Un corps noir est un élément qui absorbe toutes les radiations incidentes qu’il reçoit, quelle que soit la longueur d’onde ou la direction, et qui réémet toutes ces radiations absorbées. Une propriété importante du corps noir est que le niveau d’énergie réémise ne dépend que de la température du corps noir.
Pour une température et une longueur d’onde données, aucune surface ne peut émettre plus d’énergie qu’un corps noir.
Un corps noir est donc une source de référence optique, bien qu’il s’agisse d’un dispositif théorique.
Le rayonnement infrarouge est le rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’onde sont comprises entre 700 nanomètres et 1 millimètre. Il se situe donc entre la limite rouge du spectre visible et les micro-ondes les plus courtes.
Cependant, compte tenu des principales applications des capteurs thermiques, la gamme spectrale principale se situe entre 1 µm et 50 µm et comprend trois grandes gammes sous-spectrales correspondant aux fenêtres de transmission de l’atmosphère :
Les objets usuels ne sont pas des corps noirs. Ils n’absorbent pas 100 % de l’énergie incidente et choisissent généralement les longueurs d’onde absorbées.
Par conséquent, ils ne peuvent pas réémettre toute l’énergie reçue. Le rapport entre l’énergie réémise par un objet usuel et l’énergie réémise par un corps noir à la même température que l’objet est appelé émissivité et noté ε. Ce rapport dépend de la longueur d’onde et est compris entre 0 et 1. Bien entendu, l’émissivité d’un véritable corps noir est égale à 1.
Cependant, de tels corps n’existent pas et la fabrication de « corps noirs » consiste à créer des sources optiques dont la valeur d’émissivité est aussi élevée et aussi constante que possible sur la plus large gamme spectrale. Ces sources sont appelées corps gris, mais dans la pratique, les sources dont l’émissivité est supérieure à 0,9 sont également appelées corps noirs.
Comme indiqué dans la section FAQ ci-dessus, la quantité d’énergie émise par un véritable corps noir ne dépend que de sa température. Ce niveau de rayonnement, appelé émittance R, est défini par la distribution suivante, découverte en 1900 par le scientifique allemand Max Planck :
Où :
Il n’est pas nécessaire d’apprendre la loi de Planck par cœur !
Cependant, il est bon de connaître certaines propriétés importantes des corps noirs qui découlent de la loi de Planck :
Exemple : un corps noir à 800K (soit 527°C environ) émet son rayonnement maximal à environ 3,6 µm, c’est-à-dire dans le domaine spectral MWIR
Comme le niveau de rayonnement d’un corps noir ne dépend que de sa température et est bien connu grâce à la loi de Planck, les corps noirs sont utilisés comme sources de référence optique pour les capteurs optiques. En pratique, comme les températures des corps noirs émettant dans le domaine visible sont très élevées et que, par conséquent, cela conduit à des sources très coûteuses par rapport aux lampes classiques, les corps noirs sont principalement utilisés dans le domaine spectral de l’infrarouge à partir de 1 µm. C’est pourquoi les corps noirs sont également connus sous le nom de sources de référence infrarouges.
Les principales applications sont l’étalonnage des capteurs IR et la mesure de leurs performances.
En fonction des applications et de la sensibilité du capteur IR, les corps noirs sont répartis en trois familles, généralement définies par leur gamme de température :
Un corps noir est généralement constitué de deux parties reliées par un câble :
Le rayonnement infrarouge est le rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’onde sont comprises entre 700 nanomètres et 1 millimètre. Il se situe donc entre la limite rouge du spectre visible et les micro-ondes les plus courtes.
Cependant, compte tenu des principales applications des capteurs thermiques, la gamme spectrale principale se situe entre 1 µm et 50 µm et comprend trois grandes gammes sous-spectrales correspondant aux fenêtres de transmission de l’atmosphère :
Une caméra IR est parfois sensible à la différence de température entre un objet et son arrière-plan. Par conséquent, certains tests nécessitent de simuler un objet et son arrière-plan et d’obtenir une mesure simultanée et précise des deux.
