Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’imagerie à bas niveau de lumière porte sur le domaine de la vision nocturne et s’est étendu aux domaines de l’acquisition vidéo numérique dans des conditions d’éclairement très faibles. Depuis les années 2000, de nouvelles technologies émergent avec l'accès à des détecteurs matriciels sensibles depuis le proche Ultra-Violet à 0,3 µm jusque dans l’Infra-Rouge à 2,5 µm. Cet article requiert un retour aux fondamentaux sur ce large domaine spectral, en particulier, sur les sources et sur les albédos des objets entrant dans la constitution du contraste des images dans les conditions d’éclairement de nuit rencontrées sur Terre ou dans les conditions de très faibles flux photoniques
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Low light level imaging is related to the night vision field and is extended to the digital video field meeting very low illumination conditions. New technologies have been emerging since 2000 with the availability of focal plane arrays sensitive from 0.3 µm in Near UV up to 2.5 µm in Short Wavelength InfraRed. This article requires to go back on fundamentals in the domain, in particular the illumination conditions and on the albedo of objects used in, to build the image contrast meet at night on the Earth or with imaging equipments dealing with low photonic flux.
Auteur(s)
-
Thierry MIDAVAINE : Expert en optronique - Enseignant et conférencier en écoles d’ingénieurs et formations continues : IOGS, ESPCI, ENSTA, EUROSAE, Paris, France
INTRODUCTION
Le domaine de la vision et de l’imagerie à bas niveau de lumière se définit par ses applications. Historiquement, il 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 dont on cherche toujours à augmenter les performances. Cette motivation peut, bien entendu, se décliner dans plusieurs applications civiles telles que la navigation de plaisance ou l’observation de la nature et de la faune nocturne. 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, de nuit à la surface de la Terre. 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 du domaine du Visible 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 traiter des flux photoniques importants tout en n'étant que partiellement sensible à l'illumination de la scène. Le domaine de l'infrarouge thermique permet de réaliser des images dominées par les contrastes de températures et d’émissivités. Les images thermiques de scènes sont, de ce fait, très différentes des images perçues par la vision humaine qui est, elle, sensible aux différents niveaux de réflectivité (ou albédos) des objets illuminés par des sources naturelles ou artificielles éclairant la scène. Aussi, nous allons nous intéresser ici à ce domaine où les signatures des objets composant les images sont dominées par les contrastes d'albédos de jour comme de nuit. Cela limite le domaine spectral dans les courtes longueurs d'onde au proche ultra-violet, vers 0,3 µm, défini par le début de la transmission atmosphérique et dans les grandes longueurs d'onde dans l’infrarouge en bande 1 vers 2,5 µm par le début de la domination des flux photoniques issus du Corps Noir à température ambiante.
Cet article porte sur l'analyse des différents contributeurs à l'éclairement de nuit, aux contrastes des scènes et aux éléments fondamentaux responsables du rapport signal à bruit en imagerie à bas niveau de lumière.
Le lecteur trouvera en fin d'article un tableau des sigles et un tableau des symboles utilisés.
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KEYWORDS
low light level | photometry | visionic | nocturnal lighting | human eye
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 2012 par Thierry MIDAVAINE
DOI (Digital Object Identifier)
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Sigles
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8. Conclusion
Les fondamentaux relatifs à la vision nocturne et aux conditions d’éclairement des scènes de nuit sont très anciens. Néanmoins, certains aspects ont fait l’objet de travaux d’études récents et donnent encore lieu à des recherches pour mieux les maîtriser ou pour analyser leurs variabilités et comprendre les limites qu’ils induisent. Nous avons vu qu’il y a de nombreux avantages à exploiter les bandes du proche IR jusque vers 2,5 µm, comparés aux performances accessibles avec nos yeux dans le domaine du Visible. Ces travaux prennent tout leur sens par les progrès technologiques des dispositifs de détection dans le domaine du proche IR et de la bande IR1 que nous analysons dans l'article [E 6 571]. Ainsi, la compréhension de la luminescence atmosphérique, ou night glow, motive les progrès des détecteurs dans le domaine de 1 à 2,5 µm.
Les perspectives ouvertes par les modes d’imagerie en comptage de photons exploitant les statistiques qui accompagnent les processus d’émission spontanée et stimulée des photons en vision passive BNL, constituent un domaine de recherche, où nous pouvons espérer atteindre des sensibilités ultimes dans les prochaines années. Ces techniques sont aussi à développer en regard des statistiques d’émission dans les lasers et les OPO (Oscillateurs Paramétriques Optiques), par exemple, de paires de photons en Imagerie Active (IA). Ces travaux sont à associer aux progrès récents des détecteurs, en mode imagerie, capables de compter les photons du fait de niveaux de bruits très bas et de rendements quantiques élevés que nous analysons dans l’article [E 6 571].
Enfin, il faut souligner que la compréhension et la modélisation de tous les contributeurs à l’éclairement nocturne, des albédos et des conditions de propagation atmosphérique permettent la réalisation des modélisations spectrales fines des scènes. La connaissance des conditions de nuit, avec en particulier la présence ou l’absence de Lune, et des prévisions des conditions météorologiques, vont pouvoir alimenter des simulateurs, qui permettront par exemple à un pilote...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MIDAVAINE (T.), BELHAIRE (E.), PÉLLIARD (S.) - Solid state low light level imaging. - OPTRO 2010-04, Sensors and Components_14_1787320, OECD Conference Center, Paris (2010).
-
(2) - BLANCHARD (G.), DAUVERGNE (J.-L.) - Observer avec des jumelles. - Belin (2016).
-
(3) - * - Allen’s Astrophysical Quantities 4th edition Arthur N. Cox Editor.
-
(4) - LÉNA (P.), ROUAN (D.), et al - L’Observation en Astrophysique. 3ème édition. - CNRS Editions EDP Sciences (2008).
-
(5) - RIELLO (M.) et al - Gaia Early Data Release 3 : Photometric content and validation A&A. - No. aa39587 (2020).
-
(6) - Guide pour l’étude de la compatibilité des aéronefs avec l’utilisation de dispositifs...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Imagerie à bas niveau de lumière – Applications et perspectives.
NORMES
-
Édité par le bureau de normalisation de l’aéronautique et de l’espace. - Norme RE.Aéro 790 40 - Déc 1996
1.1 Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)
Stage de formation continue SC13 Vision Bas Niveau de Lumière et Imagerie à Comptage de Photons IOGS Thierry Midavaine
https://fc.institutoptique.fr/
Séminaire DGA Bas Niveau de Lumière organisé tous les deux ou trois ans au centre DGA Technique Aéronautique Balma
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