Histoire et physique du rayonnement infrarouge
De la découverte à l’utilisation comme caméra thermographique
Le rayonnement infrarouge a été découvert autour de l’année 1800, lorsque l’astronome et musicien germano-britannique HERSCHEL a voulu mesurer les températures des parts de différentes couleurs de la lumière solaire. Il a fait passer la lumière du soleil à travers un prisme et a tenu un thermomètre sur les différentes couleurs lumineuses. Il a alors constaté que la température la plus élevée pouvait être mesurée sur une plage invisible, au-delà de la lumière rouge. Cette plage spectrale est aujourd’hui appelée plage infrarouge (infra = au-delà) et nous la divisons encore en infrarouge proche, moyen et lointain.
Spectre électromagnétique : au-delà de la lumière rouge visible se trouve la plage infrarouge.
Dans la seconde moitié du 19ème siècle a débuté la recherche plus approfondie des ondes électromagnétiques dont fait aussi partie le rayonnement thermique ou rayonnement infrarouge. Des chercheurs de pointe, tels que KIRCHHOFF, BOLTZMANN, WIEN et PLANCK, ont notamment résumé leurs découvertes dans les lois du rayonnement.
Vers la moitié du 20ème siècle a débuté l’utilisation militaire de la technique de mesure infrarouge. Les premiers appareils thermographiques pour le secteur non militaire ont été développés dans les années 1960.
Il existe aujourd’hui un grand nombre de caméras infrarouges ou à image thermique modernes, haute résolution, pour les domaines d’application les plus divers. Orglmeister s’est spécialisée dans le domaine de la détection précoce des incendies – car la détection précoce des températures critiques est préférable à la détection incendie.
La physique « particulière » du rayonnement infrarouge
Imaginez que vous vous trouvez à cinq mètres d’une fenêtre d’immeuble normale. Vous orientez maintenant une caméra à image thermique ou une caméra thermographique, que vous tenez en main, vers cette fenêtre et vous vous détectez soudainement vous-même. Vous ne détectez pas seulement une silhouette, mais également la répartition de température à la surface de votre corps. Était-ce ce à quoi vous vous attendiez?
Thermographie d’une fenêtre d’immeuble résidentiel. La fenêtre reflète une partie du rayonnement infrarouge – le thermographe se voit lui-même.
Au niveau physique, voici ce qu’il s’est passé : le rayonnement infrarouge émis par votre corps parcourt un trajet de 5 m à travers l’atmosphère jusqu’à la vitre, il y est reflété dans une petite part, parcourt ensuite à nouveau 5 m jusqu’à la caméra thermographique se trouvant dans votre main et touche le capteur infrarouge à travers l’objectif.
Le système électronique interne analyse la puissance de rayonnement infrarouge émise par votre corps, calcule les températures correspondantes et génère une image thermique dans une représentation fausse couleur.
Lors de la comparaison de l’image thermique avec la photo, vous constatez que le rideau n’est pas visible sur l’image thermique. La raison pour cela est la faible transmission thermique (perméabilité) du verre. Le rayonnement infrarouge du rideau ne pénètre donc pas la vitre et n’est donc pas représenté sur l’image thermique.
Une caméra à image thermique mesure le rayonnement de surface d’un objet
La thermographie permet uniquement de mesurer des températures émises par la surface d’un matériau. Les températures de l’air ou de gaz, les températures derrière des obstacles, au dos ou à l’intérieur d’un remblai restent cachées pour la thermographie.
Un objet de mesure optimal pour la technique de mesure infrarouge est noir et possède une surface extrêmement rugueuse qui ne reflète pas. Ces objets sont très rares dans la nature. Les objets avec ces propriétés infrarouges optimales sont appelés « corps noirs ». Ce nom vient du fait que ces corps sont si noirs que la profondeur de l’objet n’est plus reconnaissable.
Si vous posez par exemple une épaisse couche de plâtre sur un ballon de foot et que vous percez ensuite un trou de 2 cm dans ce ballon, il vous serait impossible d’estimer la profondeur du trou. Si ce ballon est alors chauffé régulièrement sur tous les emplacements, vous aurez fabriqué un excellent corps noir qui peut émettre son énergie infrarouge de manière optimale depuis ce trou. Ce ballon aurait un degré d’émission de ε = 1 et serait appelé « antenne sphérique ».
L’antenne sphérique PYROcal® génère une température fixe de précisément 95°C avec un niveau d’émission de 0,99. PYROcal® se rapproche ainsi d’un « corps noir » parfait. PYROcal® permet l’étalonnage des caméras à image thermique.
Il existe également des corps qui reflètent plutôt le rayonnement d’autres objets, c’est-à-dire qui ne rayonnent quasiment pas. Ces surfaces « non noires » requièrent une correction pour la détermination de la température de la puissance de rayonnement via le degré d’émission ε. De même, la transmission joue un rôle, c’est-à-dire la perméabilité d’un matériau pour le rayonnement infrarouge.
Heureusement, de nombreuses substances non métalliques sur la plage spectrale à ondes longues possèdent un degré d’émission élevé et relativement constant, indépendamment de leur qualité de surface. Cela inclut la peau humaine, de même que la plupart des matériaux de construction et de revêtement non minéraux, le caoutchouc, de nombreux vernis, les émaux, etc. De même, les surfaces métalliques vernies, collées ou encrassées sont adaptées à la représentation dans la thermographie – un exemple :
un corps vernis noir mat émet une plus grande énergie de rayonnement qu’une surface réfléchissante polie, claire. Si on s’approche, par ex., avec la main à une distance d’env. 10 cm d’un cube poli en acier inoxydable à env. 100°C, on a la sensation que le cube n’est pas particulièrement chaud. Si le même cube est revêtu d’une peinture spéciale noir mat, le cube à la même température et à la même distance donne l’impression d’être beaucoup plus chaud. Une caméra thermographique afficherait ces deux cubes avec différentes températures.