Niveaux de nuit

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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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Albédos

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3. Niveaux de nuit

3.1 Pondération des différents contributeurs

Les différents contributeurs que nous venons de voir n'ont pas le même poids dans l'éclairement au sol la nuit. Ils peuvent être caractérisés par la fraction du temps où ils sont présents, leur angle solide, et leur luminance moyenne. Le produit de ces deux derniers termes donnant l'éclairement au sol. Cette valeur de l'éclairement résultant peut être variable ; par exemple l'éclairement crépusculaire est dépendant de la hauteur du Soleil sous l'horizon ou encore l'éclairement lunaire est dépendant de son angle de phase Φ et de sa hauteur au-dessus de l'horizon. Le tableau 2, récapitule ainsi, pour les principaux contributeurs, leur caractérisation et la gamme de leur contribution à l'éclairement au sol.

À un instant donné, l'éclairement reçu au sol correspond à l'addition des différents contributeurs présents dans le ciel. Cela va donner, avec la prise en compte de la présence ou non de la Lune et de la couverture nuageuse, les différents niveaux de nuit définis dans le paragraphe suivant.

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3.2 Perception visuelle et niveaux de nuit

La perception visuelle est limitée au domaine spectral de sensibilité de la rétine qui fonctionne suivant deux régimes. En ambiance diurne, elle a une sensibilité, dite photopique, délivrée par les cellules de rétine, appelée cônes, qui en plus donnent une perception en couleur. En ambiance nocturne, elle a une sensibilité, dite scotopique, plus accrue et décalée vers le bleu délivrée par les cellules de la rétine appelée bâtonnets. Les éclairements dans ce domaine spectral sont donnés en lux ou lx, résultat de la pondération de l'éclairement spectral par la réponse de l'œil. Le tableau 3 récapitule les cinq niveaux de nuit, appelés aussi conditions de nuit, avec les éclairements au sol variant de 1 lx à 0,1 mlx. Bien entendu ces niveaux d'éclairement sont à considérer sans éclairage artificiel, hors zone urbaine et en dehors de toute contribution de la pollution lumineuse.

On remarquera que les niveaux 4 et 5 représentent plus de 50 % des conditions de nuit rencontrées à la surface de la Terre.

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