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La Chaîne métrologique dans le domaine de l’éclairage
S. ISSA et F. MERCIER
Ecole Supérieure de Métrologie
L’unité d’intensité lumineuse, la candela, est peu connue du monde scientifique et
quasi inutilisée par le grand public, alors que ses implications économiques sont
considérables.
Cet article a pour but de mieux faire connaître cette unité, ses applications, sa
matérialisation et sa chaîne métrologique.
HISTOIRE DE L’UNITÉ D’INTENSITÉ LUMINEUSE
Depuis la nuit des temps, les hommes ont eu recours à la lumière artificielle. Les
hommes préhistoriques confectionnaient déjà des torches pour s’éclairer. Mais la
mesure de l’intensité n’a pas été leur préoccupation première et il a fallu attendre le
Siècle des Lumières pour que les premiers travaux importants et fondamentaux dans le
domaine de la photométrie soient réalisés. [1]
Au début du 18ème
siècle, Pierre Bouger écrivit deux ouvrages de référence décrivant
les principes de la photométrie et le premier photomètre utilisant la loi de l’inverse du
carré de la distance. En 1760, Johnson Henrick Lambert publia un ouvrage où il
énonçait pratiquement tous les principes fondamentaux de la photométrie, tels que la
loi d’additivité des éclairements, la loi de la dérivation en cosinus de l’éclairement et
de l’émission.
Malgré ces travaux, la lumière n’était pas encore une grandeur réellement mesurable :
on ne pouvait pas donner à la lumière une valeur numérique en la comparant à un
étalon, puisqu’il n’existait pas d’étalon lumière.
Le développement de l’éclairage au gaz au début du 19ème
siècle rendit les mesures
de photométrie indispensables et les premiers étalons apparurent sous forme de
bougies. Ces étalons furent vite remplacés par des lampes à flamme dont la stabilité,
bien qu’encore peu satisfaisante, était cependant nettement meilleure.
C’est en 1881 que Jules Violle, pour rendre l’étalon d’intensité lumineuse indépendant
d’un objet matériel et le rattacher à un phénomène physique, proposa d’utiliser
comme étalon photométrique, le rayonnement émis par une surface platine à sa
température de solidification (figure 1).
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Fig. 1 – Expérience de Jules Violle
En 1884, la commission internationale pour la définition des unités électriques adopta
comme définition de l’unité de lumière, la quantité de lumière émise dans une direction
normale, par un centimètre carré de surface d’un bain de platine pur fondu, à sa
température de solidification. Puis en 1889, le congrès international des électriciens
définit la bougie décimale, unité en usage à l’époque, comme le vingtième de l’unité
Violle. Mais l’unité Violle étant d’un emploi très peu pratique, les différents pays
continuèrent à utiliser différentes lampes à flamme comme étalon : la lampe Carcel en
France, la lampe Hefner en Allemagne ou la lampe Vernon-Hercourt en Angleterre. Du
fait du développement international des mesures photométriques, il fallait comparer
ces différents étalons et connaître le rapport de leur unité. Cela fut fait en 1906 et on
trouva que la bougie française était égale à la bougie anglaise et à 1,1 bougie Hefner
(allemande). Ceci avec des écart maximaux entre eux de moins de 2%.
Pour faire les mesures photométriques, on comparait à l’aide d’un photomètre visuel,
deux sources entre elles et l’œil de l’observateur visualisait l’égalité de deux
luminances. Cette égalisation était d’autant meilleure que les deux plages à comparer
avaient une couleur proche, c’est-à-dire que la comparaison était homochrome. Mais
les comparaisons hétérochromes augmentant, les mesures étaient de plus en plus
difficiles.
En 1924, Gibson et Tyndall proposèrent pour remédier à ce problème une table de
valeurs établie à partir de l’examen critique des valeurs trouvées par divers
observateurs en utilisant diverses méthodes, lors de la mesure de « la fonction de
visibilité relative ». Ceci donna la courbe V(l) ou courbe de « l’efficacité lumineuse
spectrale relative ».
