Rayonnement infrarouge
Le rayonnement infrarouge , également appelé rayonnement IR , rayonnement infrarouge , rarement ultrarouge , est en physique un rayonnement électromagnétique dans la gamme spectrale comprise entre la lumière visible et le rayonnement térahertz à ondes plus longues . Cela signifie généralement de la lumière (au sens large) avec une longueur d'onde comprise entre 780 nm et 1 mm. Cela correspond à une gamme de fréquences de 300 GHz à 400 THz ou à une gamme de nombres d'onde de 10 cm -1 à 12 800 cm -1 .
Classification du domaine spectral
Une classification de la gamme spectrale infrarouge est basée sur les types de vibrations moléculaires qui affectent les applications. Les termes et les limites ne sont pas clairement définis comme dans le domaine visible et sont en partie déterminés par des applications ou des phénomènes physiques particuliers, c'est pourquoi il existe plusieurs définitions différentes. La Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) et le DIN proposent la division en trois bandes : IR-A, IR-B et IR-C. La définition avec les désignations NIR, MIR et FIR suit ISO 20473.
| la désignation | Abréviation | Longueur d'onde en µm |
Température à Vienne en K |
Domaines d'application / remarques | |
|---|---|---|---|---|---|
| proche infrarouge | NIR | IR-A | 0,78 ... 1,4 | 3700 ... 970 |
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| IR-B | 1,4 ... 3,0 |
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| moyen infrarouge | MOI | IR-C | 3… 50 | 970 ... 60 |
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| infrarouge lointain | SAPIN | 50 ... 1000 | 60… 3 |
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De plus, d'autres stipulations sont également courantes, par exemple une subdivision qui est souvent utilisée dans la région anglo-américaine et qui est appliquée dans la spécification des caméras d'exploration terrestre :
- le proche infrarouge (en anglais : proche infrarouge , NIR) est un rayonnement infrarouge à ondes courtes, qui se connecte directement à la plage visible (rouge) de 780 nm à 1400 nm.
- Infrarouge à ondes courtes (Anglais : courte longueur d'onde , SWIR) 1,4 à 3,0 µm
- infrarouge moyen (Anglais : mi longueur d'onde , MWIR) avec des longueurs d'onde de 3,0 µm à 8 µm.
- infrarouge à grande longueur d' onde ( LWIR) 8 à 15 µm
- infrarouge lointain (anglais : infrarouge lointain , FIR) rayonnement infrarouge à ondes longues de 15 microns à 1 mm, et s'étend dans la région du rayonnement térahertz .
histoire
Le rayonnement IR a été découvert vers 1800 par l' astronome , technicien et musicien germano-britannique Friedrich Wilhelm Herschel alors qu'il tentait de mesurer la température des différentes couleurs de la lumière solaire. Pour ce faire, il a laissé tomber la lumière du soleil à travers un prisme et a placé un thermomètre dans les différentes zones de couleur. Il a remarqué qu'au-delà de l'extrémité rouge du spectre visible, le thermomètre affichait la température la plus élevée. De l' augmentation observée de la température , il conclut que le spectre solaire se poursuit dans la gamme de fréquences inférieures ( latin : infra ) à celle de la lumière rouge.
sources
Étant donné que les thermorécepteurs humains réagissent à une partie du spectre infrarouge, le rayonnement infrarouge est souvent assimilé au rayonnement thermique . C'est exact : les micro-ondes, la lumière visible et toute la gamme spectrale électromagnétique contribuent à l'augmentation de la température quelle que soit la perception. Les sources infrarouges à large bande ( par exemple, les lampes à incandescence et les radiateurs radiants ) sont également des émetteurs thermiques. Différents émetteurs infrarouges ont été développés pour des applications spéciales, par exemple Globar et Nernst pen .
preuve
Les détecteurs thermiques ( thermocouples ou bolomètres ) sont adaptés pour détecter les rayonnements IR de toutes les longueurs d'onde . Dans la gamme des ondes courtes, des détecteurs à base de semi-conducteurs sont utilisés (avec un effet photoélectrique interne ), bien que les appareils photo numériques conviennent également si leur filtre de coupure IR n'est pas trop puissant. Des films photographiques spéciaux conviennent également à l'enregistrement d'images IR dans le proche infrarouge, et des détecteurs à semi-conducteurs refroidis, des capteurs pyroélectriques (capteurs PIR) ou des thermopiles sont utilisés pour les longueurs d'onde plus longues (infrarouge moyen) .
Applications
chauffe-eau
Le chauffage par rayonnement est une application essentielle. Chaque radiateur émet également un rayonnement infrarouge, notamment à des températures bien supérieures à 100°C. La plupart d'entre eux sont principalement dus au dégagement de chaleur dans l'air ; cependant, le confort augmente en raison de la proportion de rayonnement. Le chauffage complet de la maison ou le chauffage de transition dans la salle de bain sont effectués à l'aide de panneaux infrarouges; la station spatiale Mir est ainsi chauffée depuis 1986.
