Spectroradiomètre

Un spectroradiomètre est un outil de mesure de la lumière capable de mesurer à la fois la longueur d'onde et l'amplitude de la lumière émise par une source lumineuse. Les spectromètres distinguent la longueur d'onde en fonction de la position de la lumière sur le réseau de détecteurs, ce qui permet d'obtenir le spectre complet avec une seule acquisition. La plupart des spectromètres ont une mesure de base de comptages qui est la lecture non calibrée et est donc affectée par la sensibilité du détecteur à chaque longueur d'onde. En appliquant un calibrage , le spectromètre est alors capable de fournir des mesures d' irradiance spectrale , de luminance spectrale et/ou de flux spectral. Ces données sont également utilisées avec un logiciel intégré ou sur PC et de nombreux algorithmes pour fournir des lectures d'irradiance (W/cm2), d'éclairement (lux ou fc), de luminance (W/sr), de luminance (cd), de flux (lumens ou watts), de chromaticité, de température de couleur, de pic et de longueur d'onde dominante. Certains logiciels de spectrométrie plus complexes permettent également le calcul du PAR μmol/m2 ^/ s, du métamérisme et des calculs de candela basés sur la distance et incluent des fonctionnalités telles que l'observateur à 2 et 20 degrés, les comparaisons de superposition de ligne de base, la transmission et la réflectance.

Les spectromètres sont disponibles dans de nombreux boîtiers et tailles couvrant de nombreuses plages de longueurs d'onde. La plage de longueurs d'onde effective (spectrale) d'un spectromètre est déterminée non seulement par la capacité de dispersion du réseau, mais dépend également de la plage de sensibilité des détecteurs. Limité par la bande interdite du semi-conducteur, le détecteur à base de silicium répond à 200-1100 nm tandis que le détecteur à base d'InGaAs est sensible à 900-1700 nm (ou jusqu'à 2500 nm avec refroidissement).

Les spectromètres de laboratoire/recherche couvrent souvent une large gamme spectrale allant de l'UV au NIR et nécessitent un PC. Il existe également des spectromètres IR qui nécessitent une puissance plus élevée pour faire fonctionner un système de refroidissement. De nombreux spectromètres peuvent être optimisés pour une gamme spécifique, c'est-à-dire UV ou VIS, et combinés à un deuxième système pour permettre des mesures plus précises, une meilleure résolution et éliminer certaines des erreurs les plus courantes trouvées dans les systèmes à large bande, telles que la lumière parasite et le manque de sensibilité.

Des appareils portables sont également disponibles pour de nombreuses gammes spectrales allant de l'UV au NIR et offrent de nombreux styles et tailles d'emballage différents. Les systèmes portables avec écrans intégrés disposent généralement d'optiques intégrées et d'un ordinateur embarqué avec logiciel préprogrammé. Les mini spectromètres peuvent également être utilisés à la main ou en laboratoire car ils sont alimentés et contrôlés par un PC et nécessitent un câble USB. L'optique d'entrée peut être incorporée ou est généralement fixée par un guide de lumière à fibre optique. Il existe également des microspectromètres plus petits qu'un quart qui peuvent être intégrés dans un système ou utilisés de manière autonome.

Le domaine de la spectroradiométrie concerne la mesure de quantités radiométriques absolues dans des intervalles de longueur d'onde étroits. Il est utile d'échantillonner le spectre avec une bande passante étroite et des incréments de longueur d'onde car de nombreuses sources ont des structures de lignes . Le plus souvent en spectroradiométrie, l'irradiance spectrale est la mesure souhaitée. En pratique, l'irradiance spectrale moyenne est mesurée, représentée mathématiquement comme l'approximation :

Où est l'irradiance spectrale, est le flux radiant de la source ( unité SI : watt , W) dans un intervalle de longueur d'onde (unité SI : mètre , m), incident sur la surface, (unité SI : mètre carré, m ² ). L'unité SI pour l'irradiance spectrale est W/m ³ . Cependant, il est souvent plus utile de mesurer la surface en termes de centimètres et la longueur d'onde en nanomètres , ainsi des sous-multiples des unités SI d'irradiance spectrale seront utilisés, par exemple μW/cm ² * nm

En général, l'irradiance spectrale varie d'un point à l'autre de la surface. En pratique, il est important de noter comment le flux radiant varie en fonction de la direction, de la taille de l'angle solide sous-tendu par la source à chaque point de la surface et de l'orientation de la surface. Compte tenu de ces considérations, il est souvent plus prudent d'utiliser une forme plus rigoureuse de l'équation pour tenir compte de ces dépendances

Il convient de noter que le préfixe « spectral » doit être compris comme une abréviation de l'expression « concentration spectrale de » qui est comprise et définie par la CIE comme le « quotient de la quantité radiométrique prise sur une plage infinitésimale de part et d'autre d'une longueur d'onde donnée, par la plage ».

