Foire Aux Questions
Répondez à vos questions sur les solutions de tests électro-optiques
Un corps noir est un objet qui absorbe la totalité des rayonnements incidents qu’il reçoit, quelle que soit leur longueur d’onde ou leur direction, et réémet l’ensemble de cette énergie absorbée.
Une propriété essentielle des corps noirs est que l’énergie réémise ne dépend que de leur température.
Pour une température et une longueur d’onde données, la quantité d’énergie rayonnée, appelée luminance, est définie par la loi de Planck.
Un corps noir constitue ainsi une source de référence optique, bien qu’il s’agisse d’un dispositif théorique.
Le rayonnement infrarouge est un rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’onde sont comprises entre 700 nanomètres et 1 millimètre.
Il se situe ainsi entre la limite rouge du spectre visible et les micro-ondes les plus courtes.
Cependant, en tenant compte des principales applications des capteurs thermiques, la plage spectrale la plus couramment utilisée se situe entre 1 µm et 50 µm, et comprend trois sous-bandes majeures, correspondant aux fenêtres de transmission de l’atmosphère :
- De 1 µm à 3 µm : Infrarouge à ondes courtes (SWIR) ou bande I
- De 3 µm à 5 µm : Infrarouge à ondes moyennes (MWIR) ou bande II
- De 8 µm à 14 µm : Infrarouge à ondes longues (LWIR) ou bande III
Les objets usuels ne sont pas des corps noirs.
Ils n’absorbent pas 100 % de l’énergie incidente et absorbent généralement certaines longueurs d’onde de manière sélective.
Par conséquent, ils ne peuvent pas réémettre la totalité de l’énergie incidente.
Le rapport entre l’énergie réémise par un objet usuel et celle réémise par un corps noir à la même température est appelé émissivité, notée ε.
Ce rapport dépend de la longueur d’onde et est compris entre 0 et 1.
Bien entendu, l’émissivité d’un corps noir idéal est égale à 1.
Cependant, de tels corps n’existent pas. La fabrication de « corps noirs » consiste donc à créer des sources optiques dont l’émissivité est la plus élevée et la plus constante possible sur une plage spectrale aussi large que possible.
Ces sources sont appelées corps gris, mais en pratique, les sources dont l’émissivité est supérieure à 0,9 sont également qualifiées de corps noirs.
Comme indiqué dans la section FAQ, la quantité d’énergie émise par un véritable corps noir ne dépend que de sa température. Ce niveau de rayonnement, appelé émittance radiante R ou radiance, est défini par la distribution suivante, découverte en 1900 par le scientifique allemand Max Planck :
Où:
- h est la constante de Planck : h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s
- k est la constante de Boltzmann : k = 1,381 × 10⁻²³ J/K
- c est la vitesse de la lumière dans le vide : c = 2,998 × 10⁸ m/s
- λ est la longueur d’onde (en mètres)
- T est la température du corps noir en kelvins : T (K) = 273,15 + t (en °C)
Pas besoin d’apprendre la loi de Planck par cœur !
Cependant, il est utile de connaître quelques propriétés importantes des corps noirs, qui découlent directement de cette loi :
- Pour une longueur d’onde donnée, le niveau de luminance (radiance) augmente avec la température,
- Pour une température donnée, la courbe de luminance spectrale présente un maximum, dont la longueur d’onde peut être facilement calculée grâce à la loi de Wien, facile à retenir.
Exemple : un corps noir à 800 K (soit environ 527 °C) émet son rayonnement maximal autour de 3,6 µm, c’est-à-dire dans la bande MWIR (infrarouge à ondes moyennes).
Comme le niveau de rayonnement d’un corps noir ne dépend que de sa température et qu’il est parfaitement défini par la loi de Planck, les corps noirs sont utilisés comme sources de référence optique pour les capteurs. En pratique, comme les températures nécessaires pour émettre dans le domaine du visible sont très élevées — ce qui rend ces sources beaucoup plus coûteuses que les lampes classiques —, les corps noirs sont principalement utilisés dans le domaine infrarouge, à partir de 1 µm.
C’est pourquoi ils sont aussi appelés « sources de référence infrarouge ».
Les principales applications sont l’étalonnage des capteurs infrarouges et la mesure et la vérification de leurs performances.
