Infrarouge

By Editors Team on June 12, 2022

L’infrarouge ( IR ), parfois appelé lumière infrarouge , est un rayonnement électromagnétique (EMR) avec des longueurs d’ onde plus longues que celles de la Lumière visible . Il est donc invisible à l’œil humain. L’IR est généralement compris comme englobant des longueurs d’onde allant d’environ 1 Millimètre (300 GHz ) au bord rouge nominal du spectre visible , autour de 700 nanomètres (430 THz ). [1] [ vérification nécessaire ] Des longueurs d’onde IR plus longues (30 Μm-100 Μm) sont parfois incluses dans le cadre du rayonnement térahertzPortée. [2] Presque tout le rayonnement du corps noir provenant d’objets proches de la température ambiante est à des longueurs d’onde infrarouges. En tant que forme de rayonnement électromagnétique, l’infrarouge propage de l’énergie et de la quantité de mouvement , avec des propriétés correspondant à la fois à celles d’une onde et d’une particule , le photon .

Une image en pseudo -couleur de deux personnes prise dans un rayonnement infrarouge à grande longueur d’onde (thermique à la température corporelle). Cette image de télescope spatial infrarouge en fausses couleurs a le bleu, le vert et le rouge correspondant respectivement aux longueurs d’onde de 3,4, 4,6 et 12 Μm .

On savait depuis longtemps que les incendies émettaient une chaleur invisible ; en 1681, l’expérimentateur pionnier Edme Mariotte montra que le verre, bien que transparent à la lumière du soleil, obstruait la chaleur rayonnante. [3] [4] En 1800, l’astronome Sir William Herschel a découvert que le rayonnement infrarouge est un type de rayonnement invisible dans le spectre inférieur en énergie que la lumière rouge, au moyen de son effet sur un thermomètre . [5] Un peu plus de la moitié de l’énergie du Soleil s’est finalement avérée, grâce aux études d’Herschel, arriver sur Terre sous forme d’infrarouge. L’équilibre entre le rayonnement infrarouge absorbé et émis a un effet important sur le climat de la Terre.

Le rayonnement infrarouge est émis ou absorbé par les molécules lors de la modification des mouvements de rotation-vibration . Il excite les modes vibrationnels dans une molécule par une modification du moment dipolaire , ce qui en fait une gamme de fréquences utile pour l’étude de ces états d’énergie pour les molécules de symétrie appropriée. La spectroscopie infrarouge examine l’absorption et la transmission des photons dans la gamme infrarouge. [6]

Le rayonnement infrarouge est utilisé dans des applications industrielles, scientifiques, militaires, commerciales et médicales. Les dispositifs de vision nocturne utilisant un éclairage actif dans le proche infrarouge permettent d’observer des personnes ou des animaux sans que l’observateur ne soit détecté. L’astronomie infrarouge utilise des télescopes équipés de capteurs pour pénétrer dans les régions poussiéreuses de l’espace telles que les nuages ​​moléculaires , pour détecter des objets tels que les planètes et pour observer les objets fortement décalés vers le rouge depuis les premiers jours de l’ univers . [7] Les caméras infrarouges à imagerie thermique sont utilisées pour détecter la perte de chaleur dans les systèmes isolés, pour observer l’évolution du flux sanguin dans la peau et pour détecter la surchauffe des composants électriques. [8]

Les applications militaires et civiles incluent l’acquisition de cibles , la surveillance , la vision nocturne , le guidage et le suivi. Les humains à température corporelle normale rayonnent principalement à des longueurs d’onde d’environ 10 Μm (micromètres). Les utilisations non militaires comprennent l’analyse de l’ efficacité thermique , la surveillance de l’environnement, les inspections d’installations industrielles, la détection d’ opérations de Culture , la détection de température à distance, la Communication sans fil à courte portée , la spectroscopie et les prévisions météorologiques .

Définition et relation avec le spectre électromagnétique

Il n’y a pas de définition universellement acceptée de la gamme de rayonnement infrarouge. En règle générale, il est supposé s’étendre du bord rouge nominal du spectre visible à 700 nanomètres (nm) à 1 Millimètre (mm). Cette gamme de longueurs d’onde correspond à une gamme de fréquences d’environ 430 THz jusqu’à 300 GHz . Au-delà de l’infrarouge se trouve la partie micro-ondes du spectre électromagnétique . De plus en plus, le rayonnement térahertz est compté comme faisant partie de la bande des micro-ondes, et non de l’infrarouge, déplaçant le bord de la bande de l’infrarouge à 0,1 mm (3 THz).

Comparaison de lumière [9]
Nom Longueur d’onde Fréquence (Hz) Énergie photonique (eV)
Rayon gamma moins de 0,01 nm plus de 30 Hz plus de 124 keV
radiographie 0,01 nm – 10 nm 30 PHZ – 30 EHz 124 keV – 124 eV
Ultra-violet 10 nm – 400 nm 750 THz – 30 PHz 124 eV – 3,3 eV
Visible 400 nm – 700 nm 430 THz – 750 THz 3,3 eV – 1,7 eV
Infrarouge 700nm – 1mm 300 GHz – 430 THz 1,7 eV – 1,24 MeV
Four micro onde 1 mm – 1 mètre 300 MHz – 300 GHz 1,24 MeV – 1,24 μeV
Radio 1 mètre et plus 300 MHz et moins 1,24 μeV et moins

Infrarouge naturel

La lumière du soleil , à une température effective de 5 780 kelvins (5 510 ° C, 9 940 ° F), est composée d’un rayonnement à spectre proche thermique qui est légèrement supérieur à la moitié de l’infrarouge. Au zénith, la lumière du soleil fournit un éclairement d’un peu plus de 1 Kilowatt par mètre carré au niveau de la mer. De cette énergie, 527 watts correspondent au rayonnement infrarouge, 445 watts à la Lumière visible et 32 ​​watts au rayonnement ultraviolet . [10] Presque tout le rayonnement infrarouge de la lumière du soleil est proche de l’infrarouge, inférieur à 4 micromètres.