Analyse chimique et génie des procédés
Le rayonnement infrarouge stimule les molécules à osciller et à tourner. La spectroscopie infrarouge est une méthode d'analyse physico-chimique. L'absorption de la lumière infrarouge de longueurs d'onde définies est utilisée pour déterminer la structure de substances inconnues. La pureté des substances connues peut être déterminée par détermination quantitative. La spectroscopie infrarouge est utilisée pour identifier et séparer les plastiques lors de la séparation des déchets .
Les centres d'absorption des vibrations moléculaires sont directement liés à l' indice de réfraction des matériaux et donc à leur comportement en réflexion . Dans le domaine infrarouge, celui-ci est notamment utilisé en réflectographie infrarouge .
Histoire de l'art
La réflectographie infrarouge est une méthode d'examen principalement utilisée dans les études d' art , avec laquelle des éléments de dessin constitués de matériaux plus réfléchissants peuvent être rendus visibles grâce aux différentes propriétés de réflexion des colorants appliqués à un support d'image . Avec cette technique sans contact et non destructive, il est possible de pénétrer la couche supérieure de peinture d'un tableau et de documenter la signature autrement invisible .
astronomie
En astronomie infrarouge, on observe des objets "froids" (plus froids que 1100 K), qui peuvent difficilement être vus dans d'autres domaines spectraux, ou des objets qui se trouvent dans ou derrière un nuage interstellaire . De plus, la spectroscopie IR aide à l'analyse des objets visualisés. Comme en chimie, des bandes de certaines substances sont détectées au moyen de la spectroscopie infrarouge, par exemple le méthane gazeux sur l' exoplanète près de l'étoile fixe HD 189733 .
Electronique et informatique
Les télécommandes infrarouges , les optocoupleurs et la plupart des barrières lumineuses fonctionnent dans le proche infrarouge à une longueur d'onde de 880 à 950 nm, car c'est là que les photodiodes et phototransistors au silicium ont leur sensibilité la plus élevée. Les interfaces infrarouges des ordinateurs fonctionnent également dans cette gamme de longueurs d'onde et permettent une communication sans fil avec des périphériques. La transmission optique de données à travers l'atmosphère au moyen d'un laser IR est caractérisée par la transmission optique en espace libre .
L'une des premières entreprises à combiner la technologie infrarouge avec l' informatique était Hewlett-Packard . En 1979, une interface IR a été intégrée pour la première fois dans une calculatrice de poche afin d'établir une connexion avec une imprimante . En 1990, une interface IR a été intégrée pour la première fois dans un ordinateur personnel . Cette interface est devenue un standard. Parce qu'il fonctionnait en série, il a été nommé Serial Infrared , ou SIR en abrégé . Pour des raisons de rapidité, ce standard a été remplacé par le Fast-IR rétrocompatible et est désormais largement remplacé par le Bluetooth .
Dans les télécommunications , l'IR-A est préféré dans les guides d'ondes optiques en raison de sa faible absorption et dispersion . La longueur d'onde standard est de 1550 nm.
La détection de mouvement d'une source de rayonnement infrarouge peut s'effectuer au moyen de capteurs d'images thermiques. Ceci est utilisé, par exemple, pour contrôler la console de jeu Wii de Nintendo.
Le projet d'un téléphone à faisceau lumineux basé sur l'infrarouge ne put prévaloir.
végétation
Dans le proche infrarouge, la végétation verte a une réflexion environ six fois plus élevée que dans le domaine spectral visible, car le tissu foliaire frais a une bonne réflectivité et les longueurs d'onde restantes sont absorbées par la chlorophylle et les caroténoïdes qui l'accompagnent . Cet effet est utilisé pour identifier les zones de végétation. Deux images sont prises d'une scène, l'une dans le visible, l'autre dans le proche infrarouge. Des caméras multispectrales sont souvent utilisées. En divisant les deux images, la végétation devient clairement visible et peut être facilement distinguée.
La végétation ainsi reconnue est mesurée par un véhicule ou un avion. La mesure comparative de la végétation d'intérieur observe une plante sur une plus longue période de temps. La mesure de la végétation à partir des véhicules donne une indication sur les conditions qui prévalent localement. La détermination de la proportion de surface de la végétation par rapport à l'ensemble de la surface de base prise de l'air est un cas courant et le volume de végétation dans un espace prédéfini est déterminé. Cette mesure de volume de végétation est importante pour les entreprises d'entretien des autoroutes et des routes ainsi que pour les exploitants de réseaux ferroviaires. La végétation qui dépasse dans le profil de dégagement des véhicules est automatiquement reconnue et l'élagage peut être lancé.
