Albédos

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RÉSUMÉ

Cet article traite de la problématique de la vision à bas niveau de lumière et des technologies alternatives disponibles à des degrés de maturité variable. Le marché reste aujourd'hui dominé par les tubes à intensification de lumière. Pendant la dernière décennie, de nouvelles technologies ont émergé. Certaines d'entre elles reposent sur des technologies état solide. En outre, l'accès à des détecteurs matriciels sensibles dans la bande spectrale située entre 1 et 2,5 µm, apporte un éclairage nouveau sur le sujet. Ceci motive un retour aux fondamentaux du domaine, en particulier, sur les conditions d'éclairements rencontrées sur Terre et sur les albédos des objets entrant dans la constitution du contraste des images d'une scène.

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ABSTRACT

This article concerns a review carried out in 2011 on low-light vision and the alternative technology available including the respective degrees of maturity levels. The market remains dominated by image intensifier tubes. During the last ten years new and technologies have emerged. A certain number of them rely on solid state technologies. In addition, the availability of focal plane arrays sensitive in the Short Wave Infrared band, from 1 to 2,5 µm, sheds a whole new light on the topic. This requires a return to fundamentals in the domain, in particular the illumination conditions encountered on Earth and on the albedo of objects used in to build the image contrast of a scene.

Auteur(s)

Thierry MIDAVAINE : Ingénieur - Responsable des Études Amont à Thales Optronique SA DTN

INTRODUCTION

Le domaine des technologies à bas niveau de lumière se définit par leurs applications. Historiquement, ce domaine est dominé par les applications militaires. Les besoins des armées, pour assurer leurs missions en ambiance nocturne, ont conduit ces développements industriels depuis la fin des années 1950. Le but fondamental poursuivi est d'apporter à l'homme une capacité de vision de nuit aussi performante que possible en visant à s'approcher de sa capacité de vision de jour. Cette motivation peut, bien entendu, se décliner dans plusieurs applications civiles. En dehors de ce domaine de la vision nocturne, plusieurs champs d'applications scientifiques exploitent ces technologies. Pour n'en citer que deux, il est sans doute illusoire de vouloir être exhaustif, on peut retenir deux cas extrêmes : l'astronomie et la microscopie.

La vision nocturne à bas niveau de lumière est définie par un domaine spectral dans lequel les flux photoniques sont faibles, voire très faibles. Au départ, du fait des capacités humaines, ce domaine était limité à la bande spectrale de l'œil. Puis, naturellement, la limitation du flux photonique et les capacités technologiques ont conduit à élargir cette bande spectrale pour ainsi explorer et exploiter les limites apportées par l'environnement terrestre. Nous n'aborderons pas ici le domaine de l'infrarouge thermique qui, de jour comme de nuit, conduit à manipuler des flux photoniques importants tout en n'étant que partiellement sensible à l'illumination solaire. Le domaine de l'infrarouge thermique permet de réaliser des images dominées par les contrastes de température. Les images thermiques de scènes sont, de ce fait, très différentes des images perçues par la vision humaine, qui est sensible aux variations de réflectivité (ou albédos) des objets illuminés par des sources naturelles ou artificielles. Aussi, nous allons nous intéresser ici à ce domaine où les images de scènes sont dominées par les contrastes d'albédos de jour comme de nuit. Cela limite le domaine spectral dans les grandes longueurs d'onde à 3 μm. Dans les courtes longueurs d'onde, le domaine est limité au proche UV, vers 0,3 μm, par l'absorption atmosphérique.

Cet article comporte deux parties principales. La première partie porte sur l'analyse des différents contributeurs à l'éclairement de nuit, aux contrastes des scènes et aux éléments fondamentaux sur le rapport signal à bruit en imagerie à bas niveau de lumière. La seconde partie porte sur la revue des alternatives technologiques de détection et d'imagerie dans ce domaine spectral. Un développement particulier est fait sur les matrices CMOS. L'analyse des caractéristiques, notamment des sensibilités, termine cet article. Enfin, nous conclurons sur les meilleurs choix actuels et les perspectives futures.

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MOTS-CLÉS

vision de nuit bas niveau de lumière tube intensificateur d'images proche infrarouge bande 1

KEYWORDS

night vision | low light level | image intensifier tube | near infrared | short wave infrared

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

Version courante de déc. 2023 par Thierry MIDAVAINE

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6570

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Transmission atmosphérique

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4. Albédos

Dans une scène terrestre, le haut, au-dessus de l'horizon, présente la luminance apparente du ciel et le sol a la luminance apparente résultant de l'éclairement modulé par les albédos ou réflectivités des matériaux composant la scène. Le contraste entre ces albédos donne le contraste de l'image. Ainsi, il est avantageux de travailler dans des domaines spectraux où existent à la fois de forts albédos et de forts contrastes. Ces contributeurs vont être à l'origine du signal utile dans l'image.

On peut regrouper les albédos en trois familles : le végétal : figure 12, le minéral : figure 13 et les peintures de camouflage : figure 14 .

Il ressort que, pour la végétation et la plupart des matériaux artificiels, les albédos sont faibles, inférieurs à 0,2, dans le domaine visible excepté pour la peinture blanche. À des longueurs d'onde supérieures à 0,7 μm, la plupart des albédos augmentent pour prendre des valeurs qui peuvent monter jusqu'à 0,65. Ainsi, il est prévisible que des images soient beaucoup plus contrastées et brillantes dans le domaine du proche infrarouge. Pour des longueurs d'onde supérieures à 1,4 μm, la végétation présente des albédos qui décroissent du fait de la présence d'eau hydratant les tissus. Les albédos des minéraux sont en général croissants avec la longueur d'onde. Tout cela permet de vérifier l'avantage connu à travailler dans le proche infrarouge pour atteindre des portées plus importantes du fait des albédos et des contrastes plus importants. La bande 1 conserve cet avantage avec en plus une capacité de discriminer les matériaux et tissus hydratés des matériaux secs au-dessus de 1,4 μm. Ainsi, il est possible de choisir la ou les bandes spectrales qui permettent d'améliorer les contrastes des objets que l'on désire discriminer des fonds.

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