À la surface de la Terre, à des températures bien inférieures à la surface du Soleil, une partie du rayonnement thermique est constituée d’infrarouge dans la région de l’infrarouge moyen, beaucoup plus longue qu’à la lumière du soleil. Cependant, le rayonnement du corps noir, ou thermique, est continu : il émet un rayonnement à toutes les longueurs d’onde. Parmi ces processus de rayonnement thermique naturel, seuls la foudre et les incendies naturels sont suffisamment chauds pour produire beaucoup d’énergie visible, et les incendies produisent beaucoup plus d’infrarouge que d’énergie de Lumière visible. [11]

Régions dans l’infrarouge

En général, les objets émettent un rayonnement infrarouge sur un spectre de longueurs d’onde, mais parfois seule une région limitée du spectre est intéressante car les capteurs ne collectent généralement le rayonnement que dans une bande passante spécifique. Le rayonnement infrarouge thermique a également une longueur d’onde d’émission maximale, qui est inversement proportionnelle à la température absolue de l’objet, conformément à la loi de déplacement de Wien . La bande infrarouge est souvent subdivisée en sections plus petites, bien que la façon dont le spectre IR est ainsi divisé varie entre les différentes zones dans lesquelles l’IR est utilisé.

Limite visible

On considère généralement que le rayonnement infrarouge commence par des longueurs d’onde plus longues que celles visibles par l’œil humain. Cependant, il n’y a pas de limite de longueur d’onde stricte à ce qui est visible, car la sensibilité de l’œil diminue rapidement mais en douceur, pour des longueurs d’onde dépassant environ 700 nm. Par conséquent, des longueurs d’onde juste plus longues que cela peuvent être vues si elles sont suffisamment brillantes, bien qu’elles puissent toujours être classées comme infrarouges selon les définitions habituelles. La lumière d’un laser infrarouge proche peut donc apparaître en rouge faible et peut présenter un danger car elle peut en fait être assez brillante. Et même l’IR à des longueurs d’onde allant jusqu’à 1 050 nm à partir de lasers pulsés peut être vu par l’homme dans certaines conditions. [12] [13] [14] [15]

Schéma de subdivision couramment utilisé

Un schéma de subdivision couramment utilisé est : [16] [17]

Nom de la division Abréviation Longueur d’onde La fréquence Énergie photonique Température [i] Les caractéristiques
Proche infrarouge NIR, IR-A DIN 0,75–1,4 Μm 214–400 THz 886–1 653 MeV 3 864–2 070 K
(3 591–1 797 °C )		 Remonte jusqu’à la longueur d’onde de la première bande d’absorption d’eau, et couramment utilisé dans les télécommunications par Fibre optique en raison des faibles pertes d’atténuation dans le milieu verre SiO 2 ( Silice ). Les intensificateurs d’image sont sensibles à cette zone du spectre ; des exemples incluent des dispositifs de vision nocturne tels que des lunettes de vision nocturne. La spectroscopie dans le proche infrarouge est une autre application courante.
Infrarouge à courte longueur d’onde SWIR, IR-B DIN 1,4–3 Μm 100–214 THz 413–886 MeV 2 070–966 K
(1 797–693 °C )		 L’absorption d’eau augmente significativement à 1 450 nm. La gamme de 1 530 à 1 560 nm est la région spectrale dominante pour les télécommunications longue distance (voir Communication par Fibre optique # Fenêtres de transmission ).
Infrarouge de longueur d’onde moyenne MWIR, IR-C DIN ; MidIR. [19] Aussi appelé infrarouge intermédiaire (IIR) 3–8 Μm 37–100 THz 155–413 MeV 966–362 K
(693–89 °C )		 Dans la technologie des missiles guidés, la partie 3 à 5 Μm de cette bande est la fenêtre atmosphérique dans laquelle les têtes chercheuses des missiles infrarouges passifs à «recherche de chaleur» sont conçues pour fonctionner, se dirigeant sur la signature infrarouge de l’avion cible, généralement le moteur à réaction panache d’échappement. Cette région est également connue sous le nom d’infrarouge thermique.
Infrarouge à grande longueur d’onde LWIR, IR-C DIN 8–15 Μm 20–37 THz 83–155 MeV 362–193 K
(89 – −80 °C )		 La région “d’imagerie thermique”, dans laquelle les capteurs peuvent obtenir une image complètement passive d’objets dont la température n’est que légèrement supérieure à la température ambiante – par exemple, le corps humain – basée uniquement sur les émissions thermiques et ne nécessitant aucun éclairage comme le soleil, la lune, ou illuminateur infrarouge. Cette région est aussi appelée “l’infrarouge thermique”.
Infrarouge lointain SAPIN 15–1 000 Μm 0,3–20 THz 1,2–83 MeV 193–3 K
(−80,15 – −270,15 °C )		 (voir aussi laser infrarouge lointain et infrarouge lointain )

Une comparaison d’une image thermique (en haut) et d’une photographie ordinaire (en bas). Le sac en plastique est principalement transparent à l’infrarouge à grande longueur d’onde, mais les lunettes de l’homme sont opaques.

NIR et SWIR ensemble sont parfois appelés “infrarouge réfléchi”, tandis que MWIR et LWIR sont parfois appelés “infrarouge thermique”.

Schéma division CIE

La Commission internationale de l’éclairage (CIE) a recommandé la division du rayonnement infrarouge dans les trois bandes suivantes : [20]

Abréviation Longueur d’onde La fréquence
IR-A 700 nm – 1 400 nm
(0,7 Μm – 1,4 Μm)		 215 THz – 430 THz
IR-B 1 400 nm – 3 000 nm
(1,4 Μm – 3 Μm)		 100 THz – 215 THz
IR-C 3 000 nm – 1 mm
(3 Μm – 1 000 Μm)		 300 GHz – 100 THz

Schéma ISO 20473

L’ ISO 20473 spécifie le schéma suivant : [21]

La désignation Abréviation Longueur d’onde
Proche infrarouge NIR 0,78–3 Μm
Infrarouge moyen MIR 3–50 Μm
Infrarouge lointain SAPIN 50–1 000 Μm

Schéma de division d’astronomie

Les astronomes divisent généralement le spectre infrarouge comme suit : [22]

La désignation Abréviation Longueur d’onde
Proche infrarouge NIR 0,7 à 2,5 Μm
Infrarouge moyen MIR 3 à 25 Μm
Infrarouge lointain SAPIN au-dessus de 25 Μm.

