Comment fonctionne la vision nocturne ?

Lorsqu'un électron se déplace vers une orbite plus énergétique, il finit par vouloir revenir à l'état fondamental. Il libère alors son énergie sous la forme d'un photon, une particule de lumière. Les atomes libèrent constamment de l'énergie sous forme de photons. Par exemple, lorsque l'élément chauffant d'un grille-pain devient rouge vif, la couleur rouge est due à des atomes excités par la chaleur, qui libèrent des photons rouges. Un électron excité a plus d'énergie qu'un électron détendu, et tout comme l'électron a absorbé une certaine quantité d'énergie pour atteindre ce niveau d'excitation, il peut libérer cette énergie pour revenir à l'état fondamental. Cette énergie émise se présente sous la forme de photons (énergie lumineuse). Le photon émis a une longueur d'onde (couleur) très spécifique qui dépend de l'état de l'énergie de l'électron au moment où le photon est libéré.

Tout ce qui est vivant consomme de l'énergie, de même que de nombreux objets inanimés tels que les moteurs et les fusées. La consommation d'énergie génère de la chaleur. À son tour, la chaleur amène les atomes d'un objet à émettre des photons dans le spectre infrarouge thermique. Plus l'objet est chaud, plus la longueur d'onde du photon infrarouge qu'il émet est courte. Un objet très chaud commencera même à émettre des photons dans le spectre visible, en brillant en rouge, puis en passant par l'orange, le jaune, le bleu et enfin le blanc. Pour plus d'informations sur la lumière et l'émission de photons, consultez les rubriques Comment fonctionnent les ampoules électriques, Comment fonctionnent les lasers et Comment fonctionne la lumière.
En vision nocturne, l'imagerie thermique tire parti de cette émission infrarouge. Dans la section suivante, nous verrons comment elle y parvient.

Imagerie thermique

1. Une lentille spéciale concentre la lumière infrarouge émise par tous les objets visibles.
2. La lumière focalisée est balayée par un réseau phasé d'éléments détecteurs infrarouges. Les éléments détecteurs créent un modèle de température très détaillé appelé thermogramme. Il ne faut qu'un trentième de seconde au réseau de détecteurs pour obtenir les informations de température nécessaires à la réalisation du thermogramme. Ces informations sont obtenues à partir de plusieurs milliers de points dans le champ de vision de la matrice de détecteurs.
3. Le thermogramme créé par les éléments de détection est traduit en impulsions électriques.
4. Les impulsions sont envoyées à une unité de traitement des signaux, une carte de circuit imprimé dotée d'une puce dédiée qui traduit les informations provenant des éléments en données pour l'affichage.
5. L'unité de traitement des signaux envoie l'information à l'écran, où elle apparaît en différentes couleurs en fonction de l'intensité de l'émission infrarouge. La combinaison de toutes les impulsions provenant de tous les éléments crée l'image.

Types de dispositifs d'imagerie thermique

 La plupart des appareils d'imagerie thermique effectuent un balayage à une fréquence de 30 fois par seconde. Ils peuvent détecter des températures allant de -20 degrés Celsius à 2 000 degrés Celsius, et peuvent normalement détecter des changements de température d'environ 0.2 degrés Celsius. 

Il existe deux types d'appareils d'imagerie thermique :

• Non refroidi - Il s'agit du type d'appareil d'imagerie thermique le plus courant. Les éléments du détecteur infrarouge sont contenus dans une unité qui fonctionne à température ambiante. Ce type de système est totalement silencieux, s'active immédiatement et dispose d'une batterie intégrée.
• Refroidissement cryogénique - Plus chers et plus susceptibles d'être endommagés par une utilisation intensive, ces systèmes ont les éléments scellés à l'intérieur d'un conteneur qui les refroidit à moins de 32 F (zéro C). L'avantage d'un tel système est la résolution et la sensibilité incroyables qui résultent du refroidissement des éléments. Les systèmes refroidis par cryogénie peuvent "voir" une différence aussi minime que 0,2 F (0,1 C) à plus de 1 000 pieds (300 m) de distance, ce qui est suffisant pour savoir si une personne tient une arme à cette distance !

