La Vision Nocturne c’est quoi ?

Voir jour et nuit, conduire tous feux éteints ou encore détecter un mouvement hors de portée de votre vision par tous les temps ? Oui on va parler des optiques de « vision nocturne », définir comment et grâce à quel principe physique cette technologie peut exister, passer en revue son fonctionnement – avec son évolution depuis sa création, et pour finir ses différentes utilisations possibles (et leurs limites). Par définition l’achat d’une lunette de vision nocturne est un investissement. Le produit (lunette, jumelle, binoculaire…) doit correspondre à une utilisation la plus polyvalente possible, au meilleur cout, avec la meilleure durée de vie possible.

Bon on exclut les vampires et autres loup-garou, c’est des cas à part. L’œil humain est constitué de deux types de cellules (les photorécepteurs qui tapissent le fond de la rétine) :

• Les cônes – pour distinguer les couleurs

• Les bâtonnets – pour définir la luminosité

Quand le niveau de luminosité baisse, seuls les bâtonnets – 1000 fois plus sensibles que les cônes et aux nombre de 92 à 100 millions pour un être humain (en comparaison au chat qui en a 150 millions environs et qui est nyctalope) – réagissent. Ce qui explique que votre vision passe en mode « noir & blanc ». De même les objets apparaissent « flous » parce que la transmission des photorécepteurs vers le nerf optique est moins performant avec les bâtonnets. En gros, pour activer la capacité à la « vision nocturne » naturelle et laisser passer la lumière résiduelle, la pupille s’élargit et « active » les bâtonnets. Mais avec une limite qui ne permet pas une vision nocturne efficace.

Ça se passe au niveau atomique ! Un atome (constitué de neutrons, de protons et d’un « nuage » d’électrons – c’est la partie qui nous intéresse – qui sont en mouvement autour du noyau de l’atome) est en mouvement perpétuel, même sur un corps (un objet) solide. En fonction de son niveau d’excitation (en fonction de l’énergie qui lui est appliquée – et qu’il absorbe, comme de la chaleur par exemple) ses électrons vont passer d’un état « passif » à un état « excité » et s’éloigner du noyau pour rejoindre une orbite de plus grande énergie. Les électrons excités (qui gagnent une énergie supérieure à leurs capacités) vont, après un certain temps, rejoindre leur orbite « naturel » autour du noyau. Ce « saut » entre deux orbites va générer une perturbation électromagnétique (un rayonnement), et « libérer » ce surplus d’énergie (qui sera égal à l’énergie absorbée) sous forme de photons (et d’une onde électromagnétique – selon le principe de la dualité onde-corpuscule). Cette libération, sous forme de d’ondes ET de photons donc, est quantifiée par le spectre électromagnétique (pour faire simple on va l’exprimer en système métrique).

• LA GAMME D’ONDE INFRA-ROUGE S’ÉTEND DE 0,7 à 100 μm
• LA GAMME D’ONDE VISIBLE S’ÉTEND DE 0,38 à 0,7 μm
• ON PASSE SUR LES RAYONS GAMMA, X, ULTRAVIOLET et RADIO, pas d’intérêt ici

Ce qui nous intéresse pour la technologie utilisée dans la vision nocturne et thermique c’est la gamme d’onde infra-rouge, subdivisée (par le système CIE) en 4 bandes spectrales :

• L’infrarouge proche: de 7µm à 1,6µm
• L’infrarouge moyen: de 1,6 µm à 4 µm
• L’infrarouge thermique: de 4 µm à 15 µm
• L’infrarouge lointain: de 15 µm à 100 µm

C’est grâce à ces différentes gamme d’ondes que votre télécommande, votre lampe LED, le guidage missile, les caméras thermiques, les lasers…et tout un tas d’autres applications fonctionnent !

 Le spectre électromagnétique

La lumière résiduelle c’est quoi ?

Absolument essentielle au fonctionnement de votre lunette (sans lumière résiduelle – et donc sans photons, pas de vision nocturne possible), émise par le soleil, la lune, les étoiles – et toutes les sources lumineuses qu’on retrouve en zone urbaine (éclairage publique, phares de véhicules, enseignes lumineuses) qui forment un halo lumineux sur une zone vaste – la lumière résiduelle c’est l’ensemble des photons qui se baladent sur l’espace dans lequel vous vous trouvez (à la vitesse de la lumière d’ailleurs), de jour comme de nuit. C’est en amplifiant cette lumière (de nuit évidemment pour une vision nocturne) à l’aide d’une photocathode et d’un écran phosphorescent que l’on va restituer une image (de plus ou moins bonne qualité en fonction de la « génération » du tube qui contient la photocathode).

