Fonctionnement des capteurs UV : conception et erreurs de mesure

Un capteur UV convertit un rayonnement optique en un signal électrique. La valeur mesurée résulte du détecteur, du filtre, de l'optique, de l'électronique, de l'étalonnage et de la géométrie de mesure ; elle n'est donc jamais une propriété du détecteur seul. Pour la comparabilité des mesures UV, ce qui importe avant tout, ce sont la réponse spectrale, la réponse en cosinus, la plage dynamique, la lumière parasite et l'adéquation avec la source réelle.

Cette page suit le trajet du signal et montre où apparaissent les erreurs de mesure le long de celui-ci. Les radiomètres à large bande et les spectroradiomètres constituent les deux types de conception dans lesquels les différentes sources d'erreur se manifestent le plus clairement. Les deux termes sont courants pour désigner la réponse angulaire : la correction en cosinus renvoie à la mesure prise au niveau du capteur, la réponse en cosinus au résultat.

Toute mesure UV commence par la question de savoir quelle grandeur doit être déterminée. Dans la pratique industrielle, il s'agit presque toujours de l'éclairement énergétique E en W/m², la puissance rayonnante arrivant sur une surface. Intégré dans le temps, l'éclairement énergétique devient l'exposition énergétique H en J/m², communément appelée « dose » – la grandeur déterminante aussi bien pour la désinfection UV sûre que pour la polymérisation UV. La conversion entre les deux est prise en charge par notre calculateur de radiométrie pour l'UV et la lumière.

Pour une source ponctuelle rayonnant dans toutes les directions, la loi de l'inverse du carré s'applique : en doublant la distance de mesure, le même flux radiant se répartit sur une surface quatre fois plus grande, de sorte que l'éclairement énergétique chute au quart.

Cette loi s'applique sous une condition qui est régulièrement négligée dans la pratique : la source doit être ponctuelle du point de vue du capteur. La règle empirique établie est une distance de mesure de r ≥ 10 · d, où d est la plus grande dimension de la surface émettrice.

Deux autres conditions comptent tout autant : l'orientation du capteur par rapport à la source, et la question de savoir quelle plage spectrale est pondérée. Ces deux aspects influencent directement la conception des instruments.

Un radiomètre à large bande pondère le rayonnement incident au moyen d'une fonction de réponse spectrale fixe s(λ) intégrée dans son optique et restitue une valeur unique. La tête de mesure est un empilement de composants optiques, et leur ordre n'est pas dû au hasard.

Fenêtre optique. Généralement en silice fondue, car le verre sodocalcique ordinaire est pratiquement opaque en dessous d'environ 300 nm. La fenêtre protège les composants situés derrière elle et rend la tête étanche vis-à-vis des milieux du procédé.

Diffuseur. Il diffuse le rayonnement incident et crée ainsi la réponse angulaire en cosinus. Le diffuseur n'est pas un accessoire, mais le composant qui fait de la mesure une grandeur rapportée à une surface.

Empilement de filtres. C'est ici que se crée la pondération spectrale proprement dite – généralement à partir d'une combinaison de filtres interférentiels et de verres colorés. Cet empilement détermine si l'appareil mesure l'UV-A, l'UV-B, l'UV-C ou un spectre d'action spécifique à l'application.

Détecteur. Les photodiodes au silicium constituent la norme ; pour les applications UV-C, les diodes en SiC sont de plus en plus utilisées, car elles sont intrinsèquement insensibles au visible et soulagent ainsi l'empilement de filtres.

Un amplificateur transimpédance convertit ensuite le photocourant en tension, puis un convertisseur analogique-numérique le numérise. Le grand avantage de cette conception : un photocourant peut être mesuré de façon linéaire sur de nombreuses décades. Les radiomètres atteignent ainsi une plage dynamique qu'un spectromètre à barrette ne peut égaler – et ils sont robustes, compacts et relativement peu coûteux.

La norme ASTM G130-12(2020) classe ces appareils, selon la demi-largeur Δλ de leur fonction de réponse, en radiomètres à bande étroite (Δλ ≤ 20 nm), appareils à bande large (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) et appareils à très large bande (Δλ ≥ 70 nm). Cette classification est plus qu'une simple question de terminologie : plus la plage spectrale est large, plus la mesure dépend fortement du spectre de la source mesurée.

Un spectroradiomètre disperse le rayonnement en ses composantes spectrales et mesure l'éclairement énergétique spectrique E(λ) en W/(m²·nm). N'importe quelle plage spectrale et n'importe quel spectre d'action peuvent ensuite être déduits par calcul de ce spectre – et c'est précisément là que réside la polyvalence de cette classe d'instruments.