Si l'imagerie thermique est idéale pour détecter des personnes ou travailler dans une obscurité quasi totale, la plupart des équipements de vision nocturne utilisent une technologie d'amélioration de l'image.

Amélioration de l'image

La technologie d'amélioration de l'image est ce à quoi la plupart des gens pensent lorsque l'on parle de vision nocturne. En fait, les systèmes d'amélioration de l'image sont généralement appelés dispositifs de vision nocturne (DVN). Les NVD reposent sur un tube spécial, appelé tube intensificateur d'image, qui collecte et amplifie la lumière infrarouge et visible. Voici comment fonctionne l'amélioration des images :

1. Une lentille conventionnelle, appelée objectif, capte la lumière ambiante et une partie de la lumière infrarouge proche.
2. La lumière recueillie est envoyée au tube intensificateur d'image. Dans la plupart des CND, le tube intensificateur d'image est alimenté par deux piles N ou deux piles "AA". Le tube délivre une tension élevée, d'environ 5 000 volts, aux composants du tube à image.
3. Le tube intensificateur d'image est doté d'une photocathode, qui sert à convertir les photons de l'énergie lumineuse en électrons.
4. Lorsque les électrons traversent le tube, des électrons similaires sont libérés par les atomes du tube, ce qui multiplie le nombre initial d'électrons par un facteur de plusieurs milliers grâce à l'utilisation d'une plaque à microcanaux (MCP) dans le tube. Une plaque à microcanaux est un minuscule disque de verre percé de millions de trous microscopiques (microcanaux), fabriqué à l'aide de la technologie de la fibre optique. Le MCP est placé sous vide et comporte des électrodes métalliques de part et d'autre du disque. Chaque canal est environ 45 fois plus long que large et fonctionne comme un multiplicateur d'électrons. Lorsque les électrons de la photocathode atteignent la première électrode du MCP, ils sont accélérés dans les microcanaux en verre par les salves de 5 000 V envoyées entre la paire d'électrodes. Lorsque les électrons passent dans les microcanaux, ils provoquent la libération de milliers d'autres électrons dans chaque canal par un processus appelé émission secondaire en cascade. Fondamentalement, les électrons d'origine entrent en collision avec le côté du canal, excitant les atomes et provoquant la libération d'autres électrons. Ces nouveaux électrons entrent également en collision avec d'autres atomes, créant une réaction en chaîne qui fait que des milliers d'électrons quittent le canal où seuls quelques uns sont entrés. Il est intéressant de noter que les microcanaux du MCP sont créés avec un léger angle (environ 5 à 8 degrés de biais) afin d'encourager les collisions entre électrons et de réduire la rétroaction des ions et de la lumière directe sur les luminophores du côté de la sortie.
5. À l'extrémité du tube intensificateur d'image, les électrons rencontrent un écran recouvert de phosphores. Ces électrons conservent leur position par rapport au canal qu'ils ont traversé, ce qui permet d'obtenir une image parfaite puisque les électrons restent dans le même alignement que les photons d'origine. L'énergie des électrons permet aux luminophores d'atteindre un état excité et de libérer des photons. Ces phosphores créent l'image verte sur l'écran qui caractérise la vision nocturne.
6. L'image au phosphore vert est vue à travers une autre lentille, appelée lentille oculaire, qui permet d'agrandir et de mettre au point l'image. Le NVD peut être connecté à un écran électronique, tel qu'un moniteur, ou l'image peut être visualisée directement à travers la lentille oculaire.

