Besoins en vision à bas niveau de lumière

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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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Différents contributeurs aux illuminations nocturnes

En anglais

1. Besoins en vision à bas niveau de lumière

L'humain est pourvu d'une capacité de vision de jour qui, progressivement, est limitée pour des niveaux d'éclairement décroissants. Combler le déficit de vision de nuit constitue le premier besoin. En particulier les besoins militaires ont motivé, au XX^e siècle, le développement de ces technologies et la fabrication en très grande série de matériels de vision nocturne. Les performances atteintes ont eu comme impact de permettre aux coalitions occidentales de préférer des interventions militaires de nuit à des interventions de jour, du fait de l'avantage ainsi obtenu sur l'adversaire.

Ces technologies répondent également à de nombreux besoins civils et scientifiques. On retiendra en particulier les applications dans la navigation côtière, la surveillance, la visionique industrielle, l'astronomie, la spectroscopie et la microscopie. En outre, couplé à l'emploi de sources d'illumination (lampes, flash, diodes électroluminescentes, laser), le gain en sensibilité associé aux performances à bas niveau de lumière se traduit par une meilleure qualité d'image ou par une réduction des niveaux d'illumination demandés aux sources. Cela peut avoir un avantage décisif dans l'observation du vivant et des milieux biologiques qui peuvent mal supporter des niveaux d'illumination intense.

Toutes les technologies envisagées sont de type quantique, c'est-à-dire capables de détecter un ou des photons conduisant à la génération d'un signal. Ces technologies s'opposent aux technologies bolométriques où le signal construit est proportionnel à l'énergie (en joule) ou à la puissance (en watt) absorbées par ces détecteurs. Cet article prolonge des travaux menés à Thales Optronique SA .

Aperçu historique

En 1610, Galilée découvre, grâce à sa lunette, de nouvelles étoiles invisibles à l'œil nu. En 1800, William Herschel découvre avec un thermomètre à alcool dans le spectre du Soleil, au-delà du rouge, des rayons invisibles qui seront baptisés rayonnement infrarouge. Le XIX^e siècle verra le développement des technologies photographiques découvertes...

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