l'état de fonctionnement de la source, et non le résultat obtenu sur la pièce, l'organisme ou l'échantillon. La manière dont cela se traduit par une validation fiable du procédé dans une installation est traitée dans l'automatisation et l'intégration des procédés.

Qu'est-ce qui distingue l'éclairement énergétique de la luminance énergétique ?
L'éclairement énergétique est une grandeur de réception : il décrit ce qui arrive sur une surface, indépendamment de la direction. La luminance énergétique est une grandeur de source : elle décrit ce qu'une source émet par unité de surface et d'angle solide. La validation d'un procédé dépend de l'éclairement énergétique au point d'action ; l'évaluation de sources étendues selon la norme IEC 62471, en revanche, dépend de la luminance énergétique – voir la sécurité au travail et la sécurité photobiologique.

Quand une mesure large bande suffit-elle et quand une mesure spectrale est-elle nécessaire ?
Une mesure large bande suffit si la source est connue et spectralement stable et que le capteur a été étalonné sur cette source même. Une mesure spectrale est nécessaire dès lors que différentes technologies de source sont comparées, que le spectre se décale par vieillissement ou par gradation, qu'un spectre d'action doit être appliqué, ou que plusieurs bandes spectrales doivent être évaluées séparément. L'erreur sous-jacente est l'inadéquation spectrale.