DOI: 10.1051/rfm/2016001

J. DUBARD

Qualification métrologiquede spectrophotomètre : un guide

pour les industriels

Characterization of spectrophotometer: guidefor industry

Jimmy DUBARD, Jean VOYER, Jacques HAMEURY et François BUTEAU

Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), 29 avenue Roger Hennequin, 78197 Trappes Cedex, France, jimmy.dubard@lne.fr.

Résumé

Les spectrophotomètres permettent de mesurer les propriétés op-tiques des matériaux telles la transmission ou la réflexion. Ils sontutilisés dans de nombreux domaines industriels tels que la santé, letransport, l’énergie. . . Pour assurer la traçabilité des mesures à traversle raccordement des étalons de transmission ou de réflexion le LNEdispose de spectrophotomètres qui font l’objet d’une qualification mé-trologique tout au long de la durée de vie de ces équipements. Nousprésentons les étapes de cette qualification. Les résultats sont utiliséspour évaluer les incertitudes de mesure. La procédure suivie peut servirde guide pour les utilisateurs de spectrophotomètre désirant évaluer lesincertitudes avec lesquelles ils réalisent leurs mesures.

MOTS CLÉS : SPECTROPHOTOMÈTRE, TRANSMISSION, QUA-

LIFICATION, INCERTITUDE DE MESURE.

Abstract

Spectrophotometers allow measurement of the optical properties ofmaterials such as transmittance or reflectance. They are used in manyindustrial fields: health, transport, energy. . . To ensure the traceabil-ity of the measurements through the calibration of transmittance andreflectance standards, the LNE uses spectrophotometers that are quali-fied along the lifetime of these instruments. We present the qualificationsteps. The results are used to evaluate the uncertainties. The procedurefollowed can be used as a guideline for spectrophotometer users whowant to evaluate their measurement uncertainties.

KEY WORDS: SPECTROPHOTOMETER, TRANSMITTANCE,

QUALIFICATION, MEASUREMENT UNCERTAINTY.

1. Introduction

Les spectrophotomètres sont des appareils couram-ment utilisés dans des laboratoires d’analyses médicalesou des laboratoires de caractérisation de matériaux [1–3].

Ils permettent de mesurer des paramètres optiques telsque la transmission et la réflexion sur un domaine spectralpouvant comprendre l’ultraviolet (UV), le visible (vis.) etl’infrarouge (IR). Les mesures réalisées doivent être tra-çables et fiables. Ceci est obtenu en effectuant une carac-térisation complète des performances de ces appareils demesure.

Les appareils sont plus ou moins complexes et fontintervenir des techniques de mesure différentes : simpleou double faisceaux, faisceau libre, sphère intégrante, ac-cessoire VW. . . Leur qualification doit être réalisée selonune procédure maîtrisée. Cet article traite de la qualifi-cation des spectrophotomètres couramment utilisés dansl’industrie.

Nous présentons tout d’abord le principe de fonction-nement d’un spectrophotomètre et les différentes étapesde la qualification qui comprend une caractérisation duspectrophotomètre selon les deux paramètres du résultatd’une mesure : longueur d’onde et amplitude. Puis nousutilisons les résultats de cette qualification pour évaluerles incertitudes de mesure.

2. Présentation d’un spectrophotomètre

Un spectrophotomètre permet de réaliser des mesuresdes propriétés optiques spectrales de matériaux. Les élé-ments principaux constituant un spectrophotomètre sont(fig. 1) :

– un générateur de faisceaux de lumière mono-chromatique comprenant une ou deux sources

QUALIFICATION MÉTROLOGIQUE DE SPECTROPHOTOMÈTRE : UN GUIDE POUR LES INDUSTRIELS 3

Fig. 1. – Schéma de principe d’un spectrophotomètre fonctionnant en « double faisceau ».

de rayonnement (lampe deutérium et/ou lampetungstène-halogène) couplées à un monochromateurà réseau simple ou double ;

– un système optique mettant en forme le faisceau etpermettant le fonctionnement en mode « simple fais-ceau » ou « double faisceau » ;

– un dispositif de positionnement de l’objet à mesurer ;

– un système de détection constitué de un ou plusieursdétecteurs (ex. : photomultiplicateur, photodiode ausilicium ou InGaAs, détecteur au PbS).

