Différents contributeurs aux illuminations nocturnes

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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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Niveaux de nuit

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2. Différents contributeurs aux illuminations nocturnes

À la surface de la Terre, de nuit et en plein air, l'obscurité totale n'existe pas. Plusieurs contributeurs se superposent, donnant les différentes conditions d'illumination rencontrées de nuit. Leur connaissance ainsi que celle de leur variabilité sont essentielles pour évaluer les rapports signal à bruit ultimes pouvant être atteints. Cette analyse ne doit pas se limiter au domaine spectral du visible car les capacités technologiques et les conditions d'éclairement spectral peuvent donner un avantage à l'exploitation de bandes spectrales infrarouges entre 1 et 2,5 μm (bande IR1 ou SWIR : Short Wave Infra-Red en anglais).

Les différents contributeurs passés en revue sont les suivants :

la diffusion atmosphérique ;
la Lune ;
l'illumination stellaire ;
la Voie lactée ;
la lumière zodiacale ;
la luminescence nocturne ;
les émissions aurorales ;
les émissions nébulaires.

Toutes ces sources d'éclairement sont étendues, dispersées dans le ciel apparent excepté pour la Lune. Ainsi, seuls les cas d'illumination dominée par la Lune vont donner des effets d'ombres sur les paysages observés. La luminance spectrale, l'angle solide de cette luminance, et la fraction de nuit ou probabilité d'occurrence permettent de pondérer ces différents contributeurs.

De plus, dans les territoires développés, l'emploi croissant de l'éclairage artificiel conduit à une augmentation du niveau d'éclairement rencontré de nuit, même dans des régions éloignées des zones urbaines .

2.1 Diffusion atmosphérique

La diffusion atmosphérique...