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Fig. 2 – Courbe V(l) ou courbe de « l’efficacité lumineuse spectrale relative »
Grâce à cette courbe, l’intensité lumineuse devint mesurable à partir de grandeurs
physiques et on put établir un lien mathématique entre l’intensité énergétique du
rayonnement et l’intensité lumineuse perçue par l’observateur :
avec :
Iv intensité lumineuse
km
efficacité lumineuse spectrale maximale
Ie,l
(l) densité spectrale d’intensité énergétique
V(l) efficacité lumineuse spectrale relative
Mais en 1924, les mesures radiométriques en étaient à leurs balbutiements et l’œil d’un
observateur entraîné permettait de faire des mesures avec une incertitude bien
inférieure à celle des détecteurs physiques.
En 1948, d’après les travaux de Kirchoff et Planck sur les corps noirs, la 9ème
conférence
générale des poids et mesures adopta cette définition :
« la grandeur de la bougie nouvelle est telle que le brillance du radiateur intégral à la
température de la solidification du platine, soit de 60 bougies nouvelles par centimètre
carré » et en 1949, cette unité prit le nom de candela.
Une comparaison des différents laboratoires ayant réalisés cette nouvelle définition fut
organisée en 1952 et montra que l’écart maximal existant entre les différentes
réalisations était de 1,2%, du même ordre que celui obtenu en 1906. On ne peut pas
conclure sur une nette amélioration .
De plus, si on reprend la définition mathématique de l’intensité lumineuse et qu’on
l’applique à la luminance : on voit que la luminance dépend de la valeur numérique
de la température assignée au point de congélation du platine, valeur qui dépend des
travaux effectués par les thermométristes. Dans ces conditions, la valeur de km
est une
valeur expérimentale qui change chaque fois que la valeur attribuée à la température
de congélation du platine change. Ainsi la valeur de km
pouvait varier de 671 à 687
lm/W. [2]
Le développement des mesures spectro-radiométriques absolues permit de donner des
valeurs de km
comprises entre 682 et 687 lm/W, ce qui n’était pas encore acceptable.
L’unité d’intensité lumineuse de 1979
En 1975, lors d’une réunion du CCPR (Comité Consultatif de Photométrie et de
Radiométrie), les participants émirent deux recommandations portant sur l’étude d’une
nouvelle définition basée sur la relation existant entre le lumen et le watt et sur la valeur
à attribuer à km
pour assurer la continuité des mesures avant et après le changement
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de définition. Cela amena la nouvelle définition de 1979 :
« La candela est l’intensité lumineuse dans une direction donnée, d’une source qui
émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 terahertz et dont l’intensité
énergétique dans cette direction et de 1/683 watt/stéradian »
On a donc fixé la valeur de km
à 683 lm/W (les différents laboratoires ayant proposé
des valeurs allant de 681 à 684 lm/W).
Cela a donc amené à réaliser la candela à partir d’une nouvelle méthode basée sur la
mesure d’un éclairement énergétique produit par la source dont on veut connaître
l’intensité lumineuse, à travers un filtre ayant une transmission proportionnelle à V(l).
Une nouvelle inter-comparaison fut menée mais là encore la dispersion des mesures
resta de l’ordre de 1%, c’est-à-dire toujours du même ordre de grandeur que celle
observée en 1906 sur les lampes étalons à flamme. Et à la surprise générale, les lampes
étalonnées selon la nouvelle définition avaient une intensité lumineuse supérieure de
1% à la valeur qu’elles auraient eues si elles avaient été étalonnées par rapport aux
références maintenues au BIPM. C’est-à-dire que le choix de la valeur attribuée à km
,
de 683 lm/W n’assure pas d’une manière aussi parfaite que souhaitée la continuité des
mesures. Le BIPM a donc depuis le 1er
janvier 1987 augmenté de 1% la valeur attribuée
à ces étalons d’intensité lumineuse.
Donc les résultats des comparaisons internationales prouvent que les progrès dans la
mesure des intensités lumineuses ont été très faibles. Mais maintenant, les grandeurs
photométriques, grâce à la définition actuelle de la candela, sont liées directement
aux grandeurs radiométriques.
Les améliorations considérables des mesures radiométriques vont augmenter
l’exactitude des mesures photométriques grâce à l’utilisation de radiomètres à
substitution électrique cryo-géniques.
Les membres du Comité Consultatif de Photométrie et de Radiométrie du BIPM
estimant que le radiomètre cryogénique constitue un seuil pour la radiométrie de
grande exactitude ont décidé de concentrer leurs efforts sur cette nouvelle technique.