La simulation d’un objet et de son arrière-plan se fait en plaçant une cible devant la surface émissive d’un corps noir.
Une mire infrarouge est une fine plaque recouverte d’un revêtement à haute émissivité avec des motifs collés. L’objet est constitué par le corps noir vu à travers les trous et l’arrière-plan est la partie solide de la plaque.
Par conséquent, la température de l’objet est la température du corps noir, tandis que la température de l’arrière-plan est mesurée en insérant un capteur de température dans le support de la cible.
Comme les spécifications de certaines caméras IR dépendent de la différence de température entre un objet et son arrière-plan, il est nécessaire d’ajuster la température de l’objet par rapport à la température de l’arrière-plan. Un corps noir différentiel permet cette fonction en ajustant la température de l’objet en temps réel à une différence de température fixe (positive ou négative) par rapport à la température flottante de l’arrière-plan.
Les tests qui peuvent être effectués sur une caméra IR utilisant un corps noir peuvent être divisés en 4 catégories :
HGH apporte une solution efficace pour les tests des caméras infrarouges grâce au logiciel INFRATEST
Le tableau suivant propose les objectifs recommandés pour les tests habituels :
Les tests de bruit ne nécessitent généralement pas de mire.
La différence de température équivalente au bruit (NETD) est la différence de température entre un objet et son environnement nécessaire pour générer une variation du signal de la caméra IR égale à son bruit temporel, c’est-à-dire à son instabilité temporelle de 1 sigma. Elle peut être considérée comme la résolution thermique d’une caméra IR.
La courbe MTF (Modulation Transfer Function) indique la valeur de contraste (entre 0 et 1) d’une image sinusoïdale focalisée sur une caméra en fonction de la fréquence de l’image. Elle donne des informations sur la réponse spatiale de la caméra.
La MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference) est une mesure de performance standard pour les caméras thermiques. Cette mesure permet de déterminer les portées de DRI (domaines de détection, de reconnaissance et d’identification) de la caméra infrarouge testée.
La mesure MRTD est effectuée en utilisant :
– Un corps noir différentiel, comme source de référence infrarouge
– Une cible à quatre barres, l’objet de référence, placée devant la surface émettrice de la source de référence
– Un collimateur projetant l’objet devant la caméra testée.
Le corps noir différentiel permet de définir une différence de température positive ou négative entre les barres de la cible et leur arrière-plan (la surface émissive du corps noir). La courbe MRTD est tracée en déterminant la différence de température minimale entre la cible et l’arrière-plan, nécessaire pour distinguer les 4 barres sur l’image thermique de la caméra, en fonction de la fréquence spatiale de la cible à 4 barres.
Pour réaliser un test MRTD rapide et précis, des modèles de cibles à 4 barres, avec des fréquences spatiales optimisées, peuvent être calculés en fonction du champ de vision et de la résolution de la caméra, ainsi que de la longueur focale du collimateur.
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Paramètre de luminosité :
La luminance est une grandeur représentant la luminosité des sources indépendamment de leur taille et de leur cône d’émission. Cette valeur est par conséquent souvent utilisée pour comparer deux sources.
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 de l’USI est la candela, abréviation cd.
1 cd = 1 lm/sr
1sr = 1 stéradian est le cône de lumière se propageant à partir de la source qui illuminerait 1 m² à 1 m de distance de la source.
L’unité USI de luminance ou de radiance est la candela par mètre carré, abrégée cd/m².
L’unité d’éclairement ou d’irradiance de l’USI est le lux, abréviation lx.
1 lux = 1 lm/m²
HGH is a electro-optical devices global provider. The company provides wide area surveillance, industrial thermography and electro-optical test solutions.
HGH est une référence internationale dans la surveillance de sites étendus, la thermographie industrielle et les applications de test électro-optiques infrarouges.
