Besoins en vision à bas niveau de lumière
Imagerie à bas niveau de lumière - Fondamentaux

1 - Besoins en vision à bas niveau de lumière

2 - Quelques rappels de photométrie et des représentations spectrales

• 2.1 - Grandeurs en photométrie et unités
  Figure 1 - Étoile Véga de magnitude V = 0,03 Figure 2 - Courbes de transmission spectrale des filtres utilisés dans le système photométrique de Johnson et Cousins avec la largeur équivalente des bandes et la longueur d’onde centrale des bandes UBVRI Figure 3 - Comparaison des bandes spectrales UBVRI normalisées du système de Johnson Cousins avec les bandes ugriz SDSS fabriquées par la compagnie Astrodon Figure 4 - Bandes spectrales de Gaia pour les bandes G, GBP, GRP, définissant le système photométrique des catalogues Gaia DR2 et DR3 [5] (crédits ESA/Gaia/DPAC, P. Montegriffo, F. de Angeli, C. Cacciari) (https ://www.cosmos.esa.int/web/gaia/iow_20180316) Tableau 1
• 2.2 - Niveaux de nuit
  Tableau 2
• 2.3 - Éléments de spectrophotométries
  Figure 5 - Luminances spectrales du Corps Noir à la température de la photosphère du Soleil, d'une plage blanche (nuage, neige) éclairée par le Soleil et d'un Corps Noir à 300 K Figure 6 - Luminances photoniques réduites des lois du Corps Noir à différentes températures
• 2.4 - Optimisation du pixel et photométrie
  Figure 7 - Schéma d'une caméra mettant en regard la géométrie de l'optique, sa tache de diffraction et la dimension du pixel Figure 8 - Courbes des modèles de nombres de photons par octave, par pixel adapté à la longueur d’onde pour f/D = 1 et par trame de 40 ms pour l’observation des luminances Figure 9 - Critères de Johnson de la probabilité de réussite de la mission (détection, reconnaissance ou identification) en fonction du nombre de paires de lignes sur la dimension de l’objet à classifier Figure 10 - Exemple de mire de Johnson n = 3,2 cycles Figure 11 - Illustration de l’impact d'un S/B croissant de gauche à droite pour 2 distances de reconnaissance, courte et longue, en haut et en bas respectivement Figure 12 - Illustration de l'évolution de la limite de résolution avec la croissance des conditions d'éclairement et donc du S/B (document Photonis) Figure 13 - Comparaison de la FTM de la diffraction, d'un pixel adapté à la diffraction, d'un pixel au pas de 5 µm, d'un tube IL à 72 pl.mm−1 en fonction des fréquences Figure 14 - Spectre de la transmission atmosphérique modélisé par Modtran en modèle Mid-Latitude Summer Figure 15 - Luminances du Soleil, de la Lune et du ciel bleu en fonction de la longueur d'onde Figure 16 - Luminance spectrale photonique réduite adaptée à la diffraction (expression en L ph/s.λ 3 suivant la relation (12) du Corps Noir à différentes températures) Figure 17 - Transmission de l’atmosphère entre 1,5 et 2,5 µm Figure 18 - Comparaisons des images de scènes terrestres dans différents domaines spectraux (images extraites de la référence [8] AIM)
• 2.5 - Statistique des éclairements photoniques à faible flux et le mode comptage de photons
  Figure 19 - Histogramme des probabilités des pixels d’intégrer 0, 1, 2, 3, ou… 200 photons (entier) pour une exposition photonique moyenne de µp photons