Les inter comparaisons en cours laissent entrevoir une exactitude augmentée. [3]
NECESSITE DE DISPOSER DE L’UNITE DE LA CANDELA
Le rayonnement optique décrit l'intervalle du rayonnement électromagnétique dans
la plage de longueur d'onde allant de 100 nm à 1mm. La matérialisation du
rayonnement optique se retrouve par exemple dans les grandeurs de mesure du
rayonnement physique (radiométrique), lumineux (photométrique), photobiologique ou
physiologique végétal. [4]
Il est donc primordial de mettre au point et de conserver l’étalon fondamental SI
d’intensité lumineuse, la candela. La connaissance de la photométrie, de ses étalons et
des techniques mises en œuvre sont indispensables pour l’étude de nombreuses
applications concernant l’éclairagisme, l’optique physiologique, l’action biologique ou
chimique des radiations, ainsi que l’optique instrumentale et les conditions d’émission
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ou d’absorption des rayonnements par la matière. [5]
Nous allons donc répertorier les différents domaines où la mesure des rayonnements
optiques est importante [6] :
Ø Couleur et vision
Ce domaine s'occupe des aspects de l'éclairage liés aux évaluations de lumière et de
couleur, en liaison avec leur appréciation visuelle ; il étudie les réponses du système
visuel à la lumière ; établit des références et des spécifications à leur sujet.
Ø Mesure de la lumière et des radiations
Ce domaine étudie les procédures et des méthodes normalisées pour l'évaluation des
rayonnements ultraviolets, visibles et infrarouges ainsi que des rayonnements intégrés
sur un large domaine spectral. Il étudie les propriétés optiques des matériaux et des
luminaires. Il étudie les propriétés et les performances des détecteurs de rayonnements
optiques et des équipements annexes nécessaires à leur utilisation.
Ø Eclairage intérieur
Ce domaine étudie les facteurs qui influent sur la satisfaction des occupants d'un
bâtiment en matière de lumière naturelle comme de lumière artificielle. Il élabore des
critères, des règles de calcul, des techniques de conception, pour l'éclairage intérieur
des bâtiments.
Ø Eclairage et signalisation pour les transports
Ce domaine étudie l'éclairage et la signalisation visuelle, les besoins en information
pour les transports et la circulation, tels que l'éclairage des routes et des véhicules, le
marquage, les panneaux de signalisation pour tous les types de routes publiques ainsi
que pour tous les types d'usagers et de véhicules, et les aides visuelles pour d'autres
modes de transport.
Ø Eclairage extérieur et autres applications
Ce domaine définit des procédures et prépare des guides pour les projets d’éclairage
des zones de travail à l’extérieur, de sécurité, d’illuminations, des zones piétonnes et
autres zones urbaines n’impliquant pas le trafic motorisé, des installations sportives, de
loisirs et grands espaces et enfin des mines.
Ø Photobiologie et photochimie
Ce domaine étudie tous les aspects des effets des radiations optiques et de l'éclairage
sur les matériaux, les plantes, les animaux et l'homme, autres que la vision.
Ø Technologie de l'image
Ce domaine étudie les méthodes et prépare des recommandations et des normes,
relatives aux aspects optiques, visuels et métrologiques de la communication, du
traitement et de la reproduction des images, applicables à tous les types de dispositifs
d'acquisition, de conservation et de restitution, aussi bien analogiques que numériques.
On se rend compte que la maîtrise de la mesure de l’éclairage a une grande
importance et touche de larges domaines et que de nouveaux enjeux et technologies
prouveront encore une fois la nécessité de disposer d’une unité propre à l’éclairage.
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Tableau 1 – Nouvelles technologies et nouveaux enjeux
INDUSTRIES CONCERNEES
La radiométrie (mesure du rayonnement optique) et la photométrie (mesure du
rayonnement optique [lumineux] perçu par l’œil humain) sont importantes pour une
grande partie du secteur public, de l'industrie et des services.
