Imagerie à bas niveau de lumière - Fondamentaux et perspectives

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.