La figure 1 présente la disposition des différents élé-ments pour une configuration de mesure en « doublefaisceau » en transmission régulière. La séparation dufaisceau issu du monochromateur selon deux voies, deréférence et de mesure, est réalisée à l’aide d’un miroirtournant repéré « CBD » sur la figure 1.

La complexité des spectrophotomètres dépend du do-maine spectral couvert (nombre de sources et détecteurs)et de l’exactitude requise (monochromateur simple oudouble, technique simple ou double faisceau). Les plusperformants utilisent un monochromateur double et latechnique du double faisceau. Pour des mesures dans ledomaine UV, il est recommandé d’utiliser un spectropho-tomètre muni d’un monochromateur double à cause des

erreurs de mesure dues à la lumière parasite des mono-chromateurs simples (voir partie 6.10).

La technique du double faisceau fait intervenir simul-tanément le faisceau de référence (sans échantillon) et lefaisceau de mesure (avec échantillon) et permet ainsi des’affranchir des variations à court terme de l’intensité dela source.

3. Caractérisation du spectrophotomètre

Le spectrophotomètre permet de quantifier les pro-priétés optiques d’un échantillon (transmittance, absor-bance, réflectance). Le résultat de la mesure est la valeurde la grandeur associée à la propriété optique (transmis-sion, absorption, réflexion) en fonction de la longueurd’onde. La caractérisation du spectrophotomètre doitdonc est faite pour la longueur d’onde et la grandeur op-tique à mesurer.

La qualification que nous décrivons a été réalisée surun spectrophotomètre UV-vis.-IR équipé d’un monochro-mateur double, d’une lampe au deutérium et d’une lampetungstène-halogène, et fonctionnant en mode double fais-ceau. Le domaine spectral couvert par le spectrophoto-mètre s’étend de 250 nm à 2 500 nm. Nous présentons lesrésultats de la caractérisation obtenus pour les longueursd’onde de 250 nm à 800 nm.

4 REVUE FRANÇAISE DE MÉTROLOGIE no 41, Volume 2016-1

4. Caractérisation en longueur d’onde

La mesure des propriétés optiques d’un échantillonnécessite une connaissance des caractéristiques spec-trales du faisceau d’analyse. La justesse des valeurs delongueurs d’onde est un paramètre crucial. Les erreursde mesure dues à un décalage en longueur d’onde ont unimpact important sur les valeurs des filtres présentant unfort gradient du facteur de transmission en fonction de lalongueur d’onde (filtre coloré). Le décalage en longueurd’onde peut être d’origine mécanique (positionnement duréseau) ou induit par une largeur spectrale inadaptée aufiltre à mesurer. La largeur spectrale d’analyse doit êtremaîtrisée.

4.1. Justesse spectrale

La justesse spectrale est vérifiée en mettant en œuvredes techniques qui dépendent du spectrophotomètre. Gé-néralement les spectrophotomètres intègrent des proces-sus d’initialisation mécanique des monochromateurs. Surl’appareil du LNE, à chaque mise sous tension, l’initiali-sation de la position des réseaux est réalisée en repérant laraie rouge de la lampe deutérium à 656,1 nm. Pour cela laconfiguration de mesure en « double faisceau » est désac-tivée et l’appareil fonctionne en « simple faisceau ». Lerepérage de la raie rouge est effectué en relevant le maxi-mum du signal mesuré.

