Imagerie à bas niveau de lumière - Fondamentaux

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...