Le trajet optique commence, comme dans le radiomètre, par une optique d'entrée, généralement un diffuseur faisant office de récepteur cosinus. Une fibre optique achemine le rayonnement jusqu'à la fente d'entrée. Un miroir collimateur forme un faisceau parallèle qui vient frapper un réseau optique. Le réseau disperse le rayonnement selon la longueur d'onde, et un miroir focalisant forme l'image du spectre résultant sur une matrice de détecteurs – CCD ou CMOS.

Aussi élégant que soit ce principe, sa faiblesse physique ne pardonne pas. Un réseau ne produit pas seulement l'ordre de diffraction souhaité, le premier, mais aussi des ordres supérieurs qui doivent être écartés du trajet du faisceau. À cela s'ajoute la diffusion sur les miroirs, les montures et les surfaces du boîtier. Ces deux mécanismes déposent des composantes de signal à grande longueur d'onde à l'emplacement d'une courte longueur d'onde.

Un radiomètre à large bande ne mesure jamais « le rayonnement UV-A ». Il forme une intégrale pondérée du produit du spectre de la source et de la fonction de réponse spectrale. Tant que le spectre de la source mesurée correspond à celui de la lampe d'étalonnage, cela ne pose pas de problème. Lorsqu'il diffère, l'erreur de correspondance spectrale apparaît.

Cela devient particulièrement critique lorsque l'émission de l'objet testé tombe sur un flanc de la courbe de réponse spectrale. Les tolérances de fabrication du filtre se répercutent alors directement sur la mesure. Ce n'est pas une préoccupation théorique : pour un filtre passe-haut UV-B de type WG320, le bord à 50 % peut se situer n'importe où entre environ 314 nm et 326 nm dans la spécification du fabricant. Selon l'exemplaire monté, la même source produit des écarts allant de quelques dixièmes de pour cent à une plage de pour cent à un chiffre – sans que l'appareil soit « défectueux ».

La norme CIE 220:2016 « Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers » (préparée par le comité CIE TC 2-47) décrit une approche systématique. Le rapport transpose aux radiomètres UV les indices de qualité connus en photométrie selon l'ISO/CIE 19476:2014 – parmi eux f1′ pour la correspondance spectrale, f2 pour la réponse angulaire, f3 pour la linéarité, ainsi que des indices pour les effets de fatigue, de température et d'humidité. Étant donné que les radiomètres UV, contrairement aux luxmètres, ne sont pas conçus pour un illuminant de référence unique, la CIE 220:2016 définit trois spectres de référence et ajoute dix spectres de sources réelles en annexe – des lampes à mercure basse et moyenne pression aux sources xénon et HMI, jusqu'au spectre solaire.

Conséquence pratique : quiconque connaît la réponse spectrale relative de son radiomètre ainsi que le spectre de sa source peut calculer le facteur de correspondance spectrale et l'appliquer comme facteur de correction. Cela suppose toutefois que le fabricant indique dans le certificat d'étalonnage la réponse spectrale relative mesurée individuellement ainsi que le spectre de la lampe d'étalonnage.

La mesure dans l'UV-C présente une difficulté qui semble paradoxale à première vue\u00a0: le problème n'est pas l'UV, c'est tout le reste. Une lampe à mercure moyenne pression émet une puissance supérieure de plusieurs ordres de grandeur dans le visible et le proche infrarouge par rapport à la plage spectrale UV-C. Si ne serait-ce qu'une fraction de cette puissance est diffusée vers le canal 254 nm à l'intérieur de l'instrument, un signal apparent y apparaît qui peut dépasser la valeur réelle mesurée. L'ampleur de ce déséquilibre pour une lampe donnée est indiquée par l'explorateur de la base de données spectrale.

Les ordres de grandeur diffèrent radicalement\u00a0: un double monochromateur atteint une lumière parasite relative de 10⁻⁷ à 10⁻⁹, un spectromètre à barrette se situe de 10⁻³ à 10⁻⁵, et un micro-spectromètre à barrette seulement de 10⁻¹ à 10⁻².

Un double monochromateur fait passer le rayonnement deux fois sur un réseau et supprime ainsi la lumière parasite de plusieurs décades de plus qu'un système à un seul étage. Le prix à payer est l'encombrement, le temps de mesure et le coût – c'est pourquoi il est utilisé comme instrument de référence en laboratoire plutôt que sur le terrain.

La situation est aggravée par la sensibilité infrarouge des barrettes de détecteurs à base de silicium\u00a0: elles sont les plus sensibles précisément là où le rayonnement parasite est le plus fort. Sans filtres de tri d'ordre appropriés et sans correction documentée de la lumière parasite, les mesures UV-C réalisées avec des spectromètres à barrette compacts comportent des incertitudes importantes et souvent inconnues.