3 - Différents contributeurs aux éclairements nocturnes

• 3.1 - Introduction
• 3.2 - Diffusion atmosphérique
  Figure 20 - Géométrie de l’observation du ciel et de l’angle de l’illumination de l’atmosphère Figure 21 - Géométrie du phénomène de diffusion par une molécule de l’éclairement incident délivré par le Soleil ou la Lune Figure 22 - Géométrie de l’intensité diffusée I de l’éclairement incident par une molécule Figure 23 - Cliché de l’arche anti-crépusculaire (12 novembre 2017 dans la région de Toulouse) (© Thierry Midavaine) Figure 24 - Image de la couleur bleue du ciel la nuit en présence de la Lune (© Thierry Midavaine)]
• 3.3 - Illumination lunaire
  Figure 25 - Cliché simultané de la Terre et de la Lune où on peut apprécier l’albédo très sombre de la Lune comparé aux différents albédos de la Terre et en particulier de ses nuages (source NASA satellite DSCOVR juillet 2015) Figure 26 - Cliché de la pleine Lune au début d’une éclipse de Lune (© Thierry Midavaine septembre 2015) [15] Figure 27 - Photographie d’une petite roche lunaire coupée et comparée à une étiquette blanche à gauche illustrant bien le faible albedo des roches lunaires (© Thierry Midavaine) Figure 28 - Images simultanées dans le Visible et dans l'IR thermique de la Lune en phase gibbeuse réalisées par E. Grageot [6] Tableau 3
• 3.4 - Illumination stellaire
  Figure 29 - Cliché en couleur du ciel nocturne avec la Voie Lactée depuis l'observatoire de Châteaurenard Saint-Véran (© Thierry Midavaine) Figure 30 - Luminance spectrale haute résolution du ciel nocturne dans le Visible et le proche IR [17] Figure 31 - Spectre haute résolution de la luminance du ciel nocturne dans la bande 1 [17] Figure 32 - Image vectorielle de l’ensemble du ciel avec la localisation et la photométrie de 1,7 milliard de sources stellaires (http ://www.esa.int) [5] Figure 33 - Diagramme Herszprung Russel M G (Magnitude absolu G) en fonction de l'indice G-K (magnitude G centrée à 600 nm – magnitude K à 2,2 µm) des étoiles Tableau 4 Tableau 5
• 3.5 - Lumière zodiacale
  Figure 34 - Cliché en couleur du ciel nocturne avec la lumière zodiacale (© Thierry Midavaine, Zambie juin 2001)
• 3.6 - Aurores boréales et aurores australes
  Figure 35 - Images issues des premiers enregistrements vidéo stéréo d’aurores boréales réalisés par Jean Mouette, Thierry Legault et Eric Hivon (Institut d’Astrophysique de Paris, 2018) Figure 36 - Image du satellite NOAA POES de l'ovale statistique des aurores boréales (avec l'autorisation du Space Weather Prediction Center) [19] (image actualisée en permanence et diffusée sur le site web https ://spaceweather.com/ par NOAA) (National Oceanic and Atmospheric Administration)
• 3.7 - Luminescence atmosphérique nocturne
  Figure 37 - Image des lueurs atmosphériques ou night glow dans la bande 1 de 1,0 à 1,8 µm à 23 h 06 TU avec un ciel dégagé (nuit 4) au Chili depuis l'observatoire de La Silla (cliché ONERA DGA Pierre Simoneau et al. séminaire de vision nocturne DGA 09/01/2019) Figure 38 - Luminance spectrale du fond de ciel en présence de 4 phases de la Lune [20]
• 3.8 - Pollution lumineuse
  Figure 39 - Atlas mondial de la pollution lumineuse (crédit : F. Falchi (University of Padova, C. D. Elvidge (NOAA National Geophysical Data Center, Boulder)) (copyright Royal Astronomical Society) (reproduite par Monthly Notices du RAS avec la permission de Blackwell Science) [11] Figure 40 - Carte de la pollution lumineuse en Europe de l'Ouest (crédit : F. Falchi (University of Padova), C. D. Elvidge (NOAA National Geophysical Data Center, Boulder)) (copyright Royal Astronomical Society) (reproduite par Monthly Notices du RAS avec la permission de Blackwell Science) [11] Figure 41 - Carte de France de la pollution lumineuse (crédit : F. Falchi (University of Padova), C. D. Elvidge (NOAA National Geophysical Data Center, Boulder)) (copyright Royal Astronomical Society) (reproduite par Monthly Notices du RAS avec la permission de Blackwell Science) [11] Tableau 6

4 - Niveaux de nuit

• 4.1 - Pondération des différents contributeurs
  Tableau 7
• 4.2 - Perception visuelle et niveaux de nuit
• 4.3 - Analyse spectrale des conditions d'éclairement
  Figure 42 - Densité spectrale de l'éclairement photonique au sol de 0,4 à 1,8 µm pour 5 niveaux de nuit en précisant le niveau d’éclairement dans le Visible considéré [1] Figure 43 - Éclairement photonique réduit pour différentes conditions d’éclairement de nuit et différents types de nuages en échelle log de photon.m−2.s−1 par octave Figure 44 - Densité spectrale d'éclairements rencontrés sur les scènes éclairées directement par la Lune et à l'ombre de la Lune
• 4.4 - Représentation spectrale des éclairements des 5 niveaux de nuit

5 - Albédos

6 - Transmission atmosphérique

7 - L’œil humain en référence

8 - Conclusion

9 - Sigles

10 - Symboles