Ces divisions ne sont pas précises et peuvent varier selon la publication. Les trois régions sont utilisées pour l’observation de différentes plages de température [ citation nécessaire ] , et donc de différents environnements dans l’espace.

Le système photométrique le plus couramment utilisé en astronomie attribue des lettres majuscules à différentes régions spectrales en fonction des filtres utilisés; I, J, H et K couvrent les longueurs d’onde du proche infrarouge ; L, M, N et Q font référence à la région de l’infrarouge moyen. Ces lettres sont communément comprises en référence aux fenêtres atmosphériques et apparaissent, par exemple, dans les titres de nombreux articles .

Schéma de division de la réponse du capteur

Tracé de la transmission atmosphérique dans une partie de la région infrarouge

Un troisième schéma divise la bande en fonction de la réponse de divers détecteurs : [23]

  • Proche infrarouge : de 0,7 à 1,0 Μm (de la fin approximative de la réponse de l’œil humain à celle du silicium).
  • Infrarouge court : 1,0 à 3 Μm (de la coupure du silicium à celle de la fenêtre atmosphérique MWIR). InGaAs couvre jusqu’à environ 1,8 Μm ; les sels de plomb moins sensibles couvrent cette région. Les détecteurs MCT refroidis par cryogénie peuvent couvrir la région de 1,0 à 2,5 Μm.
  • Infrarouge moyen : 3 à 5 Μm (défini par la fenêtre atmosphérique et recouvert d’antimoniure d’indium , InSb et de tellurure de cadmium et de mercure , HgCdTe, et partiellement de séléniure de plomb , PbSe).
  • Infrarouge à ondes longues : 8 à 12, ou 7 à 14 Μm (c’est la fenêtre atmosphérique couverte par HgCdTe et les microbolomètres ).
  • Infrarouge à très grandes ondes (VLWIR) (12 à 30 Μm environ, recouvert de silicium dopé).

Le proche infrarouge est la région la plus proche en longueur d’onde du rayonnement détectable par l’œil humain. l’infrarouge moyen et lointain s’éloigne progressivement du spectre visible . D’autres définitions suivent différents mécanismes physiques (pics d’émission, vs. bandes, absorption d’eau) et les plus récentes suivent des raisons techniques (les détecteurs au silicium courants sont sensibles à environ 1 050 nm, tandis que la sensibilité d’ InGaAs commence autour de 950 nm et se termine entre 1 700 et 2 600 nm, selon la configuration spécifique). Aucune norme internationale pour ces spécifications n’est actuellement disponible.

L’apparition de l’infrarouge est définie (selon différentes normes) à différentes valeurs typiquement comprises entre 700 nm et 800 nm, mais la frontière entre la Lumière visible et infrarouge n’est pas précisément définie. L’œil humain est nettement moins sensible à la lumière au-dessus de la longueur d’onde de 700 nm, de sorte que les longueurs d’onde plus longues apportent des contributions insignifiantes aux scènes éclairées par des sources lumineuses courantes. Cependant, une lumière proche infrarouge particulièrement intense (par exemple, des lasers IR, des sources LED IR ou de la lumière du jour avec la Lumière visible éliminée par des gels colorés) peuvent être détectés jusqu’à environ 780 nm et seront perçus comme de la lumière rouge. Les sources lumineuses intenses fournissant des longueurs d’onde aussi longues que 1 050 nm peuvent être perçues comme une lueur rouge terne, ce qui entraîne certaines difficultés dans l’éclairage proche infrarouge des scènes dans l’obscurité (ce problème pratique est généralement résolu par un éclairage indirect). Les feuilles sont particulièrement lumineuses dans le proche IR, et si toutes les fuites de Lumière visible autour d’un filtre IR sont bloquées, et que l’œil dispose d’un moment pour s’adapter à l’image extrêmement sombre qui passe à travers un filtre photographique IR visuellement opaque, il est possible de voir l’ effet bois qui consiste en un feuillage incandescent IR. [24]

Bandes de télécommunication dans l’infrarouge

Dans les communications optiques , la partie du spectre infrarouge utilisée est divisée en sept bandes en fonction de la disponibilité des sources lumineuses, des matériaux de transmission/absorption (fibres) et des détecteurs : [25]

Bande Descripteur Gamme de longueurs d’onde
O bande Original 1 260–1 360 nm
Bande E Élargi 1 360–1 460 nm
Bande S Longueur d’onde courte 1 460–1 530 nm
Bande C Conventionnel 1 530–1 565 nm
Bande L Longue longueur d’onde 1 565–1 625 nm
Bande U Longueur d’onde ultra longue 1 625–1 675 nm

La bande C est la bande dominante pour les réseaux de télécommunication longue distance. Les bandes S et L sont basées sur une technologie moins bien établie et ne sont pas aussi largement déployées.

Chaleur

Les matériaux à émissivité plus élevée semblent plus proches de leur vraie température que les matériaux qui reflètent davantage leur environnement à différentes températures. Dans cette image thermique, le cylindre en céramique plus réfléchissant, reflétant l’environnement plus frais, semble être plus froid que son conteneur cubique (fait de carbure de silicium plus émissif), alors qu’en fait, ils ont la même température.

