mai 06, 2020 . 5min read
La technologie infrarouge est de plus en plus déployée dans des applications à la fois innovantes et grand public. Mise au jour à l’aube du 19ème siècle, il a fallu longtemps avant qu’elle soit exploitée techniquement et commercialement. Aujourd’hui très performante, elle se répand dans des secteurs d’activité novateurs et y trouve toute son utilité, notamment dans des technologies de pointe comme la voiture autonome ou le bâtiment connecté.
En effet, intégrée à des applications existantes, elle permet d’y apporter une forte valeur ajoutée technique tout en maîtrisant les coûts de fabrication, rendus accessibles grâce à sa démocratisation.
Voici 5 choses à savoir sur la technologie infrarouge afin de pouvoir la comprendre et l’utiliser au mieux pour les différents secteurs industriels dans lesquels elle peut apporter une véritable plus-value technologique.
Comment fonctionne le spectre électromagnétique ?
Une radiation est caractérisée par sa fréquence et sa longueur d’onde. Certaines radiations ne sont pas visibles par l’œil humain. Le rayonnement infrarouge est un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde supérieure à celle du spectre visible mais plus courte que celle des micro-ondes ou du domaine térahertz.
On distingue donc plusieurs longueurs d’onde au sein du spectre électromagnétique, chacune répondant à des caractéristiques différentes.
NIR (Near infrared) : il s’agit de la spectroscopie dans l'infrarouge proche, les longueurs d’onde les plus proches du visible, se situant entre 0,78 à 2,5 µm. Son principe de fonctionnement repose sur les vibrations des molécules excitées par la source infrarouge. L’absorption par les molécules des ondes infrarouges cause le changement des électrons vers des niveaux vibrationnels plus élevés, créant ainsi un signal mesurable.
SWIR (Short wave infrared) : il s’agit de l’infrarouge court, défini comme le spectre lumineux se situant dans la gamme de longueur d'onde 1 - 2,7 μm. Les détecteurs en silicium ont un fonctionnement limité à environ 1,0 μm. C’est pourquoi, l'imagerie basée sur le SWIR nécessite des composants optiques et électroniques uniques, capables de fonctionner sur la gamme spectrale entre 0,9 - 1,7 μm, ce qui est le cas des détecteurs InGaAs non refroidis.
MWIR (Medium wave infrared) : il s’agit de l’infrarouge moyen, défini comme le spectre lumineux se situant dans la gamme de longueur d'onde 3 - 5 μm. C’est dans cette partie de la bande spectrale que l’image thermique commence à se former grâce aux gradients thermiques présents dans la scène observée. La détection MWIR nécessite l'utilisation de technologies à refroidissement cryogénique telles que HgCdTe (MCT) - un composé semiconducteur II-VI .
LWIR (Long wave infrared) : il s’agit de l’infrarouge long, défini comme le spectre lumineux se situant dans la gamme de longueur d'onde 7 - 14 μm. Un détecteur regardant une scène capte la température émise par les objets. Contrairement à un capteur visible qui détecte la réflexion du soleil sur les objets, un capteur LWIR n’a pas besoin de source de lumière éclairant l’objet. Il est ainsi capable de fournir des images de jour et de nuit semblables : il n’y a aucune variation de l’image qu’il fasse jour ou non.
2. Les deux grandes technologies existantes
En infrarouge, on distingue deux types de détecteurs :
- les détecteurs refroidis : ces détecteurs sont maintenus à une température extrêmement basse par cryogénie. Ce dispositif 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. Leur principal avantage est qu’ils disposent d’une résolution et d’une sensibilité incroyablement élevées, offrant ainsi une très bonne qualité d’image. En revanche, ils sont plus coûteux que les capteurs non refroidis et plus encombrants, les rendant ainsi moins attractifs pour certaines applications où la légèreté prime souvent sur la qualité d’image.
- les détecteurs non refroidis, ou microbolomètres : a contrario, ces détecteurs ne nécessitent pas de système de refroidissement. Ils reposent sur la technologie microbolomètre. Les changements de température dans une scène entraînent des modifications de la température du bolomètre qui sont converties en signaux électriques, puis en image. Les systèmes équipés de détecteurs non refroidis présentent l’avantage d’être moins couteux et de requérir moins de maintenance.
Le NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) mesure la sensibilité thermique d’une caméra. C’est la plus petite différence de température détectable. Elle s’exprime en milliKelvin (mK) ou en degré Celsius (°C). Plus le NETD est faible, meilleure est la caméra pour détecter les contrastes thermiques. Le NETD peut donc être compris comme un équivalent du contraste en visible
En infrarouge, le NETD peut varier de 25 à 100 mK pour les microbolomètres non refroidis et avoisiner 10 mK pour les modèles refroidis. Cette valeur a un rôle déterminant dans les scènes présentant un faible contraste thermique, c’est-à-dire dans lesquelles tous les objets sont à peu près à la même température, comme les paysages par exemple.
4. Résolution & champ de vue ou FOV (Field of view) :
Le FOV ou champ de vision en français, correspond à l'étendue angulaire d’une scène. Cette donnée est à croiser avec la résolution de l’image qui correspond au nombre de pixels sur la cible.
La resolution indique la netteté de l’image, et le champ de vision, son étendue. Plus la résolution de l’image est élevée, et qu’elle présente donc plus de pixels, plus l’image est précise. Pour obtenir davantage de pixels, il faut réduire le champ de vision.
5. Analogique vs numérique (ou digital)
Un convertisseur analogique – numérique (CAN), ou analog to digital converter (ADC), est un dispositif qui transforme un signal analogique en un signal numérique codé sur plusieurs bits.
Un convertisseur numérique – analogique (CNA), ou digital to analog converter (DAC), est un dispositif qui transforme un signal numérique codé sur plusieurs bits en un signal analogique.
Dans la version entièrement digitale, un ADC (convertisseur analogique/numérique) est inclus dans le capteur. Il permet de convertir le signal vidéo analogique en signal numérique qui peut ensuite être traité par un programme approprié afin de récupérer les informations de la scène souhaitée.
Outre l’ADC le système entièrement digital inclut aussi des tensions de polarisations de l’élément sensible par un DAC. L’intégrateur de détecteur n’a donc plus à développer les alimentations sensibles du détecteur ce qui lui simplifie grandement la mise en œuvre.
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