Contributions au développement et à l’utilisation de l’instrument du

Au cours de ma thèse, j’ai eu l’occasion de contribuer de différentes manières au développe-ment des procédures d’utilisation et de calibration du spectro-gonio-radiomètre du LPG. Mes

Analyse des spectres proche-IR en réflexion : expériences en laboratoire. principales contributions ont été l’écriture d’une nouvelle procédure de calibration des don-nées et la réalisation d’un logiciel doté d’une interface graphique permettant à tout utilisateur d’étalonner et de visualiser rapidement les mesures réalisées.

Procédure d’étalonnage des données. L’étalonnage relatif des données est obtenu en faisant le rapport entre la mesure de l’échantillon et la mesure d’une référence. Nicolas Bon-nefoy (BonBon-nefoy, 2003) a développé une procédure de calibration très précise pour le spectro-gonio-radiomètre du LPG. Cependant, cette procédure soufre de deux inconvénients majeurs. Premièrement, la procédure ne peut être utilisée que sur la gamme spectrale où la référence utilisée est le Spectralon® (Labsphere, Inc.). Or cette référence n’est utilisable que jusqu’à 2500 nm, le reste du spectre étant étalonné par rapport à la surface Infragold® (Labsphere, Inc.). Deuxièmement, la procédure définie par N. Bonnefoy nécessite de réaliser une mesure du spectre de l’échantillon et de la référence dans chaque configuration géométrique ce qui aboutit à doubler le temps total de mesure. Afin de gagner du temps, la mesure de la référence sous une seule géométrie et l’extrapolation aux autres géométries est souhaitable.

Pendant sa thèse, N. Bonnefoy a mené à bien la calibration absolue du comportement de la référence Spectralon® en fonction de la géométrie de mesure. Cette calibration absolue de la référence est nécessaire pour obtenir une bonne précision photométrique par la suite. Il aurait été possible de réaliser le même travail pour la référence Infragold®. Cependant, cette opération longue et délicate n’est pas nécessaire. En effet, les deux références possèdent une zone de recouvrement dans leur gamme spectrale « utile ». Il s’agit de la gamme : 2000 – 2500 nm. La procédure que j’ai développée utilise cette zone de recouvrement pour corriger le comportement de la référence Infragold® en adéquation avec les robustes résultats obtenus pour la référence Spectralon®. La correction de comportement de la référence ainsi obtenue est alors extrapolée au reste de la gamme spectrale. Cette extrapolation se justifie par le comportement spectral parfait (réflectance constante) de l’Infragold® sur toute la gamme spectrale : 2000 – 5000 nm.

La nouvelle procédure de calibration ne nécessite plus la mesure des références dans toutes les géométries mais dans une seule configuration géométrique avec incidence verticale ( i=0°). Ceci permet d’une part de gagner du temps et d’autre part de gagner en rapport signal sur bruit sur les mesures réalisées avec des angles d’incidence élevés. En contrepartie, quelques calculs supplémentaires et des corrections de défauts instrumentaux ont du être implémentés dans la procédure. Il est notamment nécessaire de corriger l’inhomogénéité de l’éclairement. En effet, le système optique utilisé pour éclairer l’échantillon (fibre optique, miroir. . .) génère des inhomogénéités spatiales sous la forme d’un gradient radial du centre vers la périphérie et de défauts locaux reflétant la structure du réseau de fibres optiques. Un dispositif mécanique porteur d’un détecteur au silicium a été développé par O. Brissaud et N. Bonnefoy pour réaliser une cartographie du flux lumineux incident sur le plan de l’échantillon. Les mesures de flux sont réalisées le long de profils radiaux puis interpolées numériquement. La figure 3.4 présente les résultats d’une cartographie réalisée le 02 février 2007.

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Fig.3.4: Cartographie de l’inhomogénéité d’éclairement sur le plan de l’échantillon. Dans cet exemple, l’incidence est verticale et l’angle d’émergence : e=70°. L’ellipse noire représente la zone “vue” par le détecteur. On représente par l’échelle de couleurs le flux reçu en pourcentage de la valeur maximale mesurée.

Sur cette figure, on visualise également l’ellipse d’observation correspondant à un angle d’émis-sion de 70°. Le code de couleur correspond à une valeur relative de flux, en pourcentage de la valeur maximale mesurée. La procédure d’étalonnage que j’ai écrite réalise l’intégration du flux lumineux à l’intérieur de l’ellipse d’observation. Ce calcul doit être systématiquement réalisé pour toutes les différentes valeurs d’angles d’incidence et d’émergence. D’autres cor-rections peuvent également être appliquées comme la correction des propriétés spectrales et de la BRDF des références. Néanmoins, nous ne discuterons pas ces procédures ici. Le lecteur intéressé par plus de détails se reportera à la documentation du logiciel.

