Principales caractéristiques des caméras et des détecteurs

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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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7. Principales caractéristiques des caméras et des détecteurs

Sans vouloir être exhaustif, voici les caractéristiques importantes qui conditionnent les limites des performances des caméras employant ces technologies de matrices de détection. Nous les regroupons en deux familles : les caractéristiques qui contribuent à la qualité d'image et les autres caractéristiques. En synthèse, le rapport signal à bruit (S/B ) est le paramètre qui donne les limites de sensibilité de chaque dispositif en particulier dans les conditions de faible niveau d'éclairement.

7.1 Pixel, résolution, FTM et portée

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7.1.1 Définition du pixel

Le terme de « pixel » ou « picture element » recouvre plusieurs nuances de la définition d'un élément d'image. Elles sont à mettre en regard de la fonction de transfert de modulation (FTM) des fréquences spatiales dans l'image.

• La première définition couvre l'élément de la surface sensible appelé aussi photosite. Il prend en compte éventuellement la zone aveugle associée à chaque photosite.

• La seconde définition couvre la maille du motif qui se répète à la surface du senseur. Ainsi, un pixel peut inclure plusieurs photosites, par exemple un grand et un petit pour augmenter la dynamique (cf. les matrices proposées par Fuji). Pour une matrice couleur, la maille du motif qui se répète associe des photosites sensibles dans plusieurs bandes spectrales (rouge, vert, bleu, ou cyan, magenta, jaune), par l'association de trois ou quatre photosites pour le motif de la matrice de Bayer. De manière abusive, ces matrices sont souvent identifiées par leur nombre total de photosites ou par le nombre de pixels de la matrice dans sa définition noir et blanc.

• La troisième définition couvre l'échantillon spatial du plan focal. Le nombre de pixels peut démultiplier le nombre de photosites grâce à un microbalayage ou grâce à une interpolation spatiotemporelle entre détecteurs et trames connexes par exemple.

• Enfin, à l'affichage sur un écran, on parle aussi de pixel ou de « disel » pour « display element » définissant ainsi l'élément d'image affiché.

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