Maintenant que le principe physique qui permet la technologie « vision nocturne » est posé, on va pouvoir expliquer comment ça fonctionne !

Une lunette à vision nocturne ça marche comment ?

Comme vu plus haut, le principe de base (pour une lunette à fonctionnement passif) est d’amplifier un maximum la lumière résiduelle pour rendre une image avec la meilleure définition et la meilleure luminosité possible. Je n’aborderai que rapidement (et au chapitre « torche infra-rouge) l’exploitation des infra-rouge de manière active, cette technologie étant potentiellement un danger en utilisation tactique.

1. Une lentille (à l’avant de la lunette) capte la lumière résiduelle ainsi qu’une partie du spectre de l’infra-rouge proche et dirige ceux ci vers le tube électronique (un photomultiplicateur).

2. En passant dans le photomultiplicateur la lumière (les photons) vient frapper une photocathode et ainsi générer des électrons par effet photoélectrique.

3. Les électrons sont projetés vers une galette – polarisée par des électrodes – de micro-canaux, le MCP (que l’on considère comme une galette de photomultiplicateur). Construit de façon à faciliter la collision (chaque micro-canal est orienté selon un angle plus ou moins important – de 5 à 8°) et à réduire le « bruit ». Quand les électrons initiaux pénètrent les micro-canaux, ils viennent en frapper les parois et provoquent l’émission d’autres électrons, qui, par effet d’amplification, vont à leur tour aller frapper les parois des micro-canaux, créant ainsi d’autres électrons.

4. Les électrons (à présent au nombre de plusieurs milliers) vont passer à travers un écran phosphorescent. Grace à l’énergie cinétique acquise, les électrons (qui ont conserver la structure des photons initiaux – ce qui va permettre la restitution de l’image) vont exciter les atomes de phosphore…ce qui va libérer des photons. Cette lumière restituée à travers une lentille va constituer l’image finale – que vous visualisez « en vert » de part les propriétés du phosphore. La lentille devra permettre le focus (et éventuellement le grossissement) pour une qualité la meilleure possible.

1. Il est à noter que la vision « en vert » est due au choix par les fabricant d’un phosphore spécifique – l’œil humain étant plus sensible au vert, c’était la solution pour un contraste (plus ou moins) optimal à un cout maitrisé.

Le fonctionnement schématique d’une lunette de vision nocturne (de génération 2 au minimum)

Mais alors pourquoi existe-t-il plusieurs « qualités » de lunette à vision nocturne ?

Comme pour toute invention humaine, l’on va continuellement chercher à améliorer la capacité d’une technologie. Via la physique, la biologie ou la chimie, via l’expérience rapportée par l’utilisateur, et, tout simplement par une capacité de fabrication de pièces qui s’améliore avec l’avènement de technologies connexes.

Dans le cas de la vision nocturne, ce qui a principalement permis l’amélioration c’est :

• L’amélioration de la photocathode et de sa sensibilité (à travers les générations de tube 2 et 3)
  • Ce sont succédées les photocathode S1, S20, S25 et les photocathodes à l’arséniure de gallium (GaAs) – qui améliore la sensibilité dans la gamme spectrale du visible et du proche infra-rouge

• L’insertion de la galette de micro-canaux (dès la génération 2)
  • Ce qui va permettre de générer une quantité beaucoup plus conséquente d’électrons (en comparaison à la génération 1) et donc une amélioration de l’amplification et de la qualité du rendu de l’image
  • Sur un tube de génération 3 un film filtrant contre les ions y est apposé (pour protéger la cathode de l’exposition à une source lumineuse indésirable). Cela réduit le nombre d’électrons générés et augmente le halo visible sur les points lumineux. A contrario le film améliore significativement la durée de vie du tube
  • Sur un tube de génération 3 répondant aux normes OMNI-V – VII l’intégration d’un filtre à ion plus fin – amélioration du SNR et de la sensibilité lumineuse – au détriment de la durée de vie

• La fonction « AUTOGATED » (dès la génération 3)
  • Cette fonction gère de manière extrêmement rapide (de l’ordre de la milliseconde) l’alimentation du tube. Dès l’exposition du tube à une source lumineuse « agressive » l’alimentation sera immédiatement coupée, préservant ainsi le tube et sa durée de vie

• La résolution (définie par la mesure en paire de ligne par mm)
  • En résumé – et en très succinct – c’est l’amélioration de votre visualisation de la finesse des détails

• L’amélioration du SNR (Signal Noise Radio)
  • C’est le rapport entre la tension du signal (le signal électrique de votre tube) et celle du bruit qu’il génère. En gros la « neige » (Scintillation)qui apparaît à l’image. La différence entre un tube de génération 1 et 3 est flagrante.