La configuration « simple faisceau » est aussi utiliséepour la vérification de la justesse spectrale. Une lampespectrale à vapeur de mercure mélangée à de l’argon àbasse pression est placée dans le compartiment « lampeexterne » (fig. 1). Cette lampe émet un spectre de raiesfines dont les longueurs d’ondes sont connues avec uneincertitude inférieure à 10 pm [4]. On mesure les signauxdélivrés par le détecteur du spectrophotomètre en fonc-tion de la longueur d’onde affichée avec un pas d’ana-lyse de 0,01 nm. Les longueurs d’onde correspondantà des maximums de signaux des pics d’émission de lalampe mercure-argon sont comparées aux valeurs de lon-gueurs d’onde d’émission publiées. Cette caractérisationest réalisée en réglant la largeur des fentes de monochro-mateur pour avoir une largeur spectrale la plus fine pos-sible afin de discriminer les raies d’émission très proches(ex. : 365 nm, 577 nm). Un exemple de mesure pour uneraie du mercure à la longueur d’onde de 546,1 nm avecune largeur spectrale d’analyse de 1 nm est montré sur lafigure 2.

À partir de ces mesures, il est possible de déterminerles écarts de justesse des valeurs des longueurs d’ondedu spectrophotomètre. Si les écarts de justesse sont plusimportants que la tolérance établie il est parfois pos-sible de les corriger mécaniquement ou numériquement.La figure 3 montre le résultat obtenu pour les longueursd’onde entre 200 nm et 800 nm.

Si une mise en œuvre d’une lampe au mercure dans lecompartiment des lampes est impossible une alternativeconsiste à mesurer le spectre de transmission de filtres de

Inte

nsité

U.A

.

0.E+00

1.E-03

2.E-03

3.E-03

4.E-03

5.E-03

544.0 544.5

Inte

nsité

U.A

.

546.08 nm

5 545.0 545.5Longue

546.0 546.5 54eur d'onde (nm)

7.0 547.5 548.0

Fig. 2. – Réponse du spectrophotomètre pour la raie du mer-cure à 546,08 nm.

Fig. 3. – Écarts de justesse en longueur d’onde duspectrophotomètre.

Fig. 4. – Spectre de transmission d’un filtre holmium.

référence tels que les filtres dopés à l’holmium ou au di-dymium. Ces filtres possèdent des pics d’absorption quipeuvent être étalonnés. Un exemple de spectre de trans-mission du filtre à l’holmium est présenté sur la figure 4.

L’incertitude associée à la justesse en longueurd’onde est déterminée par :

– le décalage spectral si la correction en longueurd’onde n’est pas effectuée ;

– la répétabilité des mesures du décalage spectral si lacorrection en longueur d’onde est effectuée ;

– l’incertitude d’étalonnage du filtre de référence, si uti-lisation d’un tel filtre (holmium ou didymium).

QUALIFICATION MÉTROLOGIQUE DE SPECTROPHOTOMÈTRE : UN GUIDE POUR LES INDUSTRIELS 5

Fente Entrée

Fente Sortie

Fonction d’appareil

Fig. 5. – Fonction d’appareil d’un monochromateur en fonctionde la largeur relative des fentes d’entrée et de sortie.

-5

0

5

10

15

20

25

200 400 600 800

Ecar

t rel

atif

entr

e la

rgeu

r m

esur

ée e

t lar

geur

affi

chée

%

Longueur d'onde (nm)

Justesse de la largeur spectrale

Fig. 6. – Caractérisation de la largeur spectrale d’analyse.

Pour les résultats présentés en figure 3, l’ampli-tude maximum des décalages en longueur d’onde estde 0,04 nm. L’incertitude type sur les longueurs d’ondeentre 200 nm et 800 nm est la moitié de l’amplitude maxi-mum, soit 0,02 nm.

4.2. Justesse des largeurs spectrales

La largeur spectrale d’analyse du spectrophotomètredépend des caractéristiques du monochromateur à savoir :les paramètres du réseau utilisé, la longueur de la focaledu monochromateur et les largeurs de fentes. Elle carac-térise la fonction d’appareil du spectrophotomètre (fig. 5)qui est obtenue en faisant la convolution spatiale des lar-geurs des fentes d’entrée et de sortie exprimées en milli-mètre, et en prenant en compte la dispersion spatiale duréseau exprimée en nm/mm au niveau de la fente de sor-tie. Le fonctionnement optimum du spectrophotomètre,en termes de rapport signal à bruit et résolution spectrale,est obtenu lorsque les largeurs des fentes d’entrée et desortie du monochromateur sont égales.