L'éclairement énergétique est défini comme la puissance rayonnante par unité de surface – mesurée sur une surface plane. Lorsque le rayonnement arrive obliquement, le même flux se répartit sur une surface plus grande, si bien que le signal doit diminuer selon cos θ. Un récepteur réel ne fait qu'approcher ce comportement : aux grands angles d'incidence, des réflexions se produisent aux interfaces.

L'indice de qualité f2 décrit l'écart moyen par rapport à la courbe cosinus idéale. Il est déterminant partout où le rayonnement n'arrive pas perpendiculairement : dans les réacteurs de désinfection UV, dans les chambres d'irradiation à parois réfléchissantes, dans la polymérisation en continu (web curing). Dans une chambre à parois hautement réfléchissantes, la composante diffuse peut dépasser la composante directe – un capteur à mauvaise réponse angulaire sous-estime alors systématiquement la mesure.

En pratique, la qualité de la correction cosinus se devine souvent déjà à la conception : à la taille et à la diffusivité de l'optique d'entrée, et à la mesure dans laquelle elle dépasse du bord du boîtier.

Les sources utilisées dans la technologie UV diffèrent en éclairement énergétique spectrique de plus de sept décades – de la lampe au deutérium utilisée comme étalon de référence à la lampe à mercure de 6 kW dans une ligne de polymérisation.

Un radiomètre entièrement numérique couvre cette plage grâce à la mesure du photocourant et à la commutation de gamme. Un spectromètre à barrette est limité par la capacité de pleine charge de ses pixels et par le seuil de bruit de lecture ; il fonctionne par ajustement du temps d'intégration, ce qui coûte du temps de mesure et se heurte à des limites aux deux extrémités de la plage.

La même distinction s'applique au convertisseur analogique-numérique. Sa résolution – 12, 16 ou 24 bits – détermine la finesse d'affichage de la valeur mesurée et l'étendue de la plage dynamique exploitable. Elle ne préjuge en rien de la précision de mesure : celle-ci découle de l'étalonnage et de l'adéquation spectrale avec la source mesurée.

Une valeur mesurée sans traçabilité métrologique est un nombre sans cadre de référence. La chaîne métrologique va de l'institut national de métrologie jusqu'à l'instrument sur la ligne de production – et l'incertitude augmente à chaque étape.

Au sommet se trouve l'institut national de métrologie – le PTB en Allemagne, le NIST aux États-Unis – qui réalise l'unité. Vient ensuite le laboratoire d'étalonnage accrédité selon ISO/IEC 17025, qui travaille avec ses propres étalons et dont la compétence est régulièrement évaluée par un organisme d'accréditation. Les laboratoires d'essai mesurent selon une procédure écrite. Un étalonnage usine peut certes être traçable, mais il n'est pas garanti par une évaluation indépendante. Tout en bas se trouve l'étalonnage non traçable : il fournit des chiffres reproductibles, mais sans incertitude de mesure justifiable.

Le parcours habituel commence par un étalon spectral – une lampe FEL de 1000 W pour le domaine UV-A et visible, une lampe au deutérium pour le domaine des courtes longueurs d'onde. Un spectroradiomètre est étalonné par rapport à cet étalon (ASTM G138-12(2020)e1). Le spectroradiomètre étalonné mesure ensuite une lampe UV représentative de la production – c'est-à-dire une source dont le spectre se rapproche le plus possible de l'objet de mesure final. Le radiomètre de référence est étalonné par rapport à cette lampe (ASTM G130-12(2020)), et de là, l'étalonnage est finalement transféré aux instruments de terrain (ASTM E824-26).

L'astuce réside dans la troisième étape : en utilisant une lampe représentative de la production comme source de transfert, le radiomètre est étalonné dans les mêmes conditions spectrales que celles dans lesquelles il effectuera ses mesures ultérieures. La non-concordance spectrale – principale source d'erreur du radiomètre à large bande – est ainsi en grande partie éliminée. C'est précisément la raison pour laquelle un radiomètre à large bande correctement étalonné peut surpasser un spectroradiomètre en précision pour un type de lampe connu.

Deux familles de lampes servent à l'étalonnage proprement dit : les sources à raies, telles que les lampes à vapeur de mercure basse pression, pour l'étalonnage en longueur d'onde, et les sources à spectre continu – lampes au deutérium et lampes tungstène-halogène – pour l'étalonnage de la réponse spectrale. Les lampes halogènes exigent une attention particulière, car leur forte émission dans les grandes longueurs d'onde est diffusée à l'intérieur de l'instrument et, si elle n'est pas corrigée, produit exactement l'erreur de lumière parasite que l'on cherche à mesurer.

