Conclusion et perspectives

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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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Besoins en vision à bas niveau de lumière

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9. Conclusion et perspectives

En cinquante ans, des progrès constants ont fait évoluer les produits dédiés à la vision nocturne et à l'imagerie à bas niveau de lumière. Le marché de la photographie numérique a rendu accessible au plus grand nombre la capacité de faire des images l'imagerie photographique de nuit avec des capacités bien supérieures à celles de l'œil. Pour s'en convaincre, il suffit de prendre des photographies de nuit en poussant la sensibilité de l'appareil au moins à 800 ISO et en faisant une pose de 30 s ou plus sur un fond de ciel étoilé.

L'apparition récente des matrices CMOS à très faible bruit permet d'entrevoir, pour les toutes prochaines années, des capteurs atteignant des rendements quantiques voisins de 100 % dans le visible et le proche infrarouge avec des niveaux de bruits inférieurs à 1 électron pour des matrices de plus de 5 méga-pixels, avec des pas de quelques micromètres. Les marchés militaires, scientifiques et civils associés à de tels composants devraient en outre permettre de réduire le prix de ces équipements. De plus, le domaine infrarouge de la bande 1 apporte des bénéfices pour la vision nocturne provenant des densités de flux photonique et des contrastes. Ils motivent les développements technologiques permettant à court terme de produire des équipements complets avec des optiques de grande ouverture, des grandes matrices et des électroniques à faible bruit adaptées aux besoins de cette bande. Enfin, nous devons conserver en ligne de mire le détecteur idéal. Il devient à la portée des technologies des prochaines années. Ce détecteur idéal pourrait avoir les caractéristiques et fonctionalités suivantes :

un rendement quantique de 100 % ;
un pixel de dimension égale à la longueur d'onde ;
un courant d'obscurité neutralisé ;
un bruit négligeable devant l'amplitude du signal associé à un photon ;
une détection d'un photon individuel ;
une datation du photon détecté par une fonction de chronométrie avec une précision temporelle à la nano seconde ou moins ;
une mesure de l'énergie du photon.

Un tel détecteur permettrait de compter les photons dans chaque pixel, de réaliser une fonction de chronométrie et de fait d'obturation, et comme dans les hautes énergies (gamma et rayons X) de mesurer l'énergie du photon incident et donc...