L'expansion rapide récente des communications électro-optiques, des photo-
détecteurs et fibres optiques est à l'origine d'une demande accrue de mesures
radiométriques plus précises et plus variées. On estime qu'un quart de l'électricité est
utilisé pour l'éclairage, d'où l'intérêt considérable d'une efficacité accrue grâce à de
meilleures normes photométriques. Les transports (routiers, aériens et maritimes)
dépendent considérablement de la signalisation visuelle et de l'éclairage, d'où
l'importance des mesures photométriques et de la recherche sur les couleurs. La santé
et la sécurité du public exigent la mesure exacte des quantités de rayonnements
ultraviolet, laser et photo thérapeutique. Parmi les autres secteurs exigeant des étalons
photométriques, radiométriques ou colorimétriques, citons les peintures, les textiles, les
plastiques, les pâtes et papiers, la télévision, l'agriculture, la météorologie,
l'environnement, l'armée et l'espace. Pour servir cette vaste clientèle, la mise au point
et la conservation de l'étalon fondamental SI d'intensité lumineuse (candela) et des
étalons de base pour la mesure de la lumière, de la couleur et du rayonnement
optique sont primordiaux. [7]
METHODES DE REALISATION DES MESURES DE RADIATION OPTIQUE
La première méthode correspond à la mise en œuvre du flux émis par un corps noir.
L’exactitude de cette mesure dépend donc de l’exactitude de l’échelle de
température thermodynamique et de la validité des lois de rayonnement du corps noir.
La deuxième méthode correspond à la radiométrie absolue.
D’autres méthodes sont en cours de développement comme la détermination de la
sensibilité spectrale de photodiodes au Si par détermination de rendement quantique
et l’utilisation du rayonnement synchrotron comme source ayant une distribution
spectrale de puissance.
Radiométrie absolue
Les mesures de radiométrie absolue sont faites avec des détecteurs thermiques dans
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lesquelles l’énergie transportée par le rayonnement est transformée en chaleur. Cette
chaleur provoque une élévation de température que l’on mesure. Les détecteurs
utilisés en radiométrie absolue sont construits d’une manière telle qu’ils peuvent
également être échauffés par une autre forme d’énergie qui fournit une référence.
Cette énergie de référence est délivrée au moyen d’une puissance électrique et dans
ce cas les instruments sont connus sous le nom de radiomètre à substitution électrique.
[8]
La figure 3 montre le schéma de principe de ce radiomètre.
Fig. 3 – Schéma de principe du radiomètre à substitution électrique
La mesure de l’intensité lumineuse à l’INM
L’unité d’intensité lumineuse a été réalisée à l’Institut National de Métrologie en 1984, la
figure 4 schématise le principe de mesure utilisé :
Fig. 4 – Schéma de principe de la réalisation de la candela
Ce montage réalise physiquement l’intégration représentée par la relation
mathématique suivante :
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avec :
Iv intensité lumineuse (cd)
Em
éclairement énergétique mesuré par le détecteur(W.cm-2
)
d distance optique source radiomètre (m)
km
efficacité lumineuse maximale= 683 lm.W-1
S distribution spectrale relative à la source
V efficacité lumineuse relative spectrale
t transmission réelle du filtre « V(l) »
L’éclairement énergétique, produit à travers un filtre V(l) par la lampe à étalonner en
intensité lumineuse, est mesuré par le radiomètre à substitution électrique. [9]
La lampe à étalonner en intensité lumineuse éclaire à travers un filtre V(l) un détecteur
étalon qui mesure l’éclairement énergétique qu’il reçoit. V(l) est destiné à donner au
détecteur, qui est dans ce cas le radiomètre a à substitution électrique, une sensibilité
spectrale identique à celle de « l’observateur standard » tel que le conçoit la
commission internationale de l’éclairement (CIE),. [10]
Le calcul de l’éclairement lumineux dans le plan du détecteur est basé sur la
connaissance de l’éclairement énergétique relatif à la transmission du filtre.
Ce radiomètre fonctionnant à la température ambiante permet de comparer
directement une puissance électrique à une puissance radiative apportée au même
détecteur, donc la possibilité d’avoir la mesure du rayonnement optique en unité
énergétique.
Dans la pratique, il n’y a pas égalité entre la puissance radiative et la puissance
électrique, il faut donc introduire des corrections nécessaires pour prendre en compte
des différences existant dans la conversion et la propagation de la chaleur dans le
détecteur.
