Objectifs

Réalisation et qualification de la liaison optique guidée entre le monochromateur et le radiomètre à étalonner, pour des mesures entre 200 nm et 2 450 nm, dans un environnement spatial.

Résumé et premiers résultats

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Le projet européen, coordonné par le NPL, a pour objectif d’initier un centre européen virtuel d’observation du climat et de la Terre depuis l’espace, en rassemblant non seulement les spécialistes des mesures (capteurs et traçabilité) mais aussi les spécialistes de la météorologie, et de réaliser un laboratoire de mesure en orbite qui permettrait d’effectuer des mesures avec les mêmes incertitudes que celles obtenues en laboratoire.

Les travaux sont répartis entre 12 partenaires et sont organisés en 4 lots de tâches techniques :

  1.  Étalonnages des instruments avant embarquement ;
  2. Développement de références pour l’étalonnage à bord ;
  3. Mesures à bord pour assurer la traçabilité des instruments ;
  4. Mise en œuvre d’un laboratoire dans l’espace pour les mesures de données sur le climat.

Le projet a débuté le 1er octobre 2011 pour une durée de 3 ans. Le LCM est impliqué dans le lot de tâches techniques n° 4 pour le développement de la liaison par fibre optique entre le monochromateur et le radiomètre à étalonner pour des mesures entre 200 nm et 2 450 nm.

Les différents faisceaux de fibres ont été définis suivant le cahier des charges fournit par le NPL dont les principales caractéristiques sont : un taux de transmission de 70 % au minimum, une couverture totale du spectre solaire (200 nm – 2 450 nm), une compatibilité avec l’environnement spatial et des pertes induites par le déplacement des faisceaux (déplacement de 30 cm) entre le radiomètre cryogénique (CSAR) et le radiomètre de mesure (PTR) inférieures à 0,05 %.

Le choix du type de fibre a été fait. Il y aura 2 types de faisceaux : UV/visible de 200 nm à 1 000 nm et visible/IR de 1 000 nm à 2 500 nm. Les premiers faisceaux ont été livrés et testés en 2013 : contrôle optique de l’état de surface des extrémités, vérification de l’arrangement des fibres à l’intérieur du faisceau et mesure de la transmission du faisceau de fibres, puis test de la stabilité mécanique des faisceaux de fibres.

En conclusion, les premiers faisceaux réalisés et testés en 2013 ne sont pas assez performants. La raison principale est le mauvais positionnement des fibres dans le faisceau. Ce mauvais positionnement induit une transmission optique trop faible. Une autre proposition a permis d’augmenter d’environ 25 % le nombre de fibres dans chaque faisceau et de modifier l’arrangement des fibres afin de minimiser les espaces vides. Les caractéristiques de transmission du faisceau de fibres répondent finalement au cahier des charges exigé pour ce projet européen. Le faisceau a donc été transmis au NPL en septembre 2014 pour une qualification plus complète après intégration dans le système de mesure radiométrique destiné aux mesures dans l’espace.

Impacts scientifiques et industriels

  • Disposer de mesures traçables des rayonnements optiques réalisées vers la Terre depuis l’espace afin de donner confiance aux mesures réalisées et du crédit aux analyses des résultats obtenus ;
  • Réaliser des mesures radiométriques dans l’espace avec des incertitudes aussi faibles que celles réalisées en laboratoire.

Publications et communications

ETIENNE R. et DUBARD J., “Emrp-env04: traceable radiometry for remote measurement of climate parameters”, 16e congrès international de métrologie, Paris, France, 7-10 octobre 2013, DOI: 10.1051/metrology/201314009.

Partenaires

Partenaires du JRP-ENV04 :

  • NPL (United Kingdom),
  • Aalto (Finland),
  • INRIM (Italy),
  • JRC (Commission européenne),
  • LNE (France),
  • Mikes (Finland),
  • PTB (Germany),
  • SFI Davos (Switzerland),
  • BUW (Germany),
  • DLR (Germany),
  • FGI (Finland),
  • FZJ (Germany).

