Brevet FR2479469A1 — publié le 19811002

L'invention se rapporte à une méthode de mesure de la réflectance globale d'un échantillon ainsi qu'au réflectomètre de mise en oeuvre de ladite méthode et notamment à la déter- mination de la réflectance en lumière solaire. Lorsque l'on désire connaître la réflectance d'un corps on fait le plus souvent appel à la spectrophotométrie afin de déterminer en fonction des longueurs d'ondes les valeurs des rayonnements incidents et des rayonnements transmis et réflé- chis. Cette méthode est longue et nécessite un matériel lourd. Afin de réduire le temps des mesures tout en conservant une grande sensibilité et une grande précision le brevet français 1.465.448 préconise l'emploi d!un dispositif' permet- tant d'éclairer successivement un échantillon dont la réflec- tance est à mesurer et un échantillon de réflectance connue. Ces deux objets sont disposés sur une sphère pourvue de deux orifices pour le passage des rayons qu'ils réfléchissent et que l'on fait converger à travers des filtres sur une cellule photoélectrique. De tels appareils sont cependant inaptes à la détermina- tion instantanée d'une mesure absolue de la réflectance glo- bale et d'autre part la méthode même de mesure des réflectan- ces relatives des échantillons empêche la création d'appareils compacts susceptibles d'être aisément déplacés sur toutes surfaces. L'objet de l'invention est une méthode de détermination instantanée de la mesure absolue de la réflectance hémisphé- rique globale d'un échantillon à une lumière donnée au moyen d'une sphère caractérisée en ce que l'on éclaire l'échantil- lon à étudier par une source interne de même répartition spec- trale, ou de répartition spectrale aussi voisine qu'on le désire de la lumière donnée, en ce que l'on capte les rayons réfléchis dans une sphère intégrante et en ce que l'on mesure le rayonnement global de ladite sphère par une thermopile de mesure de rayonnement dont la partie sensible au rayonnement, en regard d'une ouverture de la sphère, ne reçoit aucun rayon- nement réfléchi direct de l'échantillon. Ainsi ayant déterminé au préalable et une fois pour tou- te la réflectance globale d'un échantillon de référence il suffit par simple lecture de la valeur du rayonnement mesuré par la thermopile et donné par tout dispositif approprié de connaître la réflectance globale hémisphérique de l'échantil- ion pour une lumière donnée. - Une telle méthode est particulièrement utile dans le cas o l'on désire effectuer une mesure absolue approchée-de la réflectance solaire globale et hémisphérique, d'un échan- tillon comme cela se produit pour les applications tant spa- tiales que terrestres mettant en jeu les constantes thermo- optiques de revêtements et de matériaux les plus divers. La réflectance solaire étant donnée par la formule 2 F(A) s)d 2[8 ' o ?est la réflectance globale-solai- J0,2 S (A) dA re et (/) la réflectance spectrale solaire, S (/) étant l'é- clairement énergétique monochromatique solaire, on choisit selon l'invention une source intense dont la répartition spec- traleJ '5 Xe (A) dA est en valeur relative, proche de celle du soleil. C'est notamment le cas de l'éclairement énergétil- que spectrale d'un tube à éclats au Xénon. L'expérience'mon- tre que la reproductibilité des mesures selon la méthode objet de l'invention est à + 1 %. Une autre caractéristique de la méthode est de coniser- ver une précision des mesures en dépit des variations possi- bles d'intensité de la source choisie d'un éclat à l'autre par la mesure simultanée de l'énergie réfléchie et de l'éner- --. gie de la source. Un autre objet de l'invention est un reflectomètre de mise en oeuvre de la méthode de mesure de la réflectance glo- bale d'un échantillon-caractérisé en ce qu'il comprend dans le même boitier la source intense, une optique de focalisa- tion du faisceau incident sur un point de l'échantillon et une sphère intégrante pourvue de trois fenêtres l'une pour la pénétration du faisceau incident dans la sphère, une autre pour l'éclairement et la réflexion de l'échantillon, la troi- sième fenêtre comportant une thermopile, les directions des rayons réfléchis interceptant exclusivement les zones de la sphère hors des fenêtres. On réalise ainsi une tête de mesure très légère permet- tant à l'opérateur de la disposer aisément aux lieux de mesu- re, l'appareillage électronique de lecture des mesures de vayonnement transmises par la thermopile et raccordé par câble, pouvant rester immobile pendant les divers déplacements de la tête de mesure. Une autre caractéristique de l'invention est de compor- ter une sphère intégrante dont la fenêtre du passage du fais- ceau incident et celle de l'impact sur l'échantillon sont diamétralement opposées, la portion du boitier recevant l'é- chantillon étant inclinée par rapport à la fenêtre d'impact d'un angle supérieur au demi angle sous tendant la fenêtre du passage des rayons incidents et dont le sommet est le point d'impact de l'échantillon. Une autre caractéristique de l'invention est de compor- ter une sphère intégrante dont la surface porte un revêtement de peinture blanche parfaitement diffusante pour toutes les longueurs d'onde des lumières utilisées. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante faite en référence aux dessins annexés qui représentent à titre d'exem- ple non limitatif un mode de réalisation de l'invention. Sur les dessins La figure unique est une vue en coupe horizontale de la tête de mesure. Le boitier du réflectomètre désigné par la référence générale 1 sur la figure comprend principalement une partie 2 incluant la sphère intégrante 3 et une partie opposée 4 incluant le tube à éclats photographique 5. Un miroir concave 6, porté sur la pièce terminale 7 est retenu par la pièce de fixation 8. Son axe optique 9 coïncide avec l'axe du diaphragme 10 et de l'optique de foca- lisation Il montée dans l'ouverture 12 du bloc 2 formant la première fenêtre de la sphère 3. L'optique 11 focalise la lumière incidente sur le point 13 de l'échantillon 14 repo- sant sur un méplat incliné de la partie extrême 15 du boitier 1 opposée à la pièce terminale 7 et bordant la seconde fené- tre 19 de la sphère 3. En raison de cette inclinaisons les rayons incidents 16 cincidant avec l'axe optique 9, sont réfléchis en un pin- ceau 17 suffisamment écarté de l'axe optique 9 pour ne pas repasser' par la fenêtre 12, la normale 18 à la surface de l'échantillon 14 issue du point 13 ne pouvant intercepter la fenêtre 12 par construction. En outre, la normale 18 étant suffisamment proche de la fenêtre 12 les rayons 17 ne peuvent non plus atteindre la troisième fenêtre 20 de la sphère 3 dans laquelle se trouve logée la thermopile de mesure 21. Afin d'obtenir des mesures de rayonnement au moyen de la thermopile 21 aussi exactes qu'on le désire, la surface de la sphère 3 est recouverte d'une peinture blanche parfai- tement diffusante. A titre d'exemple le revêtement blanc a une caractéristique de reflexion spectrale constante entre 0,3/ et 2,1J. En outre, le niveau de luminosité de la lampe à éclat étant susceptible de varier, une thermopile de référence 22 est disposée dans le bloc comprenant la sphère 3 de façon à viser, à travers le diaphragme 10, une partie de la lampe à éclat et de façon à être protégée thermiquement comme la thermopile de mesure 21 par la masse du bloc 2. Les préampli- ficateurs des tensions transmises par les thermopiles de mesure 21 et de référence 22 sont logées dans le boitier con- tigU 23. Le boitier supérieur 24 contient le dispositif haute tension d'excitation de la lampe à éclat 5. Ayant choisi une source de lumière dont la répartition spectrale de la lumière émise correspond à celle que l'on désire, par exemple une lampe à éclat au Xénon dans l'étude de la réflectance de matériaux à la lumière solaire, on mesu- re le coefficient d'énergie lumineuse parasite Kp, correspon- dant à l'énergie parasite provenant de la diffusion due à l'optique de focalisation 11. A cet effet, connaissant la puissance Ps de la source lumineuse 5 on mesure lors d'un éclat de cette source la tension VK = Ps.Kp obtenue après amplification de la tension recueillie par la thermopile de mesure 21 lorsque le fenêtre 19 n'est occultée par aucun échantillon. De même connaissant la valeur de Ps ainsi que la ré- flectance d'une référence connue fournie par un échantillon étalon, on détermine la valeur constante Ko du coefficient d'énergie lumineuse tel que la tension VET fournie par l'ap- pareil de mesure soit égale à KoPs. Dans ces conditions, il suffit après étalonnage de l'appareil de mesure de remplacer l'échantillon étalon de ré- férence par l'échantillon dont on désire connaître la réflec- tance globale et de commander la lampe à éclat pour obtenir une tension VEC donnée par la thermopile de mesure 21 et égale à Ps (Kf- + Kp) o Kf est le coefficient d'énergie lumi- neuse réfléchie. Connaissant déjà Kp ainsi que KoPs par VET il est aisé de déterminer Ki.. La valeur Ps est connue à chaque éclat au moyen de la thermopile de référence 22, de sorte que connais- sant la valeur Ps primitive lors de la détermination de Ko il est possible d'évaluer Kf. quelle que soit la variation de Ps. Au cours de la mesure de la réflectance globale d'un échantillon les tensions fournies par les thermopiles 21 et 22 dépendant de la mêmesource, on peut en raison de la préci- sion des mesures et lorsque les valeurs Ps ne peuvent pas s'écarter de plus d'un certain pourcentage éviter la compa- raison avec la valeur retenue de Ps lors de l'étalonnage. Le rapport des tensions fournies par les thermopiles 21 et 22 permettant ainsi d'éliminer Ps, on obtient aisément Kf. I1 va de soi que ces calculs peuvent être réalisés automatiquement par tout moyen, qu'il s'agisse de mesures purement analogiques, de mesures purement numériques après conversion des valeurs analogiques fournies par les tensions VEC et VET, ou encore par des calculs mixtes. REVENDICATIONS 1 ) Méthode de détermination instantanée de la mesure absolue de la réflectance globale hémisphérique d'un échantil- lon à une lumière donnée au moyen d'une sphère caractérisée en ce que l'on éclaire par des moyens optiques l'échantillon à étudier par une source interne de même répartition spectra- le, ou de répartition spectrale aussi voisine qu'on le désire de la lumière donnée, en ce que l'on capte les rayons réf'lé- chis dans une sphère intégrante et en ce que l'on mesure le rayonnement global de ladite sphère par une thermopile de mesure de rayonnement dont la partie sensible au rayonnement, en regard d'une ouverture de la sphère, ne reçoit aucun rayon- nement réfléchi direct de l'échantillon. 