Proche infrarouge (NIR) – Rayonnement infrarouge le plus proche du spectre visible

1. Présentation et définition

Le rayonnement proche infrarouge (NIR) occupe la région du spectre électromagnétique située juste au-delà de la lumière rouge visible, s’étendant approximativement de 750 nanomètres (nm) à 2 500 nm (2,5 micromètres, μm). Cette plage constitue le premier segment du spectre infrarouge, qui s’étend jusqu’à environ 1 millimètre (mm). Le terme “proche” indique sa proximité avec le spectre visible et le distingue des régions moyen et lointain infrarouge.

Le NIR est invisible à l’œil nu en raison de sa plus faible énergie photonique. Ses limites pratiques sont souvent définies par la réponse spectrale des équipements de détection : photodiodes au silicium (jusqu’à ~1 100 nm), détecteurs à indium-gallium-arséniure (InGaAs, jusqu’à ~1 700 nm) et détecteurs au sulfure de plomb (PbS, jusqu’à 2 500 nm).

Le NIR est indispensable en télédétection, communications par fibre optique, astronomie, diagnostics médicaux et surveillance des procédés industriels. Sa forte réflectance par la végétation, ses caractéristiques d’absorption dans les tissus biologiques et sa faible atténuation dans les fibres optiques en font un outil précieux pour l’analyse non invasive et la transmission de signaux longue distance.

2. Le spectre électromagnétique

2.1 Position du proche infrarouge

Le spectre électromagnétique englobe toutes les fréquences du rayonnement électromagnétique. La région visible pour l’homme s’étend d’environ 400 à 700 nm. Le NIR se situe juste après le bord rouge de la lumière visible, généralement de 700 à 2 500 nm (0,7–2,5 μm), et précède la région du moyen infrarouge (MIR).

Les fenêtres de transmission atmosphérique du NIR en font un domaine particulièrement adapté à l’observation de la Terre et la surveillance environnementale.

2.2 Limites et subdivisions

Les limites du NIR ne sont pas fixes et peuvent varier selon la discipline ou l’application. En physique et ingénierie :

• Limite inférieure : 700–750 nm (extrémité rouge du visible)
• Limite supérieure : 1 400–2 500 nm (début du MIR)

Subdivisions de l’infrarouge :

3. Découverte et contexte historique

3.1 L’expérience de William Herschel

Le NIR a été découvert par Sir William Herschel en 1800. En utilisant un prisme pour décomposer la lumière solaire, Herschel plaça des thermomètres dans chaque bande colorée et observa la température la plus élevée juste au-delà du rouge visible – là où aucune lumière visible n’était présente. Il appela ces rayons “calorifiques”, désormais connus sous le nom de rayonnement infrarouge, démontrant que la lumière s’étend au-delà des longueurs d’onde visibles.

3.2 Développement de la science de l’infrarouge

Des recherches ultérieures ont permis de développer des détecteurs sensibles et de subdiviser le spectre infrarouge au fur et à mesure de l’avancée technologique. Le XXe siècle a vu la prolifération des applications NIR, notamment avec l’apparition de détecteurs électroniques et la télédétection satellitaire. Le NIR est aujourd’hui essentiel en spectroscopie, surveillance environnementale, diagnostics biomédicaux et analyses industrielles.

4. Propriétés physiques du rayonnement proche infrarouge

4.1 Plages de longueurs d’onde et de fréquence

Longueurs d’onde du NIR : 750–2 500 nm (0,75–2,5 μm)
Plage de fréquences : ~400 THz (courte longueur d’onde) à ~120 THz (longue longueur d’onde)

Les limites de détection dépendent du type de capteur (silicium, InGaAs, PbS).

4.2 Énergie et caractéristiques des photons

Énergie des photons NIR : ~1,65 eV (750 nm) à 0,5 eV (2 500 nm).
Cette énergie suffit à exciter des vibrations moléculaires sans toutefois ioniser ou casser les liaisons chimiques, ce qui rend le NIR non destructif et sûr pour de nombreuses applications.

4.3 Interaction avec la matière

Le NIR interagit avec la matière par réflexion, absorption et transmission.

• Végétation : Les feuilles saines réfléchissent fortement le NIR.
• Eau : Absorbe fortement le NIR, permettant la détection de l’humidité.
• Atmosphère : La transmission du NIR est affectée par l’absorption de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone.

5. Détection et méthodes de mesure

5.1 Détecteurs et capteurs

• Photodiodes au silicium : Jusqu’à 1 100 nm ; courantes dans la détection NIR du quotidien.
• Photodiodes InGaAs : 900–1 700 nm ; faible bruit, haute sensibilité.
• Photoconducteurs PbS/PbSe : 1 000–3 000 nm ; nécessitent un refroidissement pour des performances optimales.
• Détecteurs thermiques : Bolomètres, thermopiles pour un large spectre.
• Caméras et réseaux NIR : Pour l’imagerie, la vision nocturne, l’inspection industrielle et les applications biomédicales.

5.2 Techniques d’imagerie

• Photographie couleur infrarouge (CIR) : Cartographie la réflectance NIR en couleurs visibles, accentuant la santé des plantes et le contraste de l’occupation des sols.
• Capteurs satellites/aéroportés : Les plateformes comme Landsat et Sentinel utilisent les bandes NIR pour la cartographie de la végétation, de l’humidité et de l’occupation des sols.
• Imagerie médicale : Visualisation non invasive des tissus, du flux sanguin et de l’oxygénation.