Résumé de la thèse

La définition la plus récente de la candela, adoptée en 1979 par la 16e Conférence générale des poids et mesures est la suivante : La candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540·1012 hertz et dont l’intensité énergétique dans cette direction est de 1/683 watt par stéradian. Cette définition ne donne pas de méthode pratique pour sa réalisation, elle ne donne qu’une relation directe entre les grandeurs photométriques et les grandeurs radiométriques. Depuis plusieurs années, les mesures radiométriques ont connu un développement important, et une réduction notable des incertitudes grâce au développement des radiomètres cryogéniques à substitution électrique, qui servent de références radiométriques. Il est donc logique de rattacher la réalisation de la candela aux mesures radiométriques faites avec le radiomètre cryogénique.

La matérialisation de la candela est faite actuellement à l’utilisation de photomètres. Les photomètres sont composés de trois composants : détecteur, filtre et diaphragme. Le détecteur utilisé peut être un seul détecteur ou un détecteur piège, lequel est composé de trois détecteurs placés de façon à ce que les pertes par réflexion soient minimes. Le filtre V(λ), correspondant à la vision photopique, est réalisé à l’aide d’une combinaison de verres présentant différents facteurs de transmission. Le diaphragme est utilisé pour délimiter la quantité de lumière qui arrive sur le photomètre.

Dans ce travail nous avons utilisé des détecteurs pièges qui ont une traçabilité au radiomètre cryogénique. De cette manière nous obtenons la sensibilité du détecteur piège aux longueurs d’onde des lasers employés. En utilisant comme étalon un détecteur non sélectif, nous obtenons la sensibilité spectrale de ces mêmes détecteurs pièges sur l’intervalle de mesure de 380 nm à 780 nm. Les filtres V(λ) sont mesurés pour obtenir leur facteur de transmission dans le même intervalle. La surface du diaphragme est obtenue en utilisant la méthode des moindres carrés à partir des mesures des points des bords du diaphragme avec une table micrométrique. Ces trois éléments étant caractérisés, nous faisons le calcul du facteur d’adaptation spectral du photomètre et nous utilisons l’équation du corps noir de Planck pour obtenir le flux énergétique de l’illuminant utilisé. La sensibilité lumineuse du photomètre est égale à la sensibilité du photomètre à 555 nm divisée par, le produit de l’efficacité lumineuse maximale et du facteur d’adaptation spectral. Cette valeur de la sensibilité lumineuse est donnée en unité de courant électrique divisée par le flux lumineux. Comme nous connaissons la surface du diaphragme nous calculons l’éclairement lumineux qui arrive sur le photomètre. En utilisant la loi de l’inverse carré de la distance nous trouvons l’intensité lumineuse de la source.

Le travail exposé dans le document décrit la réalisation pratique de l’unité d’intensité lumineuse, la candela, effectuée à l’Institut national de métrologie (LNE-INM) du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) et son raccordement au radiomètre cryogénique, meilleure référence actuelle des mesures radiométriques.

Résumé de la thèse

Le développement des LED de forte puissance au début des années 2000 a engendré un besoin de caractérisation des propriétés radiométriques, photo-métriques et colorimétriques de ces sources essentiellement pour des applications d’éclairage général.

L’équipe « Rayonnements optiques » du LNE-INM a étudié ces trois aspects en travaillant sur la thématique de la qualité de la lumière par le biais du rendu des couleurs lié à la perception visuelle. Ces études ont été effectuées à partir de mesures physiques et visuelles sur des échantillons colorés éclairés par des LED montées dans une cabine à lumière.

Les mesures physiques ont porté sur les répartitions spectrales des éclairages à LED à partir desquelles des paramètres colorimétriques (coordonnées chromatiques, température de couleur proximale, indices de rendu des couleurs) ont pu être évalués. L’analyse métrologique de ces données expérimentales a été réalisée à l’aide de la méthode numérique de Monte-Carlo.

