LED infrarouges : un guide complet

Dans le paysage de l’éclairage à l’état solide, les LED infrarouges (IR LED) représentent une technologie fascinante et fondamentale, opérant au-delà du spectre visible à l’œil humain. Contrairement aux LED classiques destinées à l’éclairage, qui émettent de la lumière visible, les LED infrarouges génèrent une radiation électromagnétique dans la région infrarouge, ouvrant ainsi un vaste éventail d’applications allant des systèmes de sécurité et de surveillance aux communications optiques, en passant par les télécommandes et l’analyse médicale. Ce guide complet explore en profondeur les principes physiques, les caractéristiques distinctives, les modes de fonctionnement et les contextes applicatifs de ces composants optoélectroniques essentiels, offrant une vision technique détaillée et professionnelle à tous ceux qui interviennent dans le secteur de l’éclairage, de l’automatisation ou de l’électronique.

Avant d’approfondir les aspects techniques, il est crucial de définir précisément ce que sont les LED infrarouges et de les situer dans le contexte plus large du spectre électromagnétique. Contrairement aux LED visibles, dont la conception vise à maximiser l’efficacité lumineuse perçue par l’œil humain, les LED IR sont optimisées pour l’émission de radiations dans la bande spectrale comprise entre environ 700 nanomètres (nm) et 1 millimètre (mm), subdivisée elle-même en infrarouge proche (NIR), moyen (MIR) et lointain (FIR). Leur conception, les matériaux semi-conducteurs utilisés (comme l’arséniure de gallium – GaAs) et leurs caractéristiques opératoires répondent à des logiques spécifiques liées à l’interaction du rayonnement IR avec les matériaux, à la sensibilité des détecteurs et aux exigences des diverses applications.

Qu’est-ce qu’une LED infrarouge : définition et caractéristiques fondamentales

Une LED infrarouge (IR LED) est une diode électroluminescente qui, lorsqu’elle est polarisée en direct, émet des photons dont les longueurs d’onde se situent dans la gamme de l’infrarouge. Le rayonnement infrarouge, découvert par William Herschel en 1800, est une forme d’énergie radiante invisible à l’œil humain, mais perceptible sous forme de chaleur. Les LED infrarouges représentent la version à l’état solide et à haute efficacité des sources infrarouges traditionnelles, telles que les lampes à incandescence équipées de filtres, offrant des avantages décisifs en termes de durée de vie, de compacité, de vitesse de commutation et de consommation énergétique.

Le principe à la base de l’émission infrarouge

Le fonctionnement d’une LED infrarouge repose sur le même principe physique que les LED visibles : le phénomène de l’électroluminescence dans un semi-conducteur à jonction p-n. Lorsqu’une tension directe est appliquée à la jonction, les électrons de la région n se recombinent avec les trous (lacunes) de la région p, libérant de l’énergie sous forme de photons. L’énergie (et donc la longueur d’onde) du photon émis est déterminée par le gap de bande (bandgap) du matériau semi-conducteur.

Pour produire un rayonnement infrarouge, on utilise des matériaux dont le gap de bande est plus étroit que ceux employés pour la lumière visible. L’arséniure de gallium (GaAs), par exemple, dont le gap de bande est d’environ 1,43 eV, émet de la lumière dans le proche infrarouge (NIR) autour de 870 nm. En modifiant la composition du semi-conducteur (par exemple en utilisant du GaAlAs ou de l’InGaAs), il est possible d’ajuster précisément la longueur d’onde d’émission, couvrant ainsi différentes sous-bandes du spectre IR en fonction des besoins applicatifs.

Matériaux semi-conducteurs pour les LED infrarouges : bref aperçu

Le choix du matériau semi-conducteur est le facteur principal qui détermine les caractéristiques des LED infrarouges. Outre le GaAs déjà mentionné, utilisé pour des émissions comprises entre 750 et 950 nm, le phosphure de gallium (GaP) dopé au zinc-oxygène permet de réaliser des LED dont le pic d’émission se situe à 700 nm, à la limite entre le rouge visible et l’IR.