Selon les applications et la plage de sensibilité des capteurs infrarouges, les corps noirs fabriqués se répartissent généralement en trois familles, définies principalement par leur plage de températures :
- Corps noirs à surface étendue basse température, avec une plage de température d’environ -40 °C à plus de 150 °C
- Corps noirs à surface étendue haute température , avec une plagede température allant de la température ambiante jusqu’à 600 °C,
- Corps noirs à cavité haute température, avec une plage de température allant de température ambiante jusqu’à 1350 °C.
Un corps noir est généralement composé de deux parties reliées par un câble :
- Tête émissive : Elle comprend une surface émissive recouverte d’un revêtement à forte émissivité ou une cavité. Un capteur de température précis est inséré dans cette surface ou cavité pour mesurer la température de la source en temps réel.
Selon la plage de températures, la tête émissive est également équipée de moyens de chauffage et/ou de refroidissement. - Contrôleur électronique : Il alimente les moyens de chauffage/refroidissement tout en acquérant et affichant la température de la surface émissive en temps réel.
Le contrôleur est muni d’une boucle de régulation à asservissement précis pour garantir une stabilité élevée de la température.
Deux critères principaux doivent être pris en compte lors du choix d’un corps noir : la plage de températures et la taille de la surface émissive. Ces critères dépendent directement de votre application.
La plage de températures doit couvrir les températures des objets que votre caméra est censée observer.
Exemple : si la caméra est utilisée pour la surveillance passive du paysage, la plage de températures du corps noir utilisé pour tester cette caméra doit inclure des températures autour de la température ambiante, un peu en dessous et un peu au-dessus.Si la caméra sert à mesurer la température d’objets jusqu’à 500 °C (thermographie), le corps noir sélectionné pour l’étalonner doit couvrir au minimum de la température ambiante jusqu’à 500 °C.
L’ouverture (ou diamètre) du corps noir dépend des tests que vous souhaitez réaliser sur la caméra.
Par exemple, pour des tests comme la NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), la correction de non-uniformité, ou la localisation de pixels morts, la surface du corps noir doit entièrement couvrir l’ouverture optique de la caméra. En revanche, les tests de résolution (FTM, MRTD, TOD) se font sur une portion du champ de vision : un corps noir plus petit, couvrant au moins la surface de la cible, sera suffisant.
D’autres paramètres peuvent aussi être importants, tels que l’uniformité, la stabilité ou les conditions d’utilisation.
Une caméra infrarouge est parfois sensible à la différence de température ou au contraste thermique entre un objet et son environnement. Certains tests nécessitent donc de simuler un objet et son environnement, tout en mesurant simultanément et avec précision la température des deux, ainsi que leur différence.
La simulation d’un objet et de son environnement se fait en plaçant une mire devant la surface émissive du corps noir.
Un corps noir capable de contrôler la différence de température fonctionne « en mode différentiel ».
Une mire infrarouge est une fine plaque recouverte d’un revêtement à haute émissivité, avec des motifs découpés. L’objet est représenté par la partie du corps noir visible à travers les motifs, tandis que le fond correspond à la partie pleine de la plaque.
La température de l’objet correspond donc à celle du corps noir, alors que celle du fond est mesurée par un capteur inséré dans le support de la cible.
Certaines spécifications des caméras infrarouges dépendent de la différence de température ou du contraste thermique entre un objet et son environnement. Il est alors nécessaire d’ajuster la température de l’objet par rapport à celle du fond. Un corps noir différentiel permet cette fonction en ajustant en temps réel la température de l’objet pour maintenir une différence de température fixe (positive ou négative) par rapport à la température du fond, qui elle peut fluctuer.
Les tests réalisables sur une caméra infrarouge avec un corps noir se répartissent en quatre catégories principales :
- Tests de correction et d’étalonnage : étalonnage thermique du signal, correction de non-uniformité, mesure de la plage dynamique, linéarité, etc.
- Mesure du bruit : résolution thermique, bruit temporel, NETD, bruit fixe, bruit spatial fixe, NEI, etc.
- Résolution spatiale et spécifications géométriques : LSF, FTM, champ de vue, IFOV, alignement, grossissement, etc.
- Évaluation de la portée : MRTD, MDTD, TOD, distances de détection, reconnaissance, identification, etc.
HGH propose une solution performante pour les tests de caméras IR via le logiciel INFRATEST.