Les mesures visuelles ont été obtenues à partir d’une expérience psychophysique reposant sur une méthode de comparaison par paires permettant de quantifier la qualité des éclairages à LED sur plusieurs échantillons colorés. L’analyse des résultats a permis d’obtenir un classement des éclairages à LED, du meilleur au moins bon, pour chaque échantillon.

La confrontation des résultats issus des mesures physiques et des mesures visuelles a permis de proposer des pistes de quantification du rendu des couleurs des LED. Les résultats obtenus ont été transmis au comité technique (TC 1-69) de la Commission internationale de l’éclairage (CIE) qui a pour rôle de définir une nouvelle recommandation pour l’évaluation des propriétés de rendu des couleurs des sources lumineuses d’ici fin 2010.

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Résumé de la thèse

L'objet de cette thèse porte sur la conception et la réalisation de deux sources laser non linéaires accordables dans les domaines infrarouge (IR) et ultraviolet (UV), pour le raccordement de la sensibilité spectrale de détecteurs au moyen du radiomètre cryogénique du laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM (LCM).

La source IR est un oscillateur paramétrique optique (OPO) résonant sur les ondes pompe et signal (PRSRO), utilisant un cristal de niobate de lithium à inversion de domaines de polarisation dopé par 5 % d'oxyde de magnésium (ppMgCLN). Pompé par un laser Ti:Al2O3 en anneau mono-fréquence et accordable, délivrant 500 mW de puissance utile autour de 795 nm, l'OPO possède un seuil d'oscillation de 110 mW. Une couverture spectrale continue entre 1 μm et 3,5 μm a été obtenue, avec des puissances de l'ordre du milliwatt pour l'onde signal (1 μm à 1,5 μm) et des puissances comprises entre 20 mW à 50 mW pour l'onde complémentaire couvrant une octave de longueurs d'onde IR entre 1,7 μm et 3,5 μm.

La source UV est obtenue par doublage de fréquence en cavité externe du laser Ti:Al2O3, dans un cristal de triborate de lithium (LiB3O5). Un accord de phase en température à angle d'accord de phase fixé permet l'obtention d'une couverture spectrale comprise entre 390 nm et 405 nm. L'asservissement de la cavité de doublage sur la fréquence du laser Ti:Al2O3 par la méthode de Pound-Drever-Hall, ainsi qu'une adaptation de mode optimale, permet d'obtenir une puissance de 5,64 mW à 400 nm à partir de 480 mW de puissance fondamentale.

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Résumé de la thèse

Les besoins de mesures dans les domaines de la santé et de l’environnement nécessitent le développement de capteurs toujours plus compacts, sélectifs, ultrasensibles, rapides et à bas coût. Les biocapteurs photoniques de type microrésonateur cyclique planaire en polymère en forme d’hippodrome répondent à ces impératifs lorsqu’ils sont  couplés verticalement à un guide rectiligne servant d’entrée et de sortie pour la lumière. Ils permettent en effet, via une fonctionnalisation adéquate de leur surface, de pouvoir détecter sélectivement de très faibles concentrations de biomolécules, mais nécessitent pour cela le développement et la mise au point de méthodes d’interrogation optiques spécifiques.