Logiciel d’étalonnage et de visualisation des données. La procédure précédemment décrite a entièrement été écrite dans le langage IDL. Il est donc possible de l’interfacer depuis d’autres programmes IDL et notamment depuis une interface utilisateur graphique construite sur le système de widgets d’IDL. La figure 3.5 représente l’interface principale du logiciel que j’ai développé pour réaliser le traitement interactif des données.

Analyse des spectres proche-IR en réflexion : expériences en laboratoire.

Fig. 3.5: Interface graphique du logiciel d’étalonnage et de visualisation des spectres. Dans cet exemple, le spectre en réflexion d’un échantillon (palagonite HWMK740) a été mesuré dans le visible et le proche infrarouge sous une seule configuration géométrique. Le cadre à gauche du graphique récapitule les options sélectionnées pour la calibration des données. On voit notamment que le logiciel laisse à l’utilisateur le choix d’une série d’options de cali-bration. Celles-ci sont décrites dans le mode d’emploi du logiciel. Une fois le ou les spectres calibrés, il est possible de visualiser directement les résultats dans la fenêtre graphique du logiciel. Enfin, on peut exporter les spectres calibrés en différents formats : IDL, texte, Igor Pro ou fichier image png. La possibilité d’utiliser le logiciel facilite grandement la tâche des utilisateurs, évitant de fastidieuses manipulations de fichiers et permettant d’accéder facile-ment aux options d’étalonnage les plus fines. Le temps de développefacile-ment a donc rapidefacile-ment été compensé par les gains de temps cumulés lors de chaque série de mesures.

Mesures en lumière polarisée. L’étude des effets de la polarisation de la lumière sur les mesures était l’un des objectifs affichés lors de la conception de l’instrument. Cependant, la possibilité de réaliser de telles mesures n’avait jamais été exploitée. En avril 2008, j’ai réalisé en compagnie de Vaitua Leroi, doctorant à l’IAS et d’Olivier Brissaud les premières mesures de spectres en réflectance de minéraux avec source lumineuse polarisée sur l’instrument du LPG. L’objectif était de comparer les spectres en réflexion mesurés avec une lumière polarisée

ou non polarisée. Une des applications était de valider une partie du concept instrumental de l’instrument Micromega proposé pour la future mission européenne ExoMars. Ces mesures ont également permis de démontrer la capacité de l’instrument à obtenir des mesures de qualité en polarimétrie.

Mesure sur des échantillons contenant de la glace d’eau en chambre froide. Au cours de ma thèse, le spectro-gonio-radiomètre du LPG a été installé dans une chambre froide conçue à cet effet. Cette chambre froide permet d’atteindre des températures de -40°C. Il est donc désormais possible de réaliser des mesures sur des échantillons contenant de la glace d’eau. En pratique, nous avons souvent travaillé à -10°C. J’ai profité de cette possibilité nou-velle pour réaliser des mesures sur des mélanges de minéraux et de glace d’eau (comparaison des spectres visibles et proche infrarouge d’une part et des constantes diélectriques d’autre part de mélanges minéraux / glace ; travail réalisé en collaboration avec Essam Heggy, LPI / IPGP). Le dispositif SERAC (chapitres 5 et 6) tire également pleinement partie de la pos-sibilité d’obtenir de basses températures dans la pièce sans devoir utiliser de complexes et coûteux cryostats à azote ou hélium. Cependant, travailler à -10°C impose également de nom-breuses contraintes. Ainsi, toutes les électroniques doivent être installées dans des caissons thermostatés pour être maintenues à +20°C. De plus, toute intervention de l’expérimenta-teur, aussi simple soit elle, est rendue pénible et fatigante par le froid. Il convient donc de définir à l’avance des protocoles permettant aux mesures d’être réalisées essentiellement de façon automatique.

Chapitre

4

Intensité des bandes d’absorption

de l’eau dans les minéraux

hydratés : texture et géométrie de

mesure

4.1 Effet de la taille des particules et corrélation avec l’albédo

Cette section est la version française de l’article : « Strength of the H2Onear-infrared absorp-tion bands in hydrated minerals : Effects of particle size and correlaabsorp-tion with albedo » (A. Pommerol et B. Schmitt (2008), J. Geophys. Res., 113, E10009, doi :10.1029/2007JE003069).