Les différentes générations de tube

Le rendu d’image des différentes générations de tube (le terme “génération 4” est galvaudé et correspond à la génération 3 normalisée Omni-VII)

La génération 0

En 1929 le physicien hongrois Kálmán Tihanyi pose le principe de la vision nocturne (au profit de l’armée britannique). Dès 1935 une firme allemande (AEG – qui existe toujours aujourd’hui) développe la technologie de vision nocturne, en parallèle des USA. Durant la seconde guerre mondiale ces deux pays vont utiliser au combat les capacités de la vision nocturne, sur véhicules blindés ainsi que sur armes légères. Les USA vont développer le concept et continuer son utilisation opérationnelle durant la guerre de Corée. La technologie utilisée est active – elle projette un faisceau large d’infra-rouge

La génération 1 (et 1+)

Toujours la plus couramment utilisée à travers le monde aujourd’hui ! Développée durant les années 60 et exploitée durant la guerre du Vietnam par les USA, elle exploite le premier tube « passif » à intensification de lumière avec une photocathode S20 (pour un gain d’intensification d’environ x1000). L’image est claire et offre un contraste correct au centre de l’image, avec une déformation sur les bords et un SNR qui génère des perturbations – de la « neige » – sur le rendu d’image. Les tubes de génération 1 proposés actuellement par les fabricants sont pour la plupart issus des stocks de l’ex union soviétique – ce qui est plutôt positif. La durée de vie de ce tube sera d’environ 4000 heures (plus ou moins) d’utilisation active et son exploitation ne sera possible qu’avec un niveau de lumière résiduelle élevé (lune visible), sauf en cas d’utilisation d’une torche IR en conjonction de la lunette.

Le tube dit de génération « 1+ » n’est rien de plus qu’un tube de génération 1 amélioré pour une offrir une meilleure qualité d’image (Core d’Armasight ou Edge de Pulsar) avec une résolution optimisée.

• Définition : de 35 à 60 paire de ligne par mm
• Durée de vie moyenne : environ 4000 heures
• Photocathode : S20
• Intensification : environ 1000x – nécessite un niveau de lumière résiduelle élevé
• Moyenne de tarif : de 150 à 700 euros – en fonction du type de lunette (monoculaire, jumelle, lunette de tir, avec ou sans grossissement…)

La génération 2 (et 2+)

Cette seconde génération introduit le MCP (la galette de micro-canaux) et une photocathode S25, pour un gain d’intensification jusqu’à 20000x, une amélioration significative du SNR, de la résolution (45 paire de ligne par mm au minimum) et de la sensibilité à la luminosité – l’appoint d’une torche IR ne sera plus nécessaire et le niveau de lumière résiduelle devra être beaucoup moins élevé pour un rendu d’image supérieur à la génération 1. L’écran au phosphore peut employer (en fonction de son fabricant) un phosphore qui améliore le contraste de la « couleur » verte et donc un rend un niveau de détail meilleur.

Le tube dit de génération « 2+ » optimise (vraiment) la résolution (avec une moyenne de 60 paire de ligne par mm), le SNR gagne jusqu’à 10 points en comparaison d’un tube de génération 2 et la sensibilité passe à 400-800 µA/lm (pour une sensibilité de 500-600 µA/lm pour la génération 2 et sa photocathode S25). Un tube de génération 2+ avec des composants de qualité se rapproche significativement des tubes de génération 3.

• Définition : de 45 à 73 paire de ligne par mm
• Durée de vie moyenne : environ 10000 heures
• Photocathode : S25
• Intensification : environ 20000x – nécessite un niveau de lumière résiduelle faible
• Moyenne de tarif : de 900 à 2500 euros – en fonction du type de lunette (monoculaire, jumelle, lunette de tir, avec ou sans grossissement…)
• FOM (Figure Of Merite) : de 810 à 2044 (théorique – en réalité plutôt 1800 maximum)

La génération 3 (et 3 normalisée Omni-VII)