Le rayonnement infrarouge est populairement connu sous le nom de « rayonnement thermique », [26] mais les ondes lumineuses et électromagnétiques de n’importe quelle fréquence chaufferont les surfaces qui les absorbent. La lumière infrarouge du Soleil représente 49 % [27] du réchauffement de la Terre, le reste étant causé par la Lumière visible qui est absorbée puis réémise à des longueurs d’onde plus longues. Les lasers émettant de la Lumière visible ou des ultraviolets peuvent carboniser le papier et les objets chauds incandescents émettent un rayonnement visible. Les objets à température ambiante émettront un rayonnement concentré principalement dans la bande de 8 à 25 Μm, mais cela n’est pas distinct de l’émission de Lumière visible par des objets incandescents et d’ultraviolet par des objets encore plus chauds (voir corps noir et loi de déplacement de Wien ). [28]

La chaleur est l’énergie en transit qui circule en raison d’une différence de température. Contrairement à la chaleur transmise par conduction thermique ou convection thermique, le rayonnement thermique peut se propager dans le vide . Le rayonnement thermique est caractérisé par un spectre particulier de nombreuses longueurs d’onde qui sont associées à l’émission d’un objet, en raison de la vibration de ses molécules à une température donnée. Le rayonnement thermique peut être émis par des objets à n’importe quelle longueur d’onde, et à des températures très élevées, ce rayonnement est associé à des spectres bien au-dessus de l’infrarouge, s’étendant dans les régions du visible, de l’ultraviolet et même des rayons X (par exemple la couronne solaire). Ainsi, l’association populaire du rayonnement infrarouge avec le rayonnement thermique n’est qu’une coïncidence basée sur des températures typiques (relativement basses) souvent trouvées près de la surface de la planète Terre.

Le concept d’ émissivité est important pour comprendre les émissions infrarouges des objets. Il s’agit d’une propriété d’une surface qui décrit comment ses émissions thermiques s’écartent de l’idée d’un corps noir. Pour expliquer davantage, deux objets à la même température physique peuvent ne pas montrer la même image infrarouge s’ils ont une émissivité différente. Par exemple, pour toute valeur d’émissivité prédéfinie, les objets avec une émissivité plus élevée apparaîtront plus chauds et ceux avec une émissivité plus faible apparaîtront plus froids (en supposant, comme c’est souvent le cas, que l’environnement environnant est plus froid que les objets visualisés). Lorsqu’un objet a une émissivité moins que parfaite, il obtient des propriétés de réflectivité et/ou de transparence, et ainsi la température de l’environnement environnant est partiellement réfléchie par et/ou transmise à travers l’objet. Si l’objet se trouvait dans un environnement plus chaud, alors un objet à faible émissivité à la même température semblerait probablement plus chaud qu’un objet plus émissif. Pour cette raison,

Applications

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Vision nocturne

Vision nocturne infrarouge active : la caméra éclaire la scène à des longueurs d’onde infrarouges invisibles à l’ œil humain . Malgré une scène rétro-éclairée sombre, la vision nocturne infrarouge active fournit des détails d’identification, comme on le voit sur l’écran d’affichage.

L’infrarouge est utilisé dans les équipements de vision nocturne lorsque la Lumière visible est insuffisante pour voir. [29] Les appareils de vision nocturne fonctionnent grâce à un processus impliquant la conversion des photons de la lumière ambiante en électrons qui sont ensuite amplifiés par un processus chimique et électrique, puis reconvertis en Lumière visible. [29] Des sources de lumière infrarouge peuvent être utilisées pour augmenter la lumière ambiante disponible pour la conversion par des dispositifs de vision nocturne, augmentant la visibilité dans l’obscurité sans utiliser réellement une source de Lumière visible. [29]

L’utilisation de la lumière infrarouge et des appareils de vision nocturne ne doit pas être confondue avec l’imagerie thermique , qui crée des images basées sur les différences de température de surface en détectant le rayonnement infrarouge ( chaleur ) qui émane des objets et de leur environnement. [30]

Thermographie

La thermographie a permis de déterminer le profil de température du système de protection thermique de la navette spatiale lors de la rentrée.

Le rayonnement infrarouge peut être utilisé pour déterminer à distance la température des objets (si l’émissivité est connue). C’est ce qu’on appelle la thermographie, ou dans le cas d’objets très chauds dans le NIR ou visible, on parle de pyrométrie . La thermographie (imagerie thermique) est principalement utilisée dans les applications militaires et industrielles, mais la technologie atteint le marché public sous la forme de caméras infrarouges sur les voitures en raison de coûts de production considérablement réduits.

Les caméras thermographiques détectent le rayonnement dans la gamme infrarouge du spectre électromagnétique (environ 9 000 à 14 000 nanomètres ou 9 à 14 Μm) et produisent des images de ce rayonnement. Le rayonnement infrarouge étant émis par tous les objets en fonction de leur température, selon la loi du rayonnement du corps noir, la thermographie permet de « voir » son environnement avec ou sans éclairage visible. La quantité de rayonnement émise par un objet augmente avec la température, donc la thermographie permet de voir les variations de température (d’où le nom).

Imagerie hyperspectrale

Mesure d’ émission infrarouge thermique hyperspectrale , un scan extérieur en conditions hivernales, température ambiante −15 °C, image réalisée avec un imageur hyperspectral Specim LWIR. Les spectres de luminance relative de diverses cibles dans l’image sont représentés par des flèches. Les spectres infrarouges des différents objets tels que le fermoir de la montre ont des caractéristiques bien distinctes. Le niveau de contraste indique la température de l’objet. [31] Lumière infrarouge de la LED d’une télécommande enregistrée par un appareil photo numérique

Une image hyperspectrale est une “image” contenant un spectre continu à travers une large gamme spectrale à chaque pixel. L’imagerie hyperspectrale gagne en importance dans le domaine de la spectroscopie appliquée, en particulier avec les régions spectrales NIR, SWIR, MWIR et LWIR. Les applications typiques incluent les mesures biologiques, minéralogiques, de défense et industrielles.