Les pics d’émission des lampes spectrales (unique-ment les raies uniques) sont utilisés pour évaluer l’exac-titude de la largeur spectrale d’analyse. Pour chaque pic,les signaux mesurés en fonction de la longueur d’ondesont de forme approximativement triangulaire (fig. 2), siles largeurs des fentes d’entrée et de sortie sont égales.Les longueurs d’onde correspondant à la mi-hauteur destriangles sont relevées afin de calculer les largeurs à mi-hauteur. La justesse de la largeur spectrale est quantifiéepar l’écart entre la largeur à mi-hauteur mesurée et la lar-geur affichée par le logiciel du spectrophotomètre.

Les résultats de la caractérisation en longueur d’ondede la largeur spectrale d’analyse, pour une largeur defente donnée, sont présentés sur la figure 6. C’est la

Fig. 7. – Caractérisation de la linéarité du spectrophotomètre.

largeur spectrale mesurée qui doit être prise en comptedans l’évaluation de l’incertitude sur les valeurs de trans-mission des filtres.

5. Caractérisation de la linéarité de la réponsedu spectrophotomètre

La mesure précise de la propriété optique d’un échan-tillon repose sur la linéarité de la réponse du détecteurdu spectrophotomètre. Chaque détecteur doit être carac-térisé en linéarité. Pour vérifier la linéarité du spectropho-tomètre, il faut disposer d’un jeu de filtres étalons de dif-férentes valeurs de transmission, régulièrement étalonnésen facteur de transmission spectrale régulière [5, 6]. Cesfiltres sont étalonnés à l’aide d’un banc de mesure pri-maire par le LNE-LCM (anciennement dénommé BNM-INM ou LNE-INM) [7]. Ces mesures sont traçables auSI [8].

La linéarité est évaluée en calculant les écarts entredes valeurs mesurées par le LNE et les valeurs de réfé-rences mesurées par le LNE-LCM. La figure 7 présenteces écarts en fonction du facteur de transmission régu-lier spectral pour les différents domaines spectraux. Lesrésultats du LNE sont les moyennes de 3 ou 4 séries demesures. Pour chacun des filtres la dispersion selon l’axehorizontal traduit les variations de la valeur de transmis-sion en fonction de la longueur d’onde.

Les écarts relevés qui traduisent la non-linéarité n’en-trainent pas de correction des valeurs mesurées. Ils sonttraités comme une composante d’incertitude et sont ex-plicités dans la partie 6. Les droites de la figure 7représentent les limites des erreurs de justesse prisesen compte pour chaque domaine spectral. La disper-sion des points correspondant à des mesures sans filtre(transmission de 100 %) montrent le niveau de bruit duspectrophotomètre.

6. Évaluation des incertitudes de mesure

Les incertitudes (u) sont évaluées en appliquant laméthode décrite bans le GUM « Guide pour l’évaluationdes incertitudes de mesure » [9].

6 REVUE FRANÇAISE DE MÉTROLOGIE no 41, Volume 2016-1

é

0,00000,00020,00040,00060,00080,00100,00120,00140,0016

0 0,1

Dis

pers

ion

des

résu

ltats

D

1 0,2 0,3 0,4Facteur de transmi

Domaine spectral 400 nm

0,5 0,6 0,7ission spectral régu

m à 680 nm

0,8 0,9 1ulier

Fig. 8. – Reproductibilité des mesures de transmission.

L’évaluation décrite ci-après s’applique au type despectrophotomètre que nous avons caractérisé (mono-chromateur double, double faisceau). Pour d’autres typesde spectrophotomètre, il faut prendre en compte les spé-cificités de l’instrument.

6.1. Reproductibilité

La reproductibilité des mesures de transmission estévaluée à partir des résultats de 3 à 4 séries de mesureseffectuées à des dates différentes sur un jeu de filtres éta-lons (85-90, 85-30, 85-10, 181-50, 181-01). Ces mesuressont complétées par :

– une mesure de transmission sans filtre ; facteur detransmission égal à 1 ;

– une mesure de transmission en obturant le faisceau ;facteur de transmission égal à 0.