La distribution de puissance spectrale (SPD) d'une source décrit la quantité de flux qui atteint le capteur sur une longueur d'onde et une zone particulières. Cela exprime efficacement la contribution par longueur d'onde à la quantité radiométrique mesurée. La SPD d'une source est généralement représentée sous la forme d'une courbe SPD. Les courbes SPD fournissent une représentation visuelle des caractéristiques de couleur d'une source lumineuse, montrant le flux radiant émis par la source à différentes longueurs d'onde à travers le spectre visible C'est également une mesure par laquelle nous pouvons évaluer la capacité d'une source lumineuse à restituer les couleurs, c'est-à-dire si un certain stimulus de couleur peut être correctement restitué sous un illuminant donné .

La qualité d'un système spectroradiométrique donné est fonction de son électronique, de ses composants optiques, de son logiciel, de son alimentation électrique et de son étalonnage. Dans des conditions de laboratoire idéales et avec des experts hautement qualifiés, il est possible d'obtenir de faibles erreurs de mesure (de quelques dixièmes à quelques pour cent). Cependant, dans de nombreuses situations pratiques, il existe une probabilité d'erreurs de l'ordre de 10 pour cent . Plusieurs types d'erreurs entrent en jeu lors de la prise de mesures physiques. Les trois principaux types d'erreurs considérés comme les facteurs limitant la précision des mesures sont les erreurs aléatoires, systématiques et périodiques

• Les erreurs aléatoires sont des variations de cette moyenne. Dans le cas de mesures spectroradiométriques, il peut s'agir de bruit provenant du détecteur, de l'électronique interne ou de la source lumineuse elle-même. Les erreurs de ce type peuvent être évitées par des temps d'intégration plus longs ou par des balayages multiples.
• Les erreurs systématiques sont des décalages par rapport à la valeur « correcte » prédite. Les erreurs systématiques se produisent généralement en raison de la composante humaine de ces mesures, de l'appareil lui-même ou de la configuration de l'expérience. Des éléments tels que les erreurs d'étalonnage, la lumière parasite et les paramètres incorrects sont tous des problèmes potentiels.
• Les erreurs périodiques résultent d'événements périodiques ou pseudo-périodiques récurrents. Les variations de température, d'humidité, de mouvement de l'air ou d'interférences CA peuvent toutes être classées comme des erreurs périodiques.

Outre ces sources d’erreur génériques, quelques-unes des raisons plus spécifiques d’erreur en spectroradiométrie comprennent :

• La multidimensionnalité de la mesure. Le signal de sortie dépend de plusieurs facteurs, notamment de l'amplitude du flux mesuré, de sa direction, de sa polarisation et de sa distribution de longueur d'onde.
• L'imprécision des instruments de mesure, ainsi que des normes utilisées pour étalonner ces instruments, ont entraîné une erreur plus importante tout au long du processus de mesure, et
• Les techniques propriétaires permettant de réduire les erreurs de multidimensionnalité et d'instabilité des appareils.

Gamma-scientific, un fabricant californien d'appareils de mesure de la lumière, énumère sept facteurs affectant la précision et les performances de ses spectroradiomètres, en raison soit de l'étalonnage du système, du logiciel et de l'alimentation, de l'optique ou du moteur de mesure lui-même.

La lumière parasite est un rayonnement de longueur d'onde indésirable qui atteint le mauvais élément détecteur. Elle génère des comptages électroniques erronés qui ne sont pas liés au signal spectral conçu pour le pixel ou l'élément du réseau de détecteurs. Elle peut provenir de la diffusion et de la réflexion de la lumière d'éléments optiques imparfaits ainsi que d'effets de diffraction d'ordre supérieur. L'effet de second ordre peut être supprimé ou au moins considérablement réduit en installant des filtres de tri d'ordre avant le détecteur.

La sensibilité des détecteurs Si dans le visible et le proche infrarouge est presque d'un ordre de grandeur supérieur à celle dans la gamme UV. Cela signifie que les pixels situés dans la position spectrale UV réagissent à la lumière parasite dans le visible et le proche infrarouge beaucoup plus fortement qu'à leur propre signal spectral conçu. Par conséquent, les impacts de la lumière parasite dans la région UV sont beaucoup plus importants que ceux des pixels visibles et proches infrarouges. Cette situation s'aggrave à mesure que la longueur d'onde est plus courte.