Pour l'incertitude de mesure, cela signifie que le certificat d'étalonnage ne fournit pas seulement un facteur, il définit également la source et la géométrie pour lesquelles ce facteur est valable. Plus la mesure s'écarte de ces conditions, plus la contribution de l'étalonnage à l'incertitude globale est importante. Le déroulement détaillé de l'étalonnage est décrit dans la procédure d'étalonnage UV.

La norme CIE 250:2022 « Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources » (CIE TC 2-80) est le texte de référence actuel pour les mesures spectroradiométriques dans la plage de 200 nm à 2500 nm. Elle remplace la norme CIE 063-1984, vieille de près de quarante ans, et détaille les effets physiques à prendre en compte lors de l'estimation de l'incertitude de mesure.

Dans la pratique, une tendance caractéristique se dégage : la plus petite incertitude de mesure réalisable est la plus élevée dans l'UV à courte longueur d'onde et diminue vers les longueurs d'onde plus grandes. Les valeurs typiques pour les étalonnages accrédités sont d'environ 6 % dans la plage proche de 200–230 nm, d'environ 3,5 % dans l'UV-B et l'UV-A, et juste en dessous de 3 % dans le domaine visible (incertitude de mesure élargie, k = 2). Les raisons de cette tendance sont d'ordre physique : luminance énergétique plus faible des étalons, effets de lumière parasite plus marqués et sensibilité accrue des matériaux optiques au vieillissement et à la contamination.

Chacune des deux conceptions présente exactement une source d'erreur dominante, et les deux sont complémentaires : l'inadéquation spectrale pour le radiomètre à large bande, la lumière parasite pour le spectroradiomètre. Le choix en découle :

• Si le type de lampe est connu et reste constant, un radiomètre à large bande correctement étalonné offre l'incertitude de mesure la plus faible – avec une plage dynamique plus large, un temps de réponse plus court et une plus grande robustesse.
• Si la source change, est inconnue, ou si un spectre d'action doit être évalué, la mesure spectrique s'impose.
• Dans de nombreuses installations, la combinaison des deux constitue la meilleure solution : vérification spectrique à intervalles plus longs, surveillance continue du procédé par mesure à large bande.

La comparaison complète, côte à côte, critère par critère, est présentée sous choisir un radiomètre à large bande ou un spectroradiomètre.

Pourquoi une mesure UV-C nécessite-t-elle un soin particulier ?
Parce que la plupart des sources UV émettent des ordres de grandeur de puissance supérieurs dans le visible et l'infrarouge que dans l'UV-C – et les détecteurs à base de silicium sont les plus sensibles précisément dans cette plage. La lumière parasite à l'intérieur de l'instrument peut donc produire un signal UV-C apparent plus important que le signal réel.

Qu'est-ce que la non-concordance spectrale ?
L'erreur qui apparaît lorsque le spectre de la source mesurée diffère du spectre de la lampe utilisée pour étalonner l'instrument. La norme CIE 220:2016 décrit comment la quantifier et comment l'appliquer sous forme de facteur de correction.

À quelle distance de la lampe les mesures doivent-elles être effectuées ?
Suffisamment loin pour que la source se comporte comme une source ponctuelle vue par le capteur – en règle générale, au moins dix fois sa plus grande dimension. Les mesures effectuées à des distances plus courtes restent des relevés valides, mais ne doivent pas être extrapolées à d'autres distances au moyen de la loi de l'inverse du carré.

Pourquoi le certificat d'étalonnage est-il si important ?
Parce qu'il indique la source d'étalonnage, la réponse spectrale et l'incertitude de mesure. Sans ces trois éléments, un relevé ne peut être comparé ni à une valeur limite, ni à un autre instrument, ni à une mesure antérieure.

Comment la température modifie-t-elle l'éclairement énergétique ?
La température agit sur les deux aspects de la mesure : la photodiode et les filtres d'un capteur sont dépendants de la température, plus fortement dans l'UVC que dans l'UVA, et les lampes à mercure ainsi que les LED UV modifient à la fois la puissance rayonnée et la longueur d'onde de pic en fonction de la température de fonctionnement. Des valeurs reproductibles nécessitent donc une température de service définie et une distance fixe et documentée.

Six questions déterminent la fiabilité d'une mesure UV :

• La réponse spectrale correspond-elle à l'émission de la source et à la fonction de pondération prévue ?
• S'agit-il de mesurer un rayonnement directionnel ou spatialement réparti, et la réponse angulaire y est-elle adaptée ?
• La valeur mesurée se situe-t-elle en toute sécurité dans la plage de mesure et la plage dynamique ?
• Des longueurs d'onde secondaires ou de la lumière parasite peuvent-elles fausser le résultat ?
• L'étalonnage se réfère-t-il à une source et à une géométrie suffisamment similaires ?
• L'incertitude de mesure est-elle suffisamment faible par rapport à la limite du procédé ?

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