Pour les applications nécessitant des longueurs d’onde plus grandes, dans l’infrarouge moyen, on utilise l’arséniure de gallium et d’indium (InGaAs). Pour les applications dans l’infrarouge lointain, où l’émission correspond essentiellement à un rayonnement thermique, on a souvent recours à des lasers à cascade quantique (QCL), basés sur des hétérostructures complexes, bien que cette technologie soit distincte des LED traditionnelles. Le tableau suivant résume les matériaux les plus courants et leur gamme d’émission typique :

Matériau semi-conducteur	Composition typique	Longueur d’onde de pic (nm)	Principaux domaines d’application
Arséniure de Gallium (GaAs)	GaAs non dopé ou légèrement dopé	850 - 950	Sécurité, télécommandes, capteurs de proximité
Arséniure de Gallium et d’Aluminium (GaAlAs)	Ga_1-xAl_xAs	700 - 900	Communications en fibre optique, dispositifs médicaux
Phosphure de Gallium (GaP)	GaP:Zn-O	700	Capteurs, dispositifs d’opto-isolation
Arséniure de Gallium et d’Indium (InGaAs)	In_xGa_1-xAs	900 - 1700	Télécommunications, spectroscopie NIR

La conception d’une LED infrarouge ne se limite pas au choix du matériau actif. La géométrie de la puce, la conception des électrodes pour une répartition uniforme du courant, la présence de couches réfléchissantes afin de maximiser l’extraction de la lumière, ainsi que le type d’encapsulation (époxy, silicone ou céramique) sont autant d’éléments critiques influençant l’efficacité quantique externe, l’angle d’émission, la stabilité thermique et la fiabilité du composant dans le temps. Les encapsulations des LED infrarouges sont souvent de couleur noire ou bleu foncé afin de réduire la réflexion de la lumière ambiante visible, et peuvent être équipées de lentilles pour focaliser le faisceau.

Fonctionnement des LED infrarouges : de la théorie au circuit

Le fonctionnement des LED infrarouges dans un circuit électronique exige la compréhension de leurs paramètres électriques et optiques, ainsi que des modes de pilotage. Contrairement à une ampoule classique, une LED est un dispositif à courant contrôlé, dont le flux radiant est pratiquement proportionnel au courant direct qui le traverse. Ainsi, pour garantir un fonctionnement correct, fiable et durable, il est essentiel d’utiliser un circuit de pilotage adapté qui stabilise le courant, protège contre les pics de tension et gère la puissance dissipée sous forme de chaleur.

Paramètres électriques et optiques clés

Pour sélectionner et utiliser correctement une LED infrarouge, il est nécessaire de connaître et d’interpréter les paramètres fondamentaux suivants, généralement indiqués dans la fiche technique (datasheet) du fabricant :

Tension directe (V_F) : chute de tension aux bornes de la LED lorsqu’elle est parcourue par le courant nominal. Pour les LED IR en GaAs, V_F se situe typiquement entre 1,2 V et 1,6 V, légèrement inférieure à celle des LED visibles en raison du gap de bande plus faible.
Courant direct (I_F) : courant de fonctionnement recommandé, pouvant varier de quelques mA pour les dispositifs destinés aux capteurs à plusieurs centaines de mA pour les LED haute puissance utilisées en éclairage. Le dépasser de manière significative réduit drastiquement la durée de vie utile.
Courant de crête (I_FP) : pour les LED infrarouges utilisées dans des applications pulsées (comme les télécommandes), il s’agit du courant maximal admissible pendant de brèves durées (de l’ordre de la microseconde). Il peut être bien supérieur à I_F, permettant d’obtenir des impulsions lumineuses très intenses.
Puissance optique de sortie (P_o) : flux radiant total émis, mesuré en watts (W) ou milliwatts (mW). Pour une LED standard, elle peut atteindre quelques dizaines de mW ; pour les modules haute puissance, elle peut dépasser le watt.
Longueur d’onde de pic (λ_p) : longueur d’onde à laquelle l’émission est maximale. Elle est choisie en fonction de la sensibilité du détecteur (photodiode ou phototransistor) qui recevra le signal.
Largeur spectrale à mi-hauteur (Δλ) : largeur du spectre d’émission mesurée à moitié de la puissance de pic. Les LED IR présentent généralement une Δλ de 20 à 50 nm, bien plus large que celle d’un laser, ce qui les rend moins adaptées aux applications nécessitant une monocromaticité extrême.
Angle d’émission (θ_1/2) : angle dans lequel l’intensité radiante diminue à 50 % de sa valeur maximale (mesurée sur l’axe). Il peut être très étroit (10°–20°) avec des lentilles collimatrices, ou très large (120°–150°) pour un éclairage diffus.