5.3 Spectroscopie

Spectroscopie proche infrarouge (NIRS) :
Analyse l’absorption/la réflexion de la lumière NIR pour identifier la composition chimique et la structure moléculaire. Utilisée en agriculture, contrôle qualité alimentaire, pharmaceutique et surveillance environnementale.

6. Réflexion, absorption et transmission

6.1 Réflexion par la végétation et les surfaces

• Végétation : Les plantes saines réfléchissent fortement le NIR (700–1 300 nm) grâce à la structure des feuilles, ce qui explique l’importance de l’imagerie NIR pour la surveillance des cultures et des forêts.
• Autres surfaces : Les sols secs réfléchissent plus de NIR que les sols humides ; l’eau absorbe le NIR et apparaît sombre.

6.2 Absorption par les molécules et l’atmosphère

• Atmosphère : La vapeur d’eau, le CO₂ et l’ozone présentent des bandes d’absorption marquées dans le NIR, influant sur le choix des longueurs d’onde pour la télédétection.
• Absorption moléculaire : Les liaisons C-H, O-H et N-H montrent des absorptions caractéristiques dans le NIR, permettant l’empreinte chimique.

6.3 Fenêtres de transmission

Des « fenêtres » atmosphériques avec une absorption minimale existent dans :

• 0,8–1,1 μm (800–1 100 nm) : Transmission excellente, clé pour l’observation terrestre.
• 1,5–1,8 μm, 2,0–2,4 μm : Utiles pour la détection spécialisée et la communication.

7. Applications du NIR

7.1 Télédétection et surveillance environnementale

• Indexation de la végétation : La forte réflectance NIR des plantes saines est à la base du NDVI et d’autres indices pour la surveillance des cultures, forêts et écosystèmes.
• Analyse de l’eau et du sol : L’absorption NIR permet d’identifier la teneur en eau et le type de sol.
• Surveillance des catastrophes : Les images NIR détectent l’étendue des inondations, les cicatrices d’incendie et la dégradation des sols.

7.2 Communications par fibre optique

Les longueurs d’onde NIR (1 300–1 550 nm) présentent une atténuation minimale dans les fibres de silice, constituant l’épine dorsale de l’Internet haut débit et des réseaux de télécommunications.

7.3 Imagerie médicale et biologique

• Spectroscopie tissulaire : Mesure non invasive de l’oxygénation sanguine, de l’hydratation tissulaire et de la perfusion.
• Détection du cancer et des maladies : La lumière NIR traverse les tissus, révélant des structures anormales et des changements fonctionnels.

7.4 Surveillance industrielle et des procédés

• Qualité alimentaire : La spectroscopie NIR évalue rapidement la teneur en eau, en matières grasses et en protéines.
• Pharmaceutique : Garantit la qualité et l’homogénéité des ingrédients en production.

7.5 Vision nocturne et sécurité

Les caméras sensibles au NIR permettent l’imagerie en faible luminosité pour les usages militaires, de sécurité et de surveillance.

7.6 Astronomie

Les télescopes NIR percent les nuages de poussière, révélant la formation des étoiles et la structure galactique invisibles en lumière visible.

8. Défis et limitations

• Absorption atmosphérique : La vapeur d’eau et les gaz peuvent bloquer ou déformer les signaux NIR, nécessitant une sélection minutieuse des bandes opérationnelles.
• Limites des capteurs : Le bruit des détecteurs, les exigences de refroidissement et le coût peuvent restreindre certaines applications NIR.
• Interprétation en fausses couleurs : L’imagerie NIR requiert une expertise pour une analyse fiable, car les couleurs diffèrent de l’expérience visuelle humaine.

9. Normes, sécurité et perspectives

9.1 Normes

Des normes internationales (ISO, CEI et OACI) définissent la mesure du NIR, l’étalonnage des capteurs et les applications en aviation, télédétection et communication.

9.2 Sécurité

Le NIR est non ionisant et généralement sûr pour une exposition humaine courante. Il est largement utilisé dans le diagnostic médical et l’électronique grand public.

9.3 Développements futurs

Les avancées dans la technologie des détecteurs, l’analyse des données NIR par apprentissage automatique et l’intégration avec d’autres modalités de capteurs (thermiques, multispectrales) continueront d’élargir l’impact du NIR en science, industrie et société.

10. Résumé

Le proche infrarouge (NIR) est une région essentielle du spectre électromagnétique, reliant les domaines visible et moyen infrarouge. Ses propriétés uniques — forte réflectance de la végétation, faible atténuation dans les fibres optiques, absorptions moléculaires caractéristiques — en font un pilier de la télédétection, des télécommunications, de la médecine et de l’industrie. Avec les progrès technologiques, le rôle du NIR dans la surveillance, le diagnostic et la communication ne cessera de croître.

Références :

• NASA Earth Observatory : Pourquoi la végétation est-elle verte ?
• Hamamatsu Photonics : Détecteurs infrarouges
• [OACI Doc 10013 : Manuel sur le système d’information sur les impacts d’oiseaux (IBIS) de l’OACI]
• Wikipédia : Infrarouge
• Chemistry World : Spectroscopie proche infrarouge
• Agence spatiale européenne : Guide utilisateur Sentinel-2

Pour aller plus loin et consulter des spécifications techniques, reportez-vous aux revues scientifiques et aux fiches techniques des fabricants concernant les technologies NIR.