Par la méthode utilisée, la détermination de l’intensité lumineuse nécessite la
connaissance non seulement de l’éclairement énergétique, mais aussi de la distance
d, de la distribution spectrale relative de la source, de la transmission du filtre et bien sur
de Km
et V(l).
Le tableau 1 montre les principales causes d’incertitude, au niveau 1s. Les deux
principales causes de l’incertitude sont dues au radiomètre à substitution électrique, la
meilleur incertitude réalisée par cette méthode est 3. 10-3
au niveau de 1s.
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Tableau 2 – Causes d’incertitude
L’amélioration des incertitudes sur la réalisation de la candela nécessite la réduction
de l’incertitude sur les mesures radiométriques. Pour cette objectif, l’INM a utilisé les
propriétés particulières de la matière à basse température en utilisant un radiomètre
électrique cryogénique.
Le radiomètre cryogénique
Le radiomètre à substitution électrique cryogénique est la référence radiométrique de
l’INM depuis 1992.
Fig. 5 – Schéma du radiomètre cryogénique Radiox d’Oxford Instruments [11]
Le radiomètre à substitution électrique cryogénique est la référence radiométrique de
l’INM depuis 1992. Ce radiomètre fonctionne sur le même principe de base qu’un
radiomètre à substitution électrique, la seule différence est la température de
fonctionnement qui est ici celle de l’hélium liquide (4,2 K). Le fonctionnement à cette
température permet d’éliminer, grâce à la très grande conductivité thermique des
matériaux utilisés, non seulement la non-équivalence entre les deux modes de
chauffage mais aussi de remplacer la petite surface absorbante par une cavité qui
piège la quasi-totalité du rayonnement.
Les résultats des mesures effectués par ce radiomètre sont établis avec une incertitude
estimé à 1 . 10-4
au niveau 1s dans le domaine de visible.
Ces résultats sont assurés par une comparaison directe avec le radiomètre du Bureau
International des Poids et Mesure BIPM, en 1994, cette comparaison a montré que les
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deux radiomètres sont en accord entre eux aux incertitudes de mesure près.
Actuellement il y a deux facteurs influençant le développement des mesures
photométriques. Le premier est la difficulté d’avoir des lampes étalons de bonne
qualité, parce que de telles lampes demandent une fabrication très précise pour une
petite quantité et donc un prix très élevé.
Le second est le développement de détecteurs au silicium avec l’excellente stabilité
de leur sensibilité spectrale sur l’ensemble du spectre.
La tendance actuelle des laboratoires de photométrie est de substituer aux groupes de
lampes étalons qui maintiennent la candela, des photomètres étalons qui assureraient
la même fonction.
Une nouvelle matérialisation de la candela est en cours à l’INM : le radiomètre à
substitution électrique fonctionnant à la température ambiante est remplacé par un
détecteur de silicium étalonné directement par le radiomètre cryogénique…
LA CHAINE METROLOGIQUE
L’utilisation du radiomètre cryogénique n’est pas limitée à la réalisation de la candela,
il est possible de profiter de celui-ci pour des mesures radiométriques de haute qualité
spécialement pour l’étalonnage des détecteurs en sensibilité spectrale avec des
faibles incertitudes.
La chaîne métrologique de ces détecteurs commence par les entreprises ou
laboratoires qui ont ces détecteurs et veulent qu’ils soient étalonnés. Ces détecteurs
seront comparés à des étalons d’un niveau supérieur, les étalons eux-mêmes seront
comparés à des étalons de niveau encore plus élevé jusqu’à l’étalon national.
A chaque comparaison, la dégradation d’incertitude dépend des conditions
expérimentales, de la qualité des étalons et des moyens de comparaison, et donc les
utilisateurs peuvent choisir le niveau d’incertitude souhaité. En France, le COFRAC
assure la garantie de qualité des mesures et leur raccordement aux étalons nationaux.
Un exemple de cette chaîne correspond à la traçabilité pour un détecteur de
rayonnement optique (Figure 6) en déterminant sa sensibilité absolue pour différentes
longueurs d’onde. Ce détecteur est un détecteur thermique utilisé dans une chaîne de
production en contrôle de sortie. L’étalonnage de ce détecteur se fait par des étalons
de référence détenus par un premier Service de Métrologie Accrédité dont les
références sont raccordées par un deuxième Service de Métrologie Accrédité. Ce
dernier a à sa disposition des photodiodes au silicium et au germanium comme étalons
de référence, et ces dernières sont raccordées aux étalons du laboratoire national du
GIP- BNM qui détient le radiomètre cryogénique.