La figure 8 présente les dispersions (maxi – mini) desrésultats en fonction du facteur de transmission spectralrégulier pour les longueurs d’onde de 400 nm à 680 nm.L’élargissement horizontal des paquets de points est dûà la variation du facteur de transmission en fonction dela longueur d’onde. Cet élargissement est absent pourune transmission de 100 % (transmission dans l’air). Ladroite oblique représente les incertitudes élargies duesaux bruits prises en compte pour le domaine spectralconsidéré.

Les incertitudes types de reproductibilité, urepro, pourl’ensemble du domaine spectral étudié sont données parles relations (1) :

– de 250 nm à 399 nm :

urepro = (0,000 13 + 0,001 τλ) /2

– de 400 nm à 680 nm :

urepro = (0,000 04 + 0,000 7 τλ) /2 (1)

– de 681 nm à 800 nm :

urepro = (0,000 28 + 0,000 9 τλ) /2

où τλ est le facteur de transmission spectral.

6.2. Instabilité temporelle des faisceaux

L’instabilité temporelle des faisceaux peut être dueaux variations de l’intensité de la source et du facteur detransmission de l’air sur les trajets optiques. Dans notrecas, les mesures sont faites en mode « double faisceau ».Les voies de référence et de mesure sont mesurées al-ternativement avec une fréquence de plusieurs dizainesde hertz et les fluctuations d’intensité sur une durée trèscourte (inférieure à 0,1 s) sont négligeables. Les trajetsoptiques des deux voies étant sensiblement identiques, cemode de fonctionnement permet donc de réduire forte-ment les conséquences des instabilités de la source et desvariations de transmission de l’air (les deux voies varientsimultanément).

En conséquence, l’incertitude sur le facteur de trans-mission spectral mesuré due à l’instabilité des faisceauxest considérée comme négligeable et est prise en comptedans l’incertitude de reproductibilité.

6.3. Incertitude due à la longueur d’onde

L’incertitude (uλ) due à la longueur d’onde (λ) estévaluée à partir de la caractérisation décrite au para-graphe 3. L’incertitude type sur le facteur de transmis-sion spectral mesuré due à l’incertitude ulongueur d’onde surla longueur d’onde est donnée par la relation (2) :

uλ (τλ) =∂τλ∂λ

u(λ). (2)

La dérivée∂τλ∂λ

est calculée à partir des points expé-

rimentaux situés de part et d’autre de la longueur d’ondeconcernée.

Par exemple sur le domaine spectral de 200 nmà 800 nm (fig. 2), l’incertitude sur la longueur d’onde estde 0,02 nm. Par conséquent l’incertitude sur le facteur detransmission due à la longueur d’onde est :

uλ (Tλ) =∂τλ∂λ

0,02 (3)

où∂τλ∂λ

est exprimé en nm−1.

6.4. Incertitude due à la largeur de la bande spectraled’analyse

La distribution spectrale du faisceau transmis par lefiltre à étalonner est le produit du spectre du faisceau in-cident et du facteur de transmission. Le spectre du fais-ceau incident est défini par la largeur de la bande spec-trale d’analyse. Si le filtre présente une variation de latransmission dont la dérivée seconde par rapport à la lon-gueur d’onde est non nulle alors le spectre du faisceautransmis est déformé et la longueur d’onde effective estdécalée par rapport à la longueur d’onde sélectionnée.