L’imagerie hyperspectrale infrarouge thermique peut être réalisée de manière similaire à l’aide d’une caméra thermographique , avec la différence fondamentale que chaque pixel contient un spectre LWIR complet. Par conséquent, l’identification chimique de l’objet peut être effectuée sans avoir besoin d’une source de lumière externe telle que le Soleil ou la Lune. Ces caméras sont généralement utilisées pour les mesures géologiques, la surveillance extérieure et les applications UAV . [32]

Autre imagerie

En photographie infrarouge , les filtres infrarouges sont utilisés pour capturer le spectre proche infrarouge. Les appareils photo numériques utilisent souvent des bloqueurs infrarouges . Les appareils photo numériques et les téléphones avec appareil photo moins chers ont des filtres moins efficaces et peuvent “voir” le proche infrarouge intense, apparaissant comme une couleur violet-blanc brillant. Ceci est particulièrement prononcé lors de la prise de vue de sujets à proximité de zones lumineuses IR (comme près d’une lampe), où les interférences infrarouges résultantes peuvent délaver l’image. Il existe également une technique dite d’imagerie « T-ray », qui consiste en une imagerie utilisant un rayonnement infrarouge lointain ou térahertz .. Le manque de sources lumineuses peut rendre la photographie térahertz plus difficile que la plupart des autres techniques d’imagerie infrarouge. Récemment, l’imagerie par rayons T a suscité un intérêt considérable en raison d’un certain nombre de nouveaux développements tels que la spectroscopie térahertz dans le domaine temporel .

Photographie en lumière réfléchie dans divers spectres infrarouges pour illustrer l’apparence lorsque la longueur d’onde de la lumière change.

Suivi

Le suivi infrarouge, également connu sous le nom de guidage infrarouge, fait référence à un système de guidage de missile passif , qui utilise l’ émission d’une cible de rayonnement électromagnétique dans la partie infrarouge du spectre pour le suivre. Les missiles qui utilisent la recherche infrarouge sont souvent appelés “chercheurs de chaleur” car l’infrarouge (IR) est juste en dessous du spectre visible de la lumière en fréquence et est fortement rayonné par les corps chauds. De nombreux objets tels que les personnes, les moteurs de véhicules et les avions génèrent et retiennent de la chaleur et, en tant que tels, sont particulièrement visibles dans les longueurs d’onde infrarouges de la lumière par rapport aux objets en arrière-plan. [33]

Chauffage

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Sèche – cheveux à infrarouge pour salons de coiffure , c. années 2010

Le rayonnement infrarouge peut être utilisé comme source de chauffage volontaire. Par exemple, il est utilisé dans les saunas infrarouges pour chauffer les occupants. Il peut également être utilisé dans d’autres applications de chauffage, comme le dégivrage des ailes d’avions (dégivrage). [34] Le rayonnement infrarouge est utilisé dans la cuisine, connue sous le nom de cuisson au gril ou grillade . Un avantage énergétique est que l’énergie IR ne chauffe que les objets opaques, tels que les aliments, plutôt que l’air qui les entoure.

Le chauffage infrarouge devient également plus populaire dans les processus de fabrication industrielle, par exemple le durcissement des revêtements, le formage des plastiques, le recuit, le soudage des plastiques et le séchage des impressions. Dans ces applications, les radiateurs infrarouges remplacent les fours à convection et le chauffage par contact.

Refroidissement

Une variété de technologies ou de technologies proposées tirent parti des émissions infrarouges pour refroidir des bâtiments ou d’autres systèmes. La région LWIR (8–15 Μm) est particulièrement utile car certains rayonnements à ces longueurs d’onde peuvent s’échapper dans l’espace à travers l’atmosphère.

Communication

La transmission de données IR est également utilisée dans les communications à courte portée entre les périphériques informatiques et les assistants numériques personnels . Ces appareils sont généralement conformes aux normes publiées par IrDA , l’Infrared Data Association. Les télécommandes et les dispositifs IrDA utilisent des diodes électroluminescentes infrarouges (DEL) pour émettre un rayonnement infrarouge qui peut être concentré par une lentille en un faisceau que l’utilisateur dirige vers le détecteur. Le faisceau est modulé , c’est-à-dire allumé et éteint, selon un code que le récepteur interprète. Habituellement, le très proche IR est utilisé (en dessous de 800 nm) pour des raisons pratiques. Cette longueur d’onde est détectée efficacement par des photodiodes au silicium peu coûteuses , que le récepteur utilise pour convertir le rayonnement détecté en un courant électrique . Ce signal électrique passe à travers un filtre passe-haut qui retient les pulsations rapides dues à l’émetteur IR mais filtre le rayonnement infrarouge à variation lente de la lumière ambiante. Les communications infrarouges sont utiles pour une utilisation en intérieur dans des zones à forte densité de population. L’IR ne pénètre pas dans les murs et n’interfère donc pas avec les autres appareils dans les pièces voisines. L’infrarouge est le moyen le plus courant pour les télécommandes de commander les appareils. Les protocoles de télécommande infrarouge tels que RC-5 , SIRC , sont utilisés pour communiquer avec l’infrarouge.

La communication optique en espace libre utilisant des lasers infrarouges peut être un moyen relativement peu coûteux d’installer une liaison de communication dans une zone urbaine fonctionnant jusqu’à 4 gigabit/s, par rapport au coût d’enfouissement d’un câble à Fibre optique, à l’exception des dommages causés par les radiations. “Étant donné que l’œil ne peut pas détecter les infrarouges, le fait de cligner des yeux ou de fermer les yeux pour aider à prévenir ou à réduire les dommages peut ne pas se produire.” [35]

Les lasers infrarouges sont utilisés pour fournir la lumière aux systèmes de communication à Fibre optique . La lumière infrarouge avec une longueur d’onde d’environ 1 330 nm (moins de dispersion ) ou 1 550 nm (meilleure transmission) sont les meilleurs choix pour les fibres de Silice standard.

La transmission de données IR des versions audio codées des panneaux imprimés est étudiée comme une aide pour les personnes malvoyantes dans le cadre du projet RIAS (Remote Infrared Audible Signage) . La transmission de données infrarouges d’un appareil à un autre est parfois appelée transmission .

