Spectroradiomètres UV et spectromètres optiques

Les spectroradiomètres UV et les spectromètres optiques mesurent le rayonnement avec une résolution en longueur d'onde. Cela permet d'évaluer la distribution spectrale, la position du pic, la largeur de bande et les variations spectrales d'une source UV. L'éclairement énergétique absolu nécessite en outre un étalonnage radiométrique de l'ensemble de la chaîne de mesure. Le choix dépend avant tout de la plage de longueurs d'onde, de la résolution spectrale, de la dynamique, du comportement en lumière parasite et de la géométrie de mesure.

La gamme comprend les spectroradiomètres UV portables UVpad et UVpad E ainsi que le spectromètre à barrette SR900 pour la recherche, le développement et l'assurance qualité. Les désignations spectroradiomètre et le terme générique appareil de mesure spectrale sont également courants – il s'agit du même appareil.

Les trois appareils sont étalonnés en valeur absolue ; l'étalonnage est réalisé dans notre laboratoire accrédité selon l'ISO 17025 et est raccordé au PTB. Les grandeurs et unités correspondantes sont présentées sous grandeurs radiométriques, les limites des plages sous plages spectrales et normes.

Les deux termes décrivent la même conception optique, mais deux tâches de mesure différentes. La différence ne réside pas dans l'optique, mais dans l'étalonnage et la géométrie d'entrée : un spectromètre disperse la lumière et fournit une courbe relative. Un spectroradiomètre est un spectromètre étalonné en absolu – il délivre l'éclairement énergétique spectrique en W/(m²·nm) et, à partir de là, des mW/cm², des lux ou le PPFD.

Quiconque a besoin d'un éclairement énergétique ou d'une dose a besoin d'un spectroradiomètre ; tout le reste mesure de manière relative. Chaque appareil de cette catégorie est un spectroradiomètre. Pour la mesure de la transmission et de l'UVT en cours de process – une tâche photométrique plutôt que radiométrique –, Opsytec propose le photomètre de process ZPM.

Un spectromètre fournit des coups – des nombres qui dépendent du détecteur, du temps d'intégration, de la fente d'entrée et du guide de lumière. Ils indiquent où la source émet, non combien elle émet. Seul un étalonnage absolu par rapport à un étalon attribue une valeur physique à chaque longueur d'onde et transforme la courbe en une mesure.

Trois éléments sont nécessaires pour cela, et un simple spectromètre n'en possède aucun :

• Un étalonnage traçable par rapport à un étalon qui remonte lui-même à un institut national – chez Opsytec, à la PTB. Sans cela, la valeur n'est pas comparable, pas même avec celle de votre propre instrument de l'année dernière.
• Une optique d'entrée définie. L'éclairement énergétique est une puissance par unité de surface : l'instrument doit donc collecter le rayonnement sur une surface connue avec une pondération conforme à la loi du cosinus. Un guide de lumière sans diffuseur ne le fait pas.
• Une correction de la lumière parasite. Dans l'UV-C, le signal est souvent inférieur de plusieurs ordres de grandeur à celui du visible. Sans correction, ce que vous y mesurez est essentiellement de la lumière parasite provenant de l'intérieur de l'instrument.

Un radiomètre à large bande mesure plus rapidement, coûte moins cher et est plus robuste à l'usage quotidien ; il pondère toutefois le rayonnement par sa propre sensibilité spectrale et n'est exact que lorsque la source ressemble à la source d'étalonnage. Pour la surveillance continue d'une installation connue, il reste le bon choix – c'est précisément à cela que servent les radiomètres à large bande pour les contrôles de procédé et de dose.

Dès que la source change, que plusieurs longueurs d'onde doivent être évaluées séparément ou qu'un spectre d'action doit être appliqué, le spectre devient incontournable. La comparaison complète des deux conceptions, y compris leurs sources d'erreur, est présentée sous quand un spectroradiomètre est nécessaire.

Première question : avez-vous besoin d'une valeur absolue ? S'il s'agit uniquement de la position du pic, de la FWHM ou de la comparaison de deux lots, une mesure relative suffit – un spectromètre fera l'affaire. Dès qu'une valeur en mW/cm², en lux ou en J/cm² doit être obtenue, l'étalonnage absolu est incontournable.

Deuxième question : quelle plage de longueurs d'onde ? UV pur jusqu'à 440 nm, UV plus le début du visible jusqu'à 480 nm, ou l'ensemble du spectre optique jusqu'à 1 100 nm – c'est ce qui détermine l'instrument.

Troisième question : où la mesure est-elle effectuée ? Aucun câble ne sort d'une chambre fermée ; l'instrument doit y mesurer et enregistrer de manière autonome. Au poste de travail ou sur une ligne en fonctionnement, une tête de capteur sur câble est le bon choix. Sur le banc optique, ce qui compte, c'est la plage de mesure et la résolution, pas la taille.

La dernière ligne n'est pas une contradiction, mais la réponse la plus courante dans la pratique : mesurer une fois de manière spectrale, puis surveiller en large bande. La mesure spectrale permet d'établir l'écart du capteur à large bande sur cette source ; ensuite, l'instrument rapide suffit pour les contrôles récurrents – tant que la source reste la même. Changez la lampe et la chaîne recommence.

