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Mesurer le rayonnement lumineux : photomètre, spectromètre, capteur de lumière

Mesurer le rayonnement lumineux : photomètre, spectromètre
Mesurer le rayonnement lumineux : photomètre, spectromètre

La photométrie est la science qui étudie le rayonnement lumineux tel qu'il est ressenti par la vision humaine. 

La spectrométrie est l'étude expérimentale du spectre d'un phénomène physique, c'est-à-dire de sa décomposition sur une échelle d'énergie : fréquence, longueur d'onde, etc. Aujourd'hui, ce principe est décliné en une multitude de techniques spécialisées qui trouvent des applications dans quasiment tous les domaines de la physique: astronomie, biophysique, chimie, physique atomique, physique nucléaire, physique du solide, mécanique, acoustique, etc. On analyse par spectroscopie non seulement la lumière visible, mais aussi le rayonnement électromagnétique dans toutes les gammes de fréquence, les ondes élastiques comme le son ou les ondes sismiques.

Focus sur les principaux instruments de mesure des rayonnements lumineux :

Photomètre

Un photomètre est un appareil servant à mesurer les grandeurs lumineuses en fonction de la courbe de sensibilité de l'œil. Il diffère ainsi du radiomètre qui mesure les rayonnements électromagnétiques sans rapport avec la perception humaine.

En météorologie, on l'utilise pour mesurer le rayonnement du soleil ou du ciel.

L'appareil dispose soit d'une cellule photoélectrique (dispositif composé d'un capteur photosensible, dont les propriétés électriques (tension, résistance...) varient en fonction de l'intensité du rayonnement lumineux capté), soit de capteurs CCD (un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique (UV, infrarouge, etc.) en un signal électrique analogique). Dans les deux cas, les capteurs convertissent en courant électrique mesurable la lumière reçue.

Le photomètre a plusieurs applications en astronomie. Dans le cas des étoiles par exemple, il peut servir à déterminer leur température, leur distance et même leur âge. On peut également l’utiliser pour tenter de savoir s’il y a des planètes en orbite autour de certaines étoiles.

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Spectromètre

Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer un faisceau lumineux en des éléments simples qui constituent son spectre. En optique, il s'agit d'obtenir les longueurs d'onde spécifiques constituant le faisceau lumineux (spectre électromagnétique).

En pratique les longueurs d'ondes sont observées sous forme de raies spectrales. Généralement un appareil ne fonctionnera que sur une petite partie du spectre en raison de la variété des techniques employées pour mesurer chaque bande du spectre. 

Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)

La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier ou spectroscopie IRTF (ou encore FTIR, de l'anglais Fourier Transform InfraRed spectroscopy) est une technique basée sur l’absorption d’un rayonnement infrarouge par le matériau analysé. Elle permet via la détection des vibrations caractéristiques d’identifier les fonctions chimiques présentes. On accède ainsi directement à la structure moléculaire des matériaux analysés. Les différents montages disponibles permettent d’analyser pratiquement tout type de matériaux.

Le but de toute spectroscopie d'absorption est de mesurer combien un échantillon absorbe de lumière, en fonction de la longueur d'onde.

Les applications sont nombreuses et concernent notamment l’identification de produits, de matériaux, l’analyse localisée en  mode microscopique ou encore l’analyse  de poudre. Les domaines d’applications sont essentiellement l’électronique, l’aéronautique, et l’automobile. 

Spectromètre de fluorescence

La spectroscopie de fluorescence analyse la fluorescence d'un échantillon. Elle implique l'utilisation d'un rayon de lumière qui va exciter les électrons des molécules de certains composés et les amène à émettre de la lumière. Le lecteur de fluorescence e permet d’exciter des échantillons contenant des fluorophores, à des longueurs d’ondes précises et de mesurer l’intensité de la fluorescence émise. Les outils qui servent à la mesure de la fluorescence sont appelés fluoromètres ou fluorimètres.

On peut distinguer différents types de fluorimètres en fonction de la source lumineuse excitatrice, du type de filtre, de la présence ou non de monochromateur et du type de détecteur. Les deux types fonctionnent sur le principe suivant : la lumière d'une source d'excitation passe par un filtre ou un monochromateur, puis par l'échantillon.

La spectroscopie de fluorescence est une technique courante d'analyse en chimie organique et biochimie.

Capteur de lumière

Les capteurs de lumière sont destinés à garantir une protection contre la lumière, à optimiser l'éclaircissement de différents lieux ou même pour mesurer la luminosité. Les solutions dédiées aux capteurs de lumière : luxmètres numériques, capteurs solaires, détecteurs à diodes, tests de LED, capteurs de photons.

Un capteur de luminosité est composé d'un panneau solaire et en fonction de la quantité de lumière qu’il reçoit, il produira plus ou moins d’énergie. Le soleil envoie des ondes électromagnétiques (lumière) vers la Terre. La lumière est constituée de photons contenant de l’énergie. Lorsqu'un panneau photovoltaïque capte cette énergie, il libère des électrons, et peut donc transformer cela en signal électrique.

Conclusion : photométrie, spectrométrie, spectrophotométrie…quelles différences ?

La photométrie est la mesure de la lumière reçue, sans chercher à savoir si on veut séparer les couleurs ou non.


La spectroscopie étudie la décomposition de la lumière et ses différentes couleurs. La spectroscopie optique permet de savoir par exemple si une lumière d'une certaine couleur contient ou non d'autres couleurs, ce que la vision humaine n’est pas en capacité de le faire. Elle étudie aussi d'où provient le fait que telle lumière est rouge ou bleue.


La spectrophotométrie va plus loin. Elle étudie non seulement la séparation, mais détermine l'intensité de chaque constituant d'une lumière. Elle mesure aussi la proportion des différents constituants de la lumière.  

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