Spectroscopie

La spectroscopie vibrationnelle infrarouge (voir aussi spectroscopie proche infrarouge ) est une technique qui peut être utilisée pour identifier des molécules par analyse de leurs liaisons constitutives. Chaque liaison chimique dans une molécule vibre à une fréquence caractéristique de cette liaison. Un groupe d’atomes dans une molécule (par exemple, CH 2 ) peut avoir plusieurs modes d’oscillation provoqués par les mouvements d’étirement et de flexion du groupe dans son ensemble. Si une oscillation entraîne un changement de dipôle dans la molécule, elle absorbera un photon de même fréquence. Les fréquences vibrationnelles de la plupart des molécules correspondent aux fréquences de la lumière infrarouge. Typiquement, la technique est utilisée pour étudier les composés organiquesen utilisant le rayonnement lumineux de l’infrarouge moyen, 4 000 à 400 cm −1 . Un spectre de toutes les fréquences d’absorption dans un échantillon est enregistré. Cela peut être utilisé pour obtenir des informations sur la composition de l’échantillon en termes de groupes chimiques présents et aussi sa pureté (par exemple, un échantillon humide montrera une large absorption OH autour de 3200 cm -1 ). L’unité d’expression du rayonnement dans cette application, cm -1 , est le nombre d’ onde spectroscopique . C’est la fréquence divisée par la vitesse de la lumière dans le vide.

Métrologie des couches minces

Dans l’industrie des semi-conducteurs, la lumière infrarouge peut être utilisée pour caractériser des matériaux tels que des couches minces et des structures de tranchées périodiques. En mesurant la réflectance de la lumière à partir de la surface d’une tranche de semi-conducteur, l’indice de réfraction (n) et le coefficient d’extinction (k) peuvent être déterminés via les équations de dispersion de Forouhi-Bloomer . La réflectance de la lumière infrarouge peut également être utilisée pour déterminer la dimension critique, la profondeur et l’angle de la paroi latérale des structures de tranchées à rapport d’aspect élevé.

Météorologie

Image satellite IR de cumulonimbus au-dessus des Grandes Plaines des États-Unis.

Les satellites météorologiques équipés de radiomètres à balayage produisent des images thermiques ou infrarouges, qui peuvent ensuite permettre à un analyste qualifié de déterminer les hauteurs et les types de nuages, de calculer les températures des terres et des eaux de surface et de localiser les caractéristiques de la surface de l’océan. Le balayage est généralement compris entre 10,3 et 12,5 Μm (canaux IR4 et IR5).

Les nuages ​​​​avec des sommets élevés et froids, tels que les cyclones ou les cumulonimbus , sont souvent affichés en rouge ou en noir, les nuages ​​plus chauds inférieurs tels que les stratus ou les stratocumulus sont affichés en bleu ou en gris, les nuages ​​intermédiaires étant ombrés en conséquence. Les surfaces terrestres chaudes sont représentées en gris foncé ou en noir. Un inconvénient de l’imagerie infrarouge est que les nuages ​​bas tels que les stratus ou le brouillard peuvent avoir une température similaire à la surface terrestre ou marine environnante et n’apparaissent pas. Cependant, en utilisant la différence de luminosité du canal IR4 (10,3–11,5 Μm) et du canal proche infrarouge (1,58–1,64 Μm), on peut distinguer les nuages ​​bas, produisant un brouillardimage satellite. Le principal avantage de l’infrarouge est que les images peuvent être produites la nuit, ce qui permet d’étudier une séquence continue du temps.

Ces images infrarouges peuvent représenter des tourbillons ou des tourbillons océaniques et cartographier des courants tels que le Gulf Stream, qui sont précieux pour l’industrie du transport maritime. Les pêcheurs et les agriculteurs sont intéressés à connaître les températures de la terre et de l’eau pour protéger leurs cultures contre le gel ou augmenter leurs prises en mer. Même les phénomènes El Niño peuvent être repérés. À l’aide de techniques de numérisation couleur, les images thermiques en gris peuvent être converties en couleur pour faciliter l’identification des informations souhaitées.

Le canal principal de vapeur d’eau à 6,40 à 7,08 Μm peut être imagé par certains satellites météorologiques et montre la quantité d’humidité dans l’atmosphère.

Climatologie

L’ effet de serre avec des molécules de méthane, d’eau et de dioxyde de carbone re-rayonnant la chaleur solaire

Dans le domaine de la climatologie, le rayonnement infrarouge atmosphérique est surveillé pour détecter les tendances des échanges d’énergie entre la terre et l’atmosphère. Ces tendances fournissent des informations sur les changements à long terme du climat de la Terre. C’est l’un des principaux paramètres étudiés dans les recherches sur le réchauffement climatique , avec le rayonnement solaire .

Un pyrgéomètre est utilisé dans ce domaine de recherche pour effectuer des mesures extérieures continues. Il s’agit d’un radiomètre infrarouge à large bande avec une sensibilité pour le rayonnement infrarouge entre environ 4,5 Μm et 50 Μm.

Astronomie

Beta Pictoris avec sa planète Beta Pictoris b, le point bleu clair décentré, vu en infrarouge. Il combine deux images, le disque interne est à 3,6 Μm.

Les astronomes observent des objets dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique à l’aide de composants optiques, notamment des miroirs, des lentilles et des détecteurs numériques à semi-conducteurs. Pour cette raison, il est classé dans le cadre de l’astronomie optique . Pour former une image, les composants d’un télescope infrarouge doivent être soigneusement protégés des sources de chaleur et les détecteurs sont refroidis à l’aide d’ hélium liquide .

La sensibilité des télescopes infrarouges terrestres est considérablement limitée par la vapeur d’eau dans l’atmosphère, qui absorbe une partie du rayonnement infrarouge provenant de l’espace en dehors des fenêtres atmosphériques sélectionnées . Cette limitation peut être partiellement atténuée en plaçant l’observatoire du télescope à haute altitude, ou en transportant le télescope en altitude avec un ballon ou un avion. Les télescopes spatiaux ne souffrent pas de ce handicap, et l’espace extra-atmosphérique est donc considéré comme le lieu idéal pour l’astronomie infrarouge.