L’intégration de la photocathode fabriquée à base d’arséniure de gallium (améliore la sensibilité à la gamme des infra-rouges lointains mais est plus « fragile » que les photocathodes de type S25) et d’un MCP de « seconde génération » recouvert d’un film filtrant (qui protège la cathode des ions) – cela réduit le nombre d’électrons générés et augmente le halo visualisé autour des points lumineux – permet une augmentation de la durée de vie du tube (jusqu’à 20000 h) et une amplification de la lumière résiduelle de 30 à 50000x. La pureté de l’image et le rendu des détails est environ 3x supérieur à un tube de génération 2 mais votre œil ne sera pas sensible à cette optimisation (ou de manière réduite) ; A contrario la sensibilité exceptionnelle à la luminosité vous permet l’utilisation de la lunette dans des conditions de lumière résiduelle très dégradées. La fonction « AUTO GATED » va préserver le tube d’une exposition accidentelle à une illumination agressive et soudaine tout en préservant le rendu de l’image – ce qui sera essentiel pour un opérateur au combat qui, sans l’AUTO GATED pourrait être ébloui par des départs de coup, des explosions, des incendies…

Le tube de génération 3 normalisée par la norme militaire US Omni (niveau VII) améliore principalement le MCP avec un film filtrant plus mince que sur un tube de génération 3 classique (tout en conservant les éléments d’un tube de 3ièm génération). Cette modification – qui ramène la durée de vie du tube à environ 15000 heures – va drastiquement augmenter la définition et le rendu d’image, la résolution et le niveau de contraste. Généralement réservé à un usage militaire, avec un gain d’amplification de 80 à 120000x (théorique – mais ça reste vachement impressionnant).

Il est à noter que certains fabricants proposent des tubes au phosphore P43 qui offre un rendu « noir et blanc » ou encore « bleuté » pour une meilleure vision des contrastes et des détails dans l’image.

Il est à noter qu’en fonction du niveau de normalisation US omni (du niveau II à VII) le film filtrant du MCP rendra une image plus ou moins nette et détaillée. Certains tubes de génération 3 sont proposés sans aucun film (filmless). Le rendu de l’image est nettement amélioré mais la durée de vie du tube est évidemment raccourcie. 

• Définition : de 57 à 73 paire de ligne par mm
• Durée de vie moyenne : De 20000 à 15000 heures
• Photocathode : arséniure de gallium
• Intensification : de 30 à 120000x (très théorique) – nécessite un niveau de lumière résiduelle très faible
• Moyenne de tarif : de 2300 à 6000 euros – en fonction du type de lunette (monoculaire, jumelle, lunette de tir, avec ou sans grossissement…) et des composants utilisés
• FOM (Figure Of Merite) : de 1400 à supérieur à 2000

POUR LE MONTAGE SUR ARME, IL FAUDRA FAIRE LE CHOIX D’UNE LUNETTE QUI EMBARQUE UN TUBE CAPABLE DE RÉSISTER AU RECUL DU CALIBRE DE L’ARME DE DESTINATION – CECI AFIN DE PRÉSERVER LA DURÉE DE VIE DU TUBE ET LE RENDU D’IMAGE. EN CAS DE DOUTE CONTACTEZ NOUS.

Le cas particulier de la vision nocturne numérique

Une technologie identique à celle utilisée dans votre appareil photo, vos caméras de surveillance numériques, votre webcam ou votre caméra numérique : un CCD ou CMOS modifiés pour être sensibles non pas au spectre visible mais au spectre des infra-rouges et convertit en un signal numérique. Le signal numérique est amplifié puis transmis à l’écran LCD où vous visualisez l’image. L’absence d’un écran au phosphore va supprimer le rendu noir et vert pour rendre une image en noir et blanc.

Comme un tube de génération 1, une lunette de vision nocturne numérique ne peut qu’amplifier la lumière résiduelle, sans l’intégration d’un MCP. De fait il vous faudra soit une lumière résiduelle conséquente (pleine lune…) soit (comme une caméra de sécurité par exemple) des diodes IR, soit une torche IR. Il est essentiel de noter que toute émission d’infra-rouges est détectable. C’est con d’être un sniper abattu à cause de ce genre d’erreurs.

L’amplification sera identique (voir supérieure) à un tube de génération « 1+ » (soit 1000x) avec un rendu d’image meilleur – notamment de par l’absence de distorsion sur les bords de celle-ci.

Son avantage le plus décisif c’est qu’évidemment les contraintes liées aux tubes disparaissent. Vous pouvez utiliser la lunette de jour sans aucun risque, ni pour vos yeux, ni pour l’appareil. Il sera de même beaucoup plus simple d’exploiter tous les avantages d’un appareil numérique (enregistrement d’images ou de vidéos, intégration d’un télémètre, d’un baromètre…).

Ce type de produit sera parfait pour un usage de « loisir » ou de sécurisation de zone en niveau de vigilance « bas » et au combat en basse intensité. IL SERA A ÉVITER AU COMBAT FACE À DES SOLDATS PROFESSIONNELS ET ÉQUIPÉS.