Note technique importante : la puissance optique de sortie (P_o) et la longueur d’onde de pic (λ_p) dépendent fortement de la température de jonction. Lorsque la température augmente, P_o diminue (dégradation thermique de l’efficacité), et λ_p tend à augmenter (décalage vers le rouge). Un dissipateur thermique adéquat est donc fondamental pour maintenir des performances stables, en particulier pour les LED infrarouges haute puissance.

Circuits de pilotage : schéma de base

Le circuit le plus simple pour piloter les LED infrarouges se compose d’une résistance limiteuse de courant en série, alimentée par une tension d’alimentation (V_CC). La valeur de la résistance R_s se calcule selon la loi d’Ohm : R_s = (V_CC - V_F) / I_F. Si l’on utilise une tension de 5 V, une LED IR avec V_F = 1,4 V et I_F = 100 mA, il faudra une résistance R_s = (5 - 1,4) / 0,1 = 36 Ω. Cette résistance doit également être dimensionnée pour la puissance dissipée : P = (V_CC - V_F) * I_F = 0,36 W dans cet exemple, il convient donc de choisir une résistance d’au moins 0,5 W.

Pour les applications nécessitant une plus grande stabilité du courant (par exemple, pour éviter les variations d’intensité liées à la température ou pour piloter des matrices de LED en série), il est préférable d’utiliser des circuits de pilotage à courant constant. Ceux-ci peuvent être réalisés à l’aide de régulateurs de courant dédiés, de transistors configurés en source de courant ou de pilotes LED intégrés. Pour les LED infrarouges utilisées en mode pulsé à haute vitesse (comme dans les communications de données IR), le circuit de pilotage doit être capable de commuter rapidement le courant, souvent à l’aide de transistors MOSFET rapides.

Différences fondamentales entre LED infrarouges et LED traditionnelles

Bien qu’elles partagent la même architecture de base, les LED infrarouges et les LED destinées à l’éclairage visible présentent des différences substantielles découlant de leurs objectifs applicatifs distincts. Ces différences ne concernent pas seulement la longueur d’onde émise, mais s’étendent à la conception de la puce, aux caractéristiques de l’encapsulation, aux métriques de performance et aux techniques de mesure. Les comprendre est essentiel pour choisir le bon composant pour chaque application et éviter les erreurs courantes de conception.

Matériaux, efficacité et mesure des performances

La différence la plus évidente réside, bien sûr, dans le matériau semi-conducteur actif. Alors que les LED blanches pour l’éclairage utilisent typiquement des nitrures (InGaN) pour l’émission dans le bleu/UV, couplés à des phosphores pour la conversion de longueur d’onde, les LED IR utilisent des arséniures ou des phosphures, comme vu précédemment. Cette différence a des implications directes sur la tension de seuil (plus basse pour les IR) et sur l’efficacité.