La partie infrarouge du spectre présente plusieurs avantages utiles pour les astronomes. Les nuages ​​moléculaires froids et sombres de gaz et de poussière dans notre galaxie brilleront de chaleur rayonnée lorsqu’ils seront irradiés par des étoiles incrustées. L’infrarouge peut également être utilisé pour détecter les protoétoiles avant qu’elles ne commencent à émettre de la Lumière visible. Les étoiles émettent une plus petite partie de leur énergie dans le spectre infrarouge, de sorte que les objets froids à proximité tels que les planètes peuvent être plus facilement détectés. (Dans le spectre de la Lumière visible, l’éblouissement de l’étoile couvrira la lumière réfléchie d’une planète.)

La lumière infrarouge est également utile pour observer les noyaux des galaxies actives , qui sont souvent recouvertes de gaz et de poussière. Les galaxies lointaines avec un Décalage vers le rouge élevé verront la partie maximale de leur spectre décalée vers des longueurs d’onde plus longues, de sorte qu’elles seront plus facilement observées dans l’infrarouge. [7]

Nettoyage infrarouge

Le nettoyage infrarouge est une technique utilisée par certains scanners de films cinématographiques , scanners de films et scanners à plat pour réduire ou supprimer l’effet de la poussière et des rayures sur la numérisation finale . Il fonctionne en collectant un canal infrarouge supplémentaire à partir du balayage à la même position et à la même résolution que les trois canaux de couleur visibles (rouge, vert et bleu). Le canal infrarouge, en combinaison avec les autres canaux, est utilisé pour détecter l’emplacement des rayures et de la poussière. Une fois localisés, ces défauts peuvent être corrigés par mise à l’échelle ou remplacés par repeinture . [36]

Conservation et analyse d’œuvres d’art

Un réflectogramme infrarouge de Mona Lisa de Léonard de Vinci

La réflectographie infrarouge [37] peut être appliquée aux peintures pour révéler les couches sous-jacentes de manière non destructive, en particulier le sous-dessin de l’artiste ou le contour tracé comme guide. Les restaurateurs d’art utilisent la technique pour examiner comment les couches visibles de peinture diffèrent du sous-dessin ou des couches intermédiaires (de telles modifications sont appelées pentimenti lorsqu’elles sont effectuées par l’artiste original). Il s’agit d’informations très utiles pour décider si une peinture est la version originale de l’artiste original ou une copie, et si elle a été modifiée par des travaux de restauration trop enthousiastes. En général, plus il y a de pentimenti, plus un tableau a de chances d’être la version principale. Il donne également des informations utiles sur les pratiques de travail. [38]La réflectographie révèle souvent l’utilisation du noir de carbone par l’artiste , qui apparaît bien dans les réflectogrammes, tant qu’il n’a pas également été utilisé dans le sol sous-jacent à l’ensemble du tableau.

Les progrès récents dans la conception des caméras sensibles à l’infrarouge permettent de découvrir et de représenter non seulement des sous-couches et des pentimenti, mais des peintures entières qui ont ensuite été repeintes par l’artiste. [39] Des exemples notables sont la femme repassant et la chambre bleue de Picasso , où dans les deux cas un portrait d’un homme a été rendu visible sous la peinture telle qu’elle est connue aujourd’hui.

Des utilisations similaires de l’infrarouge sont faites par des restaurateurs et des scientifiques sur divers types d’objets, en particulier des documents écrits très anciens tels que les manuscrits de la mer Morte , les œuvres romaines de la Villa des Papyrus et les textes de la route de la soie trouvés dans les grottes de Dunhuang . [40] Le noir de carbone utilisé dans l’encre peut se révéler extrêmement bien.

Systèmes biologiques

Image thermographique d’un serpent mangeant une souris

La vipère a une paire de fosses sensorielles infrarouges sur sa tête. Il existe une incertitude quant à la sensibilité thermique exacte de ce système de détection infrarouge biologique. [41] [42]

D’autres organismes qui ont des organes thermorécepteurs sont les pythons (famille Pythonidae ), certains boas (famille Boidae ), la chauve- souris vampire commune ( Desmodus rotundus ), une variété de coléoptères bijoux ( Melanophila acuminata ), [43] des papillons à pigments foncés ( Pachliopta aristolochiae et Troides rhadamantus plateni ), et éventuellement des punaises hématophages ( Triatoma infestans ). [44]

Certains champignons comme Venturia inaequalis nécessitent une lumière proche infrarouge pour être éjectés. [45]

Bien que la vision dans le proche infrarouge (780–1 000 nm) ait longtemps été jugée impossible en raison du bruit dans les pigments visuels, [46] une sensation de lumière proche infrarouge a été signalée chez la carpe commune et chez trois espèces de cichlidés. [46] [47] [48] [49] [50] Les poissons utilisent le NIR pour capturer des proies [46] et pour l’orientation de la nage phototactique. [50] La sensation NIR chez les poissons peut être pertinente dans de mauvaises conditions d’éclairage au crépuscule [46] et dans les eaux de surface troubles. [50]

Photobiomodulation

La lumière proche infrarouge, ou photobiomodulation , est utilisée pour le traitement des ulcères buccaux induits par la chimiothérapie ainsi que pour la cicatrisation des plaies. Il existe des travaux relatifs au traitement anti-virus de l’herpès. [51] Les projets de recherche comprennent des travaux sur les effets de guérison du système nerveux central via la régulation à la hausse de la cytochrome c oxydase et d’autres mécanismes possibles. [52]

Dangers pour la santé

Un fort rayonnement infrarouge dans certains environnements à haute température de l’industrie peut être dangereux pour les yeux, entraînant des dommages ou la cécité de l’utilisateur. Étant donné que le rayonnement est invisible, des lunettes spéciales anti-IR doivent être portées dans ces endroits. [53]

Histoire de la science infrarouge

La découverte du rayonnement infrarouge est attribuée à William Herschel , l’ astronome , au début du 19ème siècle. Herschel publie ses résultats en 1800 devant la Royal Society de Londres . Herschel a utilisé un prisme pour réfracter la lumière du soleil et a détecté l’infrarouge, au-delà de la partie rouge du spectre, grâce à une augmentation de la température enregistrée sur un thermomètre . Il a été surpris du résultat et les a appelés “Rayons Calorifiques”. [54] [55] Le terme “infrarouge” n’est apparu qu’à la fin du 19ème siècle. [56]

D’autres dates importantes incluent: [23]

Le rayonnement infrarouge a été découvert en 1800 par William Herschel.