CE QU’IL FAUT RETENIR POUR CHOISIR SA LUNETTE DE VISION NOCTURNE :

• De la simple logique : l’investissement effectué doit être en rapport avec la ou les missions à venir

• Chaque tube a une durée de vie – une utilisation professionnelle devra donc intégrer un seuil de renouvellement des appareils
  

• Autant que possible essayer de sélectionner une lunette qui soit polyvalente (utilisable à la main, qui se monte sur un casque ET sur une arme par exemple) – sauf pour les utilisations très spécifiques (sniper…)

• Déterminer la qualité globale d’une lunette grâce à son FOM (Figure Of Merite) – reportez vous au glossaire ci dessous pour en comprendre la formule

GLOSSAIRE « VISION NOCTURNE »

• Automatic Brightness Control (ABC) :

Contrôle automatique de la luminosité (permet la modulation de la tension transmise sur le MCP en fonction de l’intensité de la luminosité résiduelle).

• Auto Gating (ATG) :

Permet le contrôle de la tension transmise à la photocathode (et d’en réduire ou d’en couper le cycle) lors d’une exposition à une luminosité agressive (tir de nuit, incendie, éclairs, éclairage public, halo dégagé par des zones urbaines…). Cette fonctionne préserve votre vision des détails en ambiance lumineuse intense et sécurise la photocathode (qui pourrait être durablement dégradée sans cette fonction). Utile, voir indispensable, pour les pilotes d’aéronefs – surtout en altitude basse – les forces spéciales et les interventions en zone urbaine.

• lp / mm (paires de lignes par millimètre):

Unité utilisée pour mesurer la résolution de l’intensificateur d’image. Généralement déterminé à partir d’une cible de test de puissance de résolution de l’armée de l’air américaine de 1951. La cible est une série de motifs de tailles différentes composés de trois lignes horizontales et de trois lignes verticales. Un utilisateur doit pouvoir distinguer toutes les lignes horizontales et verticales et les espaces entre elles.

• Scintillation :

Effet aléatoire et brillant dans toute la zone de l’image. La scintillation, parfois appelée « bruit vidéo », est une caractéristique normale des intensificateurs d’image à plaque à micro-canaux et est plus prononcée dans des conditions de faible luminosité.

• Rapport signal sur bruit (SNR):

Ratio entre l’amplitude du signal et l’amplitude du bruit. Si le bruit (voir la définition de « scintillation ») est aussi brillant et grand que l’image intensifiée, vous ne pouvez pas voir l’image. Le rapport signal / bruit change avec le niveau de lumière car le bruit reste constant mais le signal augmente (niveaux de lumière plus élevés). Plus le rapport SNR est élevé, plus le périphérique fonctionne de manière optimale dans un environnement « sombre » – avec une lumière résiduelle faible quoi.

• μA / lm (Microampères par Lumen):

Mesure du courant électrique (μA) produit par une photocathode lorsqu’elle est exposée à une quantité de lumière mesurée (lumens).

• Résolution :

La capacité d’un intensificateur d’image ou d’un système de vision nocturne à distinguer les détails de votre environnement. La résolution du tube intensificateur d’image est mesurée en paires de lignes par millimètre (lp / mm) tandis que la résolution du système est mesurée en cycles par milliradian. Pour tout système de vision nocturne avec un grossissement de 1, la résolution du tube restera constante alors que la résolution d’une autre lunette peut être affectée en modifiant le focus et le grossissement de l’oculaire et en ajoutant des filtres d’agrandissement ou des lentilles « relais ». Souvent, la résolution dans le même dispositif de vision nocturne est très différente lorsqu’elle est mesurée au centre de l’image et à la périphérie de l’image. Ceci est particulièrement important pour les appareils sélectionnés pour la photographie ou la vidéo où la résolution de l’image entière est importante.

• MCP (Microchannel Plate):

La fameuse « galette » de micro-canaux qui multiplie les électrons produits par la photocathode. Un MCP ne se trouve que dans les systèmes de Gen 2 et Gen 3. Les MCP éliminent les caractéristiques de distorsion des systèmes Gen 0 et Gen 1. Le nombre de « trous » (micro-canaux) dans un MCP est un facteur majeur dans la détermination de la résolution.

• Figure of Merit (FOM):

Si il y a un seul élément à retenir de cet article de blog c’est celui la ! La FOM se détermine comme suit : résolution (paires de lignes par millimètre) x signal sur bruit. C’est sur ce critère que vous déterminerez la « qualité » du tube de votre lunette.

Comme toujours, restez en sécurité & soyez bénis !