Les générations

• Génération 0 - Le système de vision nocturne original créé par l'armée américaine et utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale et la guerre de Corée, ces appareils à vision nocturne utilisent l'infrarouge actif. Cela signifie qu'une unité de projection, appelée illuminateur IR, est fixée à l'appareil. Cette unité projette un faisceau de lumière proche de l'infrarouge, semblable au faisceau d'une lampe de poche normale. Invisible à l'œil nu, ce faisceau se réfléchit sur les objets et rebondit sur l'objectif. Ces systèmes utilisent une anode en conjonction avec la cathode pour accélérer les électrons. Le problème de cette approche est que l'accélération des électrons déforme l'image et réduit considérablement la durée de vie du tube. Un autre problème majeur de cette technologie dans son utilisation militaire initiale était qu'elle était rapidement reproduite par des nations hostiles, ce qui permettait aux soldats ennemis d'utiliser leurs propres appareils à vision nocturne pour voir le faisceau infrarouge projeté par l'appareil.
• Génération 1 - La génération suivante d'appareils à vision nocturne s'est éloignée de l'infrarouge actif pour utiliser l'infrarouge passif. Surnommés Starlight par l'armée américaine, ces appareils à vision nocturne utilisent la lumière ambiante fournie par la lune et les étoiles pour augmenter les quantités normales d'infrarouges réfléchis dans l'environnement. Cela signifie qu'ils n'ont pas besoin d'une source de lumière infrarouge projetée. Cela signifie également qu'ils ne fonctionnent pas très bien par nuit nuageuse ou sans lune. Les appareils à vision nocturne de la génération 1 utilisent la même technologie de tube intensificateur d'image que ceux de la génération 0, avec cathode et anode, de sorte que la distorsion de l'image et la courte durée de vie du tube posent toujours problème.
• Génération 2 - Des améliorations majeures apportées aux tubes intensificateurs d'image ont donné naissance aux appareils à vision nocturne de la génération 2. Ils offrent une meilleure résolution et de meilleures performances que les dispositifs de la génération 1, et sont considérablement plus fiables. La plus grande avancée de la génération 2 est la capacité de voir dans des conditions de luminosité extrêmement faibles, comme par exemple lors d'une nuit sans lune. Cette sensibilité accrue est due à l'ajout d'une plaque à microcanaux au tube intensificateur d'image. Comme la plaque à microcanaux augmente le nombre d'électrons au lieu de simplement accélérer les électrons d'origine, les images sont nettement moins déformées et plus lumineuses que celles des appareils à vision nocturne de la génération précédente.
• Génération 3 - La génération 3 est actuellement utilisée par l'armée américaine. Bien que la technologie sous-jacente n'ait pas subi de modifications substantielles par rapport à la génération 2, ces appareils à vision nocturne ont une résolution et une sensibilité encore meilleures. En effet, la photo-cathode est fabriquée à partir d'arséniure de gallium, qui convertit très efficacement les photons en électrons. En outre, le MCP est recouvert d'une barrière ionique, ce qui augmente considérablement la durée de vie du tube.
• Génération 4 - Ce que l'on appelle généralement la génération 4 ou la technologie "sans film et avec porte" montre une amélioration globale significative dans les environnements à faible et à forte luminosité. La suppression de la barrière ionique du MCP, ajoutée dans la technologie de la génération 3, réduit le bruit de fond et améliore ainsi le rapport signal/bruit. La suppression du film ionique permet en fait à davantage d'électrons d'atteindre l'étage d'amplification, de sorte que les images sont nettement moins déformées et plus app. L'ajout d'un système d'alimentation automatique permet d'activer et de désactiver rapidement la tension de la photocathode, ce qui permet au appareils à vision nocturne de réagir instantanément à une fluctuation des conditions d'éclairage. Cette capacité constitue une avancée essentielle dans les systèmes des appareils à vision nocturne, car elle permet à l'utilisateur de passer rapidement d'un environnement très éclairé à un environnement peu éclairé (ou d'un environnement peu éclairé à un environnement très éclairé) sans aucun effet d'arrêt. Prenons l'exemple d'une scène de film omniprésente dans laquelle un agent utilisant des lunettes de vision nocturne est "privé de vue" lorsque quelqu'un allume une lumière à proximité. Avec la nouvelle fonction d'alimentation, le changement d'éclairage n'aurait pas le même impact ; l'appareil à vision nocturne améliorée réagirait immédiatement au changement d'éclairage.