2 ) Méthode telle que revendiquée en 1 selon laquelle on mesure le coefficient d'énergie lumineuse parasite Kp cor- respondant à l'énergie parasite provenant de la diffusion des moyens optiques en mesurant la tension fournie par la thermopile en absence d'échantillon. ) Méthode telle que revendiquée dans l'une quelconque des revendications 1 et 2 selon laquelle, ayant déterminé le coefficient d'énergie lumineuse parasite Kp, on mesure le coefficient constant Ko d'énergie lumineuse satisfaisant à la relation VET = KoPs, VET étant la' tension de la thermopi- le obtenue après amplification lors de l'éclairement d'un échantillon étalon dont on connait la réflectance globale, Ps étant la puissance lumineuse connue de la source. ) Mé,lthode telle que revendiquée en 3 dont on déter- mine la réflectance globale d'un- échantillon par la mesure de la tension VEC de la thermopile obtenue après étalonnage au moyen de la mesure initiale fournie par l'échantillon étalon et après amplification lors de l'éclairement de l'é- chantillon de réflectance inconnue,la tension VEC étant re- présentative de la valeur Ps (Kf + Kp) o Ps et Kp sont res- pectivement la puissance lumineuse connue de la source et le coefficient d'énergie parasite connu, cette valeur permettant de déterminer le coefficient d'énergie lumineuse réfléchie Ki-. ) Mqéthode telle que revendiquée en 4 selon laquelle l'éclairement de l'échantillon étalon de réflectance connue et l'éclàirement de la sphère en absence d'échantillon en vue de la détermination des valeurs VEC = KoPs et KIp s'el'ffectuent une fois pour toute, ces valeurs étant conservées en mémoire pour la détermination automatique du coefficient Kf d'énergie lumineuse réfléchie par l'échantillon dont la réflectance globale est à mesurer. 60 ) Méthode telle que revendiquée en 5 selon laquelle on procède au cours de l'éclairement de tout nouvel échan- tillon dont la réflectance est à mesurer à l'enregistrement simultané des tensions fournies par une thermopile de réfé- rence recevant directement une fraction de la puissance de la source et par la thermnopile de mesure de l'énergie diffu- sée dans la sphère intégrante. ) Méthode telle que revendiquée en 6 selon laquelle on procède à la correction de la valeur de la réflectance obtenue par éclairement de l'échantillon de mesure lorsque l'écart entre la puissance Ps enregistrée lors de l'étalon- nage et la puissance enregistrée lors de l'éclairement de mesure est supérieur à une valeur donnée. 8 0) Réflectomètre de mise en oeuvre de la méthode de mesure de la réflectance globale d'un échantillon revendiquée dans l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend dans le même boitier la source intense (5), une optique de focalisation (11) du faisceau incident sur un point (13) de l'échantillon (14) et une sphère inté- grante (3) pourvue de trois fenêtres l'une (12) pour la périé- tration du faisceau incident dans la sphère, une autre (19) pour l ' éclairement et la réflexion de l ' échantillon, la troi- sième fenêtre (20) comportant une thermopile, les directions des rayons réfléchis (17) interceptant exclusivement les zones de la sphère hors des fenêtres. 9 ) Réflectomètre tel que revendiqué en 8 dont la fe- nêtre (12) du passage du faisceau incident et celle (19) de l'impact sur l'échantillon (14) sont diamétralement opposées, la portion (15) du boitier (1) recevant l'échantillon étant inclinée par rapport à la fenêtre d'impact (19) d'un angle supérieur au demi angle sous tendant la fenêtre (12) du pas- sage des rayons incidents et dont le sommet est le point d'im- pact (13) de l'échantillon. ) RIéflectomètre tel que revendiqué dans l'une quel- conque des revendications 8 et 9 comportant en outre une thermopile de référence (22) dont la surface sensible est dirigée vers la source de lumière (5), ladite-thermopile étant incorporée dans le bloc (2) contenant la sphère intégrante (3). 11 ) Réflectomètre tel que revendiqué dans l'une quel- conque des revendications 8 à 10 dont la sphère (3) porte un revêtement d'une peinture blanche parfaitement diffusante pour les lumières utilisées. 12 ) Réflectomètre tel que revendiqué dans l'une quel- conque des revendications 8 à 11 comportant au voisinage de la source lumineuse (5) un boitier (24) d'alimentation haute tension de la source, au voisinage de la sphère intégrante (3) un boitier commun (23) de préamplification de la thermo- pile de mesure (21) de l'énergie reçue de la sphère intégran- te (3) et de la thermopile (22) de mesure de la puissance reçue directement d'une portion de la source (5) à travers le diaphragme (10) utilisé par l'optique de focalisation (11) du flux lumineux sur l'échantillon (14).