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Fig. 6 – Traçabilité pour la mesure de la stabilité spectrale des détecteurs
Les raccordements métrologiques sont faits non seulement au niveau national, mais
aussi au niveau international, parce que plusieurs pays ont besoin de développer les
mesures dans le domaine de radiométrie et photométrie. Mais comme les radiomètres
cryogéniques sont extrêmement chers et demandent des matériels annexes pour le
fonctionnement, pompage, lasers, etc., ce qui augmente les coût des expériences. La
meilleure solution est de réaliser des instruments de transfert capables de maintenir les
niveaux d’incertitudes annoncés. Ces détecteurs pourront être utilisés comme
références pour l’étalonnage des détecteurs à condition d’être vérifier régulièrement
par rapport au radiomètre cryogénique.
Comme deuxième exemple de chaîne métrolo-gique, nous avons choisi celle de
Singapour pour la radiométrie (figure 7), le schéma de traçabilité montre le
raccordement de la candela au radiomètre cryogénique et toutes les mesures
optiques et autres applications.
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Fig. 7 – Chaîne métrologique en radiométrie du NMC de Singapour [12]
CONCLUSION
Comme nous l’avons vu, l’évolution des méthodes et des techniques de mesure et
celle de la définition de l’intensité lumineuse au cours du siècle dernier n’a pas
beaucoup amélioré la qualité des mesures photométriques. Mais l’évolution du
concept de la photométrie qui, d’une mesure de quantité de « lumière » perçue par un
individu, est devenue une mesure de rayonnement, facilite maintenant l’utilisation du
radiomètre cryogénique.
En rattachant toutes les mesures photométriques et radiométriques au radiomètre
cryogénique, des progrès dans la qualité de ces mesures se feront sentir et permettront
le développement international de nombreux domaines industriels et de recherche.
BIBLIOGRAPHIE
[1] : BASTIE J. L’unité d’intensité lumineuse au Conservatoire National des Arts et
Métiers. Bulletin du Bureau National de Métrologie, n°99. 1995.
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[2] : BASTIE J. Conséquences pratiques de changement de définition de la Candela.
Lux, n°145. Novembre – décembre 1987.
[3] : CCPR , Comité Consultatif de Photométrie et Radiométrie, BIPM, (page consultée
le 4 février 2004) Rapports de session, [En ligne]. http://www1.bipm.org/en/committees
/cc/ccpr/publications_cc.html
[4] : ALMEMO, (page consultée le 4 février 2004) Rayonnement optique, [En ligne].
http://perso.wanadoo.fr/ahlborn/chap14.html
[5] : Encyclopædia Universalis, (page consultée le 29 janvier 2004) Définition de
photométrie, [Sur abonnement]. http://www.universalis-edu.com/
[6] : AFE, Association Française de l’Eclairage, (page consultée le 4 février 2004)
Divisions de la CIE, [En ligne]. http://www.afe-eclairage.com.fr/cnfe.htm
[7] : Conseil national de recherches Canada, (page consultée le 4 février 2004)
Photométrie et radiométrie, [En ligne]. http://infosource.gc.ca/Info_1/NRC-PR-f.html
[8] : BASTIE J. Les références radiométriques à l’INM Radiométrie à substitution
électrique. Bulletin du Bureau National de Métrologie, n°68. 1987.
[9] : BASTIE J. Les réalisations de l’INM dans les domaines de la radiométrie et de la
photométrie. Bulletin du Bureau National de Métrologie, n°96. 1994.
[10] : TOUAYAR O, BASTIE J. Un radiomètre cryogénique pour quoi faire ?. Revue
pratique de Contrôle Industriel, n°203. Février 1997.
[11] : National Measurement Laboratory NML Australie, (page consultée le 4 février
2004) Photometry & Radiometry: Facilities, [En ligne]. http://www.nml.csiro.au
/Laboratory/Facilities/facilitiesPhoto.htm
[12] : National Measurement Centre NMC The Singapore National Metrology
Programme, (page consultée le 4 février 2004) Optical Radiation Metrology, [En ligne].
http://www.metrology.org.sg/optical.html
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