Ce travail propose une nouvelle approche pour la caractérisation et l’interrogation de ces microrésonateurs, basée sur l’utilisation d’un interféromètre optique à faible cohérence sensible à la phase (PS-OLCI : Phase-Sensitive Optical Low Coherence Interferometer), qui avait été développé initialement pour caractériser métrolo-giquement des composants fibrés utilisés dans le domaine des télécommunications. Des microrésonateurs monomodes possédant des facteurs de qualité allant jusqu'à 38 200 ont été conçus et réalisés à l'aide de procédés classiques de photolithographie et de gravure sèche (plasma d’oxygène). L’interféromètre de Michelson du LNE, pièce centrale du dispositif PS-OLCI, a ensuite été adapté pour cette nouvelle application. Son association à un composant optofluidique, constitué de microrésonateurs et d’un circuit microfluidique en polymères, a permis de détecter des teneurs de glucose de l’ordre de 50 μg·ml–1 et 2 μg·ml–1 dans l’eau, selon que l’intensité ou la phase des signaux PS-OLCI étaient respectivement exploitées. Ces performances ont démontré la capacité du capteur à déceler des biomolécules en faible concentration ainsi que la pertinence de la mesure de la phase, d'où l'intérêt du dispositif PS-OLCI. La fonctionnalisation de la surface des guides polymères a ensuite été explorée pour palier au manque de sélectivité de la méthode de détection volumique. Le cas d’une protéine, la streptavidine, a ainsi été considéré. Les performances obtenues, 0,02 pg·mm–2, apparaissent au moins dix fois meilleures que celles obtenues à l’aide de la technique de résonance plasmonique de surface considérée à ce jour comme la technique de référence en biodétection sans marqueur.

Ces travaux de thèse contribuent à démontrer que les capteurs à base de microrésonateurs optiques sont des candidats potentiels très prometteurs pour la détection de très faibles concentrations de biomolécules pour l’analyse biochimique.

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Résumé de la thèse

Le but de la thèse était de doter la métrologie française d’un instrument de référence dédié à la caractérisation métrologique des propriétés réflectives des objets qui, du point de vue de l’apparence, sont à l’origine des sensations de couleur, de brillant, de texture, de translucidité, etc. Il s’agissait de concevoir, réaliser et mettre au point un dispositif de mesure de la fonction de distribution bidirectionnelle du coefficient de luminance d’une surface plane (BRDF). La BRDF est la grandeur physique qui caractérise intégralement la réflexion lumineuse à la surface d’un matériau. En cela, sa mesure s’inscrit comme un outil indispensable pour la mesure de l’apparence car elle permet de connaître en détail le signal qui entre dans l’œil. Certaines surfaces présentent une apparence pigmentée, métallisée, nacrée ou encore interférentielle, ces surfaces, dites « goniochromatiques », ont la capacité de changer d’apparence en fonction de l’angle d’observation. Pour les caractériser, il est impératif d’effectuer une mesure de BRDF sous plusieurs conditions d’observation et d’illumination. L’outil de mesure de la BRDF est un gonioréflectomètre, dédié à des mesures dans le domaine spectral UV – Visible (250 nm – 900 nm). Le montage expérimental consiste en deux lignes distinctes. La première, appelée voie spectrale, est dédiée à l’étude de la couleur. Elle est constituée d’une illumination fixe, assurée par une lampe à décharge de xénon filtrée par un monochromateur puis focalisée sur la surface étudiée. La détection mobile, est assurée par un système optique constitué de lentilles et de miroirs qui servent à renvoyer la lumière réfléchie par la surface sur la photodiode. La deuxième ligne, appelée voie spatiale, est dédiée à l’étude du brillant. Elle requiert une résolution angulaire qui égale l’acuité visuelle de l’œil humain (0,03°) ; cette partie apporte toute l’originalité de l’instrument. Sur cette voie, la détection est fixe et est basée sur la combinaison d’une optique de Fourier et d’une caméra CCD (512×512 pixels). L’illumination est mobile et est assurée par une lampe incandescente à filament de tungstène collimatée sur l’échantillon. Les deux lignes partagent un robot porte-échantillon qui offre six dégrées de liberté et qui sert à reproduire toutes les directions d’illumination et d’observation au-dessus de l’échantillon.