De nombreuses lunettes de vision nocturne dites "bon marché" utilisent la technologie de la génération 0 ou de la génération 1 et peuvent être décevantes si vous vous attendez à la sensibilité des dispositifs utilisés par les professionnels. Les appareils à vision nocturne de génération 2, 3 et 4 sont généralement chers à l'achat, mais ils dureront si vous les entretenez correctement. En outre, tous les appareils à vision nocturne peuvent bénéficier de l'utilisation d'un illuminateur IR dans les zones très sombres où il n'y a pratiquement pas de lumière ambiante à collecter.

Équipement de vision nocturne et applications

Les équipements de vision nocturne peuvent être classés en trois grandes catégories :

• Lunettes de visée - Normalement tenues à la main ou montées sur une arme, les lunettes de visée sont monoculaires (un seul oculaire). Comme les lunettes de visée sont tenues à la main, et non portées comme les lunettes de protection, elles sont utiles lorsque vous voulez mieux voir un objet spécifique, puis revenir à des conditions d'observation normales.
• Lunettes de protection - Les lunettes de protection peuvent être tenues à la main, mais elles sont le plus souvent portées sur la tête. Les lunettes sont binoculaires (deux oculaires) et peuvent être dotées d'une lentille unique ou d'une lentille stéréo, selon le modèle. Les lunettes de protection sont excellentes pour une observation constante, par exemple lorsqu'on se déplace dans un bâtiment sombre.
• Caméras - Les caméras dotées de la technologie de vision nocturne peuvent envoyer l'image à un moniteur pour l'afficher ou à un magnétoscope pour l'enregistrer. Lorsqu'une capacité de vision nocturne est souhaitée à un emplacement permanent, par exemple sur un bâtiment ou dans le cadre de l'équipement d'un hélicoptère, des caméras sont utilisées. De nombreux caméscopes récents sont dotés d'un système de vision nocturne intégré.

Applications

Les applications courantes de la vision nocturne sont les suivantes : 

• Militaire
• Application de la loi
• Chasse
• Observation de la faune
• Surveillance
• Sécurité
• Navigation
• Détection d'objets cachés
• Divertissement

L'objectif initial de la vision nocturne était de localiser des cibles ennemies la nuit. Elle est encore largement utilisée par les militaires à cette fin, ainsi que pour la navigation, la surveillance et le ciblage. La police et les services de sécurité utilisent souvent les technologies d'imagerie thermique et d'amélioration de l'image, en particulier pour la surveillance. Les chasseurs et les amoureux de la nature les utilisent pour se déplacer dans les bois la nuit.

Les détectives et les enquêteurs privés utilisent la vision nocturne pour surveiller les personnes qu'ils sont chargés de suivre. De nombreuses entreprises sont équipées de caméras fixes dotées d'un système de vision nocturne pour surveiller les environs.

L'imagerie thermique permet de savoir si une zone a été perturbée. Elle peut montrer que le sol a été creusé pour enterrer quelque chose, même s'il n'y a pas de signe évident à l'œil nu. Les forces de l'ordre ont utilisé cette technique pour découvrir des objets cachés par des criminels, notamment de l'argent, de la drogue et des cadavres. L'imagerie thermique permet également de voir les modifications récentes apportées à des zones telles que les murs, ce qui a fourni des indices importants dans plusieurs affaires.

De nombreuses personnes commencent à découvrir le monde unique que l'on peut trouver après la tombée de la nuit. Si vous allez souvent camper ou chasser, il y a de fortes chances que les appareils de vision nocturne puissent vous être utiles - assurez-vous simplement d'acheter le bon type d'appareil pour vos besoins.

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