Un spectromètre décompose la lumière en ses longueurs d'onde et mesure l'intensité de chacune d'elles. L'optique d'entrée est irradiée en premier. Un élément dispersif – un prisme ou un réseau – sépare spatialement les longueurs d'onde ; des photodiodes ou des barrettes CCD les détectent ensuite. Le spectre obtenu permet de tirer des conclusions sur une lampe, une LED ou un échantillon.

La configuration la plus répandue est le spectromètre Czerny-Turner : deux miroirs et un réseau, disposés de manière à limiter les aberrations optiques et à maintenir une résolution spectrale élevée. Cette conception est suffisamment compacte pour les instruments mobiles et les petites paillasses de laboratoire.

Il convient de distinguer trois conceptions.

Les spectromètres à barrette utilisent une rangée de détecteurs, généralement CCD ou CMOS, qui captent l'ensemble du spectre en une seule fois. La mesure est ainsi rapide et ne nécessite aucune pièce mobile. Tous les spectroradiomètres Opsytec fonctionnent selon ce principe.

Les monochromateurs comportent une fente et un réseau rotatif et ne transmettent qu'une longueur d'onde à la fois. Ils mesurent avec une très grande précision et une pureté spectrale élevée, mais ils exigent du temps – une longueur d'onde après l'autre. Typique de la recherche et du contrôle qualité, là où la sélection de la longueur d'onde est déterminante.

Les doubles monochromateurs placent deux monochromateurs en série. Cela réduit encore la lumière parasite et s'avère nécessaire partout où des signaux très faibles côtoient des signaux intenses – dans le domaine UV et en métrologie de laboratoire de haute précision.

Un seul spectre fournit plusieurs grandeurs :

• Éclairement lumineux – l'intensité lumineuse pondérée photométriquement
• Température de couleur proximale (CCT) – décrit si la lumière paraît chaude ou froide
• Indices de rendu des couleurs – la fidélité avec laquelle une source restitue les couleurs
• Coordonnées chromatiques CIE – le lieu chromatique dans l'espace colorimétrique normalisé
• Répartition spectrale de la puissance – la façon dont l'énergie se répartit sur le spectre
• Longueur d'onde de pic et longueur d'onde dominante – où se situent l'énergie la plus élevée et l'énergie visuellement dominante

Un radiomètre à large bande ne renvoie en revanche qu'une seule valeur.

La signification des différentes grandeurs est expliquée sous grandeurs colorimétriques ; le symbole, l'unité et la définition de chaque grandeur optique figurent dans le glossaire des grandeurs optiques.

Le mot spectromètre va bien au-delà de la mesure de la lumière. Trois types d'instruments apparaissent régulièrement dans la même recherche et mesurent des grandeurs totalement différentes :

Les spectromètres de masse séparent les ions selon leur rapport masse/charge. Ils identifient les plus infimes quantités d'une substance et sont utilisés en analyse chimique, en biochimie, en sciences de l'environnement et dans l'industrie pharmaceutique.

Les spectromètres d'absorption atomique mesurent la manière dont des atomes métalliques vaporisés absorbent la lumière et en déduisent les concentrations de métaux en solution – analyse environnementale, toxicologie et science des matériaux, avant tout pour les métaux lourds.

Les spectrophotomètres, souvent appelés spectromètres UV-Vis, mesurent l'absorption ou la transmission d'un échantillon et en déduisent des concentrations. Ils sont très répandus en diagnostic clinique, en analyse des eaux et en contrôle alimentaire. Pour la transmission et l'UVT en process, Opsytec propose le photomètre de process ZPM.

Un spectroradiomètre, en revanche, mesure l'éclairement énergétique spectrique par rapport à un étalonnage absolu. Son optique d'entrée est un diffuseur, généralement raccordé par un guide de lumière – comme dans le spectroradiomètre SR900.

Qu'est-ce qui distingue un spectromètre d'un spectroradiomètre ?
Un spectromètre fournit des valeurs relatives ; un spectroradiomètre est étalonné en absolu et fournit l'éclairement énergétique spectrique. Chaque appareil de cette catégorie est un spectroradiomètre.

De quelle plage de longueurs d'onde et de quelle résolution ai-je besoin ?
La plage doit couvrir intégralement l'émission ainsi que les éventuelles bandes secondaires – UV uniquement jusqu'à 440 nm, UV plus le début du visible jusqu'à 480 nm, ou l'ensemble du spectre optique jusqu'à 1 100 nm. La résolution détermine si des pics rapprochés ou des raies étroites sont encore séparés.

Quelles erreurs de mesure surviennent avec les spectromètres à barrette ?
La lumière parasite avant tout : des parts de longueurs d'onde intenses apparaissent là où elles n'ont pas lieu d'être. Dans l'UV-C, le signal est souvent inférieur de plusieurs ordres de grandeur à celui du domaine visible – sans correction de la lumière parasite, ce qui y est mesuré est principalement la lumière parasite propre de l'appareil. S'y ajoutent le courant d'obscurité, la non-linéarité et la dérive thermique.

Quelles grandeurs peut-on calculer à partir d'un spectre ?
L'éclairement énergétique spectrique permet d'obtenir presque toute grandeur caractéristique par intégration et pondération : éclairement énergétique par plage spectrale, dose UV, éclairement lumineux via V(λ), PPFD et valeurs pondérées par une fonction d'action telles que celles selon IEC 62471. C'est précisément l'avantage par rapport aux radiomètres à large bande pour le contrôle des procédés et des doses.

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