Par conséquent, l’incertitude due à la largeur spec-trale est traitée comme l’incertitude due à la justesse en

QUALIFICATION MÉTROLOGIQUE DE SPECTROPHOTOMÈTRE : UN GUIDE POUR LES INDUSTRIELS 7

Fig. 9. – Décalage spectral induit par la largeur de bande.

longueur d’onde. Il faut préalablement déterminer le dé-calage spectral engendré par la largeur spectrale d’ana-lyse. Il peut être obtenu par simulation en prenant commecaractéristique de la largeur spectrale d’analyse une fonc-tion triangulaire correspondant à la fonction de transfertdu monochromateur du spectrophotomètre, et le spectrede transmission du filtre. Le produit de ces deux spectresdonne le spectre du signal vu par le détecteur, courbeen forme de dent de requin sur la figure 9, dont la lon-gueur d’onde centrale peut être différente de la longueurd’onde choisie (longueur d’onde centrale de la courbetriangulaire).

Une estimation de l’incertitude sur la mesure de trans-mission due à la largeur spectrale d’analyse peut être ob-tenue en effectuant des mesures avec des largeurs spec-trales d’analyse différentes à condition que le rapportsignal sur bruit soit suffisant.

Dans les cas les plus courants (transmission de filtresneutres) l’incertitude due à la largeur spectrale est négli-geable. Toutefois ce paramètre d’étalonnage doit être spé-cifié dans le certificat ou rapport d’étalonnage.

6.5. Erreur de justesse en transmission

Les résultats de la caractérisation de la linéarité duspectrophotomètre et donc de la justesse en transmissionsont présentés sans la partie 5 de l’article. Les erreursde justesse si elles ne sont pas corrigées doivent être in-cluses dans les incertitudes. Sur la figure 6, les droitesreprésentant les valeurs Δjustesse sont à prendre en comptepour évaluer l’incertitude due à l’erreur de justesse. Cetteincertitude inclut l’incertitude d’étalonnage uétalonnage filtredes filtres de référence qui sont utilisés pour caractériserle spectrophotomètre et est donnée par l’équation (4).

ujustesse =

√√√⎛⎜⎜⎜⎜⎜⎝∣∣∣Δjustesse

∣∣∣2

⎞⎟⎟⎟⎟⎟⎠2

+(uétalonnage filtre

)2(4)

Les relations donnant les incertitudes types d’étalon-nage prises en compte sont indiquées dans le tableau 1.

Tableau 1Données pour l’évaluation de l’incertitude due à la justesse.

Longueur Transmission ∣∣∣Δjustesse

∣∣∣

Incertituded’onde spectrale type

250 nm à 0 < τλ < 0,03 0,000 3 + 0,000 15 + 0,001 9 τλ360 nm 0,03 < τλ < 1 0,005 τλ 0,000 3 + 0,001 9 τλ

360 nm à800 nm

0 < τλ < 0,03 0,000 2 +0,005 τλ

0,000 15 + 0,001 9 τλ0,03 < τλ < 0,1

0,000 3+ 0,001 9 τλ0,1 < τλ < 10,000 3+0,004 τλ

6.6. Incertitude due aux conditions géométriquesde mesure

Les paramètres géométriques pouvant avoir une in-fluence sur le résultat sont :

– la dimension de la surface d’analyse ;

– l’angle d’incidence du faisceau par rapport àl’échantillon ;

– l’ouverture géométrique du faisceau incident.

Les influences de ces paramètres et les incertitudesassociées ne peuvent pas être quantifiées a priori et dé-pendent principalement de l’objet à étalonner. En consé-quence les conditions géométriques de mesures doiventêtre clairement indiquées avec le résultat de la mesure eten règle générale, l’incertitude due aux paramètres géo-métriques est supposée nulle.

Cependant il faut être vigilant quant à l’influencede ces paramètres. S’il est prévisible ou constaté (parexemple par des comparaisons de résultats ou de la na-ture de l’objet) que les conditions géométriques ont uneinfluence non négligeable sur la transmission, une étudeparamétrique doit être faite afin de quantifier l’incerti-tude due aux paramètres géométriques. Cette incertitudedue aux paramètres géométriques doit alors être évaluéeet intégrée dans l’incertitude globale sur la transmission.

