Comment fonctionnent l’infrarouge et les caméras thermiques

Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique de même nature que la lumière visible. Toutefois, ses longueurs d’onde sont trop grandes pour être visibles par l’œil humain. En effet, notre vision est limitée à une très petite portion du spectre électromagnétique, tandis que l’énergie thermique possède une longueur d'onde plus longue que celle de la lumière visible. Il est ainsi possible de « voir » tous les objets possédant une température au-dessus du zéro absolu car ils émettent de la chaleur naturellement. La détection infrarouge permet donc de “voir au-delà du visible”. C’est-à-dire de former des images lorsque la lumière dans la partie visible du spectre est rare ou absente.

La découverte

L'existence d'un rayonnement infrarouge a été mise en évidence en 1800 par un astronome anglais, William Herschel. En faisant voyager un thermomètre dans le spectre lumineux obtenu par un prisme de verre, il découvrit du côté du rouge, au-delà de la limite de la lumière visible, une chaleur marquée. En effet, lorsque les rayons infrarouges frappent par exemple la peau, les liaisons moléculaires se mettent en mouvement et libèrent ainsi de l’énergie que nous ressentons comme de la chaleur.

Le principe

Tous les objets de la vie quotidienne émettent de l'énergie thermique, y compris les glaçons. Plus un sujet est chaud, plus il émet d'énergie thermique. Cette énergie thermique émise est appelée une « signature thermique ». Ainsi, deux objets placés côte à côte peuvent présenter de subtiles différences au niveau de leurs signatures thermiques.

Certains sujets, comme les animaux, les moteurs et les machines par exemple, créent leur propre chaleur, de façon biologique ou mécanique. D'autres sujets, comme la terre, les pierres, la végétation, absorbent la chaleur du soleil en journée et la renvoient durant la nuit.

Étant donné que différents matériaux absorbent et renvoient l'énergie thermique à des vitesses différentes, une zone dont la température semble en apparence uniforme est en fait constituée d'une mosaïque de subtiles différences thermiques.

Le spectre

Le spectre du rayonnement infrarouge peut être divisé en trois grandes bandes dont les limites de découpages peuvent légèrement varier, selon le domaine d’application.

En thermographie infrarouge, on travaille généralement dans une bande spectrale qui s’étend de 0,9 à 16 μm, et plus particulièrement dans les fenêtres 2-5μm et 7-15μm.

NIR = near infrared

SWIR = short wave infrared

MWIR = medium wave infrared

(V)LWIR = (very) long wave infrared

La détection thermique

Les dispositifs de détection infrarouge possèdent des capteurs qui détectent le rayonnement dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique.

Une caméra infrarouge détecte l’énergie infrarouge, la chaleur émise par la scène observée, et la convertit en un signal électronique, lequel est ensuite traité pour produire une image. La chaleur captée par une caméra infrarouge peut être quantifiée, ou mesurée, de façon très précise, ce qui permet non seulement de contrôler les performances thermiques, mais aussi d'identifier la gravité relative des problèmes associés à la chaleur. Plus la température d’un corps ou d’un objet est élevée, plus le rayonnement est important.

Comme une caméra infrarouge mesure l'émissivité de la scène observée, contrairement à ce que l’on pourrait croire, elle ne permet pas de voir derrière une paroi ou un obstacle. Elle reproduit tout simplement la température emmagasinée par un corps, ou montre le flux thermique d’une paroi en raison d’un foyer se trouvant à l’arrière.

Cependant, dans la partie du spectre électromagnétique comprise entre 0,7µm et 4µm, le rayonnement infrarouge est mesuré selon la réflectivité de la lumière sur le matériau ou la scène observée ; ceci est très utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs, du verre ou de la métallurgie.

La caméra thermique

Il existe deux types de caméras infrarouges, l’une avec capteur infrarouge refroidi, qui offre une meilleure qualité et précision d’image, et la seconde avec un capteur non-refroidi qui est moins précise mais moins onéreuse.

• Une caméra infrarouge refroidie intègre un détecteur d'image couplé à un refroidisseur cryogénique. C’est un dispositif qui abaisse la température du capteur aux températures cryogéniques et permet de réduire le bruit induit thermiquement à un niveau inférieur à celui du signal émis par la scène.
• Une caméra infrarouge non refroidie est une caméra dans laquelle le capteur d’image ne nécessite pas de refroidissement cryogénique. La conception du détecteur repose sur la technologie du microbolomètre, un type spécifique de bolomètre sensible au rayonnement infrarouge.

Lorsque le capteur de la caméra capte le rayonnement infrarouge, celle-ci convertit les données reçues en une représentation colorée de l’environnement. Selon la configuration sélectionnée avant la prise de vue, différents gradients thermiques seront mis en avant.

La résolution est un facteur important à prendre en compte, suivant le secteur d’activité et les besoins de précision nécessaires. Dans le secteur de la maintenance industrielle où les pièces à vérifier sont imposantes et le contraste thermique assez grand, une caméra infrarouge thermique à basse résolution spatiale (à partir de 60×60 pixels) sera amplement suffisante. Alors que pour des études plus poussées ou pour observer de petits détails avec un faible écart de température, l’utilisation d’une caméra avec une plus grande résolution spatiale (à partir de 640×480 pixels) sera une obligation.

Pour aller plus loin et découvrir en détail les spécificités actuelles du marché de l’infrarouge, téléchargez notre infographie.