Photomètre

Un photomètre

Un photomètre est un instrument permettant de mesurer des grandeurs photométriques telles que le flux lumineux , l'éclairement ou la luminance .

Historiquement, la photométrie se faisait par estimation, en comparant le flux lumineux d'une source à celui d'une source de référence. Au XIXe siècle, les photomètres courants comprenaient le photomètre de Rumford, qui comparait la profondeur des ombres projetées par différentes sources lumineuses, et le photomètre de Ritchie, qui reposait sur un éclairage égal des surfaces. Un autre type de photomètre était basé sur l'extinction des ombres.

La plupart des photomètres modernes détectent la lumière en la convertissant en courant électrique grâce à une photorésistance , une photodiode ou un photomultiplicateur . Certains modèles utilisent le comptage de photons , mesurant la lumière en comptant chaque photon individuellement. Ils sont particulièrement utiles dans les zones à faible luminosité. Les photomètres ont de nombreuses applications, notamment en photographie, où ils déterminent l'exposition correcte, et en sciences, où ils sont utilisés en spectroscopie d'absorption pour calculer la concentration de substances en solution, en spectroscopie infrarouge pour étudier la structure des substances et en spectroscopie d'absorption atomique pour déterminer la concentration de métaux en solution.

la photométrie se faisait par estimation visuelle. Le flux lumineux relatif d'une source était comparé à celui d'une source de référence. Le photomètre était positionné de manière à ce que l'éclairement de la source étudiée soit égal à celui de la source de référence, l'œil humain étant capable de percevoir une éclairement identique. Les flux lumineux relatifs pouvaient alors être calculés, l'éclairement diminuant inversement au carré de la distance. Un exemple classique de photomètre de ce type était constitué d'une feuille de papier légèrement huilée, ce qui la rendait plus transparente. Lorsque la tache était invisible de part et d'autre, l'éclairement était identique des deux côtés.

En 1861, trois types étaient couramment utilisés. Il s'agissait du photomètre de Rumford, du photomètre de Ritchie et des photomètres utilisant l'extinction des ombres, qui était considéré comme le plus précis.

Le photomètre de Rumford

Le photomètre de Rumford (aussi appelé photomètre d'ombre) reposait sur le principe qu'une lumière plus intense projette une ombre plus profonde. Les deux sources lumineuses à comparer étaient utilisées pour projeter une ombre sur du papier. Si les ombres étaient de même profondeur, la différence de distance entre les sources indiquait la différence d'intensité (par exemple, une lumière deux fois plus éloignée aurait une intensité quatre fois supérieure).

Le photomètre de Ritchie

Le photomètre de Ritchie repose sur un éclairage égal des surfaces. Il se compose d'une boîte (a, b) de six ou huit pouces de long, et d'un pouce de large et de profondeur. Au centre, un coin de bois (f, e, g) est incliné vers le haut et recouvert de papier blanc. L'œil de l'utilisateur regarde à travers un tube (d) situé au sommet de la boîte. La hauteur de l'appareil est réglable grâce au support (c). Les sources lumineuses à comparer sont placées sur les côtés de la boîte (m, n) et éclairent les surfaces de papier de manière à ce que l'œil les voie simultanément. En modifiant la position des sources lumineuses, on obtient un éclairage égal des deux surfaces, la différence d'intensité étant proportionnelle au carré de la différence de distance.

Méthode d'extinction des ombres

Ce type de photomètre reposait sur le principe que si une lumière projette l'ombre d'un objet opaque sur un écran blanc, il existe une certaine distance à partir de laquelle, si une seconde lumière est amenée, toute trace de l'ombre disparaît.

Principes de fonctionnement

La plupart des photomètres détectent la lumière à l'aide de photorésistances , de photodiodes ou de photomultiplicateurs . Pour analyser la lumière, le photomètre peut la mesurer après son passage à travers un filtre ou un monochromateur afin de déterminer les longueurs d'onde spécifiques ou d'analyser la distribution spectrale de la lumière.

comptage de photons

les photons individuels plutôt que le flux incident . Les principes de fonctionnement sont les mêmes, mais les résultats sont donnés en unités telles que photons/cm² ^ou photons·cm⁻² ^· sr⁻¹ ^plutôt qu'en W/cm² ^ou W· ^cm⁻² · ^sr⁻¹ .

Du fait de leur fonctionnement par comptage individuel de photons, ces instruments sont limités aux observations en faible éclairement. L'éclairement est lui-même limité par la résolution temporelle de l'électronique de lecture du détecteur. Avec la technologie actuelle, cette résolution est de l'ordre du mégahertz. L'éclairement maximal est également limité par le débit et le gain du détecteur.

L'élément de détection de la lumière dans les dispositifs de comptage de photons dans les longueurs d'onde NIR, visibles et ultraviolettes est un photomultiplicateur pour atteindre une sensibilité suffisante.