6.7. Incertitude due au filtre à étalonner

Les paramètres, autres que les conditions géomé-triques de mesure, pouvant avoir une influence sur le ré-sultat du fait d’une caractéristique particulière de l’échan-tillon sont :

– la température de l’échantillon : filtre photochro-mique, en couches minces (filtres interférentiels, mi-roirs diélectriques. . . ) ;

– l’humidité ambiante au niveau de l’échantillon (ma-tériaux hygroscopiques) ;

– la polarisation du faisceau incident ;

– le trajet optique dans l’éprouvette ; déviation du fais-ceau pour les objets optiquement épais ou à facesnon-planes ;

– la diffusion du rayonnement.

8 REVUE FRANÇAISE DE MÉTROLOGIE no 41, Volume 2016-1

Tableau 2Évaluation des composantes d’incertitude.

Longueur d’onde (nm)250 à 360 360 à 680 680 à 800

Sources d’incertitudeDomaine de

Valeurs des composantes d’incertitude ux(τλ)transmissionBruits

0 < τλ < 1 0,000 13 + 0,001 τλ 0,000 04 + 0,000 7 τλ 0,000 28 + 0,000 9 τλ(reproductibilité)

Erreur de justesse0 < τλ < 0,1

0,000 3 + 0,005 τλ0,000 2 + 0,005 τλ 0,000 2 + 0,005 τλ

0,1 < τλ < 1 0,000 3 + 0,004 τλ 0,000 3 + 0,004 τλFiltres étalons 0 < τλ < 1 0,000 3 + 0,001 9 τλRésolution 0 < τλ < 1 0,000 01Longueur d’onde 0 < τλ < 1 0,25 dτλ/dλ

Une caractérisation de ces contributions doit être réa-lisée pour évaluer leur impact sur la mesure qui se traduitpar une correction des valeurs mesurées ou une intégra-tion dans le bilan d’incertitude en fonction de l’impor-tance de cette correction.

6.8. Conditions environnementales

Les paramètres environnementaux pouvant avoir uneinfluence sur les résultats sont :

– la température et l’humidité de l’air du laboratoire ;

– les vibrations mécaniques de la partie optique duspectrophotomètre ;

– Le temps de mise en régime.

Le spectrophotomètre est placé dans un local où latempérature et l’humidité sont régulées respectivement à23 ◦C ± 2 ◦C et 50 % HR ± 10 %.

Le spectrophotomètre est placé sur une table optiquemassive. Les incertitudes dues aux vibrations sont sup-posées nulles sous réserve que le spectrophotomètre etla table ne subissent pas de chocs pendant les mesures.On estime que les incertitudes résiduelles dues aux vibra-tions sont intégrées dans l’incertitude de reproductibilitédes mesures.

6.9. Résolution

La résolution des valeurs de transmission est infé-rieure à 10−5. L’incertitude due à la résolution est consi-dérée comme négligeable.

6.10. Lumière parasite

Le taux de lumière parasite du spectrophotomètre estévalué en mesurant le facteur de transmission de filtresdits « passe-haut ». Ce type de filtre est opaque auxcourtes longueurs d’onde et présente une forte transmis-sion aux grandes longueurs d’onde. Le taux de lumièreparasite est important si la transmission aux courtes lon-gueurs d’onde n’est pas nulle. La figure 10 montre latransmission d’un filtre de type GG455 mesurée à l’aided’un monochromateur simple. A la longueur d’ondede 350 nm la transmission mesurée est de 0,095 alors

Fig. 10. – Effet de la lumière parasite d’un monochromateursimple sur la transmission d’un filtre « passe-haut ».

qu’elle devrait être inférieure à 0,000 01 (sur le domainespectral 280 nm–430 nm).

Le spectrophotomètre du LNE intègre un monochro-mateur double dont le principal intérêt est de présenterun taux de lumière parasite faible. Ceci est confirmé parla mesure de la transmission d’une série de filtres passe-haut tels que des filtres de type WG, OG et RG pour ledomaine UV et visible. Cette évaluation permet de négli-ger l’incertitude due à la lumière parasite.

6.11. Incertitude sur la transmission régulière spectrale

L’incertitude type composée pour le facteur de trans-mission spectrale régulière est obtenue en faisant lasomme quadratique des composantes d’incertitude éva-luées dans les parties 6.1 à 6.10 de l’article. L’incerti-tude élargie est égale à l’incertitude type composée multi-pliée par le facteur d’élargissement, k, pris généralementégal à 2.