Le tableau suivant propose une recommandation des cibles adaptées aux tests les plus courants :
Les tests de bruit ne nécessitent généralement pas de mire.
La NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) correspond à la différence de température entre un objet et son environnement nécessaire pour générer une variation du signal de la caméra thermique équivalente au bruit temporel de cette caméra, c’est-à-dire à son instabilité temporelle à 1-sigma.
On peut considérer ce paramètre comme la résolution thermique de la caméra infrarouge.
La FTM (Fonction de Transfert de Modulation) représente la valeur du contraste (entre 0 et 1) d’une image sinusoïdale focalisée sur une caméra en fonction de la fréquence spatiale de cette image.
Elle renseigne sur la réponse spatiale de la caméra, c’est-à-dire sa capacité à restituer les détails de différentes tailles.
Cette courbe est généralement obtenue par la transformée de Fourier de la fonction d’étalement de ligne (Line Spread Function), c’est-à-dire la réponse de la caméra à une fente très fine.
La MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference) est une mesure standard des performances des caméras thermiques.
Cette mesure permet de déterminer les distances DRI (Detection, Recognition, Identification) de la caméra infrarouge testée.
Le test MRTD se réalise avec :
- un corps noir différentiel, servant de source de référence infrarouge,
- une mire à quatre barres, positionnée devant la surface émissive du corps noir.
- un collimateur qui projette l’image de la mire devant la caméra testée.
Le corps noir différentiel permet de régler une différence de température positive ou négative entre les barres de la mire et leur arrière-plan (la surface du corps noir).
La courbe MRTD est tracée en déterminant la différence de température minimale nécessaire entre la mire et l’arrière-plan pour distinguer les 4 barres sur l’image thermique, en fonction de la fréquence spatiale de la mire à 4 barres.
Pour réaliser un test MRTD rapide et précis, des modèles de mires à 4 barres avec des fréquences spatiales optimisées peuvent être calculés selon le champ de vision et la résolution de la caméra, ainsi que la focale du collimateur. Vous pouvez télécharger notre fiche de calcul pour déterminer la cible adaptée à vos besoins.
Pour plus d’informations, n’hésitez pas à contacter nos spécialistes.
La TOD (Triangle Observation Discrimination) est une méthode permettant de tracer la courbe du contraste thermique en fonction de la fréquence spatiale.
Comme la MRTD, cette mesure permet de déterminer les distances DRI (Detection, Recognition, Identification) de la caméra infrarouge testée.
Contrairement au MRTD, la méthode TOD est totalement objective, ce qui en fait une procédure alternative sans biais.
Le principe du TOD repose sur l’observation d’un triangle équilatéral sur un fond uniforme. Ce triangle peut avoir quatre orientations possibles : une des pointes est dirigée vers le haut, le bas, la gauche ou la droite.
Comme pour la MRTD, un contraste thermique ΔT est appliqué entre la mire et le fond, et différentes tailles de triangles sont observées.
La procédure TOD nécessite donc deux types d’opérateurs :
- Un opérateur qui connaît la bonne réponse
- Un observateur qui doit indiquer l’orientation du triangle perçue parmi les quatre possibles, même s’il n’est pas sûr
La mesure TOD est réalisée à l’aide de :
- un corps noir différentiel, servant de source de référence infrarouge,
- Un ensemble de mires avec des motifs triangulaires de différentes tailles
- un collimateur qui projette l’image de la mire devant la caméra testée.
Pour plus d’informations, n’hésitez pas à contacter nos spécialistes.
Une source optique émet un flux lumineux (F) d’énergie vers un capteur. Ce flux se propage de la source au capteur.
Paramètres lumineux :
Luminance : quantité représentant la luminosité d’une source indépendamment de sa taille et de son cône d’émission. Cette valeur est souvent utilisée pour comparer deux sources.
Quelle est l’unité du flux lumineux ?
L’unité USI de flux lumineux est le lumen, abréviation lm.
1 lumen = 1/683 Watt à 555 nm
555 nm est la longueur d’onde à laquelle l’œil est le plus sensible.
L’unité d’intensité lumineuse SI est la candela, abrégée cd.
1 cd = 1 lm / stéradian (sr)
1 sr est un cône de lumière qui éclaire 1 m² situé à 1 m de la source.
Luminance (ou Radiance) : unité SI = candela par mètre carré (cd/m²)
Illuminance (ou irradiance) : unité SI = lux