L’efficacité d’une LED se mesure différemment selon qu’elle est visible ou infrarouge. Pour une LED visible, l’attention porte sur la perception humaine de la lumière, mesurée en lumens (lm) et en efficacité lumineuse (lm/W). La courbe de sensibilité de l’œil humain (photopique, V(λ)) pondère les différentes longueurs d’onde. Pour une LED infrarouge, en revanche, l’émission étant invisible, la métrique pertinente est l’efficacité radiante, exprimée comme le rapport entre la puissance optique totale émise (en watts) et la puissance électrique d’entrée (W/W, ou souvent mW/mA). Les LED IR peuvent atteindre des efficacités radiantes très élevées, souvent supérieures à 40–50 %, car elles n’ont pas l’inefficacité intrinsèque liée à la conversion par phosphores (down-conversion) typique des LED blanches.

Le tableau suivant compare les principales caractéristiques :

Caractéristique	LED visibles (ex. : Blanche 4000K)	LED infrarouges (ex. : 850 nm)	Implications pratiques
Matériau actif	InGaN + Phosphores YAG	GaAs, GaAlAs	Les LED IR nécessitent des procédés de fabrication différents et présentent des tensions de seuil plus faibles.
Métrique de performance	Lumens (lm), efficacité lumineuse (lm/W)	Puissance radiante (W), efficacité radiante (W/W ou %)	Les luxmètres sont inutiles pour les IR. Il faut utiliser des radiomètres ou des photodiodes calibrées.
Enveloppe et lentille	Transparente ou diffuseur opalin pour mélanger la lumière	Souvent noire ou bleu foncé (époxy « IR-transparent »)	L’encapsulation noire réduit la réflexion de la lumière visible parasite, améliorant ainsi le contraste pour les capteurs.
Sensibilité thermique	Élevée : le flux lumineux et la température de couleur varient avec T_j	Élevée : la puissance radiante et λ_p varient avec T_j	Dans les deux cas, la gestion thermique est critique pour la stabilité et la durée de vie.
Application principale	Éclairage pour vision humaine	Communication, détection, éclairage pour caméras	La conception optique (lentille) est optimisée pour le détecteur cible, et non pour l’œil humain.

Considérations relatives à la sécurité oculaire

Un aspect critique et souvent négligé concerne la sécurité oculaire. Le rayonnement infrarouge, étant invisible, ne déclenche pas le réflexe de clignement (blink reflex) qui protège l’œil contre les sources lumineuses visibles intenses. De plus, la cornée et le cristallin sont transparents au proche infrarouge ; ainsi, le rayonnement peut atteindre et potentiellement endommager la rétine, tout comme la lumière visible.

Par conséquent, pour les LED infrarouges haute puissance, il est fondamental de respecter les normes de sécurité (comme la norme IEC 62471), qui définissent les limites d’exposition. Ces LED sont souvent classées comme « Classe 1 » (sûres dans toutes les conditions d’utilisation raisonnablement prévisibles) uniquement lorsqu’elles sont intégrées dans un produit qui limite l’accès direct ou la puissance émise. Concevoir avec des LED IR exige donc une attention particulière aux risques liés à l’invisibilité du rayonnement qu’elles émettent.

Domaines d’application des LED infrarouges

L’invisibilité du rayonnement infrarouge à l’œil humain, combinée à sa capacité d’interagir de manière spécifique avec les matériaux et les capteurs, fait des LED infrarouges des composants indispensables dans une très large gamme de secteurs. Leurs applications peuvent être regroupées en trois grandes catégories : la communication et le contrôle, où la lumière IR sert de support de transmission pour les données ou les commandes ; la détection et la mesure, où l’IR est utilisé comme sonde pour mesurer des propriétés physiques ou chimiques ; et l’éclairage pour la vision artificielle, où il fournit une lumière « cachée » pour activer des caméras sensibles à l’IR. Chaque contexte exploite des combinaisons spécifiques de longueurs d’onde, de puissance et de mode opératoire de la LED.