Lors de la mesure d'une lumière à large bande avec une petite fraction de signaux UV, l'impact de la lumière parasite peut parfois être dominant dans la gamme UV, car les pixels du détecteur ont déjà du mal à obtenir suffisamment de signaux UV de la source. Pour cette raison, l'étalonnage à l'aide d'une lampe standard QTH peut comporter d'énormes erreurs (plus de 100 %) en dessous de 350 nm et une lampe standard au deutérium est nécessaire pour un étalonnage plus précis dans cette région. En fait, la mesure de la lumière absolue dans la région UV peut comporter de grandes erreurs même avec un étalonnage correct lorsque la majorité des comptages électroniques dans ces pixels résultent de la lumière parasite (une longueur d'onde plus longue frappe au lieu de la lumière UV réelle).

Il existe de nombreuses entreprises qui proposent l'étalonnage des spectromètres, mais toutes ne se valent pas. Il est important de trouver un laboratoire certifié et traçable pour effectuer l'étalonnage. Le certificat d'étalonnage doit indiquer la source lumineuse utilisée (ex : Halogène, Deutérium, Xénon, LED), et l'incertitude de l'étalonnage pour chaque bande (UVC, UVB, VIS..), chaque longueur d'onde en nm, ou pour le spectre complet mesuré. Il doit également indiquer le niveau de confiance de l'incertitude de l'étalonnage.

Comme un appareil photo, la plupart des spectromètres permettent à l'utilisateur de sélectionner le temps d'exposition et la quantité d'échantillons à collecter. Le réglage du temps d'intégration et du nombre de balayages est une étape importante. Un temps d'intégration trop long peut entraîner une saturation. (Sur une photo d'appareil photo, cela peut apparaître comme un grand point blanc, alors que sur un spectromètre, cela peut apparaître comme un creux ou un pic de coupure). Un temps d'intégration trop court peut générer des résultats bruyants (Sur une photo d'appareil photo, cela peut être une zone sombre ou floue, alors que sur un spectromètre, cela peut apparaître comme des lectures pointues ou instables).

Le temps d'exposition est le temps pendant lequel la lumière tombe sur le capteur pendant une mesure. Le réglage de ce paramètre modifie la sensibilité globale de l'instrument, comme le fait le changement du temps d'exposition d'un appareil photo. Le temps d'intégration minimal varie selon l'instrument, avec un minimum de 0,5 ms et un maximum d'environ 10 minutes par balayage. Un réglage pratique se situe dans la plage de 3 à 999 ms en fonction de l'intensité lumineuse.

Le temps d'intégration doit être ajusté pour un signal qui ne dépasse pas le nombre maximal de points (le CCD 16 bits en a 65 536, le CCD 14 bits en a 16 384). La saturation se produit lorsque le temps d'intégration est réglé trop haut. En général, un signal de crête d'environ 85 % du maximum est une bonne cible et donne un bon rapport signal/bruit. (ex : 60 000 points ou 16 000 points respectivement)

Le nombre de balayages indique le nombre de mesures qui seront moyennées. Toutes choses étant égales par ailleurs, le rapport signal/bruit (SNR) des spectres collectés s'améliore de la racine carrée du nombre N de balayages moyennés. Par exemple, si 16 balayages spectraux sont moyennés, le SNR est amélioré d'un facteur 4 par rapport à celui d'un seul balayage.

Le rapport signal/bruit est mesuré au niveau de lumière d'entrée qui atteint la pleine échelle du spectromètre. Il s'agit du rapport entre les comptages de signaux Cs (généralement à pleine échelle) et le bruit RMS (racine moyenne quadratique) à ce niveau de lumière. Ce bruit comprend le bruit d'obscurité Nd, le bruit de grenaille Ns lié aux comptages générés par la lumière d'entrée et le bruit de lecture. Il s'agit du meilleur rapport signal/bruit que l'on puisse obtenir à partir du spectromètre pour les mesures de lumière.

Les composants essentiels d’un système spectroradiométrique sont les suivants :

• Optiques d'entrée qui collectent le rayonnement électromagnétique de la source (diffuseurs, lentilles, guides de lumière à fibre optique)
• Une fente d'entrée détermine la quantité de lumière qui entre dans le spectromètre. Une fente plus petite aura une meilleure résolution, mais une sensibilité globale moindre
• Filtres de tri d'ordre pour réduire les effets de second ordre
• Le collimateur dirige la lumière vers le réseau ou le prisme
• Un réseau ou un prisme pour la dispersion de la lumière
• Optique de focalisation pour aligner la lumière sur le détecteur
• Un détecteur, un capteur CMOS ou un réseau CCD
• Un système de contrôle et de journalisation pour définir les données et les stocker.

L'optique frontale d'un spectroradiomètre comprend les lentilles, les diffuseurs et les filtres qui modifient la lumière lorsqu'elle entre dans le système. Pour la radiance, une optique avec un champ de vision étroit est nécessaire. Pour le flux total, une sphère d'intégration est nécessaire. Pour l'irradiance, des optiques de correction du cosinus sont nécessaires. Le matériau utilisé pour ces éléments détermine le type de lumière pouvant être mesuré. Par exemple, pour prendre des mesures UV, des lentilles en quartz plutôt qu'en verre, des fibres optiques, des diffuseurs en téflon et des sphères d'intégration recouvertes de sulfate de baryum sont souvent utilisés pour garantir une mesure UV précise.

