Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
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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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.
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
- Version courante de déc. 2023 par Thierry MIDAVAINE
DOI (Digital Object Identifier)
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6. Technologies alternatives de détection
Il existe de nombreuses technologies que ce soit sur le marché ou en développement dans l'industrie ou dans les laboratoires que l'on peut classer en quatre groupes différents. Elles reposent toutes sur l'effet photoélectrique : soit l'effet photoélectrique externe avec l'emploi de photocathodes dans les deux premiers groupes, soit l'effet photoélectrique interne reposant sur un semi-conducteur: le silicium pour le troisième groupe ou des semi-conducteurs à plus faible gap pour le quatrième groupe afin d'être sensible dans la bande 1.
6.1 Tubes intensificateurs d'images
Cette technologie constitue le premier groupe d'imageurs à bas niveau de lumière. L'intensificateur d'image est aussi dénommé intensificateur de lumière (IL) ou amplificateur de brillance. Il fait l'objet de chapitres dans les références . Cette technologie domine le marché des technologies bas niveau de lumière avec des quantités de l'ordre de 200 000 unités fabriquées par an.
On passe ci-dessous en revue les trois constituants principaux d'un tube (à savoir : la photocathode, le multiplicateur d'électrons et l'écran de visualisation), puis on décrit les différentes générations et architectures de tubes.
HAUT DE PAGE
Les tubes intensificateurs d'images reposent sur l'emploi de photocathodes qui convertissent les photons en électrons avec une probabilité dont la valeur moyenne constitue le rendement quantique η (ou QE Quantum Efficiency en anglais). On dénomme ces électrons photoélectrons...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MIDAVAINE (T.), BELHAIRE (E.), PELLIARD (S.) - Solid state low light level imaging. - OPTRO 2010-04, Sensors and Components _14_1787320, OECD Conference Center, Paris, 3-5 fév. 2010.
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(2) - CINZANO (P.), FALCHI (F.), ELVIGE (C.D.) - The first world atlas of the artificial night sky brightness. - Mon. Not. R. Astron. Soc., 328, p. 689-707 (2001).
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(3) - MIDAVAINE (T.) - Urban illumination : from the needs to the acceptance test. - Dark Sky 2008, Vienna, Austria, 22-23 août 2008.
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(4) - VATSIA (M.L.) - Atmospheric optical environment. - ECOM-7023 report 1972, 1er sept. 1972.
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(6) - MIDAVAINE (T.), THILLOT (M.), VERDY (O.) - Analyse spectrale des bilans de portée ; une nouvelle méthode. - ...
NORMES
-
Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras. Release 3.0 November 29, Issued by European Machine Vision Association www.emva.org - EMVA Standard 1288 - 2010
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Andor http://www.andor.com
Caeleste http://www.caeleste.be
Canon http://www.canon.fr/
CMOSIS http://www.cmosis.com
e2v technologies http://www.e2v.com/
Fairchild Imaging http://www.fairchildimaging.com/
Foveon http://www.foveon.com
Hamamatsu http://www.hamamatsu.com/
Infrared Labotatories http://www.irlabs.com/
Intevac http://www.intevac.com/intevacphotonics
ITT http://www.nightvision.com/products/military/case_study-gen3.htm
NIT http://www.new-imaging-technologies.com/
Northrop Grumman Electronic Systems – Electro-Optical Systems – Litton http://www.es.northropgrumman.com/solutions/nightvision/index.html
Photonis http://www.photonis.com/
Proxitronics http://www.proxivision.de/
Raptor photonics http://www.raptorphotonics.com/
Sensor...
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