Sécurité et surveillance : l’éclairage nocturne invisible

L’une des utilisations les plus courantes et reconnaissables des LED infrarouges est l’éclairage auxiliaire pour les caméras de sécurité (CCTV) et les vidéophones. Les caméras CCD et CMOS standard sont sensibles non seulement à la lumière visible, mais aussi au proche infrarouge (NIR), généralement jusqu’à environ 1000–1100 nm. En installant un réseau de LED infrarouges haute puissance (souvent à 850 nm ou 940 nm) autour de l’objectif de la caméra, il est possible d’éclairer la scène la nuit sans produire la moindre lueur visible, garantissant ainsi une surveillance discrète et continue.

Le choix entre 850 nm et 940 nm implique un compromis. Les LED IR à 850 nm offrent de meilleures performances : les capteurs des caméras sont généralement plus sensibles à cette longueur d’onde, et la lumière émise, bien que presque entièrement invisible, présente une très légère lueur rouge foncé lorsqu’on l’observe de très près, ce qui peut être utile pour vérifier le fonctionnement.

Les LED IR à 940 nm sont, en revanche, totalement invisibles (aucune lueur), ce qui maximise la discrétion, mais exige des caméras dotées de capteurs de haute qualité pour obtenir la même performance d’éclairage, car la sensibilité du silicium commence à diminuer significativement au-delà de 900 nm. La puissance requise dépend de la distance à éclairer : pour couvrir de grandes zones (cours, parkings), on utilise des projecteurs IR externes avec des faisceaux collimatés et des puissances pouvant atteindre plusieurs watts.

Approfondissement : la conception d’un projecteur IR efficace ne se limite pas au choix des LED. La distribution optique (lentilles de Fresnel ou réflecteurs paraboliques) doit être étudiée pour s’adapter au champ de vision de la caméra. De plus, comme les LED infrarouges génèrent de la chaleur, l’utilisation de dissipateurs adaptés et de matériaux résistants aux intempéries (avec un indice de protection IP66 ou supérieur) est essentielle pour garantir la fiabilité à long terme de l’installation, en particulier en extérieur. Ledpoint propose des solutions conçues pour répondre à ces exigences critiques.

Automatisation, télécommandes et communication optique

C’est dans ce domaine que les LED infrarouges ont fait leurs débuts à grande échelle : la télécommande. Pratiquement toutes les télécommandes pour téléviseur, climatiseur ou système audio utilisent une LED IR (typiquement à 940 nm) pour transmettre les commandes via un protocole numérique modulé. Les avantages sont un coût extrêmement faible, une immunité aux interférences électromagnétiques et une directivité (le signal ne traverse pas les murs, évitant ainsi les interférences entre appareils dans des pièces différentes).

Au-delà des télécommandes grand public, les LED IR trouvent leur place dans l’automatisation industrielle et les capteurs de proximité. Des paires LED IR–phototransistor peuvent détecter la présence ou l’absence d’un objet (capteurs à barrière), mesurer sa distance (par triangulation ou par temps de vol) ou lire des codes-barres. Dans l’industrie, ces capteurs sont préférés dans les environnements poussiéreux ou là où les capteurs magnétiques pourraient être influencés par des champs électromagnétiques. Pour les communications de données à courte portée (IrDA), bien qu’en grande partie remplacées par le Bluetooth, les LED infrarouges offrent encore un canal sécurisé et à faible latence pour l’échange de fichiers entre appareils.

Fonctionnement d’une télécommande infrarouge

Le cœur du système est la LED infrarouge, pilotée par un circuit intégré codeur. Lorsqu’on appuie sur une touche, le circuit intégré génère une séquence d’impulsions numériques spécifique à cette commande (protocoles courants : RC-5, NEC, SIRC). Ce signal module le courant traversant la LED IR, la faisant clignoter à des fréquences typiques de 38 kHz ou 56 kHz. La modulation porteuse est essentielle pour deux raisons : elle augmente l’efficacité radiante (on envoie des impulsions de crête très puissantes) et permet au récepteur (une photodiode accordée sur la même fréquence) de filtrer la lumière ambiante constante (bruit) et de reconnaître uniquement le signal modulé. Ce principe simple mais efficace a fait de la technologie IR la norme de facto du contrôle à distance pendant des décennies.