Pour effectuer une analyse spectrale d'une source, une lumière monochromatique à chaque longueur d'onde serait nécessaire pour créer une réponse spectrale de l'illuminant. Un monochromateur est utilisé pour échantillonner les longueurs d'onde de la source et produire essentiellement un signal monochromatique. Il s'agit essentiellement d'un filtre variable, séparant et transmettant de manière sélective une longueur d'onde ou une bande de longueurs d'onde spécifique du spectre complet de la lumière mesurée et excluant toute lumière qui tombe en dehors de cette région.

Un monochromateur typique y parvient grâce à l'utilisation de fentes d'entrée et de sortie, d'optiques de collimation et de focalisation et d'un élément de dispersion de longueur d'onde tel qu'un réseau de diffraction ou un prisme. Les monochromateurs modernes sont fabriqués avec des réseaux de diffraction, et les réseaux de diffraction sont utilisés presque exclusivement dans les applications spectroradiométriques. Les réseaux de diffraction sont préférables en raison de leur polyvalence, de leur faible atténuation, de leur large gamme de longueurs d'onde, de leur coût inférieur et de leur dispersion plus constante. Des monochromateurs simples ou doubles peuvent être utilisés en fonction de l'application, les monochromateurs doubles offrant généralement plus de précision en raison de la dispersion et du déroutement supplémentaires entre les réseaux.

Le détecteur utilisé dans un spectroradiomètre est déterminé par la longueur d'onde sur laquelle la lumière est mesurée, ainsi que par la plage dynamique et la sensibilité requises pour les mesures. Les technologies de base des détecteurs spectroradiomètres se répartissent généralement en trois groupes : détecteurs photoémissifs (par exemple, tubes photomultiplicateurs ), dispositifs semi-conducteurs (par exemple, silicium) ou détecteurs thermiques (par exemple, thermopile).

La réponse spectrale d'un détecteur donné est déterminée par ses matériaux de base. Par exemple, les photocathodes présentes dans les tubes photomultiplicateurs peuvent être fabriquées à partir de certains éléments pour être aveugles au soleil , c'est-à-dire sensibles aux UV et insensibles à la lumière visible ou infrarouge.

Les matrices CCD (Charge Coupled Device) sont généralement des matrices unidimensionnelles (linéaires) ou bidimensionnelles (superficielles) de milliers ou de millions d'éléments détecteurs individuels (également appelés pixels) et des capteurs CMOS. Elles comprennent un détecteur multicanal à base de silicium ou d'InGaAs capable de mesurer la lumière UV, visible et proche infrarouge.

Les capteurs CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) diffèrent des capteurs CCD en ce qu'ils ajoutent un amplificateur à chaque photodiode. On parle alors de capteur à pixels actifs car l'amplificateur fait partie du pixel. Des commutateurs à transistors connectent chaque photodiode à l'amplificateur intrapixel au moment de la lecture.

Le système d'enregistrement est souvent un simple ordinateur personnel. Lors du traitement initial du signal, le signal doit souvent être amplifié et converti pour être utilisé avec le système de contrôle. Les lignes de communication entre le monochromateur, la sortie du détecteur et l'ordinateur doivent être optimisées pour garantir que les mesures et les fonctionnalités souhaitées sont utilisées. Les logiciels disponibles dans le commerce inclus dans les systèmes spectroradiométriques sont souvent livrés avec des fonctions de référence utiles pour le calcul ultérieur des mesures, telles que les fonctions de correspondance des couleurs CIE et la courbe V.

Les spectroradiomètres sont utilisés dans de nombreuses applications et peuvent être fabriqués pour répondre à une grande variété de spécifications. Exemples d'applications :

• Rayonnement solaire UV et UVB
• Mesure LED
• Affichage des mesures et de l'étalonnage
• Test CFL
• Détection à distance des nappes de pétrole
• Recherche et développement des plantes
• Télédétection terrestre et planétaire

Il est possible de construire un spectromètre optique de base en utilisant un réseau de disques optiques et une webcam de base, en utilisant une lampe CFL pour étalonner les longueurs d'onde. Un étalonnage utilisant une source de spectre connue peut ensuite transformer le spectromètre en spectroradiomètre en interprétant la luminosité des pixels de la photo. Une construction DIY est affectée par certaines sources d'erreur supplémentaires dans la conversion photo-valeur : le bruit photographique (nécessitant une soustraction de l'image noire ) et la non-linéarité dans la conversion CCD-photographie (éventuellement résolue par un format d'image brute ).