Au moyen de la réflexion spectrale, en particulier dans l'infrarouge proche à lointain de la végétation verte, les types de végétation sont différenciés et l'état de santé respectif de la végétation est reconnu. L'état de santé des plantes dépend principalement de leur approvisionnement en eau. La sécheresse est mesurée et des infestations de champignons et d'insectes peuvent être observées.
la photographie
Photographie infrarouge
En photographie analogique , les films sensibilisés dits infrarouges peuvent être utilisés dans le proche infrarouge jusqu'à 820 nm . La lumière visible est totalement ou majoritairement éteinte ( filtre rouge ) par des filtres placés en façade . Le résultat typique est l' effet Bois : un ciel sombre et des parties claires de plantes contenant de la chlorophylle (feuilles, herbe). Les caméras infrarouges peuvent mieux pénétrer la brume légère et le brouillard en raison de la plus faible diffusion due à la plus grande longueur d'onde.
Les enregistrements IR sont utilisés par les militaires en photographie aérienne pour l'espionnage et la reconnaissance militaire (aérienne et terrestre), en astronomie et dans les systèmes d' aide à la conduite .
Des films couleur avec « reproduction en fausses couleurs » sont également utilisés. Ces films en fausses couleurs représentent différentes longueurs d'onde infrarouges sous forme de couleurs visibles qui peuvent être distinguées. Ces matériaux sont utilisés en photographie aérienne, par exemple, pour cartographier les dommages causés aux forêts et en archéologie aérienne et pour examiner les peintures et les surfaces colorées.
Mesure de distance
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Mesure de distance à l' aide de la méthode du temps de transit infrarouge - Le temps couvert par la lumière émise par l'émetteur infrarouge intégré est évalué dans le capteur du récepteur et automatiquement transféré à l'objectif et, si nécessaire, au flash intégré. Certaines versions fonctionnent en partie dans le spectre de la lumière visible et permettent l'utilisation de systèmes optiques d' autofocus dans de mauvaises conditions d'éclairage.
Médicament
Les lampes chauffantes émettent dans l'infrarouge et sont utilisées depuis longtemps à des fins médicales.
Le rayonnement thermique des radiateurs radiants, tels que les radiateurs infrarouges en céramique à rayonnement infrarouge à ondes longues ou les lampes à lumière rouge émettant principalement dans le proche infrarouge , sont utilisés pour le traitement local des inflammations (par exemple des sinus paranasaux). Les cabines de chaleur infrarouge sont utilisées pour le traitement du corps entier . Le rayonnement infrarouge est souvent utilisé en médecine sous la forme de lasers . Les domaines d'application comprennent notamment la peau , l' ophtalmologie et la dentisterie ( mesure , sclérosage , coupe , coagulation , luminothérapie ). De plus, l'infrarouge est utilisé pour rechercher les foyers réels (plus chauds) d'inflammation afin de pouvoir les traiter plus efficacement. La thermographie est utilisée pour trouver des sources locales d'inflammation .
Le proche infrarouge pénètre profondément dans et sous la peau, tandis que le MIR en particulier est déjà absorbé à la surface de la peau et de la cornée de l'œil. Le proche infrarouge de haute intensité (rayonnement laser) est donc particulièrement dangereux pour les yeux et la peau, car il atteint la rétine inaperçue dans l'œil, y est focalisé et peut causer des dommages. Dans le corps, il est absorbé dans des régions où il n'y a pas de capteurs de température et peut donc souvent causer des dommages sans se faire remarquer.
Pour mesurer la température, on utilise des pyromètres qui mesurent la température dans l'oreille au moyen d'un rayonnement thermique dans l'infrarouge moyen. Enfin, l' oxymétrie de pouls est utilisée pour mesurer la saturation en oxygène des globules rouges.
Policiers et militaires
La police et l'armée utilisent des appareils portables de vision nocturne et des intensificateurs de lumière résiduelle dans le proche infrarouge, dont le composant central est des intensificateurs d'images , afin de pouvoir reconnaître des objets qui seraient autrement invisibles dans l'obscurité. De plus, un éclairage infrarouge peut être utilisé. Les pilotes d'hélicoptère volent la nuit à l'aide de lunettes de vision nocturne fixées à leur casque, dans lesquelles une image monochrome du rayonnement proche infrarouge des objets au sol est générée devant chaque œil. Un système de caméra mobile peut être monté à l'extérieur de l'hélicoptère, qui délivre des vidéos ou des images thermiques dans le visible ainsi que dans le moyen infrarouge. Ceux-ci sont utilisés, par exemple, lors de la recherche de personnes disparues ou en fuite, même dans l'obscurité.