En télédétection aéroportée et spatiale, ces compteurs de photons sont utilisés dans les hautes gammes du spectre électromagnétique, des rayons X à l' ultraviolet lointain . Ceci s'explique généralement par la plus faible intensité rayonnante des objets mesurés et par la difficulté de mesurer la lumière à haute énergie, compte tenu de sa nature corpusculaire par rapport à sa nature ondulatoire aux basses fréquences. À l'inverse, les radiomètres sont généralement utilisés pour la télédétection dans le domaine du visible , de l'infrarouge et des radiofréquences .

Photographie

exposition correcte en photographie . Dans les appareils photo modernes , le photomètre est généralement intégré. L'éclairage des différentes parties de l'image variant, les photomètres perfectionnés mesurent l'intensité lumineuse à différents endroits de l'image potentielle et utilisent un algorithme pour déterminer l'exposition optimale, en adaptant l'algorithme au type d'image souhaité (voir Mode de mesure ). Historiquement, le photomètre était un appareil séparé, appelé posemètre . Les photomètres perfectionnés pouvaient alors servir soit à mesurer la lumière de l'image potentielle dans son ensemble, soit à mesurer l'exposition de certains éléments de l'image afin de s'assurer que les parties les plus importantes sont correctement exposées, soit encore à mesurer la lumière incidente sur la scène à l'aide d'un adaptateur intégrateur.

Photométrie de réflectance de la lumière visible

Un photomètre à réflectance mesure la réflectance d'une surface en fonction de la longueur d'onde. La surface est éclairée par de la lumière blanche, et la lumière réfléchie est mesurée après passage à travers un monochromateur. Ce type de mesure a principalement des applications pratiques, par exemple dans l'industrie de la peinture pour caractériser objectivement la couleur d'une surface.

photométrie de transmission de la lumière UV et visible

la loi de Beer-Lambert permet de calculer la concentration de la substance colorée dans la solution. Grâce à son large éventail d'applications, sa fiabilité et sa robustesse, le photomètre est devenu un instrument essentiel en biochimie et en chimie analytique . Les photomètres d'absorption pour solutions aqueuses fonctionnent dans les domaines ultraviolet et visible, de 240 nm environ jusqu'à 750 nm.

Le principe des spectrophotomètres et des photomètres à filtre repose sur le passage d'une lumière monochromatique (dans la mesure du possible) à travers une cuve munie de fenêtres optiquement planes contenant la solution. Cette lumière atteint ensuite un détecteur qui mesure son intensité et la compare à celle mesurée après passage à travers une cuve identique contenant le même solvant, mais sans substance colorée. À partir du rapport des intensités lumineuses, et connaissant le pouvoir absorbant de la substance colorée (son coefficient d'absorption, ou la section efficace d'absorption des photons par ses molécules à une longueur d'onde donnée), il est possible de calculer sa concentration grâce à la loi de Beer-Lambert .

On utilise deux types de photomètres : le spectrophotomètre et le photomètre à filtre . Les spectrophotomètres utilisent un monochromateur (à prisme ou à réseau ) pour obtenir une lumière monochromatique d'une longueur d'onde définie. Les photomètres à filtre utilisent des filtres optiques pour obtenir une lumière monochromatique. Les spectrophotomètres peuvent ainsi être facilement réglés pour mesurer l'absorbance à différentes longueurs d'onde et permettent également de balayer le spectre de la substance absorbante. Ils sont donc plus flexibles que les photomètres à filtre, offrent une meilleure pureté optique de la lumière analysée et sont par conséquent privilégiés pour la recherche. Les photomètres à filtre sont moins chers, plus robustes et plus faciles à utiliser ; ils sont donc utilisés pour les analyses de routine. Les photomètres pour plaques de microtitration sont des photomètres à filtre.

photométrie par transmission de lumière infrarouge

la spectroscopie infrarouge est réalisée soit en phase gazeuse (pour les substances volatiles), soit avec les substances comprimées en pastilles avec des sels transparents dans l'infrarouge. Le bromure de potassium (KBr) est couramment utilisé à cet effet. La substance à analyser est soigneusement mélangée à du KBr spécialement purifié et comprimée en une pastille transparente, qui est ensuite placée dans le faisceau lumineux. L'analyse de la dépendance spectrale n'est généralement pas effectuée à l'aide d'un monochromateur comme en UV-visible, mais à l'aide d'un interféromètre . La figure d'interférence peut être analysée par transformée de Fourier . De cette manière, toute la gamme de longueurs d'onde peut être analysée simultanément, ce qui représente un gain de temps, et un interféromètre est également moins coûteux qu'un monochromateur. La lumière absorbée dans l'infrarouge ne correspond pas à une excitation électronique de la substance étudiée, mais plutôt à différents types d'excitation vibrationnelle. Les excitations vibrationnelles sont caractéristiques de différents groupes fonctionnels au sein d'une molécule, permettant ainsi leur identification. Le spectre infrarouge présente généralement des raies d'absorption très étroites, ce qui le rend inadapté à l'analyse quantitative, mais fournit des informations très détaillées sur les molécules. Les fréquences des différents modes de vibration varient selon l'isotope, et par conséquent, différents isotopes donnent lieu à différents pics. Ceci permet également d'étudier la composition isotopique d'un échantillon par spectrophotométrie infrarouge.

Photométrie d'absorption atomique

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