  • 1830 : Leopoldo Nobili fabrique le premier détecteur infrarouge à thermopile . [57]
  • 1840 : John Herschel réalise la première image thermique, appelée thermogramme . [58]
  • 1860 : Gustav Kirchhoff formule le théorème du corps noir E = J ( T , n ) {displaystyle E=J(T,n)} . [59]
  • 1873 : Willoughby Smith découvre la photoconductivité du sélénium . [60]
  • 1878 : Samuel Pierpont Langley invente le premier bolomètre , un appareil capable de mesurer de petites fluctuations de température, et donc la puissance de sources infrarouges lointaines. [61]
  • 1879 : Loi de Stefan-Boltzmann formulée empiriquement selon laquelle la puissance rayonnée par un corps noir est proportionnelle à T 4 . [62]
  • Années 1880 et 1890 : Lord Rayleigh et Wilhelm Wien ont résolu une partie de l’équation du corps noir, mais les deux solutions ont divergé dans certaines parties du spectre électromagnétique. Ce problème s’appelait la ” catastrophe ultraviolette et catastrophe infrarouge”. [63]
  • 1892 : Willem Henri Julius publie les spectres infrarouges de 20 composés organiques mesurés avec un bolomètre en unités de déplacement angulaire. [64]
  • 1901 : Max Planck publie l’ équation et le théorème du corps noir. Il a résolu le problème en quantifiant les transitions d’énergie admissibles. [65]
  • 1905 : Albert Einstein développe la théorie de l’ effet photoélectrique . [66]
  • 1905–1908 : William Coblentz publie des spectres infrarouges en unités de longueur d’onde (micromètres) pour plusieurs composés chimiques dans Investigations of Infra-Red Spectra . [67] [68] [69]
  • 1917 : Theodore Case met au point le détecteur de sulfure thallique ; Un scientifique britannique a construit le premier appareil de recherche et de suivi infrarouge (IRST) capable de détecter des avions à une distance d’un mile (1,6 km).
  • 1935: Sels de plomb – premiers guidages de missiles pendant la Seconde Guerre mondiale .
  • 1938 : Yeou Ta prédit que l’effet pyroélectrique pourrait être utilisé pour détecter le rayonnement infrarouge. [70]
  • 1945: Le système d’arme infrarouge Zielgerät 1229 “Vampir” est introduit en tant que premier appareil infrarouge portable pour des applications militaires.
  • 1952 : Heinrich Welker fait pousser des cristaux synthétiques d’InSb .
  • Années 1950 et 1960 : Nomenclature et unités radiométriques définies par Fred Nicodemenus , G. J. Zissis et R. Clark ; Robert Clark Jones a défini D *.
  • 1958 : WD Lawson ( établissement royal de radar à Malvern) découvre les propriétés de détection infrarouge du tellurure de cadmium et de mercure (HgCdTe). [71]
  • 1958 : Les missiles Falcon et Sidewinder sont développés en utilisant la technologie infrarouge.
  • Années 1960 : Paul Kruse et ses collègues du Honeywell Research Center démontrent l’utilisation du HgCdTe comme composé efficace pour la détection infrarouge. [71]
  • 1962 : J. Cooper fait la démonstration de la détection pyroélectrique. [72]
  • 1964 : W. G. Evans découvre des thermorécepteurs infrarouges chez un coléoptère pyrophile. [43]
  • 1965 : premier manuel IR ; premiers imageurs commerciaux ( Barnes, Agema (qui fait maintenant partie de FLIR Systems Inc.) ); le texte phare de Richard Hudson ; F4 TRAM FLIR de Hughes ; la phénoménologie mise au point par Fred Simmons et A. T. Stair ; Le laboratoire de vision nocturne de l’armée américaine a été formé (maintenant Direction de la vision nocturne et des capteurs électroniques (NVESD)), et Rachets y développe la modélisation de la détection, de la reconnaissance et de l’identification.
  • 1970 : Willard Boyle et George E. Smith proposent le CCD aux Bell Labs pour les téléphones avec image .
  • 1973 : Programme de module commun lancé par le NVESD. [73]
  • 1978 : L’astronomie par imagerie infrarouge arrive à maturité, des observatoires sont prévus, l’ IRTF sur le Mauna Kea est ouvert ; Réseaux 32 × 32 et 64 × 64 produits avec InSb, HgCdTe et d’autres matériaux.
  • 2013 : Le 14 février, des chercheurs ont développé un implant neuronal qui donne aux rats la capacité de détecter la lumière infrarouge, qui pour la première fois fournit aux créatures vivantes de nouvelles capacités, au lieu de simplement remplacer ou augmenter les capacités existantes. [74]

Voir également

  • Rayonnement du corps noir
  • Contrôle non destructif infrarouge des matériaux
  • Cellules solaires infrarouges
  • Thermomètre infrarouge
  • Compteur de personnes
  • Index des articles infrarouges

Remarques

  1. ^ Températures des corps noirs pour lesquels les pics spectraux tombent aux longueurs d’onde données, selon la forme de longueur d’onde de la loi de déplacement de Wien [18]

Références

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    Le mot infra-rouge a été traduit en anglais par « infrarouge » en 1874, dans une traduction d’un article de Vignaud Dupuy de Saint-Florent (1830-1907), ingénieur dans l’armée française, qui a atteint le grade de lieutenant-colonel et qui a poursuivi la photographie comme passe-temps.

    • de Saint-Florent (10 avril 1874). “La photographie aux couleurs naturelles” . L’actualité photographique . 18 : 175–176.De p. 176 : “Quant aux rayons infra-rouges, ils peuvent être absorbés au moyen d’une faible solution de sulfate de cuivre,…”

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