Pour des applications particulières, la valeur de lacomposante d’incertitude due au bruit de mesure peut êtreréduite en répétant sur l’échantillon plusieurs séries demesures (plusieurs spectres) et en quantifiant l’incertitudetype due au bruit de mesure par l’écart type expérimentaldes valeurs obtenues.

Le tableau 2 présente les diverses composantes d’in-certitude quantifiables a priori (non dépendantes del’échantillon).

QUALIFICATION MÉTROLOGIQUE DE SPECTROPHOTOMÈTRE : UN GUIDE POUR LES INDUSTRIELS 9

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Ince

rtitu

de é

larg

ie (k

= 2

)

Facteur de transmission spectral

250 nm à 360 nm

360 nm à 400 nm

400 nm à 680 nm

680 nm à 800 nm

Fig. 11. – Incertitude élargie minimale pour les mesuresde transmission régulière spectrale avec le spectrophotomètreLambda 900.

La figure 11 donne les incertitudes élargies actuellesdu LNE pour le facteur de transmission de filtres pour lesdifférentes bandes spectrales.

7. Conclusion

La qualification métrologique des spectrophoto-mètres utilisés pour la caractérisation des matériaux estune opération indispensable pour déterminer les perfor-mances de ces instruments. Elle permet de mettre en évi-dence et d’évaluer des sources d’erreurs telles que la lu-mière parasite.

La procédure décrite pour réaliser cette qualificationpermet d’obtenir des informations pour évaluer lesincertitudes associées aux deux grandeurs qui formentle résultat d’une mesure à savoir : la longueur d’onde etla propriété optique (transmission, réflexion). Elle peut

être mise en œuvre dans tous les laboratoires utilisant desspectrophotomètres et des filtres de référence.

Références

[1] Pfeffer J.C., Skoropinski D.B. et Callis J.B.,“Simple, compact visible absorption spectrophotometer”,Anal. chem., 56, 14, 1984.

[2] Ren Z., Lin G., Dai L., Huang Z. et Zug L.,“Development of a novel spectrophotometer for biochem-ical analyser based on volume holography transmissivegrating and linear CCD”, J. Phys.: Conf. Ser., 277, 2011.

[3] Nevas S., Manoocheri F. et Ikonen E., “Determinationof thin-film parameters from high accuracy measurementsof spectral regular transmittance”, Metrologia, 40, 2003.

[4] Reader J. et Corliss C.H., “Wavelengths and TransitionProbabilities for Atoms and Atomic Ions -Part 1”, USDepartment of Commerce – NBS, déc. 1980.

[5] “Practical methods for the measurement of reflectanceand transmittance”, Rapport technique de la CIE, 130,Commission international de l’éclairage, 1998.

[6] Gaudemer J. et Voyer J., « Pratique des mesuresspectrophotométriques par transmission », 8e CongrèsInternational de Métrologie, 20–23 oct. 1997, Besançon,France, actes du congrès, pp. 243–246.

[7] Lecollinet P. et Bastie J., « Mesure des facteursde transmission de filtres optiques au BNM-INM »,8e Congrès international de métrologie, 20–23 oct. 1997,Besançon, France, actes du congrès, pp. 343–348.

[8] Obein G. et Bastie J., “Report on the CCPR KeyComparison K6 Spectral regular transmittance”, Basede données du BIPM sur les compraisons clés (KCDB),septembre 2008, http://kcdb.bipm.org/AppendixB/appbresults/ccpr-k6/ccpr-k6_final_report.pdf.

[9] Guide pour l’expression des incertitudes/Guide to theExpression of Uncertainty in Measurement (GUM),JCGM 100:2008, BIPM, 1re édition, 2008.Article reçu le 13 janvier 2015, version révisée reçue le 9 septembre 2015.

10 REVUE FRANÇAISE DE MÉTROLOGIE no 41, Volume 2016-1