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Résumé

Nous présentons dans cet article un oscillateur paramétrique optique résonant sur la pompe et le signal (PRSRO), largement et continûment accordable, délivrant 20 mW à 50 mW de puissance dans l’onde complémentaire (idler) couvrant une octave de longueur d’onde dans le moyen infrarouge (1,7 µm à 3,5 µm). Ce PRSRO est pompé par un laser Ti:Al2O3 en anneau mono-fréquence et accordable, délivrant 760 mW autour de 795 nm, et grâce à la résonnance de la pompe dans la cavité OPO, un seuil d’oscillation de 110 mW est atteint. Cette source laser non-linéaire largement accordable dans l’IR est un des maillons de la chaîne laser radiométrique devant permettre de couvrir le spectre électromagnétique de l’UV à l’IR moyen, pour le raccordement de la sensibilité spectrale des détecteurs au moyen du radiomètre cryogénique. Cette source est également utilisable pour la spectroscopie moléculaire haute résolution dans le domaine spectrale 1 µm–3,5 µm.

Mots clés

optique non linéaire
oscillateur paramétrique optique
optique paramétrique
quasiaccord de phase
source laser accordable
INFRAROUGE
asservissement en fréquence

Résumé

L’article décrit une nouvelle technique d’interrogation de biocapteurs photoniques pour des applications dans le domaine de la santé. La première partie présente un type de biocapteurs photoniques : un microrésonateur cyclique planaire en polymère, en forme d’hippodrome, couplé verticalement à un guide rectiligne servant d’entrée et de sortie pour la lumière. Afin, d’être adapté à des applications biologiques, le capteur est inséré dans une cellule optofluidique et sa surface est fonctionnalisée. La deuxième partie de l’article décrit l’interféromètre en lumière incohérente sensible à la phase du LNE, proposé comme nouvelle technique d’interrogation de ce type de biocapteurs. Développé initialement pour caractériser métrologiquement des composants fibrés utilisés dans le domaine des télécommunications, cet interféromètre de Michelson doté d’une source large bande a été adapté à ce type d’applications. Les résultats préliminaires dans un environnement biologiques mettent en évidence la pertinence de la technique et des microrésonateurs pour des applications dans le domaine de la santé.

Mots clés

métrologie optique
interferomètre
biocapteur photonique

Résumé

De nouveaux détecteurs pièges dits de « grande surface », construits à partir de photodiodes au silicium de (18 × 18) mm2, ont été caractérisés pour être utilisés comme détecteur de référence pour la mesure de la sensibilité spectrale des détecteurs. Leur caractérisation a été effectuée sur un montage du laboratoire basé sur un monochromateur associé à des sources de rayonnement à spectres étendus. Le présent article décrit les détecteurs pièges réalisés, détaille la méthode de mesure de leur sensibilité spectrale relative et présente la méthode utilisée pour passer de la sensibilité spectrale relative à la sensibilité spectrale absolue.

Mots clés

détecteur piège
sensibilité spectrale
étalonnage

Résumé de la thèse

La thèse a été réalisée dans le cadre du projet de recherche européen Euramet/EMRP ENG05 « Lighting », projet réunissant une quinzaine d’instituts nationaux de métrologie en Europe. L'apparition de nouvelles solutions d’éclairage utilisant des diodes à électroluminescence (DEL) n’apporte pas seulement une efficacité en termes de diminution de puissance consommée mais elles doivent également répondre à des critères de qualité de lumière pour l’utilisateur selon l’environnement.

L'étude s’est concentrée sur les problématiques du confort visuel ainsi que sur les indices du rendu des couleurs conformes à ceux de la Commission Internationale de l'Éclairage (CIE) qui ne permettent pas de prédire une évaluation fiable en ce qui concerne ces nouveaux éclairages à l’état solide. L’étude s’est appuyée sur des calculs informatisés des métriques existantes, des résultats de plusieurs expériences subjectives réalisées dans un environnement contrôlé et reproductible et leurs caractérisations. Un premier modèle capable de prédire le confort visuel d'un scénario d'éclairage a été réalisé et décrit. Plusieurs axes d'amélioration des métriques du rendu des couleurs ont été étudiés.

L'ensemble des expériences intègre des solutions d'éclairages traditionnels. À l’aide de cartes de luminance, les résultats obtenus ont été comparés aux performances des sources respectives.

Texte intégral

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01344416/document