De nombreux types de missiles guidés à recherche de cible autoguidés trouvent leur cible via le rayonnement thermique, qui est émis, par exemple, par les moteurs d'avion. Les nouveaux avions de combat et les navires militaires disposent d'installations permettant d' éjecter des fusées éclairantes ( fusées éclairantes ) qui détournent ces armes de la cible.
Thermographie
Avec l'aide de la thermographie , des "images thermiques" peuvent être générées, pour lesquelles le rayonnement infrarouge de la chaleur des objets est utilisé. Une application bien connue est la thermographie du bâtiment pour l'assurance qualité et la visualisation des ponts thermiques et des pertes de chaleur dans les bâtiments. Les mesures d'isolation thermique peuvent ainsi être utilisées de manière ciblée. Les pompiers utilisent des caméras thermiques portables pour détecter les sources d'incendie et de braises ou les personnes à secourir dans les intérieurs enfumés.
Dans le diagnostic et la maintenance d'ensembles, de systèmes ou de machines électriques, électroniques et mécaniques, la thermographie est utilisée comme méthode de mesure complémentaire pour la détection préventive des défauts et des dommages. Cela signifie que les états critiques (« points chauds ») des machines, des systèmes et des installations peuvent être déterminés sans contact pendant le fonctionnement afin de prendre des mesures pour limiter les effets à un stade précoce et éviter les pannes et les dommages.
La thermographie est utilisée pour l'analyse des vibrations et les tests de résistance. Les fissures et les connexions desserrées sont révélées par la chaleur générée. Avec les pyromètres infrarouges, les températures de processus et les températures des composants et des dissipateurs thermiques sont mesurées et contrôlées sans contact.
Traitement des matériaux
De nombreux procédés thermiques dans l'industrie sont réalisés à l'aide de rayonnement infrarouge. En plus d'être utilisés pour le séchage, les matériaux peuvent être durcis, les plastiques peuvent être ramollis et déformés. Les matériaux sont soudés, étiquetés et découpés avec des lasers infrarouges , et les métaux sont également durcis. Les bandes de matériaux sont séchées avec des radiateurs infrarouges chauffés au gaz ou électriquement. De tels dispositifs supplémentaires sont disponibles, par exemple, sur les machines à papier.
Documents de sécurité
Les éléments de sécurité sensibles aux infrarouges dans les passeports et les billets de banque sont vérifiés avec des émetteurs infrarouges. Dans le cas des billets en euros , par exemple, l'absorption infrarouge de certains matériaux à des longueurs d'onde définies peut être vérifiée en plus d'autres caractéristiques. D'autre part, la fluorescence infrarouge du bleu de méthylène dans le passeport britannique est une caractéristique utilisée pour tester les équipements.
la gastronomie
Le rayonnement infrarouge est également utilisé en gastronomie. On les trouve souvent sous forme de radiateurs radiants et de chauffe- terrasses pour l'extérieur et les zones fumeurs. Ils sont également utilisés pour le plaisir culinaire, sous forme de grils infrarouges (comme un grand gril gastro ou un petit gril de table). Par rapport aux grils classiques à bois, électriques ou à gaz, ils présentent l'avantage d'une chaleur rayonnante qu'aucune graisse n'atteint les éléments chauffants, car les radiateurs sont fixés au-dessus des aliments à griller. Cela empêche également le développement de la fumée.
Littérature
- Directive S1 travail sous l'influence du rayonnement infrarouge (rayonnement thermique) - Danger et dommages aux yeux et à la peau de la Société allemande de médecine du travail et de médecine environnementale (DGAUM). Dans : AWMF en ligne (à partir de 2012)
liens web
- Littérature par et sur le rayonnement infrarouge dans le catalogue de la Bibliothèque nationale allemande
Preuve individuelle
- ↑ a b physique des rayonnements dans le domaine optique et technologie de l'éclairage ; Désignation des gammes de longueurs d'onde . Dans : Institut allemand de normalisation (éd.) : DIN . 5031 partie 7, janvier 1984.
- ↑ ISO 20473 : 2007 Optique et photonique - Bandes spectrales. Organisation internationale de normalisation (ISO), consulté le 11 janvier 2019 .
- ↑ Navigium: Dictionnaire latin-allemand
- ↑ Peter Kosack (TU Kaiserslautern) : Rapport sur le projet de recherche "Mesure comparative exemplaire entre chauffage radiant infrarouge et chauffage au gaz dans les bâtiments anciens" , octobre 2009.
- ↑ AT-Mega Project : Sur la piste des hotspots avec la caméra infrarouge. Dans : ComputerClub². 18 septembre 2008, consulté le 16 décembre 2009 (émission télévisée; épisode 23).
- ↑ L'hélicoptère de la police de FLIR en détail . vol.at, consulté le 22 juin 2016 (exemple vidéo).
- ↑ Différences entre IR et grill classique. Consulté le 21 janvier 2018 .