Applications biomédicales et analytiques

Dans les domaines médical et analytique, les LED infrarouges sont des outils précieux pour le diagnostic non invasif. La lumière dans le proche infrarouge (souvent appelée « fenêtre thérapeutique », entre 650 et 1350 nm) pénètre plus profondément dans les tissus biologiques que la lumière visible, car elle est moins absorbée par l’hémoglobine et l’eau. Cela permet des techniques telles que la spectroscopie dans le proche infrarouge (NIRS), où des réseaux de LED IR à différentes longueurs d’onde éclairent le tissu (par exemple, le cerveau ou un muscle), et un détecteur analyse la lumière réfléchie ou transmise afin d’en déduire des paramètres comme l’oxygénation sanguine (oxymétrie), le métabolisme tissulaire ou la composition chimique.

D’autres applications incluent les oxymètres de pouls à doigt, qui utilisent des paires de LED rouges et infrarouges pour mesurer la saturation en oxygène du sang (SpO2), et les dispositifs de photothérapie, où la lumière IR est utilisée pour stimuler la circulation, réduire l’inflammation ou accélérer la cicatrisation des plaies. En laboratoire, les LED IR stabilisées en température constituent des sources compactes et économiques pour les spectrophotomètres et les analyseurs de composition.

Aviculture et élevage

Dans le secteur avicole, les LED infrarouges offrent des solutions innovantes en faveur du bien-être animal et de la durabilité. Principalement utilisées sous forme de panneaux radiants, elles fournissent un chauffage direct et localisé pour les poussins et les jeunes animaux, avec une efficacité énergétique jusqu’à 60 % supérieure aux systèmes traditionnels. La lumière IR peut également contribuer à réduire les comportements problématiques, tels que le picage des plumes chez les poules pondeuses, en créant un environnement plus calme. L’éclairage infrarouge permet également un suivi continu des animaux via des caméras IR, sans perturber leur cycle jour-nuit, favorisant ainsi un élevage plus précis et respectueux.

Spectres IR utilisés en aviculture : Les applications avicoles exploitent deux bandes principales du spectre infrarouge. Pour le chauffage radiant, on utilise principalement des LED à 850 nm et 940 nm, avec une préférence pour les 940 nm lorsque l’invisibilité totale est requise. Pour le chauffage profond des tissus, en particulier chez les poussins, les spectres autour de 980 nm sont particulièrement efficaces, car l’absorption par l’eau contenue dans les tissus biologiques y est très élevée, assurant ainsi une conversion optimale de l’énergie lumineuse en chaleur.

LED infrarouges : un monde en constante évolution

La technologie des LED infrarouges continue d’évoluer, stimulée par la demande croissante de systèmes de détection toujours plus intelligents, de communications sécurisées et d’instruments de diagnostic portables. Les tendances futures visent des LED IR à haute efficacité et haute puissance dans des boîtiers de plus en plus compacts, des matrices intégrées avec des micro-lentilles pour un façonnage dynamique du faisceau, ainsi que la convergence avec d’autres technologies comme les capteurs d’imagerie thermique et l’intelligence artificielle pour l’analyse des données recueillies.

Dans ce paysage technologiquement avancé, le choix du bon fournisseur de composants optoélectroniques est crucial. L’accompagnement dans la sélection de la longueur d’onde appropriée, la conception de circuits de pilotage optimaux et le conseil en intégration mécanique et thermique garantit que chaque installation atteigne des performances et une fiabilité maximales.

Que vous soyez engagé dans la conception d’un nouveau système de vidéosurveillance, d’un dispositif médical innovant ou d’une ligne d’automatisation industrielle, comprendre en profondeur les potentialités et les spécifications techniques des LED infrarouges est la première étape vers la réussite. Ce guide a cherché à fournir les bases solides nécessaires à cette compréhension, dans la conviction que la lumière invisible de l’infrarouge continuera d’éclairer